數(shù)字pid控制示例

1、課程設(shè)計報告題 目： 數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計（II） 課 程： 計算機控制技術(shù)課程設(shè)計 專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 班 級： 姓 名： 學(xué) 號： 第 一 部 分任務(wù)書計算機控制技術(shù)課程設(shè)計任務(wù)書一、課題名稱數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計（II）二、課程設(shè)計目的課程設(shè)計是課程教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，是達到教學(xué)目標的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實踐和實際動手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計算機控制技術(shù)是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計算機控制技術(shù)的課程設(shè)計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理

2、論、程序設(shè)計、硬件電路設(shè)計等方面的知識融合。通過課程設(shè)計，加深對學(xué)生控制算法設(shè)計的認識，學(xué)會控制算法的實際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方法和設(shè)計步驟，編程調(diào)試，為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設(shè)計和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。三、課程設(shè)計內(nèi)容設(shè)計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現(xiàn)的被控對象構(gòu)成的計算機單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運放等）；由運放實現(xiàn)的被控對象。2. 控制算法：梯形積分型的PID控制。3. 軟件設(shè)計：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)

3、換程序、濾波程序、PID控制程序、D/A輸出程序等。四、課程設(shè)計要求1. 模入電路能接受雙極性電壓輸入（-5V+5V），模出電路能輸出雙極性電壓（-5V+5V）。2. 模入電路用兩個通道分別采集被控對象的輸出和給定信號。3. 每個同學(xué)選擇不同的被控對象：4. PID參數(shù)整定，根據(jù)情況可用擴充臨界比例度法，擴充響應(yīng)曲線法等。5. 定時中斷時間可在10-50ms中選取，采樣周期取定時中斷周期的整數(shù)倍，可取30-150ms，由實驗結(jié)果確定。6. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。有關(guān)的設(shè)計資料可參考計算機控制實驗指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容。五、課程設(shè)計實驗結(jié)果1. 控制系統(tǒng)能正確運行。2. 正確整定PID參數(shù)

4、后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)<10%，調(diào)節(jié)時間盡量短。六、進度安排序號內(nèi)容天數(shù)1布置任務(wù)，熟悉課題要求0.52總體方案確定，硬件電路設(shè)計1.53熟悉實驗箱及C語言開發(fā)環(huán)境，研讀范例程序，14控制算法設(shè)計15軟件編程，調(diào)試16實驗17總結(jié)，撰寫課程設(shè)計報告1七、課程設(shè)計報告內(nèi)容：總結(jié)設(shè)計過程，寫出設(shè)計報告，設(shè)計報告具體內(nèi)容要求如下：1課程設(shè)計的目和設(shè)計的任務(wù)。2課程設(shè)計的要求。3控制系統(tǒng)總框圖及系統(tǒng)工作原理。4控制系統(tǒng)的硬件電路連接圖（含被控對象），電路的原理。 5軟件設(shè)計流程圖及其說明。6電路設(shè)計，軟件編程、調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法。7實驗結(jié)果及其分析。8體會。第 二 部 分課程設(shè)計報告

5、目 錄 （宋體2號加粗）1 課題簡介 .11.1 課程設(shè)計目的.11.2 課程設(shè)計任務(wù).11.3 課程設(shè)計要求.12 數(shù)字PID控制系統(tǒng)方案設(shè)計.22.1 控制系統(tǒng)框圖與介紹.22.2 閉環(huán)工作原理.23 數(shù)字PID控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路.33.2 D/A轉(zhuǎn)化電路.43.3 被控對象.53.4 總體硬件電路設(shè)計.54 數(shù)字PID控制系統(tǒng)控制算法設(shè)計4.1 梯形積分原理 .54.2 采樣周期的選擇.55數(shù)字PID控制系統(tǒng)軟件編程設(shè)計5.1 主程序.65.2 定時中斷程序.75.3 PID程序.85.3濾波程序.96 實驗與結(jié)果分析6.1 系統(tǒng)的調(diào)試.96.2 試驗的結(jié)果.10

6、7 小結(jié)與體會.121 課題簡介 1.1 課程設(shè)計目的課程設(shè)計是課程教學(xué)中的一項重要內(nèi)容，是達到教學(xué)目標的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實踐和實際動手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計算機控制技術(shù)是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設(shè)計環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計算機控制技術(shù)的課程設(shè)計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計、硬件電路設(shè)計等方面的知識融合。通過課程設(shè)計，加深對學(xué)生控制算法設(shè)計的認識，學(xué)會控制算法的實際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)的整體設(shè)計方法和設(shè)計步驟，

7、編程調(diào)試，為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設(shè)計和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。 1.2課程設(shè)計任務(wù)設(shè)計以89C51單片機和ADC、DAC等電路、由運放電路實現(xiàn)的被控對象構(gòu)成的計算機單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運放等）；由運放實現(xiàn)的被控對象。2. 控制算法：梯形積分型的PID控制。3. 軟件設(shè)計：主程序、中斷程序、A/D轉(zhuǎn)換程序、濾波程序、PID控制程序、D/A輸出程序等。1.3課程設(shè)計要求1. 模入電路能接受雙極性電壓輸入（-5V+5V），模出電路能輸出雙極性電壓（-5V+5V）。2. 模入電路用兩個通道分別采集

8、被控對象的輸出和給定信號。3. 每個同學(xué)選擇不同的被控對象：2 數(shù)字PID控制系統(tǒng)方案設(shè)計2.1 控制系統(tǒng)框圖與介紹圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖該閉環(huán)控制系統(tǒng)的被控對象為二階控制對象： 首先利用模數(shù)轉(zhuǎn)換單元對兩路信號（給定和輸出）進行采樣，經(jīng)A/D轉(zhuǎn)換后輸入到單片機中，由單片機計算偏差，在進行PID計算，然后輸出給D/A轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換成為模擬量后，最后對控制對象進行控制。被控對象由兩只運放及阻容元件構(gòu)成。2.2閉環(huán)工作原理由信號正向通路和反饋通路構(gòu)成閉合回路的自動控制系統(tǒng)，又稱反饋控制系統(tǒng)。基于反饋原理建立的自動控制系統(tǒng)。所謂反饋原理，就是根據(jù)系統(tǒng)輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統(tǒng)行為（輸出）與期望

9、行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預(yù)期的系統(tǒng)性能。在反饋控制系統(tǒng)中，既存在由輸入到輸出的信號前向通路，也包含從輸出端到輸入端的信號反饋通路，兩者組成一個閉合的回路。因此，反饋控制系統(tǒng)又稱為閉環(huán)控制系統(tǒng)。反饋控制是自動控制的主要形式。自動控制系統(tǒng)多數(shù)是反饋控制系統(tǒng)。在工程上常把在運行中使輸出量和期望值保持一致的反饋控制系統(tǒng)稱為自動調(diào)節(jié)系統(tǒng)，而把用來精確地跟隨或復(fù)現(xiàn)某種過程的反饋控制系統(tǒng)稱為伺服系統(tǒng)或隨動系統(tǒng)。反饋控制系統(tǒng)由控制器、受控對象和反饋通路組成（見圖）。圖中帶叉號的圓圈為比較環(huán)節(jié)，用來將輸入與輸出相減，給出偏差信號。這一環(huán)節(jié)在具體系統(tǒng)中可能與控制器一起統(tǒng)稱為調(diào)節(jié)器。以爐溫控制為例，受控對象

10、為爐子；輸出變量為實際的爐子溫度;輸入變量為給定常值溫度,一般用電壓表示。爐溫用熱電偶測量，代表爐溫的熱電動勢與給定電壓相比較，兩者的差值電壓經(jīng)過功率放大后用來驅(qū)動相應(yīng)的執(zhí)行機構(gòu)進行控制。同開環(huán)控制系統(tǒng)相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統(tǒng)中，不管出于什么原因（外部擾動或系統(tǒng)內(nèi)部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產(chǎn)生相應(yīng)的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干擾的能力，對元件特性變化不敏感，并能改善系統(tǒng)的響應(yīng)特性。但反饋回路的引入增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性，而且增益選擇不當時會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為提高控制精度，在擾動變量可以測量時，也常同時采用按擾動的控制（即前饋控制）作為反饋控制的補充而構(gòu)成

11、復(fù)合控制系統(tǒng)。 3 數(shù)字PID控制系統(tǒng)硬件電路設(shè)計3.1 A/D轉(zhuǎn)換電路圖2 模數(shù)轉(zhuǎn)換單元如上圖所示是模數(shù)轉(zhuǎn)換單元，其讀地址為0600H063FH，所用芯片為ADC0809，ADC0809是逐次比較式的8路模擬輸入，8位數(shù)字輸出的A/D轉(zhuǎn)換器。其中IN0IN7是8路模擬量輸入端，其中IN1IN5的模擬量輸入允許范圍：0V4.98V，對應(yīng)數(shù)字量為00HFFH，2.5V對應(yīng)80H；IN6和IN7兩路由于接了上拉電阻，所以模擬量輸入允許范圍：-5V+4.98V,對應(yīng)數(shù)字量00HFFH，0V對應(yīng)80H。D0D7是8位數(shù)字量輸出端，A、B、C與ALE控制8路模擬通道的切換，ABC分別與三根地址線或者數(shù)據(jù)

12、線相連，CBA=000111分別對應(yīng)通道IN0IN7。ADC0809采用逐次比較的方法完成A/D轉(zhuǎn)換，由單一的+5V電源提供。片內(nèi)帶有鎖存功能的8路選一的模擬開關(guān)，由C、B、A引腳的編碼來決定所選通道，ACD0809完成一次模數(shù)轉(zhuǎn)換的時間約100um，他可以對05V的電壓進行模數(shù)轉(zhuǎn)換。本課程設(shè)計選用了IN6和IN7分別進行給定和響應(yīng)輸出的兩路采樣。故B、C引腳直接接到了高電平，只需要對A引腳進行控制就能對6,、7通道進行選擇。IN6和IN7可以測量-5V+5V的量，主要是因為加了外部電路。如圖所示，在IN6和IN7的實際輸入端其輸入范圍為05V，而有了外部電路后：當IN6輸入為+5V時，4號引

13、腳電壓V4=5V；當IN6輸入為0V時，由于有電阻R7、R8的串聯(lián)作用故；當IN6輸入為-5V時，由于電阻R7、R8的串聯(lián)作用，故。即實現(xiàn)了-5V+5V輸入。3.2 D/A轉(zhuǎn)換電路圖3 數(shù)模轉(zhuǎn)換單元數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，其地址為0640H067FH，采用TLC7528芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出模數(shù)轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)換時間100ns，滿量程誤差1/2LBS，參考電壓-10V+10V，供電電壓+5V+15V，輸入邏輯電平與TTL兼容。輸入數(shù)字范圍為00HFFH,80H對應(yīng)于0V，輸出電壓為-5V+4.96V。b本課程設(shè)計中采用的TD-ACC+教學(xué)系統(tǒng)中的TLC7528，其輸入數(shù)字量得八

14、位數(shù)據(jù)線、寫線和通道選擇控制線已經(jīng)接至控制計算機的總線上。片選線預(yù)留出待實驗中連接到相應(yīng)的I/O片選上，具體見上圖。如圖所示， ，根據(jù)運算放大器的虛短虛斷的原則，得到：，其中帶入計算化簡得：。由此可知，該芯片TLC7528可以雙極性輸出，但須在單片機中將D/A的輸出值加128后再交給TLC7528芯片進行D/A輸出。3.3控制對象圖4 被控對象如上圖所示，為被控對象的硬件電路的設(shè)計圖。我的被控對象為：G(s)=10/(s+1)(0.4s+1)。其中比例部分由第一個運算放大器直接實現(xiàn)，即100/20=5，第一個運算放大器的積分部分為4*100/1000=0.4，實現(xiàn)被控對象的第二部分，第二個運算

15、放大器的積分部分為5*200/1000=1,實現(xiàn)被控對象的第一部分。3.4總體硬件電路設(shè)計總體硬件電路設(shè)計如圖。主要有信號源模塊、模數(shù)轉(zhuǎn)換單元模塊、51單片機模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換單元模塊以及被控對象幾個部分組成。電路工作流程為：開始時單片機先將型號源中的給定信號和輸出信號通過A/D采樣采進來，進行A/D輸入通道的變換時，由P1.6控制0809中的A端口，所以我選擇的采樣通道為IN6和IN7。采樣結(jié)束之后，有單片機進行微分先行部分的計算，然后將其與給定值相減，所得結(jié)果作為PI調(diào)節(jié)的輸入，經(jīng)過PI調(diào)節(jié)后將最終結(jié)果輸出。在輸出的過程中，由74LS373作為地址鎖存器，74LS139作為地址譯碼器，啟動74

16、LS7528將最終的結(jié)果輸出給被控對象，經(jīng)過被控對象的輸出值又將作為反饋值被采樣到單片機，由此構(gòu)成反饋環(huán)節(jié)。我們所要調(diào)節(jié)的主要是PI的參數(shù)和微分先行中的參數(shù)。4 數(shù)字PID控制算法設(shè)計4.1 梯形積分原理 在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，PID算法表達式為。在計算機控制系統(tǒng)中，離散的數(shù)字PID算法用梯形積分。其控制算式為：。4.2 采樣周期選擇首先，根據(jù)香農(nóng)采樣定理給出了采樣周期的上限，即采樣周期應(yīng)滿足 T/max其中，max為被采集信號的上限角頻率。采樣周期的下限為計算機執(zhí)行程序和輸入輸出所耗的時間，系統(tǒng)的采樣周期只能在Tmax與Tmin之間選擇。其次，要綜合考慮給定值的變化頻率、被控對象的特性、執(zhí)行機構(gòu)

17、類型和控制回路等因素。具體就本次課程設(shè)計的課題來說，一方面，給定方波的周期為1020s間可調(diào)，且控制對象時間常數(shù)接近1s，變化較慢；另一方面，A/D轉(zhuǎn)換時間在100s左右，D/A轉(zhuǎn)換時間在100ns左右，而程序執(zhí)行時間估計在100s左右。故綜合考慮上述因素，采樣周期可以選50ms左右。對于我的控制對象，所選擇的采樣周期為50ms。5 數(shù)字PID控制軟件編程設(shè)計5.1 主程序TMOD = 0x01;time = 10;/定時10mst0_h = (65536 - 1000 * time) / 256;/計算定時器0初值t0_l = (65536 - 1000 * time) % 256;t0_l

18、 = t0_l + 70;/修正因初值重裝而引起的定時誤差TH0 = t0_h;TL0 = t0_l;IT1 = 1;/邊沿觸發(fā)中斷EX1 = 1;/開外部中斷1ET0 = 1;/開定時中斷0TR0 = 1;/啟動定時器 M=N=0;TC = 1;DAC_1= 0x80;/D/A清零 EK = EK_1 = 0;/變量清零AEK =SEK= UK = 0; ZEK = 0; str = 1; EA = 1;/開總中斷 while(1); 主程序?qū)ο到y(tǒng)及變量進行初始化，之后等待中斷。5.2 定時中斷程序 TH0 = t0_h;/重新裝入初值TL0 = t0_l;EX1 = 0;str = 0;s

19、tr = 1;/產(chǎn)生A/D啟動信號 DIN1= 0;EOC = 1; while(!EOC); RK =ADC_7-128; str = 0;str = 1;/產(chǎn)生A/D啟動信號 DIN1= 1;EOC = 1;while(!EOC);YK =ADC_7-128; str = 0;str = 1;EX1 = 1;在程序中，設(shè)置了定時的時間，即10ms，當10ms時間到便會執(zhí)行這段中斷程序，定時的時間可以在主程序中通過設(shè)定time的值進行更改。這段程序的主要目的對A/D采樣進行計時，其中TC是作為采樣周期的變量，如果TC=5則采樣周期為50ms。當定時時間到，首先是對計時器重新賦初值，然后判斷T

20、C是否為零，若為零說明已經(jīng)有了5次定時中斷，即采樣時間到，此時會打開0809進行A/D采樣，并將TC重新賦初值。先計數(shù)器裝初值關(guān)外部中斷1啟動A/D轉(zhuǎn)換，DIN0清零即選擇通道IN6，EOC置1當轉(zhuǎn)換完成即EOC變低電平時輸出RK，再次啟動A/D轉(zhuǎn)換選擇通道IN7同樣當EOC跳低是輸出YK，最后開中斷。5.3PID程序if(TEMP > 0)/判控制量是否溢出，溢出賦極值 if(TEMP >= 127) UK = 127; else UK = (char)TEMP; else if(TEMP <- 128) UK = -128; else UK = (char)TEMP; D

21、AC_1 = UK + 128;/D/A輸出控制量 TC = TK;/采樣周期變量恢復(fù)5.4濾波程序數(shù)字濾波相對與模擬濾波器有如下幾個優(yōu)點：1、 數(shù)字濾波是用程序?qū)崿F(xiàn)的，不需要增加硬件設(shè)備，因此可靠性較高，穩(wěn)定性較好。2、 數(shù)字濾波可以對頻率很低（如0.001Hz）的信號實現(xiàn)濾波，克服了模擬濾波器的缺陷。3、 數(shù)字濾波器可以根據(jù)信號的不同，采用不同的濾波方法或改變?yōu)V波參數(shù)，具有靈活、方便功能強等優(yōu)點。本課程設(shè)計所采用的濾波方法為滑動濾波。假設(shè)m=2，課設(shè)2個變量X、Y，在每個采樣周期后，講本次所采的值賦給X，在下一個采樣周期結(jié)束的時候，將X的值賦給Y，本次采樣值賦給X。每次的采樣輸出值。YK

22、=(ADC_7-128+X)/2; X=ADC_7-128;/外中斷RK =(ADC_7-128+Y)/2; Y=ADC_7-128;/定時器中斷這是在程序里主要添加的濾波程序，采用的是滑動濾波N=2。6 實驗與結(jié)果分析6.1 系統(tǒng)調(diào)試比例系數(shù)能迅速反應(yīng)誤差，從而減小誤差，但比例系數(shù)不能消除穩(wěn)態(tài)誤差，KP的加大會引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定；積分項的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷地積累。輸出控制量以消除靜差，因而只要有足夠的時間積分控制項能完全消除靜差，積分作用太強，會使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至可能使系統(tǒng)出現(xiàn)振蕩；微分控制可以減小超調(diào)，克服振蕩，是系統(tǒng)穩(wěn)定性提高，同時加快系統(tǒng)響應(yīng)速度，減小調(diào)整時間

23、，從而改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在調(diào)試的過程中，我們采用的是湊試法整定PID參數(shù)，我們采用的是現(xiàn)比例后積分在微分的方法。首先只整定比例部分。即將比例系數(shù)由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)相應(yīng)直到得到響應(yīng)快，超調(diào)小的響應(yīng)曲線。如果系統(tǒng)沒有靜差或靜差已經(jīng)小到允許范圍內(nèi)，切且應(yīng)曲線已令人滿意，那么只需要比例環(huán)節(jié)即可，最有比例系數(shù)可由此確定。如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上靜差不能滿足設(shè)計要求，則需要加入積分環(huán)節(jié)，整定時首先將積分時間Ti設(shè)一較大值，并將第一步得到的比例系數(shù)縮小，然后減小積分時間Ti，使系統(tǒng)在保持良好的動態(tài)性能的情況下，靜差得到消除。如使用比例積分環(huán)節(jié)消除了靜差，但動態(tài)性能反復(fù)調(diào)節(jié)仍不能讓人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構(gòu)成比例積分微分控制器。在整定時，先置TD=0，在第二步的基礎(chǔ)上，增大TD，同事相應(yīng)的改變比例系數(shù)KP和積分時間Ti，逐步試湊，以達到滿意的效果。 按照以上步驟，整定出參數(shù)KP=0.6，Ti=150，TD=0。6.2 實驗結(jié)果控制輸出曲線響應(yīng)曲線加濾波后控制輸出曲線加濾