數字PID控制系統設計

數字PID控制系統設計PAGEPAGE15課題簡介課程設計目的課程設計是課程教學中的一項重要內容，是達到教學目標的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強的實踐教學環(huán)節(jié)，它對幫助學生全面牢固地掌握課堂教學內容、培養(yǎng)學生的實踐和實際動手能力、提高學生全面素質具有很重要的意義。《計算機控制技術》是一門理論性、實用性和實踐性都很強的課程，課程設計環(huán)節(jié)應占有更加重要的地位。計算機控制技術的課程設計是一個綜合運用知識的過程，它需要控制理論、程序設計、硬件電路設計等方面的知識融合。通過課程設計，加深對學生控制算法設計的認識，學會控制算法的實際應用，使學生從整體上了解計算機控制系統的實際組成，掌握計算機控制系統的整體設計方法和設計步驟，編程調試，為從事計算機控制系統的理論設計和系統的調試工作打下基礎。課程設計任務89C51ADC、DAC算機單閉環(huán)反饋控制系統。硬件電路設計：89C51最小系統加上模入電路（用ADC0809等）路（TLC7528和運放等）；由運放實現的被控對象。PID控制。軟件設計：主程序、中斷程序、A/D轉換程序、濾波程序、PID控制程序、D/A輸出程序等。課程設計要求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）。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。每個同學選擇不同的被控對象：PID控制系統框圖與介紹圖1-1系統結構框圖該閉環(huán)控制系統的被控對象為二階控制對象：首先利用模數轉換單元對兩路信號（給定和輸出）進行采樣，經A/DPIDD/A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成。閉環(huán)工作原理由信號正向通路和反饋通路構成閉合回路的自動控制系統，又稱反饋控制系統。基于反饋原理建立的自動控制系統。所謂反饋原理，就是根據系統輸出變化的信息來進行控制，即通過比較系統行為（輸出）與期望行為之間的偏差，并消除偏差以獲得預期的系統性能。在反饋控制系統中，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，反饋控制系統又稱為閉環(huán)控制系統。反饋控制是自動控制的主要形式。自動控制系統多數是反饋控制系統。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稱為自動調節(jié)系統，而把用來精確地跟隨或復現某種過程的反饋控制系統稱為伺服系統或隨動系統。反饋控制系統由控制器、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)在具體系統中可能與控制器一起統稱為調節(jié)器。以爐溫控制為例，受控對象為爐子；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，兩者的差值電壓經過功率放大后用來驅動相應的執(zhí)行機構進行控制。同開環(huán)控制系統相比，閉環(huán)控制具有一系列優(yōu)點。在反饋控制系統中，不管出于什么原因（外部擾動或系統內部變化），只要被控制量偏離規(guī)定值，就會產生相應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，并能改善系統的響應特性。但反饋回路的引入增加了系統的復雜性，而且增益選擇不當時會引起系統的不穩(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成復合控制系統。PIDA/D圖2-1模數轉換單元0600H~063FHADC08098路模擬輸入，8A/D8IN1~IN5的模擬量輸入允許范圍：0V~4.98V00H~FFH，2.5V80H；IN6IN7許范圍：-5V~+4.98V,00H~FFH，0V80H。D0~D78端，A、B、C與ALE8路模擬通道的切換，ABC連，CBA=000~111IN0~IN7。ADC0809A/D換，由單一的+5V8C、B、引腳的編碼來決定所選通道，ACD0809完成一次模數轉換的時間約100um0~5V的電壓進行模數轉換。IN6IN7B、CA6,、7通道進行選擇。IN6IN7可以測量-5V~+5VIN6IN7的實際0~5V，而有了外部電路后：IN6輸入為IN6輸入為+5V時，4V4=5V；IN60VR7、R8的串聯作用故；IN6輸入為-5VR7、R8的串聯作用，故。即實現了-5V~+5V輸入。圖3-1數模轉換單元0640H~067FHTLC75288位、并行、兩路、電壓型輸出模數轉換器。其主要參數如下：轉換時間100ns，滿量程誤差如圖所示，，根據運算放大器的虛短虛斷的原則，得到：其中，，帶入計算化簡得：參考電壓-10V~+10V，供電電壓+5V~+15VTTL兼容。輸入數字范圍為00H~FFH,80H0V，輸出電壓為-5V~+4.96VTD-ACC+教學系統中的TLC7528，其輸入數字量得八位數據線、寫線和通道選擇控制線已經接至控制如圖所示，，根據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。控制對象圖3-2被控對象如上圖所示，為被控對象的硬件電路的設計圖。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，即100/20=54*100/1000=0.45*200/1000=1,實現被控對象的第一部分。總體硬件電路設計總體硬件電路設計如圖。主要有信號源模塊、模數轉換單元模塊、51單片機模塊、數模轉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，P1.60809AIN6IN7。采樣結束之后，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，所得結果作為PI調節(jié)的輸PI74LS37374LS13974LS7528將最終的結果輸出給被控對象，經過被控對象的輸出值又將作為反饋值被采樣到單片機，由此構成反饋環(huán)節(jié)。我們所要調節(jié)的主要是PI的參數和微分先行中的參數。PID梯形積分原理在模擬調節(jié)系統中，PID算法表達式為：在計算機控制系統中，離散的數字PID算法用梯形積分。其控制算式為：采樣周期選擇首先，根據香農采樣定理給出了采樣周期的上限，即采樣周期應滿足：T≤π/ωmax其中，ωmax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)行機構類型和控制回10~20s1s，變化較慢；另一方面，A/D100μsD/A100ns100μs50ms50ms。PID主程序TMOD=0x01;time10; //TMOD=0x01;time10; //10mst0_h(655361000*time)/256;//0初值t0_l=(65536-1000*time)256;t0_l=t0_l+70;TH0=t0_h;TL0=t0_l;IT1=1;EX1=1;ET0=1;//修正因初值重裝而引起的定時誤差//邊沿觸發(fā)中斷//1//0TR0=1;M=N=0;TC=1;DAC_1=0x80;//啟動定時器//D/A清零EK=EK_10; //變量清零AEK=SEK=UK=0;ZEK=0;str=1;EA=1;EA=1;while(1);//開總中斷主程序對系統及變量進行初始化，之后等待中斷。定時中斷程序TH0=t0_h;TL0=t0_l;EX1=0;str=0;str=TH0=t0_h;TL0=t0_l;EX1=0;str=0;str=1;DIN1=0;EOC=1;while(!EOC);//重新裝入初值//A/D啟動信號RK=ADC_7-128;str=0;str=1;DIN1=1;EOC=1;//A/D啟動信號while(!EOC);while(!EOC);YK=ADC_7-128;str=0;str=1;EX1=1;在程序中，設置了定時的時間，即10ms，當10ms時間到便會執(zhí)行這段中斷程序，time采樣進行計時，其中TC是作為采樣周期的變量，如果TC=550msTC50809進行A/D采樣，并將TC1A/D轉換，DIN0IN6，EOC置1當轉換完成即EOC變低電平時輸出RK，再次啟動A/D轉換選擇通道IN7同樣當EOC跳低是輸出YK，最后開中斷。PID圖5-3定時中斷程序if(TEMPif(TEMP0) //判控制量是否溢出，溢出賦極值{if(TEMP>=127)UK=127;elseUK=(char)TEMP;}else{if(TEMP<-128)UK=-128;elseUK=(char)TEMP;}DAC_1=UK+128;//D/A輸出控制量TCTK; //采樣周期變量恢復濾波程序數字濾波相對與模擬濾波器有如下幾個優(yōu)點：較好。數字濾波可以對頻率很低（0.001Hz）器的缺陷。有靈活、方便功能強等優(yōu)點。m=2m=22XYX，XYX出值。YK=(ADC_7-128+X)/2;X=ADC_7-128;//外中斷RK=(ADC_7-128+Y)/2;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。實驗與結果分析系統調試KP加大會引起系統的不穩(wěn)定；積分項的作用是，只要系統存在誤差，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，會使系統超調加大，甚至可能使系統出現振蕩；微分控制可以減小超調，克服振蕩，是系統穩(wěn)定性提高，同時加快系統響應速度，減小調整時間，從而改善系統的動態(tài)性能。在調試的過程中，我們采用的是湊試法整定PID參數，我們采用的是現比例后積分在微分的方法。首先只整定比例部分。即將比例系數由小變大，并觀察相應的系統相應直到得到響應快，超調小的響應曲線。如果系統沒有靜差或靜差已經小到允許范如果在比例調節(jié)的基礎上靜差不能滿足設計要求，則需要加入積分環(huán)節(jié)，整定時首先TiTi，使系統在保持良好的動態(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)性能反復調節(jié)仍不能讓人滿意，則可以加入微分環(huán)節(jié)，構成比例積分微TD=0TD，同事相應的改變比KPTi，逐步試湊，以達到滿意的效果。按照以上步驟，整定出參數KP=0.6，Ti=150，TD=0。實驗結果控制輸出曲線：圖6-1控制輸出曲線響應曲線：圖6-2響應曲線加濾波后控制輸出曲線：圖6-3加濾波后控制輸出曲線加濾波后響應曲線：圖6-4加濾波后響應曲線小結與體會為期一周半的課程設計結束了，在這一周半的時間內，心中產生了許多疑問，因此我也學到了很多。當我們在第一天拿到課程設計題目的時候我們是丈二和尚摸不著頭腦，完全不知道該從何處下手。但是在老師的指導與同學的幫助下，我們順利的完成了這次的課程設計。在這期間我逐漸熟悉了protol和keiluvisions兩個軟件。我拿到的課題是數字控制系統設計，其中控制算法要求我們用梯形積分的PID控制。可是對于梯形積分我基本上已經毫無印象，不得已我只能翻書進行查找。在硬件電路設計中我們遇到的困ADC0809