计算机控制课程设计报告---数字PID控制系统设计.doc

扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告题 目： 数字PID控制系统设计（I） 课 程： 计算机控制技术课程设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 第 一 部 分任务书计算机控制技术课程设计任务书一、课题名称数字PID控制系统设计（I）二、课程设计目的课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。计算机控制技术是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。三、课程设计内容设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、由运放电路实现的被控对象构成的计算机单闭环反馈控制系统。1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）；由运放实现的被控对象。2. 控制算法：增量型的PID控制。3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、PID控制程序、D/A输出程序等。四、课程设计要求1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V+5V），模出电路能输出双极性电压（-5V+5V）。2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。3. 选择的被控对象： 4. PID参数整定，根据情况可用扩充临界比例度法，扩充响应曲线法等。5. 定时中断时间可在10-50ms中选取，采样周期取定时中断周期的整数倍，可取30-150ms，由实验结果确定。6. 滤波方法可选择平均值法，中值法等。有关的设计资料可参考计算机控制实验指导书的相关内容。五、课程设计实验结果1. 控制系统能正确运行。2. 正确整定PID参数后，系统阶跃响应超调 0) /判控制量是否溢出，溢出赋极值 if(TEMP = 127) UK = 127; else UK = (char)TEMP; else if(TEMP - 128) UK = -128; else UK = (char)TEMP; DAC_1=UK+128; /D/A输出控制量 TC=TK; /采样周期变量恢复 EK_2=EK_1; EK_1=EK; 5.4 滤波程序设计 滤波程序主要完成输入值的程序滤波。相对于模拟滤波 ，数字滤波有以下几个优点： 数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，所以可靠性高，稳定性好；数字滤波可以实现对频率很低的信号的滤波，克服了模拟滤波的缺陷； 数字滤波可以根据信号的不同，采用不同的滤波参数，具有灵活、方便、功能强的特点。 由于数字滤波器具有以上优点，所以数字滤波在控制系统中得到了广泛的应用。 在我们的课题中，我们对A/D转换输入到单片机的给定和控制响应分别进行滤波，采用的是滑动窗口平均值滤波。其部分程序如下：char M，N; /滑动窗口大小为2M=N=0; YK= (ADC_7 - 128+M)/2; /取平均值M=ADC_7 - 128; /“滑动” N=ADC_7 - 128; /取平均值RK= (ADC_7 - 128+N)/2; /“滑动”。 6实验与结果分析6.1 凑试法确定PID参数 增大比例系数KP一般能将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会是系统有较大的超调，产生振荡，使系统稳定性变坏。增大积分时间TI有利于减少超调，减少振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间TD也有利于加快系统的响应，使超调减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制减弱，对扰动有较敏感的响应。 综上，采用凑试法的整定步骤为：首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统响应，直到得到反应快，超调小的响应曲线。如果比例调节响应曲线的静差不满足要求，则需加入积分环节。积分时间TI由大往小调，同时略为减小比例系数KP，直到消除静差。若得到的曲线的动态性能不满足要求，需加入微分环节。微分系数TD初值为0，逐渐调大TD，同时相应地改变积分时间和比例系数，逐步凑试，以获得满意的调节效果和控制参数。采用上述步骤，对于我的控制对象（传递函数见式3.3.1），得到的参数为：KP取0.7，ti取200，td取0，用虚拟示波器观察到的未加滤波程序的响应曲线如图6.1，控制输出曲线如图6.2。加滤波程序后，响应曲线如图6.3所示，控制输出曲线如图6.4所示。 图6.1未加滤波时的响应曲线 图6.2未加滤波时的控制输出曲线 图6.3 加滤波时的响应曲线 图6.4加滤波时的控制输出曲线6.2 实验结果分析 由上四图对比可得，加滤波后控制输出变得平稳了许多。相对于不加滤波时，在相同的参数（KP取0.7，ti取200，td取0）下，加滤波后的超调较小。加滤波和不加滤波的曲线的超调量都小于10%满足要求。7 小结与体会转眼间，为期一周半的计算机控制技术课程设计很快就结束了，我们已经进入到撰写课程设计报告的阶段。在做课程设计的过程中，我学到了很多有用的东西。在听完夏老师对任务的分配和课题的讲解后，我们就着手进行数字PID系统控制设计，首先开始的是编程。由于编程是难点，也是我们的软肋，因此大家对程序的设计都是十分的头疼，为此，我们决定先采用原来的程序。然而，使用原来的程序，下载后输出结果十分的不理想。之后，我们就开始调试程序。在通过请教老师和上一组的同学，最终，我们完成了程序这一大难点。然后，就是硬件接线，这部分是比较简单的。在这之后，我们把主要的精力放在PID调节上。由于在这个环节，我还是花了一定的时间的，最后得到的响应曲线还是比较理想的。尽管PID调节并不是很难，但这是一个比较需要时间和耐心的过程。在最后的几天时间里，我主要是在准备写课程设计报告。由于报告里要求有系统电路图，因此我不得不现学Protel软件。我上网找了一些相关的教学视频，经过不断地练习，终于能够独立的运用Protel软件画电路图了。通过这次课程设计，我的理论知识掌握得更扎实，动手能力明显提高。同时，通过网上搜索等多方面的查询资料，我学到许多在书本上没有的知识，也认识到理论联系实践的重要。为期一个星期的课程设计已经结束，这一星期的学习让我对抽象的理论有了具体的认识。这次课程设计提高了我的团队合作水平，是小组成员的默契配合，让我们能够很快很好的完成设计。在试验中我也遇到了不少困难，有一些问题弄不明白，最终都在老师和同学的帮助下解决了，这让我感受到了团队合作的重要性以及自身的不足。最后我想说检验自己所学缺陷的最好方法就是实践，这不仅可以加深对已学知识的理解更可以加强自己的动手能力在实践中找到自己的不足。在这里我要衷心的感谢两位指导老师在课程设计过程中给予我们的指导与帮助。正是在他们，尤其是夏老师的严格要求和耐心指导下，我们才能按要求完成课程设计。参 考 文 献1 于海生主编，微型计算机控制技术，北京：清华大学出版社，19992 张艳兵等编著，计算机控制技术，