数字PID控制系统设计(I)

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 1 第 一 部 分 任 务 书 2 计算机控制技术计算机控制技术 课程设计任务书课程设计任务书 一 课题名称一 课题名称 数字 PID 控制系统设计 I 二 课程设计目的二 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 控制算法仿真 在 simulink 中建立系统仿真图 编写 S function 对算法进行仿真 四 课程设计要求四 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 每个同学选择不同的被控对象 44 0 21 0 81 G sG s ssss 55 0 81 0 31 0 81 0 21 G sG s ssss 510 1 0 81 1 0 41 G sG s ssss 88 0 81 0 41 0 41 0 51 G sG s ssssss 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 3 5 对象输出端加上扰动 扰动可选择小幅度正弦信号 小幅度阶跃信号 小幅度的脉冲信号 扰动的出现时刻选择在系统进入稳态后的适当时刻 6 对采样信号加上滤波算法 算法可选择滑动平均值法 复合滤波 惯性滤波等 7 simulink 仿真采用 ode4 定步长 仿真步长可取 0 1 1ms 采样周期可取 20 100ms 由实验结果确定 8 S function 的函数名由各人姓名拼音缩写 学号后 3 位数组成 五 课程设计实验结果五 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umax uk umax end 当输出超过最大值5V 则输出为5V 并停止 if uk umax uk umax end 当输出小于最小值 5V 则输出为 5V 并 停止 sys yk end mdlOutputs 12 6 实验与结果分析实验与结果分析 6 1 凑试法确定凑试法确定 PID 参数参数 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 5 ti 取 6 td 取 0 05 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 加滤波程序后 响应曲线如图 6 2 所示 05101520253035404550 0 0 5 1 1 5 2 2 5 Time seconds data Time Series Plot 图 6 1 未加滤波时的响应曲线 13 05101520253035404550 0 0 5 1 1 5 2 2 5 Time seconds data Time Series Plot 图 6 2 加滤波时的响应曲线 6 2 实验结果分析实验结果分析 由上两图对比可得 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 小结与体会小结与体会 为期一周半的计算机控制课程设计已经结束了 这次的课程设计做的是增量型数字 PID 控制系统设计 通过这次的课程设计我充分认识到了自己的不足之处 首先是计算机控制知识储备方面 其次是 DXP 和 matlab 的 simulink 仿真方面 对于一个电路设计我们不仅要知道原理更为重要的是要知道如何设计 设计的 过程是一个比原理理解过程复杂的多的一个过程 原理易懂 参数整定难 这是我对它的认识 课程设计是培养学生综合运用所学知识 发现 提出 分析和解决实际问题 锻炼实践能力的重要环节 是对 学生实际工作能力的具体训练和考察过程 随着科学技术发展的日新日异 电力电子技术的应用日益广泛 这次课程设计 加强了我们动手 思考和解决问题的能力 在整个设计过程中 我得体会们通过这个方案 包括设计了一套电路原理和连接图 和器件上的选择 14 通过此次实验设计 使我熟悉并掌握计算机控制的应用 对增量型数字 PID 电路等有了深入的了解 更加深刻的了解了数字 PID 控制器的设计 掌握了数字 PID 的工作原理 通过仿真对电路和工作原理进一 步理解 在设计以及仿真过程中所遇到的问题能过综合运用所学知识 或者在网上找些资料解决在设计中 的一些问题 因此对数字 PID 的控制的方法 系统的主电路 控制电路的设计方法 元器件的选择有了较 深刻的体会 在设计过程中虽然遇到了一些问题 但经过一次又一次的思考 一遍又一遍的检查终于找出 了原因所在 也暴露出了前期我在这方面的知识欠缺和经验不足 实践出真知 通过亲自动手制作 使我 们掌握的知识不再是纸上谈兵 这次课程设计对我来说是一个很大的考验 在设计中遇到了很多专业知识问题 最后在老师的辛勤指 导下 终于游逆而解 同时 在老师的身上我们学也到很多实用的知识 在次我们表示感谢 同时 对给 过我帮助的所有同学和各位指导老师再次表示忠心的感谢 此次课程设计 学到了很多课内学不到的东西 比如独立思考解决问题 出现差错的随机应变 和与人合作共同提高 都受益非浅 今后的制作应该更轻 松 自己也都能扛的起并高质量的完成项目 参参 考考 文文 献献 1 于海生主编 微型计算机控制技术 北京 清华大学出版社 1999 2 张艳兵等编著 计算机控制技术 北