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： 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. 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： 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. 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 5.3 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0.5，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。 图6.1未加滤波时的响应曲线 图6.2 加滤波时的响应曲线 6.2 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。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 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