揚(yáng)州數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1、揚(yáng)州大學(xué)能源與動(dòng)力工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（II） 課 程： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 姓 名： 學(xué) 號(hào)： 第 一 部 分任務(wù)書計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（II）二、課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)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(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的

2、過程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的整定工作打下基礎(chǔ)。三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)以89C51單片機(jī)、ADC、DAC等電路和運(yùn)放電路組成的被控對(duì)象構(gòu)成的單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計(jì)：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路ADC0809和模出電路TLC7528；由運(yùn)放構(gòu)成的被控對(duì)象。2. 控制算法：增量梯形積分型的PID控制算法。3. 軟件設(shè)計(jì)：主程序、定時(shí)中斷程序、A/D轉(zhuǎn)

3、換程序、濾波程序、D/A輸出程序、PID控制程序等。四、課程設(shè)計(jì)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. 被控對(duì)象每個(gè)同學(xué)選擇不同：3. PID參數(shù)整定，根據(jù)情況可用擴(kuò)充臨界比例度法，擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。4. 定時(shí)中斷可在10-50ms中選取，采樣周期取采樣中斷的整數(shù)倍，可取30-150ms，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。5. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。有關(guān)的設(shè)計(jì)要求可參考計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容。五、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. 系統(tǒng)正確運(yùn)行2. 正確整定PID參數(shù)后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)<10%，調(diào)節(jié)時(shí)間盡量短。六、進(jìn)度安排序號(hào)內(nèi)容天數(shù)1

4、布置任務(wù)，查閱資料0.52總體方案確定，硬件電路設(shè)計(jì)1.53熟悉實(shí)驗(yàn)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(jì)15軟件編程，調(diào)試16實(shí)驗(yàn)17總結(jié)，撰寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告1七、課程設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容：總結(jié)設(shè)計(jì)過程，寫出設(shè)計(jì)報(bào)告，設(shè)計(jì)報(bào)告具體內(nèi)容要求如下：1課程設(shè)計(jì)的目和設(shè)計(jì)的任務(wù)。2課程設(shè)計(jì)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(duì)象），電路的原理。 5軟件設(shè)計(jì)流程圖及其說明。6電路設(shè)計(jì)，軟件編程、調(diào)試中遇到的問題及分析解決方法。7實(shí)驗(yàn)結(jié)果及其分析。8體會(huì)。第 二 部 分課程設(shè)計(jì)報(bào)告目 錄1 課題簡(jiǎn)介根據(jù)偏差的比例(P)、積分(I)、微分(D)進(jìn)行控制(簡(jiǎn)稱PID控

5、制),是控制系統(tǒng)中應(yīng)用最為廣泛的一種控制規(guī)律。實(shí)際運(yùn)行的經(jīng)驗(yàn)和理論的分析都表明，運(yùn)用這種控制規(guī)律對(duì)許多工業(yè)控制過程進(jìn)行控制時(shí)，都能得到滿意的效果。不過，用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)PID控制，不是簡(jiǎn)單的把模擬PID控制規(guī)律化，而是進(jìn)一步與計(jì)算機(jī)的邏輯判斷功能結(jié)合，使PID控制更加靈活，更能滿足生產(chǎn)過程提出的要求。比例控制能迅速反應(yīng)誤差，從而減少誤差，但比例控制不能消除穩(wěn)態(tài)誤差；積分的作用是，只要系統(tǒng)存在誤差，積分控制作用就不斷的積累，輸出控制量以消除誤差，因而只要有足夠的時(shí)間，積分控制將完全消除誤差，積分作用太強(qiáng)會(huì)使系統(tǒng)超調(diào)加大，甚至使系統(tǒng)出現(xiàn)震蕩；微分控制可以減少超調(diào)量，克服震蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性更高，同時(shí)加快

6、系統(tǒng)的響應(yīng)速度，減少調(diào)整時(shí)間，從而改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 （格式：宋體5號(hào)，首行縮進(jìn)2格，單倍行距，下同）2 方案設(shè)計(jì)2.1 *2.2 *3硬件電路設(shè)計(jì)3.1硬件總圖3.2被控對(duì)象被控對(duì)象選擇為，硬件設(shè)計(jì)圖如下：3.3譯碼電路圖此處用到了鎖存器和3-8譯碼器，先對(duì)低八位地址鎖存，然后對(duì)低八位中的P0.6和高八位中的P2.1,P2.2進(jìn)行譯碼，由Y3和Y7引出，分別接至模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的ENABLE和數(shù)模轉(zhuǎn)單元的/OE接口，從而實(shí)現(xiàn)地址0600和0640對(duì)兩轉(zhuǎn)換單元的片選。當(dāng)?shù)刂窞?600時(shí)CBA輸入信號(hào)為011，Y3輸出低電平片選模數(shù)轉(zhuǎn)換單元；當(dāng)?shù)刂?640為CBA輸入信號(hào)為111，Y7輸出為低電平

7、，片選了數(shù)模轉(zhuǎn)換單元。4控制算法設(shè)計(jì)4.1 模擬PID調(diào)節(jié)器控制規(guī)律為：4.2數(shù)字PID增量梯形積分型控制算法其中有如下近似： 計(jì)算可得：5軟件編程設(shè)計(jì)5.1流程圖5.2軟件程序#include <reg51.h>#include <absacc.h>#include <math.h>/*宏定義*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC_7 XBYTE0x0600/定義模數(shù)轉(zhuǎn)換IO地址#define DAC_1 XBYTE0x0640/定義D/A第一路的IO地址/*全局變

8、量定義*/sbit str = P17;/定義A/D啟動(dòng)信號(hào)sbit DIN0 = P10;/聲明同步信號(hào)uint data time;/聲明變量，用于定時(shí)uchar data t0_h,t0_l;/用于存儲(chǔ)定時(shí)器0的初值char TK = 5;/聲明采樣周期變量,/采樣周期TK*10mschar TC;/TK的變量float kp =1.8;/比例系數(shù)uint ti =80;/積分系數(shù)char td = 2;/微分系數(shù)char IBAND = 120;/積分分離值char EK;/當(dāng)前采樣的偏差值char EK_1;/上一次采樣的偏差值char AEK;/偏差的變化量char UK;/當(dāng)前時(shí)

9、刻的D/A輸出char AEK_1;char BEK;char CEK;float ZEK;/*主函數(shù)*/void main(void) TMOD = 0x01;time = 10;/定時(shí)10mst0_h = (65536 - 1000 * time) / 256;/計(jì)算定時(shí)器0初值t0_l = (65536 - 1000 * time) % 256;t0_l = t0_l + 70;/修正因初值重裝而引起的定時(shí)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(shí)中斷0TR0 = 1;/啟動(dòng)定時(shí)器TC = 1;DA

10、C_1= 0x80;/D/A清零EK = EK_1 = 0;/變量清零 AEK =BEK=AEK_1=CEK= UK = 0;ZEK = 0;str = 1;EA= 1;/開總中斷while(1);/*函數(shù)名：INT1功能 ：1號(hào)外部中斷服務(wù)程序 參數(shù) ：無* 返回值：無 * */void int1() interrupt 2 using 2float P,D,I,TEMP,TEMP1;DIN0 = 1;/讀取輸入前，先輸出高電平 if(DIN0)/判同步信號(hào)到否 EK = EK_1 = 0;/變量清零UK = AEK = BEK=CEK=AEK_1=0; ZEK = 0; DAC_1 = 0

11、x80;/D/A輸出零TC=1; else TC-;/判采樣周期到否 if(TC = 0) EK = ADC_7 - 128;/采樣當(dāng)前的偏差值，并計(jì)算偏差的變化量 AEK = EK - EK_1;BEK =(EK+EK_1)/2;CEK =AEK-AEK_1; EK_1= EK;AEK_1=AEK; if(abs(EK)> IBAND) I = 0;/判積分分離值 else ZEK=EK+ZEK; I= BEK * TK;I= I / ti;P =AEK; D = CEK * td;/計(jì)算微分項(xiàng) D = D / TK; TEMP = (P + I + D) * kp;/計(jì)算比例項(xiàng) TE

12、MP1=(EK_1+ ZEK*TK/ti+AEK_1*td/TK)*kp;TEMP=TEMP+TEMP1;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; DAC_1 = UK + 128;/D/A輸出控制量 TC = TK;/采樣周期變量恢復(fù)/*函數(shù)名：Timer0功能 ：定時(shí)器0中斷服務(wù)程序參數(shù) ：無 返回值：無 */void Timer0() interrupt 1 using 1TH0 = t0_h;/重新裝入初值TL0 = t0_l;str = 0;str = 1;/產(chǎn)生A/D啟動(dòng)信號(hào)6 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析6.1實(shí)驗(yàn)波形6.2 結(jié)果分析經(jīng)過對(duì)PID參數(shù)的調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)的波形較好的實(shí)現(xiàn)了控制的要求，使得階躍超調(diào)小于10%，而且相應(yīng)時(shí)間較快，控制算法及程序是可靠的。7 小結(jié)與體會(huì)參 考 文 獻(xiàn)（列出你所利用的參考文獻(xiàn)。格式參