課程設計--微分先行pid控制系統(tǒng)設計

1、<p><b>　　課程設計報告</b></p><p>　　題 目： 微分先行PID控制系統(tǒng)設計 </p><p>　　課 程： 計算機控制技術課程設計 </p><p>　　專 業(yè)： 電氣工程及其自動化 </p><p>

2、　　班 級： 　 </p><p>　　姓 名： </p><p>　　學 號： </p><p><b>　　第 一 部 分</b></p><p><

3、b>　　任</b></p><p><b>　　務</b></p><p><b>　　書</b></p><p>　　《計算機控制技術》課程設計任務書</p><p><b>　　一、課題名稱</b></p><p>　　數(shù)字PID控

4、制系統(tǒng)設計</p><p><b>　　二、課程設計目的</b></p><p>　　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。</p><p>　　《計算機控制技術》是一門實用性和實踐性都很強

5、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(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)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(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的整定工作打下基礎。</p><p><b>　　三、課

6、程設計內容</b></p><p>　　設計以89C51單片機、ADC、DAC等電路和運放電路組成的被控對象構成的單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　1. 硬件電路設計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路ADC0809和模出電路TLC7528；由運放構成的被控對象。</p><p>　　2. 控制算法：微分先行的PID控制算法。</p>

7、<p>　　3. 軟件設計：主程序、定時中斷程序、A/D轉換程序、濾波程序、D/A輸出程序、PID控制程序等。</p><p><b>　　四、課程設計要求</b></p><p>　　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）。</p><p>　　2. 被控對象每個同學選擇不同

8、：</p><p>　　3. PID參數(shù)整定，根據(jù)情況可用擴充臨界比例度法，擴充響應曲線法。</p><p>　　4. 定時中斷可在10-50ms中選取，采樣周期取采樣中斷的整數(shù)倍，可取30-150ms，由實驗結果確定。</p><p>　　5. 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。</p><p>　　有關的設計要求可參考《計算機控制實驗指導

9、書》的相關內容。</p><p>　　五、課程設計實驗結果</p><p><b>　　1. 系統(tǒng)正確運行</b></p><p>　　2. 正確整定PID參數(shù)后，系統(tǒng)階躍響應超調<10%，調節(jié)時間盡量短。</p><p><b>　　六、進度安排</b></p><p&g

10、t;　　七、課程設計報告內容：</p><p>　　總結設計過程，寫出設計報告，設計報告具體內容要求如下：</p><p>　　1．課程設計的目和設計的任務。</p><p>　　2．課程設計的要求。</p><p>　　3．控制系統(tǒng)總框圖及系統(tǒng)工作原理。</p><p>　　4．控制系統(tǒng)的硬件電路連接圖（含被控對象）

11、，電路的原理。 </p><p>　　5．軟件設計流程圖及其說明。</p><p>　　6．電路設計，軟件編程、調試中遇到的問題及分析解決方法。</p><p>　　7．實驗結果及其分析。</p><p><b>　　8．體會。</b></p><p><b>　　第 二 部 分<

12、/b></p><p><b>　　課</b></p><p><b>　　程</b></p><p><b>　　設</b></p><p><b>　　計</b></p><p><b>　　報</b>

13、;</p><p><b>　　告</b></p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　1 課題簡介</b></p><p>　　1.1課程名稱..................................................

14、.......................................................................... ６</p><p>　　1.2課程設計目的.............................................................................................................

15、....... ６</p><p>　　1.3課程設計內容.................................................................................................................... ６</p><p>　　1.4課程設計要求.......................

16、............................................................................................. ６</p><p><b>　　2 方案設計</b></p><p>　　2.1 設計步驟...........................................

17、.................................................................................. 7</p><p>　　2.1 系統(tǒng)流程圖及工作原理................................................................................................

18、..... 7</p><p><b>　　3 硬件電路設計</b></p><p>　　3.1被控對象設計....................................................................................................................... 8<

19、/p><p>　　3.2硬件電路圖............................................................................................................................ 8</p><p>　　4 控制算法設計.................................

20、.............................................................................................. 9</p><p><b>　　5 軟件編程設計</b></p><p>　　5.1設計流程圖........................................

21、..................................................................................... 10</p><p>　　5.2程序.....................................................................................................

22、.................................... 11</p><p>　　6 實驗結果與分析.......................................................................................................................... 15</p><p&

23、gt;　　7 小結與體會..................................................................................................................................... 17</p><p>　　參考文獻..........................................

24、...................................................................................................... 18</p><p><b>　　1 課題簡介 </b></p><p><b>　　1.1 課題名稱</b></p>&

25、lt;p>　　微分先行PID控制系統(tǒng)設計</p><p>　　1.2 課程設計目的</p><p>　　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。</p><p>　　《計算機控制技術》是一門實用性和實踐性都很

26、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(tǒng)的實際組成，掌握計算機控制系統(tǒng)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(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的整定工作打下基礎。</p><p>　　1.3 課程設計內容

27、</p><p>　　設計以89C51單片機、ADC、DAC等電路和運放電路組成的被控對象構成單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。</p><p>　　1. 硬件電路設計：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路ADC0809和模出電路TLC7528；由運放構成的被控對象。</p><p>　　2. 控制算法：PID控制加史密斯預估控制。</p><p>　　3. 軟

28、件設計：主程序、定時中斷程序、A/D轉換程序、濾波程序、D/A輸出程序、PID控制加史密斯預估控制程序。</p><p>　　1.4 課程設計要求</p><p>　　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）。</p><p><b>　　2. 被控對象　</b></p>&

29、lt;p>　　３. 定時中斷間隔可在10-20ms中選取，采樣周期T取采樣中斷間隔的整數(shù)倍，可取30-50ms。</p><p>　?。? PID控制器用湊試法整定。</p><p>　?。? 濾波方法可選擇平均值法，中值法等。</p><p>　　2 微分先行PID控制方案設計</p><p><b>　　2.1 設計步驟

30、</b></p><p>　　1、進行硬件設計，根據(jù)Ｇ（Ｚ）改造被控對象</p><p>　　2、進行微分先行控制算法計算</p><p>　　3、讀范例程序，畫出流程圖，進行修改</p><p>　　4、連線，調試實驗結果</p><p>　　2.2控制系統(tǒng)總框圖及系統(tǒng)工作原理</p>&l

31、t;p><b>　　圖１　系統(tǒng)框圖</b></p><p><b>　　采樣y(t)</b></p><p><b>　　計算</b></p><p><b>　　計算</b></p><p>　　進行PI計算u(k)</p><

32、p><b>　　輸出u(k)</b></p><p>　　微分先行PID原理：</p><p>　　它和標準PID控制的不同之處在于，只對被控量y（t）微分，不對偏差e（t）微分，也就是說對給定r（t）無微分作用。這樣就可避免給定值的升降給控制系統(tǒng)帶來沖擊。</p><p>　　3 微分先行PID控制硬件電路設計</p>&

33、lt;p>　　3.1 被控對象設計</p><p>　　被控對象由運放和電阻電容組成，如圖２所示。</p><p><b>　　其中，</b></p><p>　　R1=100K , C1=2Uf , R2=20K</p><p>　　R3=100K , C2=4Uf , R4=200K</p>

34、<p>　　圖２　被控對象電路圖</p><p>　　3.2 硬件電路連接圖</p><p>　　圖３　硬件電路連線圖</p><p>　　4 微分先行PID控制控制算法設計</p><p><b>　　其中</b></p><p>　　而yd（k）可通過雙線性變換法得到，過程如下&

35、lt;/p><p><b>　　………………①</b></p><p><b>　　由①式變型、整理得</b></p><p><b>　　………②</b></p><p><b>　　將上式k變換得到</b></p><p><

36、b>　　………③</b></p><p>　　5 微分先行PID控制軟件編程設計</p><p><b>　　5.1 設計流程圖</b></p><p><b>　　圖４　設計流程圖</b></p><p><b>　　5.2 程序</b></p>

37、<p>　　/*****************************************</p><p><b>　　文件名：PID.C</b></p><p>　　功能描述：實現(xiàn)數(shù)字PID調節(jié)器的功能。</p><p>　　*****************************************/</p&

38、gt;<p>　　#include <reg51.h></p><p>　　#include <absacc.h></p><p>　　#include <math.h></p><p>　　/*****************************************</p><p>

39、<b>　　宏定義</b></p><p>　　*****************************************/</p><p>　　#define uchar unsigned char</p><p>　　#define uint unsigned int</p><p>　　#define A

40、DC XBYTE[0x0600]//定義模數(shù)轉換IO地址</p><p>　　#define DAC_1 XBYTE[0x0640]//定義D/A第一路的IO地址</p><p>　　#define DAC_2 XBYTE[0x0641]//定義D/A第二路的IO地址</p><p>　　/***************************

41、**************</p><p><b>　　全局變量定義</b></p><p>　　*****************************************/</p><p>　　sbit str = P1^7;//定義A/D啟動信號</p><p>　　sbit DIN0 =

42、P1^0;//聲明同步信號</p><p>　　sbit str0 = P1^4;//聲明ADC信號</p><p>　　uint data time;//聲明變量，用于定時</p><p>　　uchar data t0_h,t0_l;//用于存儲定時器0的初值</p><p>　　char TK

43、 = 5;//聲明采樣周期變量,//采樣周期＝TK*10ms</p><p>　　char TC;//TK的變量</p><p>　　float T=0.05;</p><p>　　float kp = 0.9;//比例系數(shù)</p><p>　　uint ti = 500;//積分系數(shù)&

44、lt;/p><p>　　float td =8;//微分系數(shù)</p><p>　　char IBAND = 126;//積分分離值</p><p>　　float V=1.1;</p><p>　　char EK;//當前采樣的偏差值</p><p><b>　　cha

45、r YK;</b></p><p>　　char YK_1;</p><p>　　char YDK;</p><p>　　char YDK_1;</p><p><b>　　char RK;</b></p><p>　　char EK_1;//上一次采樣的偏差

46、值</p><p>　　char AEK;//偏差的變化量</p><p>　　char UK;//當前時刻的D/A輸出</p><p>　　float ZEK;</p><p>　　/*****************************************</p><p>&

47、lt;b>　　主函數(shù)</b></p><p>　　*****************************************/</p><p>　　void main(void)</p><p><b>　　{ </b></p><p>　　TMOD = 0x01;</p>&l

48、t;p>　　time = 10;//定時10ms</p><p>　　t0_h = (65536 - 1000 * time) / 256;//計算定時器0初值</p><p>　　t0_l = (65536 - 1000 * time) % 256;</p><p>　　t0_l = t0_l + 70;//修正因初值重裝而引起的定

49、時誤差</p><p>　　TH0 = t0_h;</p><p>　　TL0 = t0_l;</p><p>　　IT1 = 1;//邊沿觸發(fā)中斷</p><p>　　EX1 = 1;//開外部中斷1</p><p>　　ET0 = 1;//開定時中斷0</p

50、><p>　　TR0 = 1;//啟動定時器</p><p><b>　　TC = 1;</b></p><p>　　DAC_1= 0x80;//D/A清零</p><p>　　EK = EK_1 = 0;//變量清零</p><p>　　AEK = UK

51、= 0;</p><p><b>　　ZEK = 0;</b></p><p><b>　　str = 1;</b></p><p><b>　　str0=1;</b></p><p>　　EA= 1;//開總中斷</p><p><

52、;b>　　while(1);</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/**********************************************</p><p><b>　　函數(shù)名：INT1</b></p><p>　　功能 ：1號

53、外部中斷服務程序 </p><p><b>　　參數(shù) ：無* </b></p><p><b>　　返回值：無 * </b></p><p>　　***********************************************/</p><p>　　void int1() inte

54、rrupt 2 using 2</p><p><b>　　{</b></p><p>　　float P,A,B,C,I,TEMP;</p><p><b>　　int i;</b></p><p>　　DIN0 = 1;//讀取輸入前，先輸出高電平</p><

55、p>　　if(DIN0)//判同步信號到否</p><p><b>　　{</b></p><p>　　YK=YK_1=0;</p><p>　　YDK=YDK_1=0;</p><p>　　EK = EK_1 = 0;//變量清零</p><p>　　UK = AE

56、K =0;</p><p><b>　　ZEK = 0;</b></p><p>　　DAC_1 = 0x80;//D/A輸出零</p><p>　　DAC_2 = 0x80;//D/A輸出零</p><p><b>　　TC=1;</b></p><p>

57、;<b>　　}</b></p><p><b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　TC--;//判采樣周期到否</p><p>　　if(TC == 0)</p><p><b>

58、　　{</b></p><p>　　RK = ADC - 128;//采樣當前的偏差值，并計算偏差的變化量</p><p><b>　　str0=0;</b></p><p><b>　　str=0;</b></p><p><b>　　str=1;</b>

59、;</p><p>　　for(i=0;i<15;i++);</p><p>　　YK=ADC-128;</p><p><b>　　str0=1;</b></p><p>　　A=(2*V*td-T)/(T+2*V*td);</p><p>　　B=(T+2*td)/(T+2*V*td);

60、</p><p>　　C=(T-2*td)/(T+2*V*td);</p><p>　　YDK=A*YDK_1+B*YK+C*YK_1;</p><p>　　EK=RK-YDK; </p><p>　　if(abs(EK)> IBAND) I = 0;//判積分分離值</p><p><b>　　

61、else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　ZEK = EK + ZEK; //計算積分項</p><p>　　I= ZEK * TK;</p><p>　　I= I / ti;</p><p><b>　　}</b>&

62、lt;/p><p><b>　　P = EK;</b></p><p>　　TEMP = (P + I ) * kp;//計算比例項</p><p>　　if(TEMP > 0)//判控制量是否溢出，溢出賦極值</p><p><b>　　{</b></p><p&g

63、t;　　if(TEMP >= 127)</p><p><b>　　UK = 127;</b></p><p><b>　　else</b></p><p>　　UK = (char)TEMP;</p><p><b>　　}</b></p><p&g

64、t;<b>　　else</b></p><p><b>　　{</b></p><p>　　if(TEMP <- 128)</p><p>　　UK = -128;</p><p><b>　　else</b></p><p>　　UK = (c

65、har)TEMP;</p><p><b>　　}</b></p><p>　　DAC_1 = UK + 128;//D/A輸出控制量</p><p>　　TC = TK;//采樣周期變量恢復</p><p><b>　　}</b></p><p><

66、;b>　　}</b></p><p><b>　　}</b></p><p>　　/**********************************************</p><p>　　函數(shù)名：Timer0</p><p>　　功能 ：定時器0中斷服務程序</p><p

67、><b>　　參數(shù) ：無 </b></p><p><b>　　返回值：無 </b></p><p>　　***********************************************/</p><p>　　void Timer0() interrupt 1 using 1</p>

68、;<p><b>　　{</b></p><p>　　TH0 = t0_h;//重新裝入初值</p><p>　　TL0 = t0_l;</p><p><b>　　str = 0;</b></p><p>　　str = 1;//產生A/D啟動信號<

69、/p><p><b>　　}</b></p><p><b>　　6 實驗結果與分析</b></p><p><b>　?、?lt;/b></p><p>　　kp = 0.8;ti = 500;td =8</p><p>　　此時，系統(tǒng)響應較慢

70、，可以通過增大微分時間常數(shù)調節(jié)</p><p><b>　?、?lt;/b></p><p>　　kp = 0.8; ti = 500; td=9</p><p>　　此時，系統(tǒng)的響應性能得到改善，但是存在一定靜差，可以通過調節(jié)比例增益kp來減小</p><p><b>　

71、?、?lt;/b></p><p>　　kp = 0.9; ti = 500; td=9</p><p>　　通過調節(jié)三個參數(shù)，系統(tǒng)性能基本達到要求</p><p><b>　　7 小結與體會</b></p><p>　　通過這次的課程設計，我對《計算機控制技術》

72、這門課和課程設計有了一個全新的認識，也有了很多的體會和心得。</p><p>　　《計算機控制技術》是一門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，我對控制算法設計有了一個更深的認識，也學會了控制算法的實際應用，從整體上了解了計算機控制系統(tǒng)的實際組成，掌握了計算機控制系統(tǒng)的整

73、體設計方法和設計步驟，編程調試，為從事計算機控制系統(tǒng)的理論設計和系統(tǒng)的整定工作打下基礎。</p><p>　　按照老師給出的計劃，先進行最少拍控制算法計算，接電路，讀范例程序，畫出流程圖，進行修改，調試實驗結果。思路很清晰，目標很明確。在設計的過程中雖然遇到問題，難免會遇到過各種各樣的問題，同時在設計的過程中發(fā)現(xiàn)了自己的不足之處，計算容易出錯，軟件使用不熟練，但我們幾個小組同心協(xié)力、分工協(xié)作、互相探討，保證了結果

74、的正確性。</p><p>　　作為工科專業(yè)的一名學生，對于動手能力有很大的要求。因此我們需要珍惜每次做實驗的機會，盡可能的提高自己的實踐操作技能。也要利用各種機會，以及創(chuàng)造實踐的機會，不斷充實自己，為自己的將來增加更多砝碼，短短一周的課程設計，使我明白了合作的重要性和力量，我還要加強自己的動手能力，我為將來走入社會做準備。同時我也發(fā)現(xiàn)了自己所掌握的知識是真正如此的缺乏，自己綜合應用所學的專業(yè)知識能力是如此的不足

75、，我深深體會到干任何事情都必須耐心、細致，充滿信心。我懂得了不管做什么一定要養(yǎng)成一種高度負責、認真對待的態(tài)度。</p><p>　　這次的課程設計也使我認識到任何課程的學習都需要理論結合實際，這樣才能更好地掌握所學的知識并將它很好地應用于實踐中。同時，在實踐過程中，可以通過查找資料、分析資料和請教老師和同學，使一些不清楚的問題得以解決，這樣的話，可以起到事半功倍的效果。當然，最關鍵的還是靠自己親自去思考問題、解決

76、問題，掌握獨自面對各類的問題的方法。不少人抱怨在大學學不到東西，我不這樣認為。我覺得無論是學習還是生活中，只有自己真正用心去學習和參與才可能有收獲，這也算是本次課程設計給我的知識之外的一點小小的感悟吧?？傊?，本次課程設計收獲確實良多，和珍惜這種能夠鍛煉自己、提升自己的機會。</p><p>　　通過這次課程設計，我得到了一次難得的磨練，讓我學到了很多，提高了自己的實驗素養(yǎng)，也增強了自己的信心。最后，我要感謝老師和

77、我的同學對我的無私幫助，對我個人而言這次課程設計將會成為永遠的回憶。</p><p><b>　　參 考 文 獻</b></p><p>　　[1] 于海生主編，微型計算機控制技術，北京：清華大學出版社，1999</p><p>　　[2] 張艷兵等編著，計算機控制技術，北京：國防工業(yè)出版社，2008</p><p>　

78、　[3] 張毅剛主編，單片機原理及應用，北京：高等教育出版社，2004</p><p>　　[4] 陳濤編著，單片機應用及C51程序設計，北京：機械工業(yè)出版社，2008</p><p>　　[5] 樓然苗, 李光飛編著, 單片機課程設計指導, 北京: 北京航空航天大學出版社, 2007 </p><p>　　[7] 控制、電子技術類雜志、報刊</p>