微分先行PID控制系统设计Word文件下载.docx

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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.被控对象每个同学选择不同：

3.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。

4.定时中断可在10-50ms中选取，采样周期取采样中断的整数倍，可取30-150ms，由实验结果确定。

5.滤波方法可选择平均值法，中值法等。

有关的设计要求可参考《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.系统正确运行

2.正确整定PID参数后，系统阶跃响应超调<

10%，调节时间尽量短。

六、进度安排

序号

内容

天数

1

布置任务，查阅资料

0.5

2

总体方案确定，硬件电路设计

1.5

3

熟悉实验箱及C语言开发环境，研读范例程序，

4

控制算法设计

5

软件编程，调试

6

实验

7

总结，撰写课程设计报告

七、课程设计报告内容：

总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下：

1．课程设计的目和设计的任务。

2．课程设计的要求。

3．控制系统总框图及系统工作原理。

4．控制系统的硬件电路连接图（含被控对象），电路的原理。

5．软件设计流程图及其说明。

6．电路设计，软件编程、调试中遇到的问题及分析解决方法。

7．实验结果及其分析。

8．体会。

第二部分

课

程

设

计

报

告

1课题简介

1.1课程名称............................................................................................................................６

1.2课程设计目的....................................................................................................................６

1.3课程设计内容....................................................................................................................６

1.4课程设计要求....................................................................................................................６

2方案设计

2.1设计步骤.............................................................................................................................7

2.1系统流程图及工作原理.....................................................................................................7

3硬件电路设计

3.1被控对象设计.......................................................................................................................8

3.2硬件电路图............................................................................................................................8

4控制算法设计...............................................................................................................................9

5软件编程设计

5.1设计流程图.............................................................................................................................10

5.2程序.........................................................................................................................................11

6实验结果与分析..........................................................................................................................15

7小结与体会.....................................................................................................................................17

参考文献................................................................................................................................................18

1课题简介

1.1课题名称

1.2课程设计目的

1.3课程设计内容

设计以89C51单片机、ADC、DAC等电路和运放电路组成的被控对象构成单闭环反馈控制系统。

PID控制加史密斯预估控制。

主程序、定时中断程序、A/D转换程序、滤波程序、D/A输出程序、PID控制加史密斯预估控制程序。

1.4课程设计要求

2.被控对象　

３.定时中断间隔可在10-20ms中选取，采样周期T取采样中断间隔的整数倍，可取30-50ms。

４.PID控制器用凑试法整定。

５.滤波方法可选择平均值法，中值法等。

2微分先行PID控制方案设计

2.1设计步骤

1、进行硬件设计，根据Ｇ（Ｚ）改造被控对象

2、进行微分先行控制算法计算

3、读范例程序，画出流程图，进行修改

4、连线，调试实验结果

2.2控制系统总框图及系统工作原理

图１　系统框图

（1）采样y（t）

（2）计算

（3）计算

（4）进行PI计算u（k）

（5）输出u（k）

微分先行PID原理：

它和标准PID控制的不同之处在于，只对被控量y（t）微分，不对偏差e（t）微分，也就是说对给定r（t）无微分作用。

这样就可避免给定值的升降给控制系统带来冲击。

3微分先行PID控制硬件电路设计

3.1被控对象设计

被控对象

由运放和电阻电容组成，如图２所示。

其中，

R1=100K,C1=2Uf,R2=20K

R3=100K,C2=4Uf,R4=200K

图２　被控对象电路图

3.2硬件电路连接图

图３　硬件电路连线图

4微分先行PID控制控制算法设计

其中

而yd（k）可通过双线性变换法得到，过程如下

………………①

由①式变型、整理得

………②

将上式k变换得到

………③

5微分先行PID控制软件编程设计

5.1设计流程图

图４　设计流程图

5.2程序

/*****************************************

文件名：

PID.C

功能描述：

实现数字PID调节器的功能。

*****************************************/

#include<

reg51.h>

absacc.h>

math.h>

宏定义

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

#defineADCXBYTE[0x0600]//定义模数转换IO地址

#defineDAC_1XBYTE[0x0640]//定义D/A第一路的IO地址

#defineDAC_2XBYTE[0x0641]//定义D/A第二路的IO地址

全局变量定义

sbitstr=P1^7;

//定义A/D启动信号

sbitDIN0=P1^0;

//声明同步信号

sbitstr0=P1^4;

//声明ADC信号

uintdatatime;

//声明变量，用于定时

uchardatat0_h,t0_l;

//用于存储定时器0的初值

charTK=5;

//声明采样周期变量,//采样周期＝TK*10ms

charTC;

//TK的变量

floatT=0.05;

floatkp=0.9;

//比例系数

uintti=500;

//积分系数

floattd=8;

//微分系数

charIBAND=126;

//积分分离值

floatV=1.1;

charEK;

//当前采样的偏差值

charYK;

charYK_1;

charYDK;

charYDK_1;

charRK;

charEK_1;

//上一次采样的偏差值

charAEK;

//偏差的变化量

charUK;

//当前时刻的D/A输出

floatZEK;

主函数

voidmain（void）

{

TMOD=0x01;

time=10;

//定时10ms

t0_h=（65536-1000*time）/256;

//计算定时器0初值

t0_l=（65536-1000*time）%256;

t0_l=t0_l+70;

//修正因初值重装而引起的定时误差

TH0=t0_h;

TL0=t0_l;

IT1=1;

//边沿触发中断

EX1=1;

//开外部中断1

ET0=1;

//开定时中断0

TR0=1;

//启动定时器

TC=1;

DAC_1=0x80;

//D/A清零

EK=EK_1=0;

//变量清零

AEK=UK=0;

ZEK=0;

str=1;

str0=1;

EA=1;

//开总中断

while

（1）;

}

/**********************************************

函数名：

INT1

功能：

1号外部中断服务程序

参数：

无*

返回值：

无*

***********************************************/

voidint1（）interrupt2using2

{

floatP,A,B,C,I,TEMP;

inti;

DIN0=1;

//读取输入前，先输出高电平

if（DIN0）//判同步信号到否

{

YK=YK_1=0;

YDK=YDK_1=0;

//变量清零

UK=AEK=0;

ZEK=0;

DAC_1=0x80;

//D/A输出零

DAC_2=0x80;

TC=1;

}

else

TC--;

//判采样周期到否

if（TC==0）

{

RK=ADC-128;

//采样当前的偏差值，并计算偏差的变化量

str0=0;

str=0;

str=1;

for（i=0;

i<

15;

i++）;

YK=ADC-128;

str0=1;

A=（2*V*td-T）/（T+2*V*td）;

B=（T+2*td）/（T+2*V*td）;

C=（T-2*td）/（T+2*V*td）;

YDK=A*YDK_1+B*YK+C*YK_1;

EK=RK-YDK;

if（abs（EK）>

IBAND）I=0;

//判积分分离值

else

{

ZEK=EK+ZEK;

//计算积分项

I=ZEK*TK;

I=I/ti;

}

P=EK;

TEMP=（P+I）*kp;

//计算比例项

if（TEMP>

0）//判控制量是否溢出，溢出赋极值

if（TEMP>

=127）

UK=127;

else

UK=（char）TEMP;

if（TEMP<

-128）

UK=-128;

DAC_1=UK+128;

//D/A输出控制量

TC=TK;

//采样周期变量恢复

}

Timer0

定时器0中断服务程序

无

voidTimer0（）interrupt1using1

{

//重新装入初值

str=0;

//产生A/D启动信号

6实验结果与分析

①

kp=0.8;

ti=500;

td=8

此时，系统响应较慢，可以通过增大微分时间常数调节

②

ti=500;

td=9

此时，系统的响应性能得到改善，但是存在一定静差，可以通过调节比例增益kp来减小

③

kp=0.9;

td=9

通过调节三个参数，系统性能基本达到要求

7小结与体会

通过这次的课程设计，我对《计算机控制技术》这门课和课程设计有了一个全新的认识，也有了很多的体会和心得。

通过课程设计，我对控制算法设计有了一个更深的认识，也学会了控制算法的实际应用，从整体上了解了计算机控制系统的实际组成，掌握了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整定工作打下基础。

按照老师给出的计划，先进行最少拍控制算法计算，接电路，读范例程序，画出流程图，进行修改，调试实验结果。

思路很清晰，目标很明确。

在设计的过程中虽然遇到问题，难免会遇到过各种各样的问题，同时在设计的过程中发现了自己的不足之处，计算容易出错，软件使用不熟练，但我们几个小组同心协力、分工协作、互相探讨，保证了结果的正确性。

作为工科专业的一名学生，对于动手能力有很大的要求。

因此我们需要珍惜每次做实验的机会，尽可能的提高自己的实践操作技能。

也要利用各种机会，以及创造实践的机会，不断充实自己，为自己的将来增加更多砝码，短短一周的课程设计，使我明白了合作的重要性和力量，我还要加强自己的动手能力，我为将来走入社会做准备。

同时我也发现了自己所掌握的知识是真正如此的缺乏，自己综合应用所学的专业知识能力是如此的不足，我深深体会到干任何事情都必须耐心、细致，充满信心。

我懂得了不管做什么一定要养成一种高度负责、认真对待的态度。

这次的课程设计也使我认识到任何课程的学习都需要理论结合实际，这样才能更好地掌握所学的知识并将它很好地应用于实践中。

同时，在实践过程中，可以通过查找资料、分析资料和请教老师和同学，使一些不清楚的问题得以解决，这样的话，可以起到事半功倍的效果。

当然，最关键的还是靠自己亲自去思考问题、解决问题，掌握独自面对各类的问题的方法。

不少人抱怨在大学学不到东西，我不这样认为。

我觉得无论是学习还是生活中，只有自己真正用心去学习和参与才可能有收获，这也算是本次课程设计给我的知识之外的一点小小的感悟吧。

总之，本次课程设计收获确实良多，和珍惜这种能够锻炼自己、提升自己的机会。

通过这次课程设计，我得到了一次难得的磨练，让我学到了很多，提高了自己的实验素养，也增强了自己的信心。

最后，我要感谢老师和我的同学对我的无私帮助，对我个人而言这次课程设计将会成为永远的回忆。

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，1999

[2]张艳兵等编著，计算机控制技术，北京：

国防工业出版社，2008

[3]张毅刚主编，单片机原理及应用，北京：

高等教育出版社，2004

[4]陈涛编著，单片机应用及C51程序设计，北京：

机械工业出版社，2008

[5]楼然苗,李光飞编著,单片机课程设计指导,北京:

北京航空航天大学出版社,2007

[7]控制、电子技术类杂志、报刊