课程设计任务书完Word格式.docx
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题目性质
及来源
性质
□理论研究□√应用研究□技术开发□其他
主要内容
某系统的被控对象含有纯滞后环节,它的传递函数为:
该系统的输入信号为带有干扰的方波信号(方波幅值2V,频率0.2Hz,干扰自行设计硬件电路由软件产生)。
请完成以下任务:
1)分别采用普通PID算法和微分先行PID算法进行控制,并在两种方法中均采用抗积分饱和的方法。
给出两种方法下的系统响应曲线,以及控制量u的变化曲线图,详细地比较和分析所得结果。
2)在1)中采用微分先行PID算法的基础上,在对象的输出端施加一组噪声信号(自行设计电路或由软件产生),在系统中设计低通滤波器
,请分别给出有无滤波器时的系统响应曲线图,并详细地比较和分析所得结果。
说明:
上述任务中的微分增益系数
和滤波时间常数
,以及
、
的取值需通过实验调试得到。
论文、设计目标
(1)掌握计算机控制系统的分析和设计的基本方法。
设计要求:
1)画出系统结构功能框图;
2)选择合适元器件进行电路设计,画出电路原理图;
3)画出系统功能实现程序流程图;
4)编写程序;
5)在实验室进行系统软硬件联调,并获得满意的控制效果;
6)撰写课程设计说明书(不少于3000字)。
(2)培养一定的自学能力和独立分析问题、解决问题的能力。
包括学会自己分析解决问题的方法,对设计中遇到的问题,除咨询老师外,应通过独立思考、查阅文献和互相讨论的方式解决。
(3)通过严格的科学训练和工程设计实践,逐步树立严肃认真、一丝不苟、实事求是的科学作风,增强学生的应用能力,熟悉论文写作的程序和规范,为毕业设计的撰写奠定基础。
指定参考文献
1.于海生.《计算机控制技术》,机械工业出版社,2007.
2.《THBDC-1实验指导书》.浙江省天煌科技实业有限公司(天煌教仪).
3.AdrianKingsley-Hughes,KathieKingsley-Hughes,DanielRead著,富弘毅,陈刚译.《VBScript程序员参考手册》.清华大学出版社,2009.
4.吴晓燕,张双选.《MATLAB在自动控制中的应用》.西安电子科技大学出版社,2006.
5.华成英,童诗白.《模拟电子技术基础,第四版》.高等教育出版社,2006.
备注
无
注:
此表由指导教师在学年论文(课程设计)工作开始前填写,每位学生两份,一份发给学生,一份交学院留存。
本科生学年论文(课程设计)指导教师评阅意见表
学号
学院
信息与控制
专业
题目
对论文(设计)的评语:
成绩:
指导教师:
日期:
摘要:
本文介绍了一个由工业控制机控制的时滞对象输出端具有干扰信号的计算机控制系统。
该系统的被控对象含有纯滞后环节,可以通过软件程序来现实。
本设计用了两种控制方式:
普通增量式PID控制方式和微分先行PID控制方式,通过调试比较两种方式的优劣。
当系统输出加噪后,要使输出稳定,可通过滤波来完成,滤波的方式可以用硬件也可以用软件来实现。
本系统响应曲线应该具有稳定,上升时间短,无静差,超调小,抗干扰能力强等特点。
关键词:
PID控制,时滞对象,加噪,滤波
Abstract:
Thispaperintroducesacomputercontrolledsystemoftimedelayobjectwithdisturbsign.Thesystemisofatimedelaytachewhichcanbereachedbyprogram.ThisdesignhastwocontrolmeansincludegeneralincrementPIDandderivativeantecedentPID.Analyseandcomparetheiradvantageanddisadvantage.Whiletheoutputofsystemisaccessionedayawp,weneedtofiltertogetasteadyoutput.Andthefiltercanbeachievedbyhardwareandsoftware.Thissystemresponsecurve’scharactershouldbesteady,shortrisetime,zeroerror,littleadjust,betteranti-jammingability.
Keywords:
PIDcontrol,timedelayobject,yawp,filter
一.课程设计目的
设计制作和调试一个由工业控制机控制的时滞对象输出端具有干扰信号的计算机控制系统。
通过这个过程学习电压的采样方法,A/D和D/A变换方法和接口的使用方法,以及数字滤波的方法。
通过实践过程掌握常规及改进PID控制方法,熟悉利用计算机进行自动控制的系统结构。
本课程设计是本门课程课堂教学的延伸和发展,是理论知识与工程实践之间的衔接。
通过本课程设计,使学生进一步学习与理解计算机控制系统的构成原理、接口电路与应用程序,进一步巩固与综合专业基础知识和相关专业课程知识,提高学生运用理论知识解决实际问题的实践技能;
培养学生独立自主、综合分析的思维与创新能力,最终使学生初步具有设计小型计算机控制系统的硬件及软件的能力。
同时,通过资料搜集、方案分析、系统设计与报告撰写的一系列过程,使学生得到一次科学研究工作的初步训练。
从而,在专业知识与研究方法方面为日后的毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。
二.课程设计内容
1)分别采用普通PID算法和微分先行PID算法进行控制,并在两种方法中均采用抗积分饱和的方法。
2)在1)中采用微分先行PID算法的基础上,在对象的输出端施加一组噪声信号(自行设计电路或由软件产生),在系统中设计低通滤波器
上述任务中的采样周期
、微分增益系数
三.课程设计原理:
1.PID控制的原理和特点
在工程实际中,应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、微分控制,简称PID控制,又称PID调节。
PID控制器问世至今已有近70年历史,它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。
当被控对象的结构和参数不能完全掌握,或得不到精确的数学模型时,控制理论的其它技术难以采用时,系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定,这时应用PID控制技术最为方便。
即当我们不完全了解一个系统和被控对象,或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时,最适合用PID控制技术。
PID控制,实际中也有PI和PD控制。
PID控制器就是根据系统的误差,利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制的。
比例(P)控制比例控制是一种最简单的控制方式。
其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。
当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差(Steady-state
error)。
积分(I)控制在积分控制中,控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。
对一个自动控制系统,如果在进入稳态后存在稳态误差,则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统(System
with
Steady-state
Error)。
为了消除稳态误差,在控制器中必须引入“积分项”。
积分项对误差取决于时间的积分,随着时间的增加,积分项会增大。
这样,即便误差很小,积分项也会随着时间的增加而加大,它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小,直到等于零。
因此,比例+积分(PI)控制器,可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
微分(D)控制在微分控制中,控制器的输出与输入误差信号的微分(即误差的变化率)成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。
其原因是由于存在有较大惯性组件(环节)或有滞后(delay)组件,具有抑制误差的作用,其变化总是落后于误差的变化。
解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”,即在误差接近零时,抑制误差的作用就应该是零。
这就是说,在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的,比例项的作用仅是放大误差的幅值,而目前需要增加的是“微分项”,它能预测误差变化的趋势,这样,具有比例+微分的控制器,就能够提前使抑制误差的控制作用等于零,甚至为负值,从而避免了被控量的严重超调。
所以对有较大惯性或滞后的被控对象,比例+微分(PD)控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
2.增量式控制算法和微分先行算式:
(1)增量式PID算式:
(2)微分先行和标准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,这样,在改变给定值时,输出不会改变,而被控量的变化,通常是比较缓和的。
这种输出量先行微分控制适用于给定值频繁升降的系统,可以避免给定值升降时所引起的系统振荡,明显地改善了系统的动态特性。
微分先行PID控制方块图
微分先行PID算式:
Y1(k)=[(T+Td)*Y(k)-Td*Y(k-1)+r*Td*Y1(k-1)]/(T+r*Td)
e(k)=r(k)-y1(k)
u(k)=e(k)*Kp(1+1/Tis)
3.滤波原理:
在许多信息处理过程中,如对信号的滤波,检测,预测等都要广泛地用到滤波器。
数字滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节,它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。
一般可以用两种方法来实现:
一种是用数字硬件来实现;
另一种是用计算机的软件编程来实现。
一个数字滤波器,它所表达的运算可用差分方程来表示:
一阶数字滤波器的传递函数为
利用一阶差分法离散化,可以得到一阶数字滤波器的算法:
其中TS为采样周期,
为滤波器的时间常数。
TS和
应根据信号的频谱来选择。
四.课程设计步骤:
1.课程设计总体方案:
1.PID模块为控制模块,其输入量为e(t),输出量为控制量u(t),作为被控对象G(s)的输入,其输出为y(t),加噪后反馈回去,与系统输入r(t)作差,得误差e(t)。
2.PI模块为控制模块,其输入量为e(t),输出量为控制量u(t),作为被控对象G(s)的输入,其输出为y(t),y(t)加噪后通过微分反馈回去,与系统输入r(t)作差,得误差e(t)。
2.课程设计硬件介绍:
尖波干扰信号产生电路图1
参考单元:
U2
加噪方波产生电路图2
U6,U10
被控对象Gp的模拟电路图3
U14,U11
R1=R2=510K,R0=200K,C=10uFAus=-(R2//1/SC)/R1=-R2/R1*1/(1+SR2C)U1/U2=-1
系统输出加噪电路图4
U8,U13
滤波电路图5
U12,U9
R1=R2=100K,C=1uf,R0=200K,T=0.1
5.课程设计软件介绍:
增量式PID程序流程图
增量式PID程序
dimpv,sv,ei,ex,ey,k,ti,td,q0,q1,q2,op,x,Ts
subinputdata()
pv=myobject.inputdata1‘系统输出
sv=myobject.inputdata2‘加噪方波
op=myobject.inputdata3‘采集控制量输出,用示波器显示
endsub
submain()
k=1.2
ti=1
td=0
Ts=0.01'
采样时间10ms
myobject.timedelay=10‘延迟0.01s
ei=sv-pv
ifk=0andti=0andtd=0then
q0=0
q1=0
q2=0
endif
ifk<
>
0andti<
0then
q0=k*(ei-ex)
q1=k*Ts*ei/ti
q2=k*td*(ei-2*ex+ey)/Ts
endif
ifti=0then
q0=K*(ei-ex)
ey=ex
ex=ei
‘采用抗积分饱和的方法,即限幅
ifq1>
3.5then
q1=3.5
ifq1<
-3.5then
q1=-3.5
endif
op=op+q0+q1+q2
ifop>
=3.5then
op=3.5
ifop<
=-3.5then
op=-3.5
suboutputdata()
myobject.outputdata2=op‘控制量输出
微分先行PID程序流程
微分先行PID程序
dimpv,pvx,sv,ei,ex,k,ti,td,q0,q1,op,x,Ts,ss,ssx,r
pv=myobject.inputdata1‘系统输出端
sv=myobject.inputdata2‘加噪方波信号
myobject.timedelay=10‘延迟10s
r=0.5
ss=(Ts+td)pv-td*pvx+r*td*ssx
ei=sv-ss
pvx=pv
ssx=ss
‘抗积分饱和,即限幅
op=op+q0+q1
myobject.outputdata2=op
五.课程设计操作步骤:
1.启动计算机,在桌面双击图标THBDC-1,运行实验软件。
2.点击工具栏上的“通道设置”,在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1”(默认为通道“1”),并点击“开始采集”按钮。
3.然后启动实验台的“电源开关”打开±
5、±
15V电源。
将低频函数信号发生器单元输出端连接到采集卡的AD1通道,并选择方波输出。
点击软件工具栏上的“虚拟示波器”,观察方波信号的频率和幅值,然后调节信号发生器中的“频率调节”和“幅度调节”电位器,使方波信号的频率和幅值分别为0.2Hz,2V。
然后断开与采集卡的连接,将低频函数信号发生器单元输出端连接到U2尖脉冲单元(参考实验电路图1),产生一个尖脉冲信号Uo,按图2,连接加噪方波产生电路,接A/D2口,用于PID的输入信号。
4.接图3连接电路,即系统的被控对象电路,该电路的输入与数据采集卡的输出端DA2相连,电路的输出与数据采集卡的输入端AD1相连,,待检查电路接线无误后,启动实验台的“电源开关”,并将锁零按钮处于“不锁零”状态。
5.(增量式PID控制)在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮,在“数字PID调节器算法”文件夹下选中“增量式PID”脚本程序并打开,阅读、理解该程序。
然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮,用双踪示波器选择1-2通道,观察图2输出端(通道2)和图3输出端(通道1)的响应曲线,整定P、I、D及系统采样时间Ts等参数,在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响。
得到曲线图1。
选择通道3,观察控制量输出u的曲线图2.
6.(微分先行PID控制)在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮,在“数字PID调节器算法”文件夹下选中“微分先行PID”脚本程序并打开,阅读、理解该程序。
然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮,用双踪示波器选择1-2通道,观察图2输出端(输入方波)和图3输出端(系统输出)的响应曲线,整定P、I、D及系统采样时间Ts等参数,在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响。
得到曲线图3。
选择通道3,观察控制量输出u的曲线图4。
7.(微分先行加噪)按图4连接系统加噪电路,正弦波由信号发生器产生,从DA1口输出接入电路,将输出端接AD3口,为滤波前曲线5,
8(微分先行滤波)系统加噪电路的输出端接图5的输入端,进行滤波,将滤波输出端接AD3口,为滤波后曲线6。
9.实验结束后,关闭“脚本编辑器”窗口,并依次点击对话框中的“停止采集”与工具栏的“退出”按钮。
增量式PID系统输出曲线图1
控制量输出曲线图2
微分先行PID系统输出曲线图3
控制量输出曲线图4
滤波前图5
滤波后图6
六.课程设计仿真:
普通PID控制
普通pid控制u上图,系统输出下图
Kp=30ki=5kd=0
微分先行PID控制
微分先行pid控制u上图,系统输出下图
Kp=20ki=3,td=0.1.r=0.5
微分先行控制加噪滤波
微分先行输出加噪滤波前(上)后(下)
三角波频率20hz幅值2v
七.课程设计结论:
从上面步骤所得到的图可知,增量式PID控制和微分先行PID控制,都可以达到调节的作用,但是,比较而言,微分先行PID控制效果更好,得到的曲线更接近于系统输入,从系统输出加噪并滤波后得到的曲线图可知,通过硬件电路可以达到滤波的效果。
1.控制系统中:
如执行机构采用调节阀,则控制量对应阀门的开度,表征了执行机构的位置,此时控制器应采用数字PID位置式控制算法;
如执行机构采用步进电机,每个采样周期,控制器输出的控制量,是相对于上次控制量的增加,此时控制器应采用数字PID增量式控制算法。
本设计用的是增量式控制算法。
增量式控制算法的优点:
(1)增量算法不需要做累加,控制量增量的确定仅与最近几次误差采样值有关,计算误差或计算精度问题,对控制量的计算影响较小。
而位置算法要用到过去的误差的累加值,容易产生大的累加误差。
(2)增量式算法得出的是控制量的增量,例如阀门控制中、只输出阀门开度的变化部分,误动作影响小,必要时通过逻辑判断限制或禁止本次输出,不会严重影响系统的工作。
而位置算法的输出是控制量的全量输出,误动作影响大。
(3)采用增量算法,易于实现手动到自动的无冲击切换。
PID调节器的微分作用对于克服系统的惯性、减少超调、抑制振荡起着重要的作用。
但是在数字PID调节器中,微分部分的调节作用并不是很明显,甚至没有调节作用。
为了避免给定值的升降给控制系统带来冲击,如超调量过大,调节阀动作剧烈,可采用微分先行PID控制方案。
2.数字滤波与模拟滤波相比,有以下几个优点:
(1)数字滤波是用程序实现的,不需要增加硬设备,所以可靠性高,稳定性好;
(2)数字滤波可以对频率很低的信号实现滤波,克服了模拟滤波器的缺陷;
(3)数字滤波器可以根据信号的不同,采用不同的滤波方法或滤波参数,具有灵活、方便、功能强的特点。
参考文献:
1.于海生.《计算机控制技术》,机械工业出版社,2007.
2.《THBDC-1实验指导书》.浙江省天煌科技实业有限公司(天煌教仪)
.
3.AdrianKingsley-Hughes,KathieKingsley-Hughes,DanielRead著,富弘毅,陈刚译.《VBScript程序员参考手册》.清华大学出版社,2009.
4.吴晓燕,张双选.《MATLAB在自动控制中的应用》.西安电子科技大学出版社,2006.
附:
在设计期间尝试做了软件滤波,但在平台上没调出波形,所以最后采用了硬件滤波,软件滤波的程序如下:
加滤波增量式PID程序
dimpv,sv,ei,ex,ey,k,ti,td,q0,q1,q2,op,pv1,Ts,op1,opx1,T
pv=myobject.inputdata1‘系统输出AD1
ti=4
Ts=1'
采样时间1s
myobject.timedelay=10
ei=sv-pv‘误差
q0=0‘比例
q1=0‘积分
q2=0‘微分
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