梯形积分PID控制课程设计.doc

课程设计报告

题 目： 数字PID控制系统设计（II）
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（II）

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：梯形积分型的PID控制。
3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、PID控制程序、D/A输出程序等。

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：[我选择的控制对象是G(s)=]

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. 定时中断时间可在10-50ms中选取，采样周期取定时中断周期的整数倍，可取30-150ms，由实验结果确定。
6. 滤波方法可选择平均值法，中值法等。
有关的设计资料可参考《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. 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<10%，调节时间尽量短。

六、进度安排
序号
内容
天数
1
布置任务，熟悉课题要求
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，
1
4
控制算法设计
1
5
软件编程，调试
1
6
实验
1
7
总结，撰写课程设计报告
1

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

目 录 （宋体2号加粗）

1 课题简介 （宋体4号加粗）
课题的目的，任务，要求 （格式：宋体5号，首行缩进2格，单倍行距，下同）

1.1 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。

1.2课程设计任务
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：梯形积分型的PID控制。
3. 软件设计：主程序、中断程序、A/D转换程序、滤波程序、PID控制程序、D/A输出程序等。

1.3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：我选择的被控对象是G(s)=
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. 定时中断时间可在10-50ms中选取，采样周期取定时中断周期的整数倍，可取30-150ms，由实验结果确定。
6. 滤波方法可选择平均值法，中值法等。
有关的设计资料可参考《计算机控制实验指导书》的相关内容。

2 梯形积分型的PID控制方案设计
控制系统总体介绍, 框图，闭环工作原理。
2.1 控制系统介绍
PID控制器（比例-积分-微分控制器），由比例单元 P、积分单元 I 和微分单元 D 组成。通过Kp， Ti和Td三个参数的设定。PID控制器主要适用于基本线性和动态特性不随时间变化的系统。

PID 控制器是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件。这个控制器把收集到的数据和一个参考值进行比较，然后把这个差别用于计算新的输入值，这个新的输入值的目的是可以让系统的数据达到或者保持在参考值。和其他简单的控制运算不同，PID控制器可以根据历史数据和差别的出现率来调整输入值，这样可以使系统更加准确，更加稳定。可以通过数学的方法证明，在其他控制方法导致系统有稳定误差或过程反复的情况下，一个PID反馈回路却可以保持系统的稳定。

PID是以它的三种纠正算法而命名的。这三种算法都是用加法调整被控制的数值。而实际上这些加法运算大部分变成了减法运算因为被加数总是负值。这三种算法是：

比例- 来控制当前，误差值和一个负常数P（表示比例）相乘，然后和预定的值相加。P只是在控制器的输出和系统的误差成比例的时候成立。比如说，一个电热器的控制器的比例尺范围是10°C，它的预定值是20°C。那么它在10°C的时候会输出100%，在15°C的时候会输出50%，在19°C的时候输出10％，注意在误差是0的时候，控制器的输出也是0。

积分 - 来控制过去，误差值是过去一段时间的误差和，然后乘以一个负常数I，然后和预定值相加。I从过去的平均误差值来找到系统的输出结果和预定值的平均误差。一个简单的比例系统会振荡，会在预定值的附近来回变化，因为系统无法消除多余的纠正。通过加上一个负的平均误差比例值，平均的系统误差值就会总是减少。所以，最终这个PID回路系统会在预定值稳定下来。

微分 - 来控制将来，计算误差的一阶导，并和一个负常数D相乘，最后和预定值相加。这个导数的控制会对系统的改变作出反应。导数的结果越大，那么控制系统就对输出结果作出更快速的反应。这个D参数也是PID被称为可预测的控制器的原因。D参数对减少控制器短期的改变很有帮助。一些实际中的速度缓慢的系统可以不需要D参数。
用更专业的话来讲，一个PID控制器可以被称作一个在频域系统的滤波器。这一点在计算它是否会最终达到稳定结果时很有用。如果数值挑选不当，控制系统的输入值会反复振荡，这导致系统可能永远无法达到预设值。

该闭环控制系统的被控对象为二阶控制对象。
G(s)=
首先利用模数转换单元对两路信号（给定和输出）进行采样，经A/D转换后输入到单片机中，由单片机计算偏差，在进行PID计算，然后输出给D/A转换器，转换成为模拟量后，最后对控制对象进行控制。

2.2 下图是一个典型的PID闭环控制系统方框图，被控对象传递函数G(s)=

下图为系统结构框图，系统给定信号为阶跃信号。通过零阶保持器对输出进行采样。

2.3 闭环工作原理

闭环控制系统(closed-loop control system)的特点是系统被控对象的输出(被控制量)会反送回来影响控制器的输出，形成一个或多个闭环。闭环控制系统有正反馈和负反馈，若反馈信号与系统给定值信号相反，则称为负反馈( Negative Feedback)，若极性相同，则称为正反馈，一般闭环控制系统均采用负反馈，又称负反馈控制系统。闭环控制系统的例子很多。比如人就是一个具有负反馈的闭环控制系统，眼睛便是传感器，充当反馈，人体系统能通过不断的修正最后作出各种正确的动作。如果没有眼睛，就没有了反馈回路，也就成了一个开环控制系统。另例，当一台真正的全自动洗衣机具有能连续检查衣物是否洗净，并在洗净之后能自动切断电源，它就是一个闭环控制系统。

闭环控制是指控制的过程中有反馈回路，是一种控制结构，与之相反的是开环控制。
PID控制是典型的自动控制方法，它需要有偏差量的输入，偏差量的取得需要有反馈回路，所以PID控制需要闭环结构，亦所以可以说PID控制是闭环控制。
除了PID控制之外，还有其他控制方法，但是PID控制简单、实用、调节方便，应用很广泛。
PID控制器又是一个概念，它只是控制系统里的一个控制单元。
所以PID控制与闭环控制是不能划等号的，不是一个意思。

对于PID闭环控制来说，首先是要明白什么是被控对象，那些是与它有关的执行机构和扰动；既然是闭环那必须要有反馈来构成回路。就是按这个思路把那些对应的传递函数填入即可。如果单回路PID控制的效果不是很理想，也可以考虑其他方式，如串级。即内回路和外回路。内回路即快速克服扰动，外回路细调差值。
该闭环控制系统的被控对象为二阶控制对象。
G(s)=
首先利用模数转换单元对两路信号（给定和输出）进行采样，经A/D转换后输入到单片机中，由单片机计算偏差，在进行PID计算，然后输出给D/A转换器，转换成为模拟量后，最后对控制对象进行控制。

3梯形积分型的PID控制硬件电路设计
重点介绍A/D采样电路，双极性电压输入的实现原理；D/A输出双极性的实现原理；给定被控对象的电路实现。
3.1 A/D采样电路，双极性电压输入的实现原理
模数单元采用ADC0809芯片，主要包括多路模拟开关和A/D转换器两部分。通过三端地址码A、B、C多路开关可选通8路模拟输入的任何一路进行A/D变换。IN0对地接500欧电阻，构成温度传感器专用输入通道；IN1—IN5输入允许范围：0V—4.98V，对应数字量00H—FFH，2.5V对应80H；IN6和IN7接上拉电阻，输入允许范围：-5V—+4.96V，对应数字量00H—FFH，0V对应80H。课程设计中，TD-ACC+中的ADC0809芯片输出8位数据线及CLOCK线接控制计算机的数据线及系统应用时钟1MCLK上。

3.2 D/A输出双极性的实现原理
数模转换单元采用TLC7258芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。主要参数：转换时间100ns，满量程误差1/2LSB，参考电压-10V—+10V，供电电压5V—15V。输入数字范围为00H—FFH，80H对应0V，输出电压-5V—+4.96V。TD-ACC+中的TLC7258芯片的输入数字量八位数据线、写线和通道选择控制线接控制计算机总线。片选线接相应I/O片选上。

3.3给定被控对象的电路实现如图

4梯形积分型的PID控制控制算法设计
重点介绍控制算法的原理，计算机实现的计算公式推导，采样周期选择。
4.1 控制算法的原理
首先必须明确PID算法是基于反馈的。PID 是一种用偏差控制应用对象达到控制目的的算法。简单地说，就是运用比例、积分、微分算法，来对回路中的偏差进行修正，通过执行器调节参数，使测量值稳定在设定值附近，，达到控制某一参数的目的。
在PID控制器中，积分项的作用是消除稳态误差。为了保证积分作用，应积分项的运算精度。为此，可将矩形积分改为梯形积分。
梯形积分计算公式： edt≈∑T

4.2 计算公式推导
PID控制器由比例单元（P）、积分单元（I）和微分单元（D）组成。其输入e (t）与输出u (t）的关系为u(t)=kp[e(t)+1/TI∫e(t)dt+TD*de(t)/dt] 式中积分的上下限分别是0和t。因此它的传递函数为：G(s)=U(s)/E(s)=kp[1+1/(TI*s)+TD*s]
其中kp为比例系数； TI为积分时间常数； TD为微分时间常数
PID算法表达式：u(t)=Kp[e(t)+e(t)dt+TD]
梯形积分计算公式： edt≈∑T
梯形积分PID控制算式：u(k)=Kp[e(k)+∑+TD]
T：采样周期
k:采样序号
u(k):第k次控制器输出
e(k):第k次采样误差值
e(k-1): 第k-1次采样误差值
Kp:比例增益
TI:积分时间
TD:微分时间

4.3采样周期选择
计算机控制系统中，采样周期T 是一个重要参数，它的选择将直接影响到系统的控制效果。当被控对象不存在纯滞后或纯滞后时间比较小时，在计算机字长足够的情况下，为取得好的控制效果采样周期应选得适当小些。
char TK = 5; //声明采样周期变量,//采样周期＝TK*10ms

5梯形积分型的PID控制软件编程设计
重点介绍程序的功能与实现：主程序，定时中断程序，外中断程序各自完成哪些任务？主程序与两个中断程序的流程图（自己画）。A/D转换程序，PID程序，滤波程序的源码与介绍。报告不要附上全部源码。
5.1 程序的功能与实现
由模拟电路实现
在模拟控制系统中, 从信号迭加的角度看, 控制器由比例放大器、微分器、积分器组成, 它是一种线形控制器。比例放大器、微分器、积分器可以由集成运算放大器、微分电路、积分电路组合实现。

由数字控制程序实现
在计算机控制系统中, 使用的是数字控制器。数字控制器根据相应的算法, 经过编程, 由执行程序实现。
确定算法的思路是将控制器的输出与输入根据函数关系式表示成的数字关系式编程。

5.2 主程序与两个中断程序的流程图

5.3 A/D转换程序，PID程序，滤波程序的源码与介绍
A/D转换程序：
void Timer0() interrupt 1 using 1
{

TH0 = t0_h; //重新装入初值
TL0 = t0_l;
EX1 = 0;
str = 0;
str = 1; //产生A/D启动信号
DIN1= 0;
EOC = 1;
while(!EOC);
RK=(ADC_7-128+N)/2;
N=ADC_7-128;
str = 0;
str = 1; //产生A/D启动信号
DIN1= 1;
EOC = 1;
while(!EOC);
str = 0;
str = 1;
EX1 = 1;

}

PID程序：
if(abs(EK)> IBAND) I = 0; //判积分分离值
else
{
ZEK = SEK/2 + ZEK; //计算积分项
I= ZEK * TK;
I= I / ti;
}

P = EK;
D = AEK * td; //计算微分项
D = D / TK;
TEMP = (P + I + D) * 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;
}
else
{
if(TEMP <- 128)
UK = -128;
else
UK = (char)TEMP;
}

滤波程序：

YK = (ADC_7 - 128+M)/2;
M=ADC_7 - 128;
EK=RK-YK;
RK=(ADC_7-128+N)/2;
N=ADC_7-128;

6 实验与结果分析
重点介绍系统的调试。
6.1 程序修改 改变参数 硬件接线修改
分部进行调试，先调试双通道采样，看有没有D/A对应的输出。
PID调节。我们主要用的是凑试法。
用Protel画出系统电路图

PID控制器的参数整定是控制系统设计的核心内容。它是根据被控过程的特性确定PID控制器的比例系数、积分时间和微分时间的大小。PID控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：
1. 理论计算整定法
    它主要是依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法所得到的计算数据未必可以直接用，还必须通过工程实际进行调整和修改。
2. 工程整定方法
    它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，且方法简单、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。PID控制器参数的工程整定方法，主要有临界比例法、反应曲线法和衰减法。三种方法各有其特点，其共同点都是通过试验，然后按照工程经验公式对控制器参数进行整定。但无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。现在一般采用的是临界比例法。利用该方法进行 PID控制器参数的整定步骤如下：
(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作；
(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例放大系数和临界振荡周期；
(3)在一定的控制度下通过公式计算得到PID控制器的参数。
PID调试一般原则
a.在输出不振荡时，增大比例增益P。
b.在输出不振荡时，减小积分时间常数Ti。
c.在输出不振荡时，增大微分时间常数Td。
PID调试一般步骤
a. 确定比例增益P
　　确定比例增益P 时，首先去掉PID的积分项和微分项，一般是令Ti=0、Td=0（具体见PID的参数设定说明），使PID为纯比例调节。输入设定为系统允许的最大值的60%~70%，由0逐渐加大比例增益P，直至系统出现振荡；再反过来，从此时的比例增益P逐渐减小，直至系统振荡消失，记录此时的比例增益P，设定PID的比例增益P为当前值的60%~70%。比例增益P调试完成。
b. 确定积分时间常数Ti
　　比例增益P确定后，设定一个较大的积分时间常数Ti的初值，然后逐渐减小Ti，直至系统出现振荡，之后在反过来，逐渐加大Ti，直至系统振荡消失。记录此时的Ti，设定PID的积分时间常数Ti为当前值的150%~180%。积分时间常数Ti调试完成。
c. 确定积分时间常数Td
　　积分时间常数Td一般不用设定，为0即可。若要设定，与确定 P和Ti的方法相同，取不振荡时的30%。
d. 系统空载、带载联调，再对PID参数进行微调，直至满足要求。
    变速积分的基本思想是，设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应：偏差越大，积分越慢；反之则越快，有利于提高系统品质。

6.2 图

7 小结与体会
进入了大四下学期，我们已经结束了课程的学习，开始了我们最后的两门课程设计。学期开始的第一天夏扬老师和李敏艳老师作为我们的指导老师进行了计算机控制的课程设计。在一周半的计算机控制的课程设计过程中，我受益匪浅。
第一天夏老师先就我们上学期计算机控制的学习情况及挂科的同学该如何复习做了简短的指导，然后进行小组和课题的分配，我们第二小组所做的课题是数字PID程序控制设计（梯形积分型）。上学期我们做过了位置式PID控制程序实验，这次的设计课题多少有些相似的地方，但是对于梯形积分我们不太了解。我们小组6人各自选择了不同的控制对象。我选择的控制对象是G(s)=

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
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