计算机控制技术课程设计 数字PID控制系统设计

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整定工作打下基础。

三、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的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ADC0809和模出电路TLC7528；由运放构成的被控对象。

2. 控制算法：增量梯形积分型的PID 控制算法。

3. 软件设计：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. 被控对象每个同学选择不同：44(),()(0.21)(0.81)G s G s s s s s ==++ 55(),()(0.81)(0.31)(0.81)(0.21)G s G s s s s s ==++++510(),()(1)(0.81)(1)(0.41)G s G s s s s s ==++++88(),()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51)G s G s s s s s s s ==++++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1 课题简介根据偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)进行控制(简称PID控制),是控制系统中应用最为广泛的一种控制规律。

实际运行的经验和理论的分析都表明，运用这种控制规律对许多工业控制过程进行控制时，都能得到满意的效果。

不过，用计算机实现PID控制，不是简单的把模拟PID控制规律化，而是进一步与计算机的逻辑判断功能结合，使PID控制更加灵活，更能满足生产过程提出的要求。

比例控制能迅速反应误差，从而减少误差，但比例控制不能消除稳态误差；积分的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断的积累，输出控制量以消除误差，因而只要有足够的时间，积分控制将完全消除误差，积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现震荡；微分控制可以减少超调量，克服震荡，使系统稳定性更高，同时加快系统的响应速度，减少调整时间，从而改善系统的动态性能。

（格式：宋体5号，首行缩进2格，单倍行距，下同）2 方案设计2.1 ***********2.2 ***********3硬件电路设计3.1硬件总图3.2被控对象被控对象选择为，硬件设计图如下：3.3译码电路图此处用到了锁存器和3-8译码器，先对低八位地址锁存，然后对低八位中的P0.6和高八位中的P2.1,P2.2进行译码，由Y3和Y7引出，分别接至模数转换单元的ENABLE和数模转单元的/OE接口，从而实现地址0600和0640对两转换单元的片选。

当地址为0600时CBA输入信号为011，Y3输出低电平片选模数转换单元；当地址0640为CBA输入信号为111，Y7输出为低电平，片选了数模转换单元。

4控制算法设计4.1模拟PID调节器控制规律为：4.2数字PID增量梯形积分型控制算法其中有如下近似：计算可得：5软件编程设计5.1流程图主程序系系系系系变量初始化等待中断5.2软件程序#include <reg51.h>#include <absacc.h>#include <math.h>/*****************************************宏定义*****************************************/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC_7 XBYTE[0x0600] //定义模数转换IO地址#define DAC_1 XBYTE[0x0640] //定义D/A第一路的IO地址/*****************************************全局变量定义*****************************************/sbit str = P1^7; //定义A/D启动信号sbit DIN0 = P1^0; //声明同步信号uint data time; //声明变量，用于定时uchar data t0_h,t0_l; //用于存储定时器0的初值char TK = 5; //声明采样周期变量,//采样周期＝TK*10ms char TC; //TK的变量float kp =1.8; //比例系数uint ti =80; //积分系数char td = 2; //微分系数char IBAND = 120; //积分分离值char EK; //当前采样的偏差值char EK_1; //上一次采样的偏差值char AEK; //偏差的变化量char UK; //当前时刻的D/A输出char AEK_1;char BEK;char CEK;float ZEK;/*****************************************主函数*****************************************/void main(void){TMOD = 0x01;time = 10; //定时10mst0_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1ET0 = 1; //开定时中断0TR0 = 1; //启动定时器TC = 1;DAC_1= 0x80; //D/A清零EK = EK_1 = 0; //变量清零AEK =BEK=AEK_1=CEK= UK = 0;ZEK = 0;str = 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************************************************/void int1() interrupt 2 using 2{float P,D,I,TEMP,TEMP1;DIN0 = 1; //读取输入前，先输出高电平if(DIN0) //判同步信号到否{EK = EK_1 = 0; //变量清零UK = AEK = BEK=CEK=AEK_1=0;ZEK = 0;DAC_1 = 0x80; //D/A输出零TC=1;}else{TC--; //判采样周期到否if(TC == 0){EK = ADC_7 - 128; //采样当前的偏差值，并计算偏差的变化量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; //判积分分离值else{ZEK=EK+ZEK;I= BEK * TK;I= I / ti;}P =AEK;D = CEK * td; //计算微分项D = D / TK;TEMP = (P + I + D) * kp; //计算比例项TEMP1=(EK_1 + ZEK*TK/ti+AEK_1*td/TK)*kp;TEMP=TEMP+TEMP1;if(TEMP > 0) //判控制量是否溢出，溢出赋极值{if(TEMP >= 127)UK = 127;elseUK = (char)TEMP;}else{if(TEMP <- 128)UK = -128;elseUK = (char)TEMP;}DAC_1 = UK + 128; //D/A输出控制量TC = TK; //采样周期变量恢复}}}/**********************************************函数名：Timer0功能：定时器0中断服务程序参数：无返回值：无***********************************************/void Timer0() interrupt 1 using 1{TH0 = t0_h; //重新装入初值TL0 = t0_l;str = 0;str = 1; //产生A/D启动信号}6 实验结果与分析6.1实验波形6.2结果分析经过对PID参数的调节，最终实现的波形较好的实现了控制的要求，使得阶跃超调小于10%，而且相应时间较快，控制算法及程序是可靠的。

7 小结与体会参考文献（列出你所利用的参考文献。

格式参见下。