计算机控制系统课设报告--数字温度PID控制器的设计

《计算机控制系统A》课程设计

任务书

一、目的与要求

1、通过本课程设计教学环节，使学生加深对所学课程内容的理解和掌握；

2、结合工程问题，培养提高学生查阅文献、相关资料以及组织素材的能力；

3、培养锻炼学生结合工程问题独立分析思考和解决问题的能力；

4、要求学生能够运用所学课程的基本理论和设计方法，根据工程问题和实际应用方案的要求，进行方案的总体设计和分析评估；

5、报告原则上要求依据相应工程技术规范进行设计、制图、分析和撰写等。

二、主要内容

1、数字控制算法分析设计；

2、现代控制理论算法分析设计；

3、模糊控制理论算法分析设计；

4、过程数字控制系统方案分析设计；

5、微机硬件应用接口电路设计；

6、微机应用装置硬件电路、软件方案设计；

7、数字控制系统I/O通道方案设计与实现；

8、PLC应用控制方案分析与设计；

9、数据通信接口电路硬件方案设计与性能分析；

10、现场总线控制技术应用方案设计；

11、数控系统中模拟量过程参数的检测与数字处理方法；

12、基于嵌入式处理器技术的应用方案设计；

13、计算机控制系统抗干扰技术与安全可靠性措施分析设计；

14、计算机控制系统差错控制技术分析设计；

15、计算机控制系统容错技术分析设计；

16、工程过程建模方法分析；

三、进度计划

四、设计成果要求

1、针对所选题目的国内外应用发展概述；

2、课程设计正文内容包括设计方案、硬件电路和软件流程，以及综述、分析等；

3、课程设计总结或结论以及参考文献；

4、要求设计报告规范完整。

五、考核方式

通过系统设计方案、总结报告、图文质量和学习与设计态度综合考评，并结合学生的动手能力，独立分析解决问题的能力和创新精神等。

《计算机控制系统课程设计》成绩评定依据如下：

1、撰写的课程设计报告；

2、独立工作能力及设计过程的表现；

3、答辩时回答问题的情况。

优秀：设计认真，设计思路新颖，设计正确，功能完善，且有一定的独到之处，打印文档规范；

良好：设计认真，设计正确，功能较完善，且有一定的独到之处，打印文档规范；

及格：设计基本认真，设计有个别不完善，但完成基本内容要求，打印文档较规范；

不及格：设计不认真，未能完成设计任务，打印文档较乱或出现抄袭现象者。

说明：

同学选择题目要尽量分散，并且多位同学选同一个题目时，要求各自独立设计，避免相互参考太多，甚至抄袭等现象。

学生姓名：苏印广

指导教师：李士哲

2015年7月17日

一、课程设计(综合实验)的目的与要求

1.1设计目的

(1)加深对控制算法设计的认识，学会控制算法的应用。

(2) 掌握A/D转换电路的应用、掌握51单片机、8253可编程定时器/计数器的应用、掌握温度采集及控制方法。

(3)了解计算机控制系统的整体设计及调试的方法，锻炼和培养由各个子模块功能单元构筑完整的微机控制系统的能力。

1.2设计要求

(1) 系统的被控对象为温箱系统，被测参数为温箱的温度，测温范围为0-300℃，误差不超过±0.1℃。

（2）设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、有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。

(3)控制算法：增量型数字PID控制

(4) 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。

二、设计（实验）正文

1：总体方案设计

本系统是一个典型的温度闭环控制系统，需要完成的功能是温度设定、检测与显示以及温度控制、报警等。温度的设定和显示功能可以通过键盘和显示电路部分完成；温度检测可以通过热电阻、热电偶或集成温度传感器等器件完成；温度超限报警可以利用蜂鸣器等实现；温度控制可以采用可控硅电路实现。

系统采用89C51作为系统的微处理器来完成对炉温的控制和键盘显示功能。8051片内除了128KB的RAM外，片内又集成了4KB的ROM作为程序存储器，是一个程序不超过4K字节的小系统。系统程序较多时，只需要外扩一个容量较小的程序存储器，占用的I/O 口减少，同时也为键盘、显示等功能的设计提供了硬件资源，简化了设计，降低了成本。因此89C51可以完成设计要求

2：控制系统的建模和数字控制器的设计

2.1：温箱的数学模型和控制算法的选择

根据实际测量，温箱是一个近似一阶惯性环节。以加热功率为输入，箱内温度为输出，其传递函数表达为

1

)(+=

-s K s G T

e

d

s

d

τ （2.1）

其中：时间常数

T

d

=300；放大系数K d =20；滞后时间τ=10

2.2：数字控制器的设计

2.2.1 模拟PID 控制系统结构图

它主要由PID 控制器和被控对象所组成。而PID 控制器则由比例、积分、微分三个环节组成。它的数学描述为:

u T K dt

t de dt t e t e t u t

D

i p 00

])

()(1

)([)(+++

=⎰τ

(2.2)

式中，K p 为比例系数T I ;为积分时间常数;T

D 为微分时间常数. 下面把PID 控制分成三个环节来分别说明： A. 比例调节(P 调节)

u K t e t u p 0

)()(+= （2.3）

式中p K 为比例系数，0u 为控制常量，即偏差为零时的控制变量。偏差

)()()(t y t r t e -=。偏差一旦产生，比例调节立即产生控制作用，使被控制的过程变量y 向

使偏差减小的方向变化。比例调节能使偏差减小，但不能减小到零，有残存的偏差（静差）。加大比例系数p K 可以提高系统的开环增益，减小静差，从而提高系统的控制精度。但当p K 过大时，会使动态质量变差，导致系统不稳定。 B. 积分调节（I 调节）

在积分调节中，调节器输出信号的变化速度du/dt 与偏差)(t e 成正比，即

)(1t e dt du i

τ=或⎰=T

i dt t e t u 0

)(1)(τ （2.4）

其中i τ 为积分常数，i τ越大积分作用越弱。I 调节的特点是无差调节，与P 调节的有