数字PID控制系统设计(I)
说明pid控制器中p、i、d各环节的名称及作用
说明pid控制器中p、i、d各环节的名称及作用在PID控制器中，P、I、D分别代表比例环节（Proportional）、积分环节（Integral）和微分环节（Derivative）。
这三个环节是PID控制器的核心组成部分，用于调节控制系统的输出信号，以使其尽可能接近期望值。
1. 比例环节（P环节）：比例环节根据控制系统输出与期望值之间的偏差，以比例关系调节控制信号。
P 环节的作用是通过调整输出信号与误差之间的线性关系，来快速响应误差的变化。
当误差增大时，P环节会增大输出信号的幅度，以加快系统的反应速度。
然而，P环节不能保证系统稳定，可能会导致系统的超调和振荡现象。
2. 积分环节（I环节）：积分环节根据控制系统误差的积分累加，以调节控制信号。
I环节的作用是消除系统的静态误差，即当系统存在持续偏差时，通过积分作用来逐渐减小误差，使系统趋于稳定。
积分环节可以提高系统的精确度和稳定性，但过大的积分系数可能会导致系统反应变慢，并增加超调。
3. 微分环节（D环节）：微分环节根据控制系统误差的变化率，以调节控制信号。
D环节的作用是根据误差的变化率来预测系统的未来变化趋势，通过调整输出信号的斜率来快速抑制系统的振荡和超调。
微分环节可以提高系统的响应速度和稳定性，但过大的微分系数可能会增加噪声对系统的干扰。
综上所述，P、I、D环节在PID控制器中分别负责调节控制系统的响应速度、稳定性和精确度。
P环节通过比例关系来快速响应误差的变化，I环节通过积分作用来消除持续偏差，D环节通过微分作用来预测未来变化趋势并抑制系统的振荡。
这三个环节在不同的应用中可以根据需求进行调整和优化，以实现更好的控制效果。
数字PID控制系统设计I(1)
数字PID控制系统设计I(1)数字PID控制系统设计I数字PID控制系统是一种广泛应用于工业控制领域的技术。
它可以通过控制程序实现电子控制系统，最终实现对各种工业过程的控制。
下面将详细介绍数字PID控制系统设计的相关内容。
一、数字PID控制系统基本原理PID控制是一个常见且重要的控制理论，由比例(proportional)、积分(integral)和微分(derivative)三个部分组成，可以更准确、快速地控制过程。
简单来说，PID控制目的是通过对控制器与受控对象之间的关系进行调整，使得受控对象能够实现目标状态，PID控制系统设计的基本原理是根据当前误差进行调整，而误差则取决于设定值和实际值之间的差距。
当现有的误差被反馈到控制器时，控制器会自动调整输出信号，从而使得受控对象的状态发生相应变化。
二、数字PID控制系统的实现方法数字PID控制系统的实现方法如下：1.确定控制对象与控制范围。
2.确定PID参数，如比例增益Kp、积分时间T1和微分时间T2。
3.对测量数据进行输入，进行跟踪和追踪。
4.分析反馈数据，对数据进行分析，找出问题并对问题进行修复。
5.根据分析结果，进行控制系统的调整，从而使得控制对象状态得到优化。
三、数字PID控制系统的优缺点数字PID控制系统的优点如下：1.具有快速响应特征，能够快速调整控制器信号。
2.控制精度高，能够准确地控制控制对象。
3.安装方便，可以通过电脑等电子设备进行安装。
数字PID控制系统的缺点如下：1.计算量很大，需要进行繁复的计算才能实现。
2.对传感器非常敏感，传感器的问题有时会导致系统失控。
3.对负载稳定特性要求较高，如果负载变化较大，可能会影响系统稳定性。
四、数字PID控制系统设计的应用数字PID控制系统广泛应用于生产线控制、温度调节、湿度调节、压力控制、流量控制等各个领域。
它可以精确控制各种工业过程，实现高效、精准地生产。
在未来，数字PID控制系统将应用于更广泛的应用领域。
PID控制原理及参数设定
PID控制原理及参数设定PID控制是一种常用的自动控制算法，它通过反馈控制的方式，根据控制对象的输出与期望目标的差异来调整输入信号，实现对控制对象的稳定控制。
PID控制由比例（P）、积分（I）和微分（D）三部分组成，分别对应了不同的控制机制。
P（比例）控制是指控制信号与误差的线性比例关系，P控制主要用于快速响应系统，能够快速减小误差，但不能完全消除误差。
P控制的公式为：u(t)=Kp*e(t)，其中u(t)表示控制信号，Kp为比例增益，e(t)为误差。
通过调节比例增益Kp的大小，可以控制系统的响应速度。
I（积分）控制是指控制信号与误差的累积关系，I控制主要用于消除系统的稳态误差。
I控制的公式为：u(t) = Ki * ∫e(t)dt，其中Ki为积分增益。
通过调节积分增益Ki的大小，可以控制系统的稳态误差。
D（微分）控制是指控制信号与误差的变化率关系，D控制主要用于抑制系统的超调和震荡。
D控制的公式为：u(t) = Kd * de(t)/dt，其中Kd为微分增益，de(t)/dt为误差的变化率。
通过调节微分增益Kd的大小，可以控制系统的稳定性和响应速度。
根据PID控制的原理，控制信号可以表示为：u(t) = Kp * e(t) +Ki * ∫e(t)dt + Kd * de(t)/dt。
其中，e(t)为误差，t为时间。
在实际应用中，PID控制器还需要设置参数，包括比例增益Kp、积分增益Ki和微分增益Kd。
如何设置这些参数是设计一个有效的PID控制器的关键。
参数设定方法有很多种，常用的方法包括经验法、试验法和自整定法等。
经验法是一种基于经验规则的参数设定方法，它根据控制对象的特性和应用经验来选取参数。
经验法比较简单易用，但通常需要根据实际情况进行适当的调整。
试验法是通过试验分析控制对象的动态响应来选取参数，常用的试验方法有阶跃响应法、脉冲响应法和频率响应法等。
试验法的参数设定相对准确，但需要进行一定的试验工作，并且需要对试验数据进行分析。
自动控制课程设计pid
自动控制 课程设计pid一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握PID控制原理，理解比例（P）、积分（I）、微分（D）各自的作用及相互关系。
2. 使学生了解自动控制系统中PID参数调整对系统性能的影响。
3. 引导学生运用数学工具描述控制系统的动态特性。
技能目标：1. 培养学生运用PID算法解决实际控制问题的能力。
2. 让学生掌握使用仿真软件进行PID控制器设计和参数优化的方法。
3. 培养学生通过实验分析控制效果，进而调整PID参数的能力。
情感态度价值观目标：1. 培养学生对自动控制技术的兴趣，激发学习热情。
2. 培养学生的团队合作意识，提高沟通与协作能力。
3. 引导学生关注自动化技术在生活中的应用，认识到科技发展对社会进步的重要性。
分析课程性质、学生特点和教学要求，本课程将目标分解为以下具体学习成果：1. 学生能够阐述PID控制原理，并解释P、I、D参数对系统性能的影响。
2. 学生能够运用仿真软件设计PID控制器，并完成参数优化。
3. 学生能够通过实验，观察和分析控制效果，根据实际情况调整PID参数。
4. 学生在课程学习中展现出积极的学习态度和良好的团队合作精神。
二、教学内容1. 理论部分：a. 控制系统基本概念及性能指标介绍（对应教材第2章）b. PID控制原理及其数学描述（对应教材第3章）c. PID参数调整对系统性能的影响分析（对应教材第4章）2. 实践部分：a. 使用仿真软件（如MATLAB/Simulink）进行PID控制器设计与仿真（对应教材第5章）b. 实际控制实验，观察和分析PID参数调整对系统性能的影响（对应教材第6章）3. 教学进度安排：a. 第1周：控制系统基本概念及性能指标学习b. 第2周：PID控制原理及其数学描述学习c. 第3周：PID参数调整对系统性能的影响分析d. 第4周：仿真软件操作培训及PID控制器设计e. 第5周：实际控制实验操作及结果分析教学内容遵循科学性和系统性原则，结合教材章节，确保学生能够逐步掌握自动控制及PID控制相关知识。
PID控制原理与参数的整定方法
PID控制原理与参数的整定方法PID控制器是一种常用的自动控制器，在工业控制中广泛应用。
它的原理很简单，即通过不断调节控制信号来使被控制物体的输出接近给定值。
PID控制器由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个控制参数组成。
下面将详细介绍PID控制的原理和参数整定方法。
一、PID控制原理1.比例（P）控制比例控制根据被控制量的偏差的大小，按照一定比例调节控制量的大小。
当偏差较大时，调节量增大；当偏差较小时，调节量减小。
此项控制可以使系统快速响应，并减小系统稳态误差。
2.积分（I）控制积分控制根据被控制物体的偏差的积分值来调节控制量。
积分控制的作用主要是消除系统的稳态误差。
当偏差较小但持续较长时间时，积分量会逐渐增大，以减小偏差。
3.微分（D）控制微分控制根据被控制物体的偏差的变化率来调节控制量。
当偏差的变化率较大时，微分量会增大，以提前调整控制量。
微分控制可以减小系统的超调和振荡。
综合比例、积分和微分控制，PID控制器可以通过不同的控制参数整定来适应不同的被控制物体的特性。
二、PID控制参数整定方法1.经验整定法经验整定法是根据对被控制系统的调试经验和运行情况来选择控制参数的方法。
它是通过实际试验来调整控制参数，通过观察系统的响应和稳定性来判断参数的合理性。
2. Ziegler-Nichols整定法Ziegler-Nichols整定法是根据系统的临界响应来选择PID控制参数的方法。
在该方法中，首先将I和D参数设置为零，然后不断提高P控制参数直到系统发生临界振荡。
根据振荡周期和振荡增益的比值来确定P、I和D的参数值。
3.设计模型整定法设计模型整定法是根据对被控系统的数学建模来确定PID控制参数的方法。
通过建立被控系统的数学模型，分析其频率响应和稳态特性，从而设计出合理的控制参数。
4.自整定法自整定法是通过主动调节PID控制器的参数，使被控系统的输出能够接近给定值。
该方法可以通过在线自整定或离线自整定来实现。
PID控制算法介绍与实现
PID控制算法介绍与实现PID控制算法是一种经典的反馈控制算法，通过测量控制系统的误差值，调整控制器输出来实现目标控制。
PID是比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分的缩写，分别代表了系统的比例响应，积分响应和微分响应。
在PID算法中，比例控制（P）部分根据误差的大小反馈调整控制输出，使误差减小。
积分控制（I）部分根据误差的累积值反馈调整控制输出，用来消除系统的稳态误差。
微分控制（D）部分根据误差的变化率反馈调整控制输出，用来抑制系统的振荡和超调。
\[u(t) = K_p \cdot e(t) + K_i \cdot \int_0^t e(\tau) d\tau + K_d \cdot \frac{d}{dt} e(t)\]其中，\(u(t)\)表示控制输出，\(e(t)\)表示误差，\(K_p\)、\(K_i\)和\(K_d\)分别表示比例、积分和微分系数。
在实际应用中，这些系数需要通过试验或者调整来获得最佳的控制效果。
另一种实现方式是使用现代控制器或者PLC等设备来实现PID算法。
这些设备通常具有多个输入输出端口，能够直接与各种传感器和执行机构进行通信。
它们通常具有丰富的PID算法控制函数，并提供了可调参数和控制策略等高级功能。
在PID控制算法的实现中，需要注意一些常见的问题和技巧：1.PID参数调整：PID算法的效果好坏与调整参数密切相关。
传统的调参方法是通过试验和经验来调整参数，但这种方法耗时且不精确。
现代的方法可以通过自适应控制和优化算法等来自动调整PID参数，以达到最佳效果。
2.非线性系统：PID算法最初设计用于线性系统，对于非线性系统可能会产生较大的误差。
针对非线性系统，可以使用先进的控制算法如模糊控制和自适应控制来改进PID算法的性能。
3.鲁棒性设计：PID算法对参数变化和扰动敏感。
在实际控制中，往往存在参数变化和扰动的情况，需要通过鲁棒性设计来抵抗这些干扰，保证系统的稳定性和控制性能。
pid控制系统课程设计
pid控制系统课程设计一、课程目标知识目标：1. 学生能理解PID控制系统的基本概念、原理及数学模型；2. 学生能掌握PID控制系统中比例（P）、积分（I）、微分（D）三个参数对系统性能的影响；3. 学生能运用控制理论知识分析PID控制系统在不同工况下的性能表现。
技能目标：1. 学生能运用PID控制算法设计简单的控制系统，并进行参数调试；2. 学生能运用相关软件（如MATLAB/Simulink）对PID控制系统进行建模与仿真；3. 学生能通过小组合作，解决实际工程问题，提高团队协作和沟通能力。
情感态度价值观目标：1. 学生能认识到PID控制在工程领域的重要性和广泛应用，培养对自动化技术的兴趣和热情；2. 学生在探究PID控制系统过程中，培养严谨的科学态度和良好的工程素养；3. 学生通过小组合作，培养团队精神，学会尊重和倾听他人意见，提高沟通能力。
课程性质：本课程为自动化专业高年级选修课程，旨在帮助学生将理论知识与实际应用相结合，提高解决实际问题的能力。
学生特点：学生已具备一定的控制理论基础，具有较强的学习能力和实践操作能力。
教学要求：结合实际工程案例，采用理论教学与实践操作相结合的方式，引导学生掌握PID控制系统的设计与调试方法。
通过课程学习，使学生能够达到课程目标，为今后从事自动化领域工作打下坚实基础。
二、教学内容本课程教学内容主要包括以下几部分：1. PID控制系统基本原理：介绍PID控制系统的起源、发展及其在工业控制中的应用；讲解比例（P）、积分（I）、微分（D）三个环节的作用及相互关系。
2. PID控制算法：讲解PID控制算法的数学表达式，分析不同形式PID算法的特点及适用场合。
3. PID控制系统建模与仿真：结合教材内容，运用MATLAB/Simulink软件进行PID控制系统的建模与仿真，让学生直观地了解系统性能与参数之间的关系。
4. PID参数调试方法：讲解PID参数对系统性能的影响，介绍常见的参数调试方法，如经验法、临界比例度法、衰减曲线法等。
数字PID控制器设计制作
数字PID控制器设计设计任务：设单位反馈系统的开环传递函数为：设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于0.1，超调量不大于20%，调节时间不大于0.5s。
采用增量算法实现该PID控制器。
具体要求：1.采用Matlab完成控制系统的建立、分析和模拟仿真，给出仿真结果。
2.设计报告内容包含数字PID控制器的设计步骤、Matlab仿真的性能曲线、采样周期T的选择、数字控制器脉冲传递函数和差分方程形式。
3.设计工作小结和心得体会。
4.列出所查阅的参考资料。
数字PID控制器设计报告一、设计目的1 了解数字PID控制算法的实现；2 掌握PID控制器参数对控制系统性能的影响；3 能够运用MATLAB/Simulink 软件对控制系统进行正确建模并对模块进行正确的参数设置；4 加深对理论知识的理解和掌握；5 掌握计算机控制系统分析与设计方法。
二、设计要求1采用增量算法实现该PID控制器。
2熟练掌握PID设计方法及MATLAB设计仿真。
三、设计任务设单位反馈系统的开环传递函数为：设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于0.1，超调量不大于20%，调节时间不大于0.5s。
采用增量算法实现该PID控制器。
四、设计原理1.数字PID原理结构框图2. 增量式PID 控制算法()()()()()01P I D i u k K e k K e i K e k e k ∞==++--⎡⎤⎣⎦∑=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =u(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 所以Δu(k)=u(k)-u(k-1)=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 整理：Δu(k)= Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)A= Kp+Ki+Kd B=-(Kp+2Kd ) C=Kd五、Matlab 仿真选择数字PID 参数（扩充临界比例度法/扩充响应曲线法 具体整定步骤）利用扩充临界比例带法选择数字PID 参数，扩充临界比例带法是以模拟PID 调节器中使用的临界比例带法为基础的一种数字PID 参数的整定方法。
PID控制原理详解及实例说明
PID控制原理详解及实例说明PID控制是一种常用的控制算法，它能够在工业控制系统中实现对各种参数的精确控制。
PID分别代表比例(proportional)、积分(integral)和微分(derivative)，这三个参数共同决定了控制系统的输出。
在本文中，我们将详细介绍PID控制的原理，并通过一个实例来说明PID控制的应用。
**PID控制原理**PID控制算法的基本原理是通过反馈来调节控制系统的输出值，使其与期望值尽可能接近。
PID控制器根据当前的误差值(e)，积分项(i)和微分项(d)来计算控制输出(u)。
具体来说，控制输出可以表示为以下公式：\[ u(t)=K_p \cdote(t)+K_i\cdot\int{e(t)dt}+K_d\cdot\frac{de(t)}{dt} \]其中，\(K_p\)、\(K_i\)和\(K_d\)分别是比例增益、积分增益和微分增益。
比例项用于根据误差信号的大小来调整输出，积分项用于修正系统的静态误差，微分项用于预测误差的变化趋势。
通过调节这三个参数的数值，可以使PID控制器在不同的控制情况下获得最佳性能。
**实例说明**为了更好地理解PID控制的应用，我们以一个简单的温度控制系统为例进行说明。
假设我们需要设计一个PID控制器来维持一个恒定的温度值，控制系统的输入是一个加热元件的功率，输出是系统的温度。
首先，我们需要建立一个数学模型来描述系统的动态特性。
假设系统的温度动态可以由以下微分方程描述：\[ \tau \cdot \frac{dT(t)}{dt}+T(t)=K \cdot P(t) \]其中，\(T(t)\)代表系统的温度，\(P(t)\)代表加热元件的功率，\(\tau\)代表系统的时间常数，\(K\)代表系统的传递函数。
接下来，我们可以根据这个数学模型来设计PID控制器。
首先，我们需要对系统进行参数调试，确定合适的比例增益\(K_p\)、积分增益\(K_i\)和微分增益\(K_d\)。
PID控制系统---P I D参数的作用 控制系统专用
Kd Ts
[ e ( k ) 2 e ( k 1) e ( k 2 )]
增量型与位置型的比较
（1）增量型算法不需要累加，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。而位置型 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）增量型算法得出的是控制量的 增量，误动作影响小，不会影响严重 系统的工作。而位置型算法的输出是 控制量的全量输出，误动作影响大。
void pid_init() { r=INPUT; y_cur=0; y_pre=0; u_pre=0; e_pre=0; e_last=0; } float pid_process() { float q0, q1, q2; e_cur=r-y_cur; //e(k)=r-y(k) q0=(float)( KP*(1+T/TI+TD/T)); q1=-KP-2*KP*TD/T; q2=KP*TD/T; u_aug=q0*e_cur+q1*e_pre+q2*e_last; //△u(k)=q0*e(k)+q1*e(k-1)+q2*e(k-2) u_cur=u_aug+u_pre; //u(k)=△u(k)+u(k-1)
PID参数整定
试凑法（先比例，后积分，再微 分） 扩充临界比例度法 扩充响应曲线法
增量式流程图
用计算机实现PID控制
#include<reg51.h> #define uchar unsigned char #define uint unsigned int #define KP 100 #define TI 2 #define TD 1 #define T 1 sbit start=P3^0; sbit OE=P3^1; sbit EOC=P3^2; float y_cur; //y(k) float y_pre; //y(k-1) float e_cur; //e(k) float e_pre; //e(k-1) float e_last; //e(k-2) float u_cur; //u(k) float u_pre; //u(k-1) float u_aug; //△u(k) uchar AD; uint INPUT=3; uint r;
数字PID控制器的设计
T
(1 j
T
)2
所以
T 2 T arctan arctan 2 arctan T 2 2 2 1( ) 1( ) 2 2
由此得出
T T
2(
T
)
与 T 的对应关系：
: 0 ~ : 0 ~
T : 0 ~ T : 0 ~
7.2 数字控制器的PID设计方法
• 7.2.1 PID设计方法
计算机控制系统的核心 数字控制器
实现各种不同要求的控制功能。
如何设计数字控制器？ （1）给定控制对象 （2）给定性能指标
设计出满足控制性能的控制规律以 及与此对应的计算机编程算法。
数字控制器的两类设计方法
输入r(r) 计算机 D/A 被控对象 输出c(t)
设微分的控制规律为： u (t )
S域的传递函数为：
对微分控制规律前向差分变换，可得： u ( k ) e( k 1) e( k )
de (t ) dt U ( s) D( s ) s E ( s)
T
e(k 1) z e(k )
e(k 1) e(k ) z 1 u (k ) e( k ) T T
ek2其中其中如果控制系统的执行机构采用步进电机如果控制系统的执行机构采用步进电机在每个采样周在每个采样周期期控制器输出的控制量是相对于上次控制量的增加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增量型数字此时控制器应采用增量型数字pidpid控制算法控制算法其控制原理其控制原理如下图所示如下图所示
2 2
数字控制器为：
U ( z ) T 1 z 1 1 D( z ) D( s) 2 1 z 1 1 1 s 2 1 z E( z) 2 1 z T 1 z 1 T 1 z 1
pid控制表达式
pid控制表达式
PID控制表达式是一种常用的控制算法，常用于控制系统中的温度、速度、流量等。
PID控制包括比例、积分、微分三个控制项的组合，其中：
1. 比例（P）控制
比例控制是指在系统反馈数据和预设目标值的差异方向和大小一致的情况下，控制信号的增量与反馈差距成比例关系。
比例控制系数可以设定为一个常数Kp，控制表达式为：
u(t)=Kp*e(t)
其中u(t)是控制器的输出信号，e(t)是反馈误差。
2. 积分（I）控制
积分控制是指控制信号是反馈误差经过一段时间内的累积值。
积分控制可以用一个常数Ki表示，控制表达式为：
u(t)=Kp*e(t)+Ki*∫e(t)dt
其中∫e(t)dt是反馈误差经过一段时间后的累加值。
3. 微分（D）控制
微分控制是指控制信号的增量与反馈误差的变化率称为微分量。
微分
控制可以用一个常数Kd表示，控制表达式为：
u(t)=Kp*e(t)+Ki*∫e(t)dt+Kd*d/dt[e(t)]
其中d/dt[e(t)]为反馈误差的导数。
综合三种控制方式，即可得到PID控制表达式：
u(t)=Kp*e(t)+Ki*∫e(t)dt+Kd*d/dt[e(t)]
PID控制表达式能够调节控制器的输出信号，实现对系统的精确控制。
但是在实际应用过程中，控制参数需要不断调整，以提高控制的稳定
性和精度，同时需要注意避免超调等现象的发生。
数字PID控制系统设计I-V1
数字PID控制系统设计I-V1（正文开始）数字PID控制系统是目前工业自动化控制中最为常用的一种控制策略，也是最经典的控制器设计方法之一。
数字PID控制系统可以利用数字计算机进行计算和控制，提高了系统的可靠性和控制精度。
一、PID控制器概述PID控制器是一种常用的反馈控制器，其名称由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个单词组成。
PID控制器的作用是通过反馈信号使输出信号与期望信号相比较，控制系统的误差在一定范围内，从而达到自动调节的效果。
PID控制器的参数调节具有一定的难度，需要深入了解控制问题的本质和掌握相关的数学知识。
二、数字PID控制系统设计步骤1. 建立系统模型：将控制对象建立数学模型，为控制器设计奠定基础。
2. 选择控制策略：选择PID控制器作为控制策略，进行控制器的参数整定。
3. 控制器参数整定：从稳定性、动态性、精度三个方面进行考虑，利用试控法或优化算法对PID控制器的三个参数进行定量的优化。
4. 实现数字化：将模拟信号转换为数字信号，采用微处理器或FPGA芯片实现。
5. 硬件设计：将数字信号转换成控制信号，采用适当的驱动器设计结构。
6. 软件编程：利用编程语言设计控制算法，实现控制器的实时控制。
三、PID控制器参数整定方法1. 经验法：通常根据类似于经验公式的经验法来进行参数的初步整定，再进行进一步的试控。
2. 试控法：采用模拟控制实验进行调节，通过实验获得适当的参数，但是实验比较复杂，要求现场设备和支持设备。
3. 优化算法：通过数学优化算法，对PID控制参数进行调整，减少试控工作量，常用的有遗传算法、模拟退火算法、粒子群优化算法等。
四、案例分析以温度控制为例，假设所控制的对象为热水器，控制系统的任务为将热水器中的水温控制在设定温度范围内。
步骤：1. 建立系统模型：根据热传导方程式，建立热水器水温的数学模型。
2. 选择控制策略：根据经验法，选择PID控制策略，并初步选择PID 控制器的参数。
PID控制的一阶倒立摆控制系统设计
PID控制的一阶倒立摆控制系统设计一阶倒立摆是一种基本的控制系统，在工业及自动化领域有广泛的应用。
PID控制是一种常用的控制算法，可以有效地控制系统的输出，使其稳定在期望值附近。
本文将介绍如何设计一个PID控制器来控制一阶倒立摆。
一阶倒立摆是一个简化的倒立摆系统，由一个质量为m的小球通过一个无摩擦杆连接到一个固定支撑点上。
系统的输入是杆的角度，输出是小球的位置。
我们的目标是通过调节杆的角度来控制小球的位置。
首先，我们需要建立一阶倒立摆的动力学方程。
根据牛顿第二定律和杆的力学特性，可以得到以下方程：m * x'' = m * g * sin(theta) - k * x' + u其中，x是小球的位置，theta是杆的角度，u是控制输入，k是杆的阻尼系数，g是重力加速度。
为了简化问题，我们可以假设杆的阻尼系数k为零，即忽略杆的阻尼。
此外，我们可以将上述方程转换为状态空间方程形式，可以得到以下方程：x'=vv' = g * sin(theta) + u / m其中，v是小球的速度。
接下来，我们需要设计PID控制器来控制系统的输出。
PID控制器由比例项（P项）、积分项（I项）和微分项（D项）组成。
PID控制器的输出可以通过以下公式计算：u = Kp * e + Ki * ∫e + Kd * de/dt其中，e是系统的误差（期望值与实际值之差），Kp、Ki和Kd分别是比例项、积分项和微分项的系数。
在一阶倒立摆控制中，我们可以将系统的误差定义为小球的位置与期望位置之差。
因此，可以将控制器的输出计算公式改写为：u = Kp * (x_d - x) + Ki * ∫(x_d - x) + Kd * d(x_d - x) / dt 其中，x_d为期望位置。
接下来，我们需要调整PID控制器的参数，以使系统稳定在期望位置附近。
调整参数的方法包括手动调整和自动调整。
手动调整需要根据经验和观察来选择参数，而自动调整可以通过一些专门的调参算法来实现，例如Ziegler-Nichols方法和遗传算法等。
基于数字PID算法的温度控制系统设计
的由继电器作为控制开关的温度控制系统属于位置型PID 控制算法公式如下
+
e(i),气°=迪尹二U (3)
J0
பைடு நூலகம்iTo
dt
1s
第1期
王冠龙，等:基于数字PID算法的温度控制系统设计
87
则可得到离散的P11)表达式为
“⑷=心[e⑴+半X吆)+叮(")：(11)]
1\ 1=0
1S
k =KPe(<k) +K]
WANG Guan-long, CUI Liang, ZHU Xue-jun
(College of Mechanical Engineering, Ningxia University, Yinchuan 750021, China)
Abstract: A temperature control system based on proportional-integral-differential ( PID ) algorithm and using STC12C5A60S2 microcontroller unit ( MCU ) as the core controller is designed, in view of current agricultural production gradually shift to the needs of the economy. I'he system can set appropriate temperature, according to temperature requirements of different crops in greenhouse growth environment, and start the corresponding heating or cooling equipment automatically according to the degree of the measured temperature deviate from the set temperature to adjust the room temperature to the set temperature range, achieve a rapid, stable and accurate control. Through simulation analysis and software and hardware test, it shows that the system achieves ideal effect because of stable running and high control precision, il has certain application value and popularization value. Keywords: proportional-integral-differential( PID) algorithm； parameter tuning； STC12C5A60S2 microcontroller unit( MCU) ； temperature control
pid控制原理及编程方法
pid控制原理及编程方法PID控制是一种常用的控制算法，可以根据给定的目标值和实际值，通过不断调整输出值，使得实际值尽可能接近目标值。
PID控制的原理可以通过以下几个步骤来理解和实现。
1. 比例控制（P控制）：根据目标值和实际值的偏差，乘以一个比例增益系数Kp得到控制量的变化量，作为输出。
控制量的变化量 = Kp * （目标值 - 实际值）2. 积分控制（I控制）：将偏差的累积值乘以一个积分增益系数Ki得到控制量的变化量，作为输出。
这个步骤主要是为了解决系统存在的偏差问题。
控制量的变化量 += Ki * （目标值 - 实际值）* Δt3. 微分控制（D控制）：根据偏差的变化率乘以一个微分增益系数Kd得到控制量的变化量，作为输出。
这个步骤主要是为了解决系统存在的过渡问题。
控制量的变化量 += Kd * （目标值变化率 - 实际值变化率） / Δt以上三个步骤得到的控制量的变化量之和即为最终的输出。
在编程实现PID控制时，可以按照以下步骤进行：1. 定义并初始化相关变量，包括比例增益系数Kp、积分增益系数Ki、微分增益系数Kd、目标值、实际值、偏差、偏差的累积值、上次偏差等。
2. 循环执行以下操作：a. 更新实际值。
b. 计算偏差（目标值 - 实际值）。
c. 计算控制量的变化量，包括比例控制量、积分控制量和微分控制量。
d. 更新偏差的累积值。
e. 计算最终输出值。
f. 控制执行相应操作（根据最终输出值控制系统）。
g. 等待一定时间间隔。
3. 重复步骤2直至达到控制目标。
需要注意的是，PID控制算法需要根据具体的应用场景，仔细选择合适的增益系数，以达到良好的控制效果。
数字PID控制系统设计I(一)
数字PID控制系统设计I(一)数字PID控制系统设计I数字PID控制系统是一种闭环控制系统，根据反馈信号控制输出信号，以使被控对象的状态达到期望值。
本文将探讨数字PID控制系统的设计。
1. 确定系统动态特性要设计一个优秀的数字PID控制系统，首先需要了解被控对象的动态特性。
这些特性可以通过实验或模拟获得。
在获得这些数据之后，我们可以确定被控对象的传递函数，并使用MATLAB等工具进行分析和设计。
2. 确定控制框架控制框架决定数字PID控制系统中PID控制器的配置方式。
常见的控制框架有并行控制、串联控制和嵌套控制等。
- 并行控制是指PID控制器的三个参数分别作用于误差、误差之积和误差变化值（即Kp、Ki、Kd）。
它们的输出信号相加后，作为控制器的输出。
- 串联控制是指一个PID控制器的输出作为另一个PID控制器的输入。
其中，外层PID控制器通常用于控制被控对象的位置，而内层PID控制器用于控制被控对象的速度或加速度。
- 嵌套控制是指用一个PID控制器控制一个相似或小规模的被控对象，该被控对象是另一个PID控制器的输入，该控制器控制着整个系统。
这样，就可以分层控制对象，使整个系统更加稳定和可靠。
3. 设计控制器当确定了控制框架后，需要确定PID控制器的参数。
对于一个数字PID 控制器，Kp、Ki和Kd参数应根据被控对象的特性逐渐调整和优化。
- Kp参数代表比例放大系数，它根据误差量进行比例放大。
较大的Kp值会增加控制器的响应速度，但可能出现过调，引起振荡。
- Ki参数代表积分放大系数，它根据误差的历史值进行比例放大。
Ki 较大的值能够抑制系统的静态误差，但如果设置得过大，可能会使系统失去稳定性。
- Kd参数代表微分放大系数，它对误差的变化率进行比例放大。
调节Kd参数可以提高系统的稳定性，但太大的Kd值可能会增加系统噪声。
4. 模拟和实现控制系统在设计好数字PID控制器后，需要对数字PID控制系统进行仿真和实现。
PID控制中P、I、D参数的作用是什么
PID控制中P、I、D参数的作⽤是什么在⼯程式上仪表性能指标通常⽤精确度（⼜称精度）、变差、灵敏度来描述。
仪表（图3）仪表（图3）仪表⼯校验仪表通常也是调校精确度，变差和灵敏度三项。
变差是指仪表被测变量（可理解为输⼊信号）多次从不同⽅向达到同⼀数值时，仪表指⽰值之间的最⼤差值，或者说是仪表在外界条件不变的情况下，被测参数由⼩到⼤变化（正向特性）和被测参数由⼤到⼩变化（反向特性）不⼀致的程度，两者之差即为仪表变差。
变差⼤⼩取最⼤绝对误差与仪表标尺范围之⽐的百分⽐：变差产⽣的主要原因是仪表伟动机构的间隙，运动部件的摩擦，弹性元件滞后等。
取胜着仪表制造技术的不断改进，特别是微电⼦技术的引⼊，许多仪表全电⼦化了，⽆可动部件，模拟仪表改为数字仪表等等，所以变差这个指标在智能型仪表中显得不那么重要和突出了。
PID控制中有P、I、D三个参数，只有明⽩这三个参数的含义和作⽤才能完成控制器PID参数整定，让控制器到达最佳控制效果。
昌晖仪表在本⽂给⼤家介绍PID控制中P、I、D参数的作⽤。
⽐例作⽤ ⽐例控制器实际上就是个放⼤倍数可调的放⼤器，即△P=Kp×e，式中Kp为⽐例增益，即Kp可⼤于1，也可⼩于1；e为控制器的输⼊，也就是测量值与给定值之差，⼜称为偏差。
要说明的是，对于⼤多数模拟控制器⽽⾔，都不采⽤⽐例增益Kp作为刻度，⽽是⽤⽐例度来刻度，即δ=1/Kc×100%。
也就是说⽐例度与控制器的放⼤倍数的倒数成⽐例；控制器的⽐例度越⼩，它的放⼤倍数越⼤，偏差放⼤的能⼒越⼤，反之亦然。
明⽩了上述关系，就可知道⽐例度越⼤，控制器的放⼤倍数越⼩，被控参数的曲线越平稳；⽐例度越⼩，控制器的放⼤倍数越⼤，被控参数的曲线越波动仪表。
⽐例控制有个缺点，就是会产⽣余差，要克服余差就必须引⼊积分作⽤。
积分作⽤ 控制器的积分作⽤就是为了消除⾃控系统的余差⽽设置的。
所谓积分，就是随时间进⾏累积的意思，即当有偏差输⼈e存在时，积分控制器就要将偏差随时间不断累积起来，也就是积分累积的快慢与偏差e的⼤⼩和积分速度成正⽐。
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扬州大学能源与动力工程学院课程设计报告题目：数字PID控制系统设计（I）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（I ）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：增量型的PID 控制。
3. 控制算法仿真：在simulink 中建立系统仿真图，编写S-function, 对算法进行仿真。
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：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 ==++++ 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. 对象输出端加上扰动：扰动可选择小幅度正弦信号、小幅度阶跃信号、小幅度的脉冲信号。
扰动的出现时刻选择在系统进入稳态后的适当时刻。
6. 对采样信号加上滤波算法。
算法可选择滑动平均值法，复合滤波，惯性滤波等。
7. simulink仿真采用ode4定步长，仿真步长可取0.1-1ms。
采样周期可取20-100ms，由实验结果确定。
8. S-function的函数名由各人姓名拼音缩写+学号后3位数组成。
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．课程设计的目的和设计的任务。
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．控制算法及其原理。
6. Simulink仿真图及S-function的算法实现说明。
7．实验结果及其分析。
8．电路设计、仿真调试中遇到的问题及解决方法。
9．体会。
第二部分课程设计报告目录1 课题简介 (6)1.1 课程设计的目的 (6)1.2 课题任务和要求 (6)2 数字PID控制系统方案设计 (6)2.1 控制系统总体介绍 (6)2.2 系统闭环工作原理 (7)3 数字PID控制硬件电路设计 (7)3.1 A/D转换单元 (7)3.2 D/A转换单元 (8)3.3 被控对象的实现 (8)4 数字PID控制算法设计 (9)4.1 数字PID增量型控制算法 (9)4.2 采样周期的选择 (9)5 数字PID控制Simulink仿真设计 ............................................................................................ 错误!未定义书签。
5.1 主程序设计 ...................................................................................................................... 错误!未定义书签。
5.2 定时中断程序设计 .......................................................................................................... 错误!未定义书签。
5.3 外部中断程序设计 .......................................................................................................... 错误!未定义书签。
5.4 滤波程序设计 .................................................................................................................. 错误!未定义书签。
6实验与结果分析 . (11)6.1 凑试法确定PID参数 (12)6.2 实验结果分析 (13)7 小结与体会 (13)参考文献.................................................................... 错误!未定义书签。
1课题简介1.1课程设计的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课题任务和要求本课题的任务：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：增量型的PID控制。
3. 控制算法仿真：在simulink中建立系统仿真图，编写S-function, 对算法进行仿真。
本课题的要求：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.被控对象为：88(),()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51)G s G ss s s s s s==++++4. PID参数整定，要求用扩充临界比例度法。
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20-100ms，由实验结果确定。
6. 滤波方法可选择平均值法，中值法等。
2.1控制系统总体介绍该闭环控制系统的被控对象为88(),()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51)G s G ss s s s s s==++++数字PID控制系统框图如下图所示：图2.1 数字PID控制系统方框图其中被控对象由一个积分环节和一个惯性环节串联而成。
首先利用模数转换单元对两路信号（给定和输出）进行采样，经过A/D转换器进行转换后，由单片机进行计算偏差，控制器采用的是增量型数字PID控制，由比例（P）、积分（D）和微分（I）叠加而成。
经过A/D转换的数字信号再通过PID程序进行增量型计算，输出的信号值经过D/A转换得到控制信号，在D/A 转换器中利用双运放实现双极性输出，经过被控对象得出被控量Y。
2.2系统闭环工作原理由图2.1可知，被控对象的响应Y(t)经采样电路离散为Y(k)。
偏差E(k)=R(k)-Y(k)，作为PID调节的输入，经过PID运算输出，得到控制输出U(k)。
控制输出U(k)经采样保持器产生连续的控制输出信号U(t)，作用于控制对象，使控制输出值U(t)达到给定值R，消除偏差E(k)。
3.1 A/D转换单元模数单元采用ADC0809芯片，主要包括多路模拟开关和A/D转换器两部分。
其主要特点为：单电源供电、工作时钟CLOCK最高可达到1200KHz、8位分辨率、8个单端模拟输入端（IN0~IN7）、TTL电平兼容等，可以很方便地和微处理器接口。
图3.1 A/D转换单元如图3.1，通过三端地址译码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转换。
其中IN0对地接500欧电阻，构成温度控制实验中的温度传感器专用输入通道；IN1~IN5的模拟量输入允许范围；0V~4.98v，对应数字量00H~FFH，2.5V对应80H；IN6、IN7两路由于接上了上拉电阻，所以模拟输入允许范围-5V~+4.96V，对应的数字量为00H~FFH，0V对应80H。
这样就实现了双极性电压的输入。
本课程设计中采用的ADC0809，其输出8位数据线已连接到计算机控制系统的数据线。
由于89C51外部时钟为12 MHz，其ALE端输出6分频时钟（2 MHz），再经过D触发器分频得到所需的应用时钟1MCLK(1 MHz)，输入CLOCK 端。
在本课程设计中要求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，并且要双极性电压输入，所以选择ADC0809的IN6、IN7两个通道采集输入模拟信号。
3.2 D/A转换单元数模转换单元采用TLC7528芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。
其主要参数如下：转换时间100ns，满量程误差1/2LSB，参考电压-10V~+10V，供电电压+5V~+15V，输入逻辑电平与TTL兼容。
输入数字范围为00H~0FFH，80H对应0V，输出电压为-5V~+4.96V。
本课程设计中采用的TLC7528，其输入数字量的八位数据线、写线和通道选择控制线已接至控制计算机的总线上。