通用数字PID调节器设计
数字PID
科 技
凑试法是通过模拟运行观察系统的响应曲线（如阶跃响应），然
大 学
后根据各调节参数对系统响应大致影响，反复凑试参数，以达到满意
网 络
的响应，从而确定PID的调节参数。
教 育
25
KP↑，系统响应加快，有利于减小静差，但KP过大，使系统有较大的 超调，产生振荡，使系统稳定性变坏； Ti↑，减小超调，使系统稳定，但静差的消除将减慢； Td↑，加快系统响应，减小超调量，稳定性增加，但对干扰的抑制 作用却减弱。 具体步骤：
技
大
学
网
络
教 育
6
图4.3 模拟PID调节器方框图
PID控制器把给定值W与实际输出值Y相减，得到控制偏差e，偏
西 南
差e经比例、积分、微分运算后，通过线性组合构成控制量u，然后
科 技
用u对对象进行控制。
大
学
网
络
教 育
7
1. 比例调节器
是一种简单的调节器，其控制 规律为：
u = KPe + u0
KP：比例系数， u0：控制常量， 即误差为零时的控制变量；如图所
数字PID控制算法是一种准连续控制过程，是建立在计算机对连 续PID控制进行数字仿真的基础上的控制。这种控制方式要求采样周 期与系统的时间常数比很小，采样周期越小，数字仿真越精确，控 制效果也就越接近连续控制，采样周期的选择是受多方面影响：
1. 根据香农采样定理，应满足：
其中：fmax为输入信号的上限频率。这样采样信号经过保持环节后， 仍可复原或近似复原为模拟信号，而不丢失任何信息。
西
2. 从执行机构的特性要求来看，需要输出信号保持一定的宽度；
南
科
3. 从控制系统的随动和抗干扰的性能要求采样周期短些；
实验三 数字式PID调节器控制算法仿真
实验三 数字式PID 调节器控制算法仿真一、实验目的1、了解并掌握基本的数字PID 控制算法和常用的PID 控制改进算法。
2、掌握用Matlab 进行仿真的方法。
3、了解PID 参数整定的方法及参数整定在整个系统中的重要性。
二、实验设备PC 机(Matlab 软件)三、实验原理1、基本的PID 控制算法：基本的数字P0控制有三种算法：位置式、增量式和速率式，其中应用最为广泛的是增量式，因为增量式算法只与最近几次采样值有关，不需要累加；计算机输出增量，误差动作时影响小。
因此这里采用增量式PID 算法：)]1()1(2)([)()]1()([)(-+--++--=∆k e k e k e k k e k k e k e k k u d i p其中设)]1()([)(--=k e k e k k u p p)()(k e k k u i i =)]2()1(2)([)(-+--=k e k e k e k k u d d则)()()()(k u k u k u k u d i p ++=∆2、数字PID 调节器参数的整定：为使系统性能满足一定的要求，必须确定算法中各参数的具体值，这就是参数整定。
参数整定是十分重要的，调节系统参数整定的好坏直接影响调节品质。
要想快速、灵活的将参数整定好，首先应透彻理解这些参数对系统性能的影响：增大比例系数，一般将加快系统的响应，这在有静差系统中有利于减小静差，但过大会使系统有较大超调，并产生振荡，使稳定性变坏。
增大积分时间(积分作用减弱)有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差消除的过程将随之减慢。
增大微分时间(微分作用增强)有利于加快系统响应，使超调减小，稳定性增加，但系统对扰动有较敏感的响应。
四、实验要求1、在Matlab 环境中，按照给定对象，构建仿真PID 控制系统。
2、调整PID 参数，观察各参数对系统响应的影响。
3、采用增量式PID 算法进行控制系统仿真，对各参数进行整定，观察系统响应曲线，直到获得满意的响应曲线。
数字调节器设计
数字调节器是用数字技术和微电子技术实现闭环控制的调节器，又称数字调节仪表。
它接受来自生产过程的测量信号，由内部的数字电路或微处理机作数字处理，按一定调节规律产生输出数字信号或模拟信号驱动执行器，完成对生产过程的闭环控制。
本次智能仪表课程设计主要目的是设计一种数字PID调节器。
PID控制算法是历史最悠久，生命力最强的一种控制算法。
它是迄今为止最通用的控制方法。
它提供一种反馈控制，通过积分作用可以消除稳态误差，通过微分作用可以预测未来。
本设计的PID数字调节器采用 STC89C52RC单片机作为主控单元，采用ADC0832作为A/D转换器，具有数字滤波等功能，通过PID算法实现调节功能，调节器设定值、参数可通过四个独立按键设置，采用LED数字显示，通过AD420模块电路输出模拟信号。
关键词:数字调节器； PID控制算法；LED显示；A/D转换器摘要 (1)第1章前言 (4)1.1调节器原理与作用 (4)1.2PID控制算法简介 (4)1.2.1 模拟PID算法 (4)1.2.2 数字PID算法 (5)第2章总体方案设计 (6)第3章硬件选择与电路设计 (7)3.1单片机选择 (7)3.2最小系统设计 (8)3.2.1 时钟电路 (8)3.2.2 复位电路 (8)3.3A/D转换器ADC0832简介与电路设计 (9)3.4LED数码显示方式及电路设计 (10)3.4.1 静态显示和动态显示 (10)3.4.2 LED显示硬件接线图设计 (10)3.5按键电路的设计 (10)3.6D/A转换电路设计 (11)3.6.1 AD420简介 (11)3.6.2 D/A转换电路设计 (12)第4章软件设计 (13)4.1调节器主程序设计 (13)4.2输入与输出模块程序设计 (13)4.2.1 输入模块程序设计 (13)4.2.2 输出模块程序设计 (14)4.3按键程序设计 (15)4.4PID程序设计 (16)4.5LED程序设计 (16)第5章软硬件调试 (18)5.1硬件调试 (18)5.2软件调试 (18)第6章总结 (19)参考文献 (20)附录A (21)附录B (22)第1章 前 言1.1 调节器原理与作用调节器在自动控制系统中的作用——将测量输入信号值PV 与给定值SV 进行比较，得出偏差e ，然后根据预先设定的控制规律对偏差e 进行运算，得到相应的控制值，并通过输出口以4～20mA ，DC 电流（或1～5V ，DC 电压）传输给执行器。
电机控制系统PID调节器设计与实现
电机控制系统PID调节器设计与实现一、引言随着电机在工业、农业、交通等领域的广泛应用，如何实现电机的精确控制成为了一项重要挑战。
PID调节器作为一种常用的控制算法，被广泛应用于电机控制系统中。
本文将介绍电机控制系统中PID调节器的设计与实现。
二、PID调节器原理及控制策略PID调节器是一种常用的闭环控制算法，它包含比例控制、积分控制和微分控制三个部分。
比例控制是根据误差信号的大小进行控制，积分控制是处理误差信号的累计值，微分控制是根据误差信号的变化率进行控制。
PID调节器结合了三个控制策略，可以实现对系统的快速响应、精确控制等优秀特性。
三、PID调节器的实现方法PID调节器的实现方法取决于电机控制系统的具体应用场景与控制需求。
一般来说，PID调节器可以分为模拟PID和数字PID 两种实现方法。
1、模拟PID调节器模拟PID调节器是基于传统的模拟电路进行实现的，它需要使用模拟运算放大器等元器件实现PID调节器的比例、积分和微分计算。
模拟PID调节器的优点是响应速度快、控制精度高，但缺点是难以实现复杂的控制算法。
因此，模拟PID调节器通常仅适用于简单的电机控制系统。
2、数字PID调节器数字PID调节器是基于数字信号处理器（DSP）等器件进行实现的，它可以通过编程实现PID调节器的比例、积分和微分运算。
数字PID调节器的优点是可以实现复杂的控制算法、易于开发和调试。
数字PID调节器通常适用于电机控制系统的高级控制或者涉及多轴控制的应用场景。
四、电机控制系统PID调节器设计实例本文以直流电机控制系统为例，介绍PID调节器的设计方法。
1、控制系统模型建立假设直流电机的控制系统如图1所示，它由电气子系统和机械子系统组成。
电气子系统包含直流电机、电源、电阻和感性电路。
机械子系统包含电机机械负载、转动惯量和摩擦阻力等。
图1 直流电机控制系统示意图则直流电机控制系统的传递函数为：G(s) = K / (Ls + R) * 1 / (Js2 + bs)其中，K是电机的电磁功率常数，L是电机的电感，R是电机的电阻，J是电机的转动惯量，b是电机的摩擦系数。
数字PID调节器算法的研究实验报告
实验四数字PID 调节器算法的研究一、实验目的1．学习并熟悉常规的数字PID 控制算法的原理；2．学习并熟悉积分分离PID 控制算法的原理；3．掌握具有数字PID 调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。
二、实验设备1．THTJ-1 型计算机控制技术实验箱2．THVLW-1 型USB 数据采集卡一块(含37 芯通信线、USB 电缆线各1 根)3．PC 机1 台(含上位机软件“THTJ-1”)三、实验内容1．利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；2．采用常规的PI 和PID 调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能；3．对系统采用积分分离PID 控制，并整定调节器的参数。
四、实验原理在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是 PID 控制器，它是按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组合而成的控制规律。
而数字PID 控制器则是由模拟PID 控制规律直接变换所得。
在 PID 控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积分，往往使之产生过大的超调量，这对某些生产过程是不允许的。
因此在工业生产中常用改进的PID 算法，如积分分离PID 算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当控制量接近给定值时才将积分作用投入，以消除静差，提高控制精度。
这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。
五、实验步骤1、实验接线1.1 按图4-1 和图4-2 连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；1.2 该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1 相连，电路的输入与数据采集卡的输出端DA1 相连；1.3 待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处于“不锁零”状态。
2、脚本程序运行2.1 启动计算机，在桌面双击图标THTJ-1，运行实验软件；2.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“开始采集”按钮和工具栏上的脚本编程器按钮；2.3 在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\ 计算机控制技术基础算法\数字PID 调器算法”文件夹下选中“位置式PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；2.4 点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图4-2 输出端的响应曲线；2.5 点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，利用扩充响应曲线法（参考本实验附录4）整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后再运行。
数字PID的补偿算法的设计..
数字PID调节器纯滞后的补偿算法设计摘要对于无滞后或滞后比较小的系统，通常采用PID控制。
对于纯滞后系统，PID控制效果并不好，需要另加补偿，因此提出了Smith预估补偿控制系统。
而 Smith 预估算法则在模型匹配时具有好的性能指标 ,但是由于这种算法严重依赖模型的精确匹配 ,而在实际中这是很难做到的。
本文研究的重点是设计与实现纯滞后系统的控制过程的控制规律和控制算法，并比较传统的数字PID控制算法与加入Smith预估器的控制算法的不同。
具体讨论了纯滞后系统的Smith预估器的实现方法，着重对这种控制算法进行了较深入的讨论，而且还通过仿真对设计和改进的结果进行了分析。
仿真实验中，若采用PID控制算法，系统会出现较大的超调量，采用史密斯预估器补偿控制超调量大大较少，系统更加稳定。
关键字：Matlab；纯滞后；数字PID；Smith 预估控制器；SimulinkAbstractFor the system with no or less delay, usually adopts PID control. For pure delay system, PID control effect is not good, need additional compensation, so the proposed Smith predictor control system. But Smith pre estimation algorithm has good performance index in the model matching, but because an exact match this algorithm heavily depends on the model, but in fact it is very difficult to do.This paper is focused on the control and implementation of rules and the control algorithm to control the process of pure lag system design, and compare the traditional digital PID control algorithm with the addition of Smith predictive control algorithm for different. Discussed the specific time delay system Smith prediction method is, focuses on the control algorithm are discussed in depth, but also analyzed through simulation design and improvement of the results. The simulation experiment, if the PID control algorithm, the system will have a large overshoot, Smith predictor is used to compensate control overshoot is greatly reduced, the system more stable.Keywords: Matlab; delay; digital PID; Smith controller; Simulink目录1.设计的目的及意义 (1)2.纯滞后系统概念 (1)2.1时滞的描述 (1)2.1.1纯滞后产生的主要原因 (2)2.1.2具有纯滞后对象的传递函数 (2)2.2纯滞后系统的控制算法 (2)2.2.1常规控制方法 (2)2.2.2智能控制方法 (3)3.数字PID控制理论及系统仿真 (3)3.1 PID控制算法 (3)3.1.1 模拟PID调节器 (3)3.1.2 数字PID控制算法 (4)3.2 PID的参数整定 (5)3.3 PID控制器的仿真 (8)４.Smith预估控制理论及系统仿真 (9)４.1 Smith预估控制理论 (9)4.1.1Smith预估控制的基本原理 (9)4.1.2 Smith预估器 (10)4.1.3纯滞后补偿控制算法步骤 (11)4.2 Smith控制系统仿真研究 (12)4.2.1控制方案和仿真框图的建立 (12)5.控制系统仿真比较分析 (13)6.总结 (14)参考文献 (15)1.设计的目的及意义在工业控制领域，数字PID控制器获得了广泛的应用。
数字PID控制器设计
数字PID控制器设计实验报告学院电子信息学院专业电气工程及其自动化学号姓名指导教师杨奕飞数字PID控制器设计报告一．设计目的采用增量算法实现该PID控制器。
二．设计要求掌握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．设计原理数字PID原理结构图PID控制器的数学描述为：式中，Kp为比例系数；T1为积分时间常数；T D为微分时间常数。
设u(k)为第K次采样时刻控制器的输出值，可得离散的PID表达式为:使用模拟控制器离散化的方法,将理想模拟PID控制器D(s)转化为响应的理想数字PID控制器D(z).采用后向差分法,得到数字控制器的脉冲传递函数。
2.增量式PID控制算法u(k)=u(k-1)+Δu(k)增量式PID控制系统框图五．Matlab仿真选择数字PID参数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。
其整定步骤如下1)选择合适的采样周期T：，因为Tmin<1/10 T,选择采样周期为0.003s；2)在纯比例的作用下,给定输入阶跃变化时,逐渐加大比例作用Kp(即减小比例带δ),直至系统出现等幅震荡,记录比例增益Kr,及振荡周期Tr 。
Kr成为临界振荡比例增益(对应的临界比例带δ),Tr成为临界振荡周期。
在Matlab中输入如下程序G=tf(1,[1/150,36/150,185/150,1]);p=[35:2:45];for i=1:length(p)Gc=feedback(p(i)*G,1);step(Gc),hold onend;axis([0,3,0,2.3])得到如下所示图形：改变其中的参数P=[35:2:45]为p=[40:1:45]得到下图曲线，得Kr约为43，Tr 约为0.5.在smulink中建立如下模型，可得Kr=43.4,Tr=0.45。
PID调节器的电路
采用可编程逻辑控制器（PLC）或微控制器（MCU），可以实现PID调节器电路的远程控制和编程控制， 方便系统的集成和扩展。
THANKS FOR WATCHING
感谢您的观看
比例调节器
根据输入信号与设定值的偏差，按比例输出控制 信号。
积分调节器
对输入信号与设定值之间的偏差进行积分运算， 以消除稳态误差。
微分调节器
对输入信号的变化率进行运算，以减小系统的动 态误差。
03
PID调节器电路的实现
硬件实现
模拟电路实现
通过使用电阻、电容和运算放大器等模拟元件，搭建PID调节器的硬件电路。 这种实现方式具有实时性好、稳定性高的优点，但调试复杂且容易受到环境温 度和元件老化等因素的影响。
电机控制系统
PID调节器电路用于控制电机的速度、 位置和转矩，广泛应用于数控机床、 机器人等领域。
家电领域
空调系统
PID调节器电路用于控制空调系统的温度和湿度，提供舒适的生活环境。
热水器
PID调节器电路用于控制热水器的加热温度，实现快速加热和节能的效果。
汽车领域
燃油喷射系统
PID调节器电路用于控制燃油喷射系统的喷 油量，提高燃油经济性和排放性能。
VS
详细描述
PID调节器由比例、积分和微分三个环节 组成。比例环节根据误差信号调整输出值 ，以减小误差；积分环节根据误差信号的 积分调整输出值，以消除长期误差；微分 环节根据误差信号的变化率调整输出值， 以提前预测并减小误差。三个环节协同作 用，实现PID调节器的控制效果。
PID调节器的特点
总结词
02
PID调节器电路的组成
输入部分
信号采集
负责采集系统或设备的状态信息 ，并将其转换为电信号。
数字PID控制实验
4.5.1数字PID 控制实验 1 标准PID 控制算法1. 一. 实验要求2. 了解和掌握连续控制系统的PID 控制的原理。
3. 了解和掌握被控对象数学模型的建立。
4. 了解和掌握数字PID 调节器控制参数的工程整定方法。
观察和分析在标准PID 控制系统中, P.I.D 参数对系统性能的影响。
二. 实验内容及步骤 ⑴ 确立模型结构本实验采用二个惯性环节串接组成实验被控对象, T1=0.2S, T2=0.5S Ko=2。
S e T K s G τ-+⨯≈+⨯+=1S 110.2S 21S 5.01)(000⑵ 被控对象参数的确认被控对象参数的确认构成如图4-5-10所示。
本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器, 矩形波输出（OUT ）施加于被测系统的输入端R, 观察矩形波从0V 阶跃到+2.5V 时被控对象的响应曲线。
图4-5-10 被控对象参数的确认构成实验步骤: 注: 将‘S ST ’用‘短路套’短接!① 在显示与功能选择（D1）单元中, 通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
② B5的量程选择开关S2置下档, 调节“设定电位器1”, 使之矩形波宽度>2秒（D1单元左显示）。
③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V 左右（D1单元右显示）。
④ 构造模拟电路: 按图4-5-10安置短路套及测孔联线, 表如下。
（a ）安置短路套 （b ）测孔联线⑤ 运行、观察、记录:A)先运行LABACT 程序, 选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”（Alt+W ）项, 弹出双迹示波器的界面, 点击开始, 用虚拟示波器观察系统输入信号。
图4-5-11 被控对象响应曲线B) 在图4-5-112被控对象响应曲线上测得t1和t2。
通常取 , 要求从图中测得 ； 通常取 , 要求从图中测得 。
计算 和 : 0.84730.3567t -1.204t )]t (y 1[ln -)]t (y 1[ln )]t (y 1[ln t )]t (y 1[n t 0.8473t t )]t (y 1[ln -)]t (y 1[ln t t T 212010201102122010120==-----=-=---=τC) 求得数字PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T （工程整定法）)/0.2(1)/0.37()/0.6(1)/0.5()/2.5(]27.0)/(35.1[10000200000T T T T T T T T T T K K D I P ττττττ+⨯=++⨯=+=据上式计算数字PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T⑶ 数字PID 闭环控制系统实验数字PID 闭环控制系统实验构成见图4-5-12, 观察和分析在标准PID 控制系统中, P.I.D 参数对系统性能的影响, 分别改变P.I.D 参数, 观察输出特性, 填入实验报告,模块号 跨接座号 1 A5 S5, S7, S102 A7 S2, S7, S9, P3 B5‘S-ST ’1 输入信号R B5（OUT ）→A5（H1）2 运放级联 A5A （OUTA ）→A7（H1）3 示波器联接 ×1档B5（OUT ）→B3（CH1） 4A7A （OUTA ）→B3（CH2）图4-5-12 数字PID 闭环控制系统实验构成实验步骤: 注: 将‘S ST ’用‘短路套’短接!① 在显示与功能选择（D1）单元中, 通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
2数字控制器的设计数字控制器的PID设计方法1
即实部
图5-23 3种离散化方法s的左半平面映射到z平面的图
令z=R+jI 则
即R 2-1+I 2<0 或 R 2+I 2<1
5.2.1 PID设计方法 不同点： 前向差分法的特点：
将S左半平面变换到Z平面的σ=1左边平面；
稳定的D(s)可能变换成不稳定的D(z)。 后向差分法的特点：
将整个S左半平面变换到Z平面（1/2,0）半径1/2的圆内；
稳定的D(s)变换成稳定的D(z)，不稳定D(s)可变换成稳定D(z). 双线性变换的特点：
将整个S左半平面变换到Z平面的单位圆内； 稳定的D(s)变换成稳定的D(z)，不稳定D(s)变换成不稳定D(z). 共同点：
(1)D(z)不能保持D(s)的频率响应。 (2) 不用查表，使用方便。
5.2.1 PID设计方法
双线性变换法的几何意义是梯形法求积分，如图5-22所示。 – 设积分控制规律为 – 经过变换，数字控制器为
图5-21 双线性变换的几何意义
jA
2 T
1 e jDT 1 e jDT
2 e e jDT / 2
jDT / 2
T
e jDT / 2
e jDT / 2
2 T
2 j sin(DT / 2) 2cos(DT / 2)
用时域表示为：
u(k) a1u(k 1) a2u(k 2) ... anu(k n) b0e(k) b1e(k 1) ... bme(k m)
j 2 tan DT
T2
s域角频率A
(s域)
A
2 T
tan
DT
2
z域角频率为D
采样频率足够小
A
2 T
PID温度控制器的设计
1
(1)在对温度控制发展现状、系统控制要求进行研究的基础上，选择了整个控制系统的控制方案；
(2)完成系统的硬件设计，包括采样电路、A／D转换电路、主控制电路、保护电路等等的设计；
(3)完成该系统的软件设计，包括主程序模块、控制运算模块、数据输入输出及处理模块等一些子功能模块的设计；
1．
采用PID控制原理研制成适合用于小功率器件的温度控制器，该控制器能达到很好的控制效果，若精心选择PID的各种参数，温度控制的精度可以达到0.05℃，完全可以保证器件的正常工作。在一定的控制系统中，首先将需要控制的被测参数（温度）由传感器转换成一定的信号后再与预先设定的值进行比较，把比较得到的差值信号经过一定规律的计算后得到相应的控制值，将控制量送给控制系统进行相应的控制，不停地进行上述工作，从而达到自动调节的目的。PID是目前广泛使用的控制方法，其控制规律的数学模型为:
实现PID控制原理的具体方法因系统的不同而不同。在我们的系统中，采用了增量式计算方法，而控制量的输出则采用了位置式的输出形式。在数值控制系统中，其控制规律的数学模型演化为：
其中：T为采集周期；ei、ei-1、ei-2为此时刻、前一时刻、再前一时刻的差值信号。这种方法的好处在于只需保持前三时刻的差值信号，同时输出控制量的初始设定值不必准确，就能较快地进入稳定控制过程。
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：一是理论计算整定法。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。二是工程整定方法，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。
数字PID控制器设计 - 副本
基于MATLAB的PID 控制器设计一概述 (2)二连续PID控制介绍 (2)三数字PID算法的分析与说明 (4)（1） PID控制原理与程序流程 (4)1.模拟控制系统 (4)2.微机过程控制系统 (4)（2）数字PID控制器 (5)1.模拟PID控制规律的离散化 (5)2.数字PID控制器的差分方程 (5)（3）采样周期的选择 (5)1.选择采样周期的重要性 (5)2.选择采样周期的原则――采样定理 (6)(4)、选择采样周期应综合考虑的因素 (6)1.给定值的变化频率 (6)2.被控对象的特性 (6)3.使用的算式和执行机构的类型 (6)4.控制的回路数 (6)四数字PID控制算法仿真 (7)(1)传递函数 (7)1.传递函数 (7)2.传递函数性能分析 (7)(2)在MATLAB下实现PID控制器的设计与仿真 (9)1.参数计算 (9)2.设计PID控制器 (11)一 概述本文在以数字PID 控制器研究为背景随着数字控制技术的发展，我们在控制器的设计上有了更大的灵活性，一些原来在模拟PID 控制器中无法实现的问题，现在我们很容易就能在数字计算机上实现了，于是产生来了一系列改进的控制算法，形成非标准的控制算法，改善系统品质，满足不同控制系统的需要。
本文对PID 控制器进行了详细的介绍，并系统的阐述了PID 控制器的概念、原理及分类。
通过对数字PID 控制器的认知，本文分析了计算机控制系统中最常用的PID 控制器以及在工程应用中遇到的积分饱和问题，并介绍了几种抗积分饱和的方法。
通过MATLAB 仿真，与普通PID 算法进行了比较，并得到了较好的效果。
总结了几种抗积分饱和的方法，并提出了自己的看法。
二 连续PID 控制介绍PID 控制是最早发展起来的经典控制策略, 是用于过程控制最有效的策略之一。
由于其原理简单、技术成熟，在实际应用中较易于整定, 在工业控制中得到了广泛的应用。
它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果, 具有很大的适应性和灵活性。
13个基于PID控制器的设计实例
13个基于PID控制器的设计实例
PID 控制器(比例-积分-微分控制器)是一个在工业控制应用中常见的反馈回路部件，由比例单元比例P(proportion)、积分单元I(integration)和微分单元D(differentiation)组成。
PID 控制器作为最早实用化的控制器已有近百年历史，现在仍然是应用最广泛的工业控制器。
PID 控制器简单易懂，使用中不需精确
的系统模型等先决条件，因而成为应用最为广泛的控制器。
PID 控制的原理及常用口诀总结
基于AT89S51 单片机的PID 温度控制系统设计
本文对系统进行硬件和软件的设计，在建立温度控制系统数学模型的基
础之上，通过对PID 控制的分析设计了系统控制器，完成了系统的软、硬件调试工作。
算法简单、可靠性高、鲁棒性好，而且PID 控制器参数直接影响控制效果。
基于ARM 与PID 算法的开关电源控制系统
本文将SAMSUNC 公司的嵌入式ARM 处理器S3C4480 芯片，应用到开关电源的控制系统的设计中，采用C 语言和少量汇编语言，就可以实现一种以嵌入式ARM 处理器为核心、具有智能PID 控制器以及触摸屏、液晶显示器等
功能的开关电源控制系统。
基于DSP 的电子负载：模糊自适应整定PID 控制策略
本系统引入模糊控制理论设计一个模糊PID 控制器，根据实时监测的电压或电流值的变化，利用模糊控制规则自动调整PID 控制器的参数。
基于FPGA 的高速PID 控制器设计与仿真
本设计使用Altera 公司的Cyclone 系列FPGA 器件EP1C3 作为硬件开发平台，对运动控制中常用的增量式数字PID 控制算法进行优化处理，提高了运。
计算机控制技术PID调节器的数字化实现教学PPT
y
1 Ti
e(t)dt
(5-2)
式中：Ti是积分时间常数，它表示积分速度的大小， Ti越大，
积分速度越慢，积分作用越弱。 积分作用的响应特性曲线如 图5-2所示。
PID调节器的数字化实现
积分作用的特点是调节器的输出与偏差存在的时间有关， 只要有偏差存在，输出就会随时间不断增长，直到偏差消除， 调节器的输出才不会变化。因此，积分作用能消除静差，但 从图5-2中可以看出，积分的作用动作缓慢， 而且在偏差刚 一出现时，调节器作用很弱，不能及时克服扰动的影响， 致 使被调参数的动态偏差增大，调节过程增长， 它很少被单独 使用。
PID调节器的数字化实现
模拟控制器的离散化方法
从信号理论角度来看，模拟控制器 就是模拟信号滤波器应用于反馈控制系 统中作为校正装置。滤波器对控制信号 中有用的信号起着保存和加强的作用， 而对无用的信号起着抑制和衰减的作用。 模拟控制器离散化成的数字控制器，也 可以认为是数字滤波器。
PID调节器的数字化实现
微分调节器的微分方程为
de(t) y TD dt
式中TD为微分时间常数。
（5-4）
PID调节器的数字化实现
微分作用响应曲线如图5-4所示。从图中可以看出，在t=t0 时加入阶跃信号，此时输出值y变化的速度很大：当t>t0时，其 输出值y迅速变为0。微分作用的特点是，输出只能反应偏差输 入变化的速度，而对于一个固定不变的偏差， 不管其数值多 大，根本不会有微分作用输出。因此，微分作用不能消除静差， 而只能在偏差刚刚出现时产生一个很大的调节作用。 它一般 不单独使用，需要与比例调节器配合使用，构成PD调节器。 PD调节器的阶跃响应曲线如图5-5所示。
PID调节器的数字化实现
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
模拟-数字PID调节器
积分作用
积分调节器的作用是把偏差积累的结果， 作为它的输出。在调节过程中，只要偏 差存在，积分器的输出就会不断增大， 直到偏差e等于0，输出u才能维持某一常 量，使系统趋于稳态。积分调节虽然可 以消除静差,但会降低系统的响应速度， 增加系统输出的超调。
微分作用
微分控制器的作用是阻止偏差的变化， 偏差变化越快，微分调节器的输出也越 大。因此微分作用的加入有助于减小超 调，克服振荡，使系统趋于稳定。但微 分环节对噪声有敏感的反应，所以在电 机控制中，一般不加入微分环节，只采 用PI调节器 。
比例作用
PID控制器中比例调节器的作用是对于偏 差做出瞬间快速反应。偏差一旦产生， 调节器立即产生控制作用使控制量向着 减小偏差的方向变化，控制作用的强、 弱取决于比例系数Kp。增大Kp，将加快 系统的响应速度，有利于减少静差。但 过大的比例系数会使系统有较大的超调， 并可能产生振荡，使稳定性变坏。
入口 计算偏差ei
计算比例项
加上前面累 积的积分项
ui 1 umax ? N Y ui 1 umin ? N N
Y
ei 0?NBiblioteka ei 0?计算积分项
比例、积分项相加，得到控制量 出口
PI调节器改进
(2) 积分分离法 积分分离法的基本思想是当输入误差的 绝对值大于某个门限值ε时，不做积分调 节，只做比例调节，避免PI调节器深度 饱和，同时有利于PI退饱和。当输入误 差较小时，才引入积分作用，以消除静 差。
数字PID调节器
积分：
e(t )dt Te(k )
t 0 i 0
k
微分：
de (t ) e(k ) e(k 1) dt T
模拟PID 调节器设计及数字化实现
模拟PID 调节器设计及数字化实现摘要：本文首先对现代工控系统中比较常用的PID 调节器原理作了详细的阐述，然后对各个环节进行了硬件电路的设计，并通过MATLAB、EWB 等EDA 软件对各个环节及整个调节电路进行了验证摘要：本文首先对现代工控系统中比较常用的PID 调节器原理作了详细的阐述，然后对各个环节进行了硬件电路的设计，并通过MATLAB、EWB 等EDA 软件对各个环节及整个调节电路进行了验证仿真。
通过分析，得出了PID 调节器的优点及缺陷。
最后，对数字化实现PID 调节器的工作过程进行了概述。
关键词： PID；硬件设计；数字实现；EDA 仿真引言随着工业自动化的不断发展，人们对于生产过程的要求越来越高，这就促使人们在生产实践中不断探求新的控制方案。
而在控制方案的选择中，控制规律的选择尤为重要。
控制规律的恰当与否将直接决定生产线的安全、产品的质量以及生产的效率等。
据不完全统计，目前在各种工业控制中，PID 调节或基于PID 调节的控制方式占90%。
调节规律作为应用时间最长、生命力最强的控制方式，主要有以下优点：（1）原理简单，使用方便（2）适应性强（3）鲁棒性强。
既然PID 调节在工业控制中的地位如此重要，那么，PID 的设计问题就显得颇为重要了。
硬件电路设计方案控制器是一种线性控制器。
它根据给定值x (t )与实际输出值y (t )构成控制偏差e(t)，即表示e(t) = x (t) ? y (t)。
将偏差的比例、积分和微分通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制，故称PID 控制器。
其控制规律为模拟PID 调节器主要由三个部分组成，即P 调节、I 调节、D 调节，当然，作为工业应用，还必须有输入、输出电路，手动调节电路，下面给出各部分电路的硬件设计方案。
输入电路主要作用：获得偏差信号，并以VB＝10V 为参考点进行电平迁移。
分析：如图2 所示，设A1 为理想放大器，即输入阻抗无穷大，输出阻抗为零。
数字PI调节器
Q1 模拟 PI 调节器的数字化 PI 调节器是电力拖动自动控制系统中最常用的一种控制器. 在微机数字控制系 统中，当 采 样频率足 够高时 ，可先按模拟系统的设计方法 设计调 节器，然后再离散化，就可以得到数字控制器的算法，这就是模拟调节 器的数字化 。
Q1 数字控制直流调速系统的数学模型
Q2 控制对象传递函数的离散化
Q3 数字转速调节器设计 Q4 设计实例
Q0 数字控制系统分析和设计方法
（1）连续系统设计方法
在微机数字控制调速系统的设计中，当采样频率足够高时，可以把它近似地
看成是模拟系统 ，先按模拟 系统理论来设 计调节器的 参数，然后 再离散化， 得到数
•数字频域设计方法
w’平面与 s 平面之间的频率响应在高采样频率和低角频率时相似。 由于，经过 w 变换和 w’ 变换后，离散系统在 w’ 平面上的数学模型与连续系
统有相似的表达形式，而且在一定条件下，其虚拟频率与 s 平面的系统角频率相近。 即 w’平面相对于 s 平面，不仅在几何上相似，而且在数值上相近。
采用计算机控制电力传动系统的优越性在于： (1)可显著提高系统性能 采用数字给定、数字控制和数字检测，系统精度大大提高； 可根据控制对象的变化，方便地改变控制器参数，以提高系统抗干扰能力。
k
u(k) KPe(k) KITsam e(i) KPe(k) uI (k) i 1
u(k) KPe(k) KITsame(k) uI (k 1)
以上是数字 PI 调节器的位置式算法。
其中，Tsam 为采样周期
•数字 PI 调节器算法--有位置式、增量式两种
一种数字PID调节器的分析方法
＝
一
ｘｚ一 １ （
） ＋ （ ＋－．ｚ’） ｚ ＋叫 ３ ｌ 等
进行 ： ’ ａ写 出 系 统 的 连 续 传 递 函 数 ， 过 ｚ变 换 ． 经
至此 ， 以式 （） 基础 对控制 系统进行 能 ３为 设计及运算 。 ３实施 方 法 对 于数 字 ＰＤ调 节 器 ， 要 在 电子 计 算 机 Ｉ 需 上实现积分 、 无惯性 比例和微 分环节 的综合 。 为 此在表 ｌ 出了这些环节的连续和离散传递 函 列 数 及 相应 的差 分 方 程 、 渡特 性 ， 过 可在 分 析 设 计 时参照。 对调节器 的各环节参 照表 ， 可按下列方法 计算 ： 积分环节可写入 Ｒ号单元 ， 包含本身 Ｒ和 输 入 量 ｘ之 和 ：
摘 要： 主要介绍 了一种用差分方程 方法 ， 对具有数字 ＰＤ 的 自 Ｉ 动控制 系统进行分析。提 出了先把 积分、 分和 比例环节分别置于计算机 不同 微 存储单元 。 再置 于新的单元进行 综合 的控制 方法 ， 实现数字控制编程 和计 算机控制提供 了条件。 为 关键词： 数字 ＰＤ； Ｉ 差分方程； 计算机控 制
Ｒ ＝ Ｘ —Ｘｌ
号单元 尼 ＝ｋ Ｘ
ｒ、 ｛ ５ Ｊ周春 晖． 工过程控制原理［ ． 化 Ｍ】 北京： 学工 化
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
{ handframe=1; ledframe&=0xfd; write7281(0x06,ledframe); } } //更改手动自动状态，改变相应的状态位，更改相应的状态灯 附录[4] S3模块的程序—SUBKEY2．C #include"delay.h" #include"dis7281.h" #include"STC12C5410AD.H" #include"main.H" #include"subkey2.h" #include"adconver.h" #include"subkey0.h" #include"subkey1.h" #include"hdconver.h" #include"subkey3.h" #include"subkey4.h" #include"pid.h" #include"daconver.h" void subkey2() { if(shineframe==0) { write7281(0x10,0xff); shineframe=1;
break; case 0x02:limdown=add1(limdown);
break; case 0x03:a1=add1(a1);
unsigned char times=0x00;//记数位 unsigned char readkey; unsigned int setvalue=0x00;//设定值 unsigned char outputvalue=0x00;//输出值 unsigned int limup=0x270f;//实际值上限 unsigned int limdown=0x00;//实际值下限 unsigned int a1=0x270f;//上限报警值 unsigned int a2=0x00;//下限报警值 unsigned int cp=0x00;//P参数 unsigned int ci=0x00;//I参数 unsigned int cd=0x00;//D参数 unsigned char led[6];//LED值公共 main() {
write7281(0x14,0x41); write7281(0x14,0x5C); //写入2LEDHI break;
case 0x01: circleframe+=1; hdconver(limdown);//4LED显示下限值
dis4led(); write7281(0x14,0x40); write7281(0x14,0x5d); //写入2LEDLO break;
subkey3();break; case 0x04:
subkey4();break; case 0x05:
subkey5();break; case 0x06:
subkey6();break; default:
break; } } } } 附录[2] S1模块的程序—SUBKEY0．C #include"delay.h" #include"dis7281.h" #include"STC12C5410AD.H" #include"main.H" #include"subkey0.h" void subkey0() {
#include"dis7281.h" #include"STC12C5410AD.H" #include"main.H" #include"subkey3.h" #include"subkey2.h" #include"hdconver.h" void subkey3() {
switch(circleframe) { case 0x01:limup=add1(limup);
unsigned int tmr; unsigned char keynumber;
for (tmr=0;tmr<0xffff;tmr++); write7281(0x12,0x80); write7281(0x10,0xf0); write7281(0x00,0xc8); write7281(0x14,0x1b); write7281(0x14,0x2e); write7281(0x15,0x30); write7281(0x15,0x40); write7281(0x15,0x50); write7281(0x06,0xfc); while(1)
case 0x05: circleframe+=1; hdconver(ci);//4LED显示I参数 dis4led();
write7281(0x14,0x41); write7281(0x14,0x5f); //写入2LEDI break;
case 0x06: circleframe+=1; hdconver(cd);//4LED显示D参数 dis4led();
write7281(0x14,0x42); write7281(0x15,0x5a); //写入2LEDA2 break;
case 0x04: circleframe+=1; hdconver(cp);//4LED显示P参数
dis4led(); write7281(0x14,0x4e); write7281(0x14,0x5f); //写入2LEDP break;
pidcf(); daconver(); hdconver(setvalue);
dis4led(); write7281(0x06,ledframe); break;
default: break; } }//按相应的S3改变不同的参数 附录[5] S4模块的程序—SUBKEY3．C #include"delay.h"
} else
{ skey2();
} } void skey2(void) { // canshuframe=1;
write7281(0x18,0x17); switch(circleframe)
{ case 0x00: ledframe|=0x0c;
write7281(0x06,ledframe); circleframe+=1; hdconver(limup);//4LED显示上限值 dis4led();
{ while(!key) { keynumber=read7281(0x13); switch(keynumber) { case 0x00:
subkey0();break; case 0x01:
subkey1();break; case 0x02:
subkey2();break; case 0x03:
附录[3] S2模块的程序—SUBKEY1．C #include"delay.h"
#include"dis7281.h" #include"STC12C5410AD.H" #include"main.H" #include"subkey1.h" void subkey1() {
if(handframe==1) { handframe=0;
ite7281(0x15,0x4d); write7281(0x14,0x5f); //写入2LEDI break; case 0x07: improvedisframe=0;
ledframe=(ledframe|0x08)&0xfb; circleframe+=1; adconver();
write7281(0x14,0x40); write7281(0x14,channelframe); write7281(0x06,ledframe); break; case 0x08: improvedisframe=1; ledframe=(ledframe|0x04)&0xf7; circleframe=0;
通用数字PID调节器设计
主要技术数据和设计要求
主要技术数据： 8路模拟量输入：适配1～5V输入，量程自由设定； 8路输出控制信号：1～5V标准电压输出； 输入模拟量转换精度：0.1%； RS232串行通讯通口； 控制模型：数字PID控制算法 PID参数范围：比例带Kp： 1-999.9% 积分时间Ti： 1-9999秒（Ti=9999时积分切除） 微分时间Td:：0-9999秒（Td=0时微分切除） 调节控制器使用51内核的单片机内核的单片机，完成对8路模拟信号的 切换、信号变换、A/D转换；单片机对数据处理后（含数字滤波、数值 变换），送到显示和通讯部分，并经PID运算处理后通过D/A转换器输 出。经信号变换和信号分配后输出8路控制信号。设计中应充分考虑干 扰问题。 设计步骤 一、总体方案设计 二、控制系统的建模和数字控制器设计 三、硬件的设计和实现 1. 选择计算机机型（采用51内核的单片机）； 2. 设计支持计算机工作的外围电路（EPROM、RAM、I/O端口等）； 3. 设计键盘、显示接口电路； 4. 设计8路模拟量输入输出通道； 5. 设计RS232串行通讯通口； *6. 其它相关电路的设计或方案（电源、通信等）。 四、软件设计 1. 分配系统资源，编写系统初始化和主程序模块； 2. 编写数字PID调节器软件模块； 3. 编写数字滤波程序； *4. 编写A/D、D/A转换器处理程序模块； *5. 其它程序模块(显示与键盘等处理程序)。 五、编写课程设计说明书，绘制完整的系统电路图。
case 0x02: circleframe+=1; hdconver(a1);//4LED显示上限报警 dis4led();