数字pid控制

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（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：

44(),

()(0.21)

(0.81)

G s G s s s s s =

=

++

5

5

(),()(0.81)(0.31)

(0.81)(0.21)

G s G s s s s s =

=++++ 5

10(),

()(1)(0.81)

(1)(0.41)

G s G s s s s s ==++++

8

8

(),

()(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. 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 (1)

1.1课程设计目的 (1)

1.2课程设计任务 (1)

1.3课程设计要求 (1)

2 数字PID控制系统方案设计 (2)

2.1控制系统框图与介绍 (2)

2.2闭环工作原理 (2)

3 数字PID控制系统硬件电路设计

3.1 A/D转换电路 (3)

3.2 D/A转化电路 (4)

3.3被控对象 (5)

3.4总体硬件电路设计 (5)

4 数字PID控制系统控制算法设计

4.1梯形积分原理 (5)

4.2采样周期的选择 (5)

5数字PID控制系统软件编程设计

5.1主程序 (6)

5.2定时中断程序 (7)

5.3 PID程序 (8)

5.3滤波程序 (9)

6 实验与结果分析

6.1系统的调试 (9)

6.2试验的结果 (10)

7 小结与体会 (12)

1 课题简介

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：5

10(),

()(1)(0.81)

(1)(0.41)

G s G s s s s s ==

++++

2 数字PID 控制系统方案设计

2.1 控制系统框图与介绍

图1 系统结构框图

该闭环控制系统的被控对象为二阶控制对象：

5

10(),()

(1)(0.8

1)

(

1)(0.4

1)

G s G s s s s 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。被控对象由两只运放及阻容元件构成。

2.2闭环工作原理

由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。

基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。

反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成（见图）。图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度;输入变量为给定常值温度,一般用电压表示。炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。

同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。

3 数字PID控制系统硬件电路设计

3.1 A/D转换电路

图2 模数转换单元

如上图所示是模数转换单元，其读地址为0600H~063FH，所用芯片为ADC0809，ADC0809是逐次比较式的8路模拟输入，8位数字输出的A/D转换器。其中IN0~IN7是8路模拟量输入端，其中IN1~IN5的模拟量输入允许范围：0V~4.98V，对应数字量为00H~FFH，2.5V对应80H；IN6和IN7两路由于接了上拉电阻，所以模拟量输入允许范围：-5V~+4.98V,对应数字量00H~FFH，0V对应80H。D0~D7是8位数字量输出端，A、B、C与ALE控制8路模拟通道的切换，ABC分别与三根地址线或者数据线相连，CBA=000~111分别对应

通道IN0~IN7。ADC0809采用逐次比较的方法完成A/D 转换，由单一的+5V 电源提供。片内带有锁存功能的8路选一的模拟开关，由C 、B 、A 引脚的编码来决定所选通道，ACD0809完成一次模数转换的时间约100um ，他可以对0~5V 的电压进行模数转换。

本课程设计选用了IN6和IN7分别进行给定和响应输出的两路采样。故B 、C 引脚直接接到了高电平，只需要对A 引脚进行控制就能对6,、7通道进行选择。IN6和IN7可以测量-5V~+5V 的量，主要是因为加了外部电路。如图所示，在IN6和IN7的实际输入端其输入范围为0~5V ，而有了外部电路后：

当IN6输入为+5V 时，4号引脚电压V4=5V ；v V 5= 当IN6输入为0V 时，由于有电阻R7、R8的串联作用故V R R R V 5.25*=+=；

当IN6输入为-5V 时，由于电阻R7、R8的串联作用，故V R

R R V 00*=+=。即实现了-5V~+5V 输入。

3.2 D/A 转换电路

图3 数模转换单元

数模转换单元，其地址为0640H~067FH ，采用TLC7528芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出模数转换器。其主要参数如下：转换时间100NS ，满量程误差1/2LBS ，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~FFH,80H 对应于0V ，输出电压为-5V~+4.96V 。B 本课程设计中采用的TD-ACC+教学系统中的TLC7528，其输入数字量得八位数据线、写线和通道选择控制线已经接至控制计算机的总线上。片选线预留出待实验中连接到相应的I/O 片选上，具体见上图。

如图所示， ，根据运算放大器的虚短虚断的原则，

得到：，其中

带入计算化简得：。

由此可知，该芯片TLC7528可以双极性输出，但须在单片机中将D/A 的输出值加128后再交给TLC7528芯片进行D/A 输出。

3.3控制对象

图4 被控对象

如上图所示，为被控对象的硬件电路的设计图。我的被控对象为：G(s)=10/[(s+1)(0.4s+1)]。其中比例部分由第一个运算放大器直接实现，即100/20=5，第一个运算放大器的积分部分为4*100/1000=0.4，实现被控对象的第二部分，第二个运算放大器的积分部分为5*200/1000=1,实现被控对象的第一部分。 3.4总体硬件电路设计

总体硬件电路设计如图。主要有信号源模块、模数转换单元模块、51单片机模块、数模转换单元模块以及被控对象几个部分组成。电路工作流程为：开始时单片机先将型号源中的给定信号和输出信号通过A/D 采样采进来，进行A/D 输入通道的变换时，由P1.6控制0809中的A 端口，所以我选择的采样通道为IN6和IN7。采样结束之后，有单片机进行微分先行部分的计算，然后将其与给定值相减，所得结果作为PI 调节的输入，经过PI 调节后将最终结果输出。在输出的过程中，由74LS373作为地址锁存器，74LS139作为地址译码器，启动74LS7528将最终的结果输出给被控对象，经过被控对象的输出值又将作为反馈值被采样到单片机，由此构成反馈环节。我们所要调节的主要是PI 的参数和微分先行中的参数。

4 数字PID 控制算法设计

4.1 梯形积分原理

在模拟调节系统中，PID 算法表达式为dt

t de TD

edt TI

t e Kp t u t

)(1)([)(0

++=?

。在计算机控制系统中，

离

散

的

数

字

PID

算

法用梯形积

分。其控制算式为：

T

k e k e TD

i e i e TI

T k e Kp k u k

i )

1()(2

)

1()()([)(0

--++++

=∑

=。

4.2 采样周期选择

首先，根据香农采样定理给出了采样周期的上限，即采样周期应满足 T ≤π/ωmax

其中，ωmax 为被采集信号的上限角频率。采样周期的下限为计算机执行程序和输入输出所耗的时间，

系统的采样周期只能在Tmax与Tmin之间选择。

其次，要综合考虑给定值的变化频率、被控对象的特性、执行机构类型和控制回路等因素。具体就本次课程设计的课题来说，一方面，给定方波的周期为10~20s间可调，且控制对象时间常数接近1s，变化较慢；另一方面，A/D转换时间在100μs左右，D/A转换时间在100ns左右，而程序执行时间估计在100μs左右。故综合考虑上述因素，采样周期可以选50ms左右。

对于我的控制对象，所选择的采样周期为50ms。

5 数字PID控制软件编程设计

5.1主程序

TMOD = 0x01;

time = 10; //定时10ms

t0_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1

ET0 = 1; //开定时中断0

TR0 = 1; //启动定时器

M=N=0;

TC = 1;

DAC_1= 0x80; //D/A清零

EK = EK_1 = 0; //变量清零

AEK =SEK= UK = 0;

ZEK = 0;

str = 1;

EA= 1; //开总中断

while(1);

主程序对系统及变量进行初始化，之后等待中断。

5.2 定时中断程序

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; str = 0; str = 1; //产生A/D 启动信号

DIN1= 1; EOC = 1; while(!EOC);

YK =ADC_7-128; str = 0;

str = 1;

EX1 = 1;

在程序中，设置了定时的时间，即10ms ，当10ms 时间到便会执行这段中断程序，定时的时间可以在主程序中通过设定time 的值进行更改。这段程序的主要目的对A/D 采样进行计时，其中TC 是作为采样周期的变量，如果TC=5则采样周期为50ms 。当定时时间到，首先是对计时器重新赋初值，然后判断TC 是否为零，若为零说明已经有了5次定时中断，即采样时间到，此时会打开0809进行A/D 采样，并将TC 重新赋初值。 先计数器装初值关外部中断1启动A/D 转换，DIN0清零即选择通道IN6，EOC 置1当转换完成即EOC 变低电平时输出RK ，再次启动A/D 转换选择通道IN7同样当EOC 跳低是输出YK ，最后开中断。

定时器赋初值

关外部中断

通道IN6采样RK

定时中断

变换为通道IN7启动A/D 转换

中断返回

开外部中断

5.3PID 程序

PID 子程序(梯形积分)

计算Kp*Ek 和(Td/T)*?Ek

判积分分离值if(abs(EK)> IBAND)

Kp*Ek+(Td/T)*?Ek

是

否

判积分溢出

取极值

Kp*Ek+(T/Ti)*∑(Ek+Ek-1)/2+(Td/T)*?Ek

判断控制量溢出if(TEMP > 0)

UK = 127中断返回

是

否

if(TEMP >= 127)

UK = (char)TEMP if(TEMP <- 128)UK = -128UK = (char)TEMP

否

是

是

是

否

否

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;

}

DAC_1 = UK + 128;//D/A输出控制量

TC = TK; //采样周期变量恢复

5.4滤波程序

数字滤波相对与模拟滤波器有如下几个优点：

1、数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，因此可靠性较高，稳定性较好。

2、数字滤波可以对频率很低（如0.001Hz）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。

3、数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或改变滤波参数，具有灵活、方便功能强等优点。

本课程设计所采用的滤波方法为滑动滤波。

假设m=2，课设2个变量X、Y，在每个采样周期后，讲本次所采的值赋给X，在下一个采样周期结束

的时候，将X的值赋给Y，本次采样值赋给X。每次的采样输出值

2Y

X M +

=。

YK =(ADC_7-128+X)/2;

X=ADC_7-128;//外中断

RK =(ADC_7-128+Y)/2;

Y=ADC_7-128;//定时器中断

这是在程序里主要添加的滤波程序，采用的是滑动滤波N=2。

6 实验与结果分析

6.1系统调试

比例系数能迅速反应误差，从而减小误差，但比例系数不能消除稳态误差，KP的加大会引起系统的不稳定；积分项的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累。输出控制量以消除静差，因而只要有足够的时间积分控制项能完全消除静差，积分作用太强，会使系统超调加大，甚至可能使系统出现振荡；微分控制可以减小超调，克服振荡，是系统稳定性提高，同时加快系统响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

在调试的过程中，我们采用的是凑试法整定PID参数，我们采用的是现比例后积分在微分的方法。首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统相应直到得到响应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范围内，切且应曲线已令人满意，那么只需要比例环节即可，最有比例系数可由此确定。如果在比例调节的基础上静差不能满足设计要求，则需要加入积分环节，整定时首先将积分时间Ti设一较大值，并将第一步得到的比例系数缩小，然后减小积分时间Ti，使系统在保持良好的动态性能的情况下，静差得到消除。如使用比例积分环节消除了静差，但动态性能反复调节仍不能让人满意，则可以加入微分环节，构成比例积分微分控制器。在整定时，先置TD=0，在第二步的基础上，增大TD，同事相应的改变比例系数KP和积分时间Ti，逐步试凑，以达到满意的效果。

按照以上步骤，整定出参数KP=0.6，Ti=150，TD=0。

6.2实验结果控制输出曲线

响应曲线

加滤波后控制输出曲线

加滤波后响应曲线

7 小结与体会

为期一周半的课程设计结束了，在这一周半的时间内，心中产生了许多疑问，因此我也学到了很多。

当我们在第一天拿到课程设计题目的时候我们是丈二和尚摸不着头脑，完全不知道该从何处下手。但是在老师的指导与同学的帮助下，我们顺利的完成了这次的课程设计。在这期间我逐渐熟悉了protol和keil uvisions 两个软件。我拿到的课题是数字PID控制系统设计，其中控制算法要求我们用梯形积分的PID控制。可是对于梯形积分我基本上已经毫无印象，不得已我只能翻书进行查找。在硬件电路设计中我们遇到的困难是要使ADC0809进行两路采样，这必须通过A、B、C三条信号线进行通道选择，因为是对6、7通道的选择，所以只需将B、C接在高电压端，在对A进行控制即可。而在软件编程设计中，因为有程序可以参考，所以我们的问题便只有滑动滤波进行编程，但即使如此我们还是遇到了难题，虽然我们对滑动滤波的过程一清二楚，但是在编程的时候，在我们眼中没错的程序在运行的时候却是错漏百出，没办法只能一次又一次的修改了，终于在经过了一天多的努力之后完成了这段程序，其中的艰辛烦闷不足为外人道也。

课程设计的完成并不是终点，这只不够使我们人生中的一个小片段，在接下来的人生中我还会遇到许许多多这样的困难，但是我们只要能勇于面对困难，积极寻找解决困难的方法，一定能克服困难。

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，2010

[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，2010

[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]夏扬等主编，计算机控制技术实验指导书

附录