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 Tedsdτ （2.1）其中：时间常数Td=300；放大系数K d =20；滞后时间τ=102.2：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 dtt de dt t e t e t u tDi p 00])()(1)([)(+++=⎰τ(2.2)式中，K p 为比例系数T I ;为积分时间常数;TD 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 iτ=或⎰=Ti 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 调节的有差调节形成鲜明对比。

上式表明，只有当被调节量偏差为零时，I 调节器的输出才会保持不变。

I 调节的另一个特点是它的稳定作用比P 调节差。

采用I 调节可以提高系统的型别，有利于系统稳态性能的提高，但积分调节使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90°的相角迟后，对系统的稳定性不利。

C. 微分调节（D 调节）在微分调节中，调节器的输出与被调节量或其偏差对于时间的导数正比，即dt t de t u d)()(τ= （2.5）其中d τ 为积分常数，d τ越大微分作用越强。

由于被调节量的变化速度（包括其大小和方向）可以反映当时或稍前一些时间设定值r 与实际输出值y 之间的不平衡情况，因此调节器能够根据被调节量的变化速度来确定控制量u ，而不要等到被调节量已出现较大的偏差后才开始动作，这样等于赋予调节器以某种程度的预见性。

2.2.2 数字PID 控制系统结构图在计算机控制系统中，使用的是数字PID 控制器，数字PID 控制算法通常又分为位置式HD 控制算法和增量式PID 控制算法。

A ：位置式PID 控制算法由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，故对式(2-1)中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。

按模拟PID 控制算法的算式(2-1)，现以一系列的采样时刻点kT 代表连续时间t ，以和式代替积分，以增量代替微分，则可以作如下的近似变换:000t=kT(k=0,1,2)()()()()e(kT)-e(k-1)T e(k)-e(k-1)t k k j j e t dt e jT T e j de t dt T T ==⎛⎫⎪⎪ ⎪⎪≈= ⎪⎪ ⎪≈= ⎪⎝⎭∑∑⎰ (2-6) 显然，上述离散化过程中，采样周期T 必须足够短，才能保证有足够的精度。

为了书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T 。

将式(2.6)代入式(2.1)，可以得到离散的PID 表达式为:0(){()()[()(1)}1k Dp j T T u k K e k e j e k e k T T==++--∑ (2-7)中式:k — 采样序列号;u(k)— 第k 次采样时刻的计算机输出值; e(k)—第k 次采样时刻输入的偏差值; e(k-1)— 第k-1次采样时刻输入的偏差值； K I — 积分系数，K I ＝Ｋ P Ｔ/T I Ｋ D —微分系数，Ｋ D Ｔ D/Ｔ。

我们常称式(2.7)为位置式PID 控制算法。

对于位置式PID 控制算法来说，位置式PID 控制算法示意图如图2所示，由于全量输出，所以每次输出均与过去的状态有关，计算时要对误差进行累加，所以运算工作量大。

而且如果执行器(计算机)出现故障，则会引起执行机构位置的大幅度变化，而这种情况在生产场合不允许的，因而产生了增量式PID 控制算法。

B ：增量式PID 控制算法所谓增量式PID 是指数字控制器的输出只是控制量的增量Δ(k)。

增量式PID 控制系统框图如图3所示。

当执行机构需要的是控制量的增量时，可以由式(2-7)导出提供增量的PID 控制算式。

根据递推原理可得:k-1p I d j=0u(k-1)=K e(k-1)+K e(j) +K [e(k-1)-e(k-2)] （2-8）用式(2-7)减去式(2-8)，可得：p I D u(k)=u(k-1)+ K [e(k)-e(k-1)]+K e(k)+K [e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] （2-9）式(2-9)称为增量式PID 控制算法。

增量式控制算法的优点是误动作小，便于实现无扰动切换。

当计算机出现故障时，可以保持原值，比较容易通过加权处理获得比较好的控制效果。

但是由于其积分截断效应大，有静态误差，溢出影响大。

所以在选择时不可一概而论。

3：硬件的设计和实现系统的硬件电路包括微控制器部分（主机）、温度检测、温度控制、人机对话（键盘/显示/报警）4个主要部分图4电热阻控制系统结构框图3.1微控制器本设计要求采用51内核的单片机。

AT89C51是一种带4K 字节Flash 可编程可擦除的高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。

单片机的可擦除只读存储器可以反复擦除100次。

该器件采用ATMEL 高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。

由于将多功能8位CPU 和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL 的89C51是一种高效微控制器。

综合考虑，本设计选择AT89C51单片机为核心控制器。

AT89C51单片机的引脚图如图5所示。

+ -r(t)e(t)Δuc(t)PID 增量算法调节阀被控对象图3增量型控制示意图图5 AT89C51引脚图3.2:温度检测电路。

温度检测电路包括温度传感器、变送器和A/D 转换器三部分。

温度传感器和变送器的类型选择与被控温度的范围及精度等级有关。

型号为WZB-003的铂热电阻适合于0~500的温度测量范围，可以满足本系统的要求。