数字PID控制器设计
PID数字控制器的结构算法及参数设定
PID数字控制器的结构算法及参数设定
一、PID数字控制器的基本结构及算法
1.PID数字控制器的基本结构
PID控制PID控制兼有比例、积分和微分三种基本控制规律的优点，可使系统的稳态和动态性能以及系统的稳定性都得到改善，因而应用最为广泛。
其控制规律如下：
2.PID数字控制器的程序算法
3.PID控制规律的脉冲传递函数形式
二、PID数字控制器的参数设定
常用参数确定方法：
1.用逐步逼近法确定PID参数
1）首先只整定比例部分。
2）如果在比例控制的情况下静差达不到设计要求，则需加进积分环节。
3）若使用PI调节器控制消除了静差，而动态性能反复调整仍不能满意，则可加入微分环节，构成PID控制。
2.简易工程法确定PID参数
1）扩充临界比例度法
2)扩充响应曲线法
三、采样周期的选择
1.系统给定值变化频率较高时，采样频率也应取得较高，以使给定值的变化得到迅速响应。
2.如果被控对象是缓慢变化的热工或化工过程时，采样周期可以取得大些，当被控对象是快速系统时，采样周期可以取得较小。
3.当执行机构惯性较大时，采样周期可取得大些。
4.系统中控制回路数较多时，考虑到控制程序的执行时间，应取较大的采样周期。
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。
基于单片机的pid温度控制系统设计
一、概述单片机PID温度控制系统是一种利用单片机对温度进行控制的智能系统。
在工业和日常生活中，温度控制是非常重要的，可以用来控制加热、冷却等过程。
PID控制器是一种利用比例、积分、微分三个调节参数来控制系统的控制器，它具有稳定性好、调节快等优点。
本文将介绍基于单片机的PID温度控制系统设计的相关原理、硬件设计、软件设计等内容。
二、基本原理1. PID控制器原理PID控制器是一种以比例、积分、微分三个控制参数为基础的控制系统。
比例项负责根据误差大小来控制输出；积分项用来修正系统长期稳态误差；微分项主要用来抑制系统的瞬时波动。
PID控制器将这三个项进行线性组合，通过调节比例、积分、微分这三个参数来实现对系统的控制。
2. 温度传感器原理温度传感器是将温度变化转化为电信号输出的器件。
常见的温度传感器有热电偶、热敏电阻、半导体温度传感器等。
在温度控制系统中，温度传感器负责将环境温度转化为电信号，以便控制系统进行监测和调节。
三、硬件设计1. 单片机选择单片机是整个温度控制系统的核心部件。
在设计单片机PID温度控制系统时，需要选择合适的单片机。
常见的单片机有STC89C52、AT89S52等，选型时需要考虑单片机的性能、价格、外设接口等因素。
2. 温度传感器接口设计温度传感器与单片机之间需要进行接口设计。
常见的温度传感器接口有模拟接口和数字接口两种。
模拟接口需要通过模数转换器将模拟信号转化为数字信号，而数字接口则可以直接将数字信号输入到单片机中。
3. 输出控制接口设计温度控制系统通常需要通过继电器、半导体元件等控制输出。
在硬件设计中，需要考虑输出接口的类型、电流、电压等参数，以及单片机与输出接口的连接方式。
四、软件设计1. PID算法实现在单片机中，需要通过程序实现PID控制算法。
常见的PID算法包括位置式PID和增量式PID。
在设计时需要考虑控制周期、控制精度等因素。
2. 温度采集和显示单片机需要通过程序对温度传感器进行数据采集，然后进行数据处理和显示。
《计算机控制技术》数字PID控制器设计与仿真实验报告
《计算机控制技术》数字PID控制器设计与仿真实验报告课程名称：计算机控制技术实验实验类型：设计型实验项目名称：数字PID控制器设计与仿真一、实验目的和要求1. 学习并掌握数字PID以及积分分离PID控制算法的设计原理及应用。
2. 学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。
二、实验内容和原理图3-1图3-1是一个典型的 PID 闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如图1-2所示。
图3-2中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在模拟实验平台上的运放单元搭接。
图3-2上图中，ADC1为模拟输入，DAC1为模拟输出，“DIN0”是C8051F管脚 P1.4，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。
这里，系统误差信号E通过模数转换“ADC1”端输入，控制机的定时器作为基准时钟(初始化为10ms)，定时采集“ADC1”端的信号，得到信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到控制计算机及其接口单元，由“DAC1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。
本实验中，采用位置式PID算式。
在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。
为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：当误差e(k)较大时，取消积分作用；当误差e(k)较小时才将积分作用加入。
图3-3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。
图3-3三、主要仪器设备计算机、模拟电气实验箱四、操作方法与实验步骤1.按照图3-2搭建实验仿真平台。
2.确定系统的采样周期以及积分分离值。
3.参考给出的流程图编写实验程序，将积分分离值设为最大值0x7F，编译、链接。
4.点击，使系统进入调试模式，点击，使系统开始运行，用示波器分别观测输入端R以及输出端C。
5.如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，再重复步骤3和4，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。
频域下基于参数调整的PID控制器设计与实现
频域下基于参数调整的PID控制器设计与实现PID控制器是一种常见的控制器，它在工业自动化系统中广泛应用。
为了提高控制系统的性能，研究人员一直在努力改进PID控制器的设计方法。
本文将重点介绍频域下基于参数调整的PID控制器设计与实现。
1. 简介PID控制器是基于目标系统的反馈信息进行控制的一种控制器。
它包括比例、积分和微分三个部分，通过调节这三个部分的参数来实现对控制系统的稳定性、快速响应和抑制干扰等目标的实现。
2. 频域分析频域分析是将系统的输入和输出信号转换到频率域上进行分析的方法。
在频域下，我们可以通过系统的频率响应来了解系统的特性，并根据这些特性来设计控制器。
3. 参数调整方法PID控制器的参数调整一直是控制领域的研究热点。
常用的参数调整方法包括试错法、Ziegler-Nichols方法和频域分析方法等。
3.1 试错法试错法是一种基于经验的参数调整方法。
根据系统的响应特性，通过改变PID 控制器的参数来改善系统的性能。
试错法常见的调整规则包括增大比例增益提高系统响应速度、增大积分时间消除系统稳态误差、增大微分时间抑制系统振荡等。
3.2 Ziegler-Nichols方法Ziegler-Nichols方法是一种经典的PID参数调整方法。
它通过试验得到系统的临界增益和临界周期，根据这些参数来计算出P、I和D的合适取值。
例如，根据临界增益和临界周期可以计算出比例增益、积分时间和微分时间的取值。
3.3 频域分析方法频域分析方法是一种相对较精确的PID参数调整方法。
它通过分析系统的频率响应来得到合适的PID参数。
具体方法包括根轨迹法、奈奎斯特曲线法和频率曲线法等。
这些方法可以通过计算系统的开环传递函数和频率响应曲线，然后根据要求设计合适的PID参数。
4. PID控制器的实现PID控制器可以通过硬件和软件两种方式实现。
在硬件实现中，我们可以使用模拟电路或数字电路来搭建PID控制器。
在软件实现中，我们可以使用编程语言来实现PID算法，并在微控制器上运行。
数字pid控制实验报告doc
数字pid控制实验报告doc数字pid控制实验报告篇一：实验三数字PID控制实验三数字PID控制一、实验目的1．研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。
2．研究采样周期T对系统特性的影响。
3．研究I型系统及系统的稳定误差。
二、实验仪器1．EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2．PC计算机一台三、实验内容1．系统结构图如3-1图。
图3-1 系统结构图图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）Gh（s）=（1－e-TS）/sGp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））Gp2（s）=1/（s（0.1s+1））2．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应GP1（s）,图3-3对应Gp2（s）。
图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图23．被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可系统变为“I型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II 型”系统。
4．当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。
5．PI调节器及PID调节器的增益Gc（s）=Kp（1+K1/s）=KpK1(（1/k1）s+1) /s=K(Tis+1)/s式中 K=KpKi ,Ti=（1/K1）不难看出PI调节器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。
采用PID调节器相同。
6．“II型”系统要注意稳定性。
对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为G（s）=Gc（s）·Gp2（s）=K（Tis+1）/s·(本文来自：/doc/a1e402b1c081e53a580216fc700abb 68a882ad33.html 小草范文网:数字pid控制实验报告)1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1 7．PID 递推算法如果PID 调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T））q1=－Kp（1+（2Kd/T））q2=Kp（Kd/T）T--采样周期四、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。
基于PID的液位控制系统的设计与实现
基于PID的液位控制系统的设计与实现液位控制系统是工业生产过程中常用的控制技术之一、PID（比例-积分-微分）控制器是一种经典的控制算法，可以有效地实现液位控制。
本文将设计和实现基于PID的液位控制系统。
液位控制系统一般由传感器、执行器和控制器组成。
传感器用于测量液位高度，执行器用于调节液位，而控制器则根据测量值和设定值之间的差异来控制执行器的运动。
在这个过程中，PID控制器起到关键的作用。
首先，我们需要设计传感器来测量液位高度。
常见的液位传感器有浮子式、压力式和电容式传感器。
根据实际应用需求，选择适合的传感器。
传感器的输出值将作为反馈信号输入到PID控制器中。
其次，我们需要选择合适的执行器来调节液位。
根据液位的控制需求，可以选择阀门、泵等执行器。
这些执行器的动作是由PID控制器输出的控制信号来控制的。
接下来，我们将重点介绍PID控制器的设计和实现。
PID控制器由比例、积分和微分三个部分组成。
比例部分输出和误差成正比，积分部分输出和误差的累积和成正比，微分部分输出和误差的变化率成正比。
PID控制器的公式为：输出=Kp*错误+Ki*积分误差+Kd*微分误差其中，Kp、Ki、Kd是PID控制器的三个参数。
这些参数的选择对于系统的稳定性和响应速度有重要影响。
参数的选择需要通过实验和调试来确定。
在PID控制器的实现中，有两种常用的方式：模拟PID和数字PID。
模拟PID控制器基于模拟电路实现，适用于一些低要求的应用场景。
数字PID控制器基于微处理器或单片机实现，适用于更复杂的控制场景。
在具体的实现中，我们需要先进行系统建模和参数调整。
系统建模是将液位控制系统转化为数学模型，以便进行分析和设计。
常见的建模方法有传递函数法和状态空间法。
参数调整是通过实验和仿真等手段来确定PID控制器的参数。
接下来，根据建模和参数调整的结果，我们可以进行PID控制器的实际设计和实现。
在设计过程中，需要注意选择合适的控制算法和调试方法，以保证系统的稳定性和性能。
基于FPGA的数字PID控制器设计
实 现 数 字 Ｐ Ｄ控 制 器 的设 计 ，提 高 系 统 的 运 算 速 Ｉ 度 、 少系统 的体 积 、 强其 可靠 性 。 减 增
２ 各 功 能模 块 的 设计 １ Ｐ Ｄ 控 制 算 法 Ｉ
在此将 详 细描述 各模块 的具 体实 现过程 。使 用
完整 的 Ｐ Ｄ控 制表 达式 为 ： Ｉ
式（） ２ 为增量 型 Ｐ Ｄ控 制算 法 。从式 （ ） Ｉ ２ 可看 出增 量
分 、积分参数 的控制策 略来 达到 最佳 系统 响应 和控
制效 果 。但 是采 用 微处 理 器来 实 现 时 ． 能完 全 避 不
型 控制算 法 只与前 三次 采样值 有关 ，不需 要大量 的
数据 存储 和 累加 ． 因而不 易引起 误差 累积 ， 计算量 小
馈 值 ｙ 求偏 差 ， ） 然后 把 所 得 的 偏差 值 传 给 后续 模 块进 行处 理 ， 图 ２所示 。复位 信号 ｒｓｔ 如 ｅｅ 为低 电平 时 复位 ， 则 ， 否 在输 入 时钟 的上 升沿 到 达 时 ， 在使 能
收 稿 日期 ：ｏ ９ ０ 一 ３ ２ ｏ — ９ ｌ
作 者简 介 ： 昭 明 （９ ５ ， ， 陈 １８ 一）男 四川 人 ， 国航 天 科技 集 团第 四研 究 院 ４ １ 硕 士研 究 生 ， 究 方 向为 测 试 计 量技 术及 仪 器 。 中 ０所 研
且实 时性 好 。其结构 原理 如 图 １ 所示 。
免程序 跑 飞和计算 机误 动作 对整 个控制 系统 的破 坏
性 影 响 。现场 可编 程 门阵列 Ｆ Ｇ 的出现 为 Ｐ Ｄ控 ＰＡ Ｉ 制 器 的设 计提 供 了新 的实现手 段 。 Ｐ Ａ集成度 高 、 ＦＧ 体 积小 、 功耗低 、 靠性 高 、 可 设计 方 法灵 活 ， 仅具有 不 反 复编 程 、 复探 险 、 复使 用 等特 点 ， 能 得 到实 反 反 更
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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 on
end;
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。
3.选择控制度
控制度的定义为数字调节器和模拟调节所对应的国度过程的误差平方积分之
比,即控制度=
2
2
D
e dt
e dt
∞
∞
⎰
⎰
式中,
D
e为数字调节器的控制误差;e为模拟调节器的控
制误差.当控制度为1.05时,数字调节器鱼模拟调节器的控制效果相当;当控制
度为2时,数字调节器比模拟调节器的控制效果差一倍;在此选控制度为1.05。
4.按选择的控制度指标及Tr,Kr 实验测得值
由查表选择相应的计算公式计算采样周期：T=0.014*Tr=0.0063，Kp=0.63*Kr=27.342，TI=0.49*Tr=0.2205，TD=0.14*Tr=0.063;
P I i I K T K K T T ==
=0.7812，d P D D K K T
K T T
===273.42 扩充临界比例度法整定计算公式表
控制度
控制规律 T/Tr
Kp/Kr Ti/Tr Td/Tr 10.5
PI PID 0.03 0.014 0.55
0.63 0.88 0.49
0.14 1.20 PI PID 0.05 0.043 0.49 0.47 0.91 0.47
0.16 1.50 PI PID 0.14 0.09 0.42 0.34 0.99 0.43
0.20 2.00 PI PID 0.22 0.16 0.36 0.27 1.05 0.40
0.22 模拟控制器 PI PID 0.57 0.70 0.83 0.50
0.13 简化扩充临界比例法法
PI PID
0.10 0.45 0.60
0.83 0.50
0.125
六.Matlab/Simulink 控制系统建模
1.控制器
2.采用后向差分离散化可得：
D(Z)=U(Z)/E(Z)=KP(1-Z ¯¹)+KI+KD(1-Z ¯¹)^2=[(KP+KI+KD)Z^2-(KP+2KD)Z+KD]/Z^2
将KP=0.63*Kr=25,KI=Ki*T=0.77,KD=230代入 D(z)=(297.77z^2-567z+270)/z^2
3.仿真模型图
4.输出阶跃响应曲线
5．试凑法微调参数
Kp Ki Kd 超调量调整时间
27 0.77 230 ————————————
40 5 230 25 0.7
50 5 230 15 0.6
50 5.5 230 19 0.5
6.最终PID参数及输出响应曲线
采用试凑法得到一组数据：kp=50,ki=5.5,kd=250
输出响应曲线为:
七．心得体会
通过这次课程设计，认识了自动控制领域最常用的PID控制技术，基本掌握了PID控制的基本规律，同时也认识到自动控制系统的复杂性。
在运用MATLAB软件时经常会碰到一些问题，而我们手中的资料有限，时间和精力有限，并不能解决所有问题。
比如在PID控
制时，一旦选定了Ki和Kd后，超调量随Kp的变化并不明显，这是我无法理解的，当Kp增加时，系统仅仅提高了响应的快速性，而超调量并没有显著的变化。
又如，在PD控制时，当Kd和Kp取值足够大时，便可以使响应曲线完全理想化，即响应时间趋于0，超调量趋于0，在本系统中也满足足够的稳态精度，我就会这样怀疑，并不是所有系统采用PID控制效果一定比其他控制效果要好。
所以这些问题有待于在今后的学习和实验中寻求答案。
八．参考文献
1计算机控制技术（第二版）姜学军刘新国李晓静编著。