数字PID控制系统设计(I)
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：
4
4(),
()(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. 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. (15)
6.1 凑试法确定PID参数 (16)
6.2 实验结果分析 (18)
7 小结与体会 (18)
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 s s 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 数字PID 控制系统方案设计
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 s s s s s s s =
=
++++数字PID 控制系统框图如下图所示：