水位系统的简单PID控制
摘要: 该双容水槽水位系统是通出水管和进水管流量的差值的大小来反应水位的高低。运用经验调节法，通过一系列仿真实验，对实验结果进行分析，从而得到PID控制参数，设计PID控制器，将其运用到实际系统中。通过PID控制器，减小了其稳态误差，相对减小了超调量以及超调时间。
关键字：PID调节器，simulink仿真，双容水槽
Abstrack:This liquid level control system of the double water tanks is to use the differences of output and input of the water pipe to reflect the height of the water level.With the way of experience,a lot of simulation and analyzing of the result to design the PID controller and put it into practice .With the PID controller,reduce the steady state error ,the overshoot and the setting time.
Key words: PID controller ,simulink ,the double water tanks
1.引言：在工程实际中，应用最为广泛的调节器控制规律为比例、积分、
微分控制，简称PID控制，又称PID调节。PID控制器问世至今已有近70年历史，它以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。当被控对象的结构和参数不能完全掌握，或得不到精确的数学模型时，控制理论的其它技术难以采用时，系统控制器的结构和参数必须依靠经验和现场调试来确定，这时应用PID控制技术最为方便。即当我们不完全了解一个系统和被控对象﹐或不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用PID控制技术。
2.理论基础：
（1）比例P控制
比例控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。
（2）积分（I）控制
在积分控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。
（3）微分（D）控制
在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。
自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后（delay）组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。
这就是说，在控制器中仅引入 “比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD ）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。
3. 对象模型的建立：
下图所示是两个串联单容水槽够曾的双容水槽。其输入量为调节阀1产生的阀门开度变化u ?，而输出量为第二个水草的液位增量2h ?。
在水流量增量、水草液位增量及液阻之间，经平衡点线性化后，可以到处如下关系：
---------------------------------------------------------1
1
11
h Q R ??=
;222h Q R ??=---------------------------------------------------------------2
1
11
i d h Q Q C dt
??-?=---------------------------------------------------------------3 i u Q K u ?=?----------------------------------------------------------------4
式中，1C 和2C 为两液槽的容量系数；1R 和2R 胃两液槽的液阻。将式2带入式1，得：
122
2
12h h d h C R R dt
???-= 故有：
22
112
2
(d h h h R C dt R ???=+
)
----------------------------------------------------------------5 2122
d h Q Q C dt
??-?=
21212
122
2d h d h R d h R C dt dt R dt ???=+----------------------------------------------------------6 将式4及式2带入式3得
11
1
1
u d h d h C K u dt R ??+=? 分别将式5和式6带入上式，整理后可得双容水槽的微分方程
222
1212
22()d h d h TT T T h K u dt dt
??+++?=?----------------------------------------------7 式中，111T R C =，为第一个水槽的时间常数；222T R C =，为第二个水槽的时间常数；K 为双容水槽的床底系数。
在零初始条件下，对式7新型拉氏变换，得双容水槽传递函数
22
1212
()()()()1H s K
G s U s TT s T T s ?=
=?+++ ------------------------------------------8 若双容水槽调节阀1开度变化所引起的流入水量变化还存在纯延迟，则其传递
函数为
2
1212()()1
s K
G s e TT s T T s τ-=
+++ ----------------------------------------------------9 选取()(101)(1001)K
G s s s =
++
4. 控制器设计与分析：
未进行调节时，系统的奈奎斯特曲线及波特图：
未进行调节时，系统稳定。
未进行调节时单位阶跃响应如下：
静态误差为0.5，过大。
加入比例控制：
R
调节
p
K，不同的
p
K得到的阶跃响应如下：p
K=2
p
K=3，出现超调
p K =5 p K =20，出现振荡
p K =40p K =400，达到稳态时，出现振荡
分析结果：
随着p K 的增大，超调量增大，0ss e 。当p K 无限增大时，达到稳态值出现振荡。由此，取p K =40时，加入扰动，如图：
其扰动输入图像为：
得到：
参考输入的终值为：0.9773
扰动输入的终值为：0.0244 波特图如下：
如图可知，系统稳定
比例积分控制：
()p i
i c p K s K K G s K s s +=+=
R
当p K =40时，调节i K
i K =0.5 i K =0.1，调节时间减短
i K =0.01，减小了振荡，调节时间减短 i K =0.001，稳态误差变大
分析结果：当i K 减小时，振荡减小，调节时间减短，但稳态误差变大。综合实验结果，故选择i K =0.5。
当i K =0.5时，调节p K
p K =1p K =10
p K =40
p K =400，稳态时出现振荡
分析结果：对于固定的i K =0.5，随着p K 的增大延迟时间减小，当p K 无限大时，稳态时出现振荡。
当p K =40，i K =0.5时，加入扰动，如图：
其扰动图像为：
得到：
参考输入终值无限趋近于1
扰动输入终值无限趋近于0，但调节时间变长
波特图如下：
如图所示，系统稳定
加入比例微分积分调节：
R
当p K =40，i K =0.5时，取d K 的值：
d K =1 d K =20，可看出超调量减小
d K =40，调节时间减小 d K =100，超调与调节时间明显减小
d K =125d K =300，不易达到静态
分析结果：当d K 增大时，超调量减小，调节时间减小，系统明显更加稳定。但当d K 过大时，系统过于稳定，不易达到稳态值。
故选择p K =40，i K =0.5，d K =125 其阶跃响应如图：
观察该图，前后出现两个波，高度相差近似为四分之三。达到较理想状态。
加入扰动，如图：
其扰动输入图像为：
得到：阶跃响应的终值趋近于1 扰动输入的终值趋近于0
其波特图如下：
如图所示：系统达到稳定状态。
5. 总结：
通过一系列的仿真模拟实验，得到结果如下：
随着p K 的增大，超调量增大，0ss e 。当p K 无限增大时，达到稳态值出现振荡。对于固定的i K =0.5，随着p K 的增大延迟时间减小，当p K 无限大时，稳态时出现振荡。当d K 增大时，超调量减小，调节时间减小，系统明显更加稳定。但当d K 过大时，系统过于稳定，不易达到稳态值。
综合以上三点，得到比较理想的PID 控制参数。比较三种不同控制，PID 控制较另两种控制更为全面。进一步完善了其调节效果，在更大程度上改良了系统的特性。
参考文献
[1].胡寿松.自动控制原理（M ）.北京：科学出版社，2008：55-56
[2].刘镇，姜学智，李东海.PID 控制器参数整定方法综述（J ）.电力系统自动化，1997-8，21（8）：79-83
[3].何芝强. PID 控制器参数整定方法及其应用研究（D ）.浙江：浙江大学，2005
计算机控制技术课程设计 评语： 考勤（10）守纪（10）过程（30）设计报告（30）答辩（20）总成绩（100） 专业：自动化 班级：动201302 姓名：完新龙 学号：201309314 指导教师：侯涛 兰州交通大学自动化与电气工程学院 2016年07月15日
基于温度传感器的水温控制系统 1.设计要求 1升水加热，要求水温可以在20~100摄氏度范围内进行人工控制，并能在环境温度变化时实现自动调整，以保证在设计的温度。要求最小分辨率率为1摄氏度，温度控制的稳态误差小于0.2摄氏度，能够显示当前的温度。 2.设计方案 设计采用220V交流供电的150W加热器，利用DS18B20进行周期性检测，并将数据传递给单片机。上位机通过单片机传递的实时温度与给定温度进行比较得到误差，通过PID算法得到控制量，送给单片机通过单片机I/O口输出高电平占空比进行控制，实现对加热器控制。 2.1设计原理图 设计原理图如图1所示。 图1 设计原理图 2.2硬件选型 (1)控制器分为上位机和下位机。上位机为控制计算机，通过检测的温度与设定的温度进行比较，由设定的算法计算出控制量u；下位机为AT89C51即单片机，接收由上位机所给出的控制量，对执行机构进行控制。AT89C51具有如下特点：4kB Flash片内内存储器，128 byte RAM，32个外部双向输入输出口，5个中断优先级，2个16位可编程计数器，2个全双工串行通信口。 (2)D/A转换器采用DAC0832，8位D/A转换器，与微处理器完全兼容。DAC0832由8位输入锁存器、8位DAC寄存器、8位D/A转换电路及转换控制电路构成。主要参数：分辨率为0.0039；电流稳定时间1微秒；可单缓冲、双缓冲或直接数字输入；可单一电源供电（5V-15V）；低功耗，20mW。 (3)执行机构采用交流加热器。根据相关资料对于加热一杯水，加热器可以迅速反应，提高动态响应速度。 (4)传感器采用DS18B20数字温度传感器。DS18B20具有体积小，硬件开销低，
《计算机控制技术》课程设计单闭环直流电机调速系统
1 设计目的 计算机控制技术课程是集微机原理、计算机技术、控制理论、电子电路、自动控制系统、工业控制过程等课程基础知识一体的应用性课程，具有很强的实践性，通过这次课程设计进一步加深对计算机控制技术课程的理解，掌握计算机控制系统硬件和软件的设计思路，以及对相关课程理论知识的理解和融会贯通，提高运用已有的专业理论知识分析实际应用问题的能力和解决实际问题的技能，培养独立自主、综合分析与创新性应用的能力。 2 设计任务 2.1 设计题目 单闭环直流电机调速系统 实现一个单闭环直流电机调压调速控制，用键盘实现对直流电机的起/停、正/反转控制，速度调节要求既可用键盘数字量设定也可用电位器连续调节，需要有速度显示电路。扩展要求能够利用串口通信方式在PC上设置和显示速度曲线并且进行数据保存和查看。 2.2 设计要求 2.2.1 基本设计要求 （1）根据系统控制要求设计控制整体方案；包括微处理芯片选用，系统构成框图，确定参数测围等； （2）选用参数检测元件及变送器；系统硬件电路设计，包括输入接口电路、逻辑电路、操作键盘、输出电路、显示电路； （3）建立数学模型，确定控制算法； （4）设计功率驱动电路； （5）制作电路板，搭建系统，调试。 2.2.2 扩展设计要求 （1）在已能正常运行的微计算机控制系统的基础上，通过串口与PC连接； （2）编写人机界面控制和显示程序；编写微机通信程序；实现人机实时交互。
3方案比较 方案一：采用继电器对电动机的开或关进行控制。这个方案的优点是电路较为简单，缺点是继电器的响应时间慢、机械结构易损坏、寿命较短、可靠性不高。 方案二：采用电阻网络或数字电位器调整电动机的分压，从而达到调速的目的。但是电阻网络只能实现有级调速，而数字电阻的元器件价格比较昂贵。更主要的问题在于一般电动机的电阻很小，但电流很大；分压不仅会降低效率，而且实现很困难。 方案三：采用由电力电子器件组成的H 型PWM 电路。用单片机控制电力电子器件使之工作在占空比可调的开关状态，精确调整电动机转速。这种电路由于工作在电力电子器件的饱和截止模式下，效率非常高；H 型电路保证了可以简单地实现转速和方向的控制；电子开关的速度很快，稳定性也极佳，是一种广泛采用的PWM 调速技术。 兼于方案三调速特性优良、调整平滑、调整围广、过载能力大，因此本设计采用方案三。 4单闭环直流电机调速系统设计 4.1单闭环调速原理 4.1.1 闭环系统框图 4.1.2 调速原理 直流电机转速有： 常数Ke Ka 不变，Ra 比较小。 所以调节Ua 就能调节n 。 n n I K R K U K R I U n d d a e e d ?-=Φ -Φ=-=0φa a a U I U ≈-
毕业论文(论文) 题目名称：单片机温度控制系统PID设计 题目类别：毕业设计 系（部）： 专业班级： 学生姓名： 指导教师： 辅导教师： 时间：至 目录 任务书............................................................ I
毕业设计(论文)开题报告........................................... IV 毕业设计(论文)指导教师审查意见.................... 错误！未定义书签。教师评语.......................................... 错误！未定义书签。摘要............................................................. V Abstract ......................................................... VI 前言........................................................... VII 1 绪论 (1) 1.1选题背景 (1) 1.2 PID算法在控制领域中的应用 (2) 1.3 课题研究的目的及意义 (3) 2 总体方案论证与设计 (4) 2.1方案设计的要求与指标 (4) 2.2方案的可行性分析与方案选择 (4) 2.2.1方案可行性分析 (4) 2.2.2 方案的选择与确定 (6) 2.2.3系统结构框图 (6) 3 温度控制系统硬件设计和软件设计 (8) 3.1 系统硬件设计 (8) 3.1.1系统硬件组成 (8) 3.1.1.1AT89C51单片机的介绍 (8) 3.1.1.2测量温度元件的选择 (9) 3.1.1.3模数转换器ADC0809的介绍 (10) 3.1.1.4键盘和LED显示电路设计 (10) 3.1.1.5温度控制电路设计 (11) 3.2 系统软件设计 (11) 3.2.1主程序流程图及主程序 (11) 3.2.2 T0中断子程序 (15) 3.2.3 A/D转换子程序 (16) 3.2.4 数字滤波子程序 (18) 3.2.5温度标度变换子程序 (19) 3.2.6键盘显示子程序 (19) 3.2.7 PID算法介绍 (21) 4 系统仿真与调试分析 (21) 4.1系统仿真 (21) 4.2系统调试 (21) 5 结束语 (23) 参考文献 (23)
《计算机控制》课程设计报告 题目: 超前滞后矫正控制器设计 姓名: 学号: 10级自动化 2013年12月2日
《计算机控制》课程设计任务书 指导教师签字：系（教研室）主任签字： 2013年11 月25 日
1.控制系统分析和设计 1.1实验要求 设单位反馈系统的开环传递函数为) 101.0)(11.0(100 )(++= s s s s G ，采用模拟设 计法设计数字控制器，使校正后的系统满足：速度误差系数不小于100，相角裕度不小于40度，截止角频率不小于20。 1.2系统分析 （1）使系统满足速度误差系数的要求: ()() s 0 s 0100 lim ()lim 100 0.1s 10.011V K s G s s →→=?==++ (2)用MATLAB 画出100 ()(0.11)(0.011) G s s s s = ++的Bode 图为： -150-100-50050 100M a g n i t u d e (d B )10 -1 10 10 1 10 2 10 3 10 4 P h a s e (d e g ) Bode Diagram Gm = 0.828 dB (at 31.6 rad/s) , P m = 1.58 deg (at 30.1 rad/s) Frequency (rad/s) 由图可以得到未校正系统的性能参数为： 相角裕度0 1.58γ=?， 幅值裕度00.828g K dB dB =, 剪切频率为：030.1/c rad s ω=， 截止频率为031.6/g rad s ω=
（3）未校正系统的阶跃响应曲线 024******** 0.20.40.60.811.2 1.41.61.8 2Step Response Time (seconds) A m p l i t u d e 可以看出系统产生衰减震荡。 （4）性能分析及方法选择 系统的幅值裕度和相角裕度都很小，很容易不稳定。在剪切频率处对数幅值特性以-40dB/dec 穿过0dB 线。如果只加入一个超前校正网络来校正其相角，超前量不足以满足相位裕度的要求，可以先缴入滞后，使中频段衰减，再用超前校正发挥作用，则有可能满足要求。故使用超前滞后校正。 1.3模拟控制器设计 （1）确定剪切频率c ω c ω过大会增加超前校正的负担，过小会使带宽过窄，影响响应的快速性。 首先求出幅值裕度为零时对应的频率，约为30/g ra d s ω=，令 30/c g rad s ωω==。 （2）确定滞后校正的参数 2211 3/10 c ra d s T ωω= ==, 20.33T s =,并且取得10β=
计算机控制技术课程设 计 Company Document number：WUUT-WUUY-WBBGB-BWYTT-1982GT
目录 1 引言 (1) 2 课程设计任务和要求 (2) 3 直流伺服电机控制系统概述 (2) 直流伺服系统的构成 (2) 伺服系统的定义 (2) 伺服系统的组成 (2) 伺服系统的控制器的分类 (3) 直流伺服系统的工作过程 (4) 4 直流伺服电机控制系统的设计 (5) 方案设计步骤 (5) 总体方案的设计 (5) 控制系统的建模和数字控制器设计 (7) 数字PID工作原理 (8) 数字PID算法的simulink仿真 (8) 5 硬件的设计和实现 (9) 选择计算机机型（采用51内核的单片机） (9) 80C51电源 (10) 80C51时钟 (10) 80C51 控制线 (10) 80C51 I/O接口 (11) 设计支持计算机工作的外围电路（键盘、显示接口电路等） (11) 数据锁存器 (11) 键盘 (11) 显示器 (12) 数模转换器ADC0808 (12) 其它相关电路的设计或方案 (13) 供电电源设计 (13) 检测电路设计 (13)
功率驱动电路 (14) 仿真原理图 (14) 6软件设计 (14) 程序设计思想 (14) 主程序模块框图 (15) 编写主程序 (15) 7 总结 (16) 附录1 ADC0808程序 (17) 附录2 数字控制算法程序 (18) 参考文献 (19)
1 引言 半个世纪来，直流伺服控制系统己经得到了广泛的应用。随着伺服电动机技术、电力电子技术、计算机控制技术的发展，使得伺服控制系统朝着控制电路数字化和功率器件的模块化的方向发展。 本文介绍直流伺服电机实验台的硬件、软件设计方案。通过传感器对电机位移进行测量，控制器将实际位移量与给定位移量进行比较，控制信号驱动伺服电机控制电源工作，实现伺服电机的位置控制。其电机位置随动系统硬件设计主要包括:总体方案设计、单片机应用系统设计、驱动电路设计和测量电路设计。软件编制采用模块化的设计方式，通过系统的整体设计，完成了系统的基本要求，系统可以稳定的运行。 本次设计说明书主要包括主要包括主程序设计、模数转换器ADC0809程序及数字控制算法程序的设计等内容。 通过本次设计，加深在计算机控制系统课程中所学的知识的理解，提高电气设计与分析的能力，为今后的工作打下基础。
《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 序号设计内容完成时间备注 1 选择课程设计题目，查阅相关文献资料7月13日 2 文献资料的学习，根据所选题目进行方案设计7月14日
3 讨论设计内容，修改设计方案7月15日 4 撰写课程设计报告7月16日 5 课程设计答辩7月17日 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
ＰＩＤ温度控制系统的设计 介紹以单片机为核心的PID控制温度控制系统,并给出了系统的硬件与软件设计方案。实验结果显示该系统的先进性。 标签：温控系统单片机PID控制 0 引言 控制仪表性能指标对温度控制有很大的影响,因此,常采用高性能调节仪表组成温控系统对被控对象(温度)进行严格控制。本文介绍以单片机AT89C51为核心器件构成的温度控制系统,它具有测量、控制精度高、成本低、体积小、功耗低等优点,可制成单机,广泛应用于冶金、化工、食品加工等行业对温度进行精确控制。 1 温控系统结构与工作原理 温控系统的结构如图1所示。热电偶测量出电炉的实际温度(mv信号),经放大、线性化、A/D转换处理后送入单片机接口。由键盘敲入设定温度值,此值与经A/D转换过的炉温信号存在一差值(假如两者温度不一致),由单片机PID调节电路进行比例、微分及变速积分算法对温控箱进行恒温控制。该系统采用传统的AT89C52单片机,其硬、软件完全符合系统的要求,为满足测控精确度的要求,A/D 电路选用12位转换器,分辨率为2-12。本系统采用三相数字过零触发器对六只晶闸管(Y/△接法均可)进行输出功率控制,即在电源电压过零时触发晶闸管,利用PID信号产生的控制信号使电流每周期按规定的导通波头数导通负载,达到控制输出功率,也就是控制炉温的目的。采用过零触发可减少电网谐波的产生,触发器与单片机光电隔离,可减少电网对微机的干扰,调功方式下电加温炉的平均功率为:P=3nU2/NR(1) 式中:P为输入电炉的功率;R为电炉的等效电阻;U为电网相电压;n为允许导通的波头数;N为设定的波头数。 注:公式(1)为负载Y接法适用 2 系统控制软件设计 2.1 PID参数的优化系统采用遗传算法(Genetic Algorithm,简称GA)离线优化PID参数[1]。20世纪70年代由美国J.Holland教授提出的遗传算法(GA)[2]是一种模拟生物进化过程的随机化搜索方法。它采用多路径搜索,对变量进行编码处理,用对码串的遗传操作代替对变量的直接操作,从而可以更好的处理离散变量。GA用目标函数本身建立寻优方向,无需求导求逆等复导数数学运算,且可以方便的引入各种约束条件,更有利于得到最优解,适合于处理混合非线性规划和多目标优化。系统采用二进制编码选择来操作,我们称为染色体串(0或1),每个串表
微机原理步进电机控制课程设计报告 文稿归稿存档编号：[KKUY-KKIO69-OTM243-OLUI129-G00I-FDQS58-
河北科技大学 课程设计报告学生姓名：学号： 专业班级： 课程名称： 学年学期： 2 0 —2 0 学年第学期 指导教师： 2 0 年月 课程设计成绩评定表
目录 一、设计题目………………………………………………………………. 二、设计目的………………………………………………………………. 三、设计原理及方案………………………………………………………. 四、实现方法………………………………………………………………. 五、实施结果………………………………………………………………. 六、改进意见及建议……………………………………………………….
、 一、设计题目 编程实现步进电机的控制 二、设计目的 1.了解步进电机控制的基本原理 2.掌握控制步进电机转动的编程方法 3.了解8086控制外部设备的常用电路 4.掌握8255的使用方法 三、设计原理及方案 3.1设计原理 步进电机驱动原理是通过对每相线圈中的电流的顺序切换（实验中的步进电机有四相线圈，每次有二相线圈有电流，有电流的相顺序变化），来使电机作步进式旋转。驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速。 利用 8255对四相步进电机进行控制。当对步进电机施加一系列连续不断的控制脉冲时，它可以连续不断地转动。每一个脉冲信号对应步进电机的某一相或两相绕组的通电状态改变一次，也就对应转子转过一定的角度（一个步距角）。当通电状态的改变完成一个循环时，转子转过一个齿距。四相步进电机可以在不同的通电方式下运行，常见的通电方式有单（单相绕组通电）四拍（A-B-C-D-A…），双（双相绕组通电）四拍（AB-BC-CD-DA-AB…），八拍（A-AB-B-BC-C-CD-D-DA-A…）等。 通过编程对8255的输出进行控制，使输出按照相序表给驱动电路供电，则步进电机的输入也和相序表一致，这样步进电机就可以正向转动或反向转动。 3.2硬件连接图 四．实现方法 4.1．步进电机控制程序流图
成绩 《计算机控制技术》 课程设计 题目：基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计 班级：自动化09-1 姓名： 学号： 2013 年 1 月 1 日
基于数字PID的电加热炉温度控制系统设计 摘要：电加热炉控制系统属于一阶纯滞后环节，具有大惯性、纯滞后、非线性等特点，导致传统控制方式超调大、调节时间长、控制精度低。本设计采用PID算法进行温度控制，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联来实现温度的较为精确的控制。 电加热炉加热温度的改变是由上、下两组炉丝的供电功率来调节的，它们分别由两套晶闸管调功器供电。调功器的输出功率由改变过零触发器的给定电压来调节，本设计以AT89C51单片机为控制核心，输入通道使用AD590传感器检测温度，测量变送传给ADC0809进行A/D转换，输出通道驱动执行结构过零触发器，从而加热电炉丝。本系统PID算法，将温度控制在50～350℃范围内，并能够实时显示当前温度值。 关键词：电加热炉；PID ；功率；温度控制； 1.课程设计方案 1.1 系统组成中体结构 电加热炉温度控制系统原理图如下，主要由温度检测电路、A/D转换电路、驱动执行电路、显示电路及按键电路等组成。 系统采用可控硅交流调压器，输出不同的电压控制电阻炉温度的大小，温度通过热电偶检测，再经过变送器变成0 - 5 V 的电压信号送入A/D 转换器使之变成数字量，此数字量通过接口送到微机，这是模拟量输入通道。 2.控制系统的建模和数字控制器设计 2.1 数字PID控制算法 在电子数字计算机直接数字控制系统中，PID控制器是通过计算机PID控制算法程序实现的。计算机直接数字控制系统大多数是采样-数据控制系统。进入计算机的连续-时间信号,必须经过采样和整量化后，变成数字量，方能进入计算机的存贮器和寄存器，而在数字计算机中的计算和处理，不论是积分还是微分，只能用数值计算去逼近。
微机控制课程设计报告
目录............................................................................................................ 错误!未定义书签。摘要........................................................................................................................................ III I V 第1章总体方案设计...................................................................................................... - 1 - 1.1、设计任务及要求............................................................................................ - 1 - 1.2、工艺要求........................................................................................................ - 1 - 1.3、要求实现的基本功能： ............................................................................... - 2 - 1.4、对象分析........................................................................................................ - 2 - 1.5、系统功能设计................................................................................................ - 2 -第2章硬件的设计和实现.............................................................................................. - 3 - 2.1、微机选型........................................................................................................ - 3 - 2.2、设计支持计算机工作的外围电路 ............................................................... - 3 - 2.3、设计输入输出通道........................................................................................ - 5 - 2.4、温度传感器.................................................................................................... - 7 - 2.5、元器件的选择................................................................................................ - 8 -第3章数字控制器的设计.............................................................................................. - 9 - 3.1、控制算法：................................................................................................. - 9 - 3.2、计算过程：.................................................................................................... - 9 -第4章软件设计............................................................................................................ - 11 - 4.1系统主程序框图 ............................................................................... - 11 - 4.2、A/D转换子程序流程图 ................................................................ - 12 - 4.3图LED显示流程............................................................................. - 12 - 4.4、数字控制算法子程序流程图 ........................................................ - 14 -第5章完整的系统电路图............................................................................................ - 15 -第6章抗干扰措施........................................................................................................ - 16 - 6.1、硬件方面抗干扰措施主要包括： ............................................................. - 16 - 6.2、软件方面的抗干扰措施有： ..................................................................... - 16 -第7章系统调试............................................................................................................ - 17 -第8章设计总结............................................................................................................ - 18 -第9章参考文献............................................................................................................ - 19 -附录：程序代码................................................................................................................ - 20 -
洛阳理工学院 计算机控制技术与应用 课程设计 课题：基于单片机恒温箱设计 专业：电气工程与自动化 姓名：来永亮 学号；B12040524
摘要 恒温箱控制系统是通过采集温度，将温度反馈给系统，与系统所设的温度进行比较，通过判断决定进行加热或制冷工作。本设计采用单片机控制整个系统，通过按键设置温度范围，由温度传感器DS18B20采集箱中空气的温度，并反馈给STC89C51单片机，与设置的温度进行比较，决定要进行加热或制冷工作。用半导体制冷片进行加热、制冷工作，通过STC89C51给出指令控制两个继电器开关，以改变电流的正负极，实现半导体的加热、制冷工作，同时在半导体制冷片上配以风扇，当半导体朝向箱内的一面进行制冷工作时，风扇可将朝向箱外加热的一面的热量散开，以防影响箱内制冷效果。 【关键字】STC89C51；DS1820;半导体制冷片；恒温箱
目录 第一章绪论 (3) 第二章系统方案设计 (3) 2.1系统功能 (3) 2.2系统设计方案 (3) 第三章系统硬件设计 (4) 3.1总体设计框图 (4) 3.2系统主要部分设计方案论证 (4) 3.2.1单片机控制模块 (5) 3.2.2温度采集器件的设计方案 (5) 3.2.3显示方案的设计 (6) 3.2.4加热或制冷方案设计 (7) 3.3各部分设计模块介绍 (7) 3.3.1温度传感器DS18B20 (7) 3.3.2显示电路LCD1602 (9) 3.3.3 继电器控制电流正负极原理 (9) 3.3.4半导体制冷片的介绍 (9) 第四章系统软件设计 (10) 4.1系统程序设计主流程图 (10) 4.2 DS18B20温度采集流程图 (11) 4.3 LCD1602显示流程图 (12) 第五章调试与仿真 (12) 5.1软件调试 (13) 5.2仿真电路图 (14)
以下文档格式全部为word格式，下载后您可以任意修改编辑。 前言 温度是表征物体冷热程度的物理量。在很多生产过程中，特别是在冶金、化工、建材、食品、机械、石油等工业中，温度的测量和控制都直接和安全生产、提高生产效率、保证产品质量、节约能源等重大技术经济指标相联系。因此，温度的测量与控制在国民经济各个领域中均受到了相当程度的重视。 单片机系统的开发应用给现代工业测控领域带来了一次新的技术革命，自动化、智能化均离不开单片机的应用。将单片机控制方法运用到温度控制系统中，可以克服温度控制系统中存在的严重滞后现象，同时在提高采样频率的基础上可以很大程度的提高控制效果和控制精度。现代自动控制越来越朝着智能化发展，在很多自动控制系统中都用到了工控机，小型机、甚至是巨型机处理机等，当然这些处理机有一个很大的特点，那就是很高的运行速度，很大的内存，大量的数据存储器。但随之而来的是巨额的成本。在很多的小型系统中，处理机的成本占了系统成本的比例高达20%，而对于这些小型的系统来说，配置一个如此高速的处理机没有任何必要，因为这些小系统追求经济效益，而不是最在乎系统的快速性，所以用成本低廉的单片机控制小型的，而又不是很复杂，不需要大量复杂运算的系统中是非常适合的。 随着电子技术以及应用需求的发展，单片机技术得到了迅速的发展，在高集成度，高速度，低功耗以及高性能方面取得了很大的进展。现在完
全可以运用单片机和电子温度传感器对某处进行温度检测，而且可以很容易地做到多点的温度检测，如果对此原理图稍加改进，还可以进行不同地点的实时温度检测和控制。
1绪论 1.1研究的目的和意义 温度是工业生产中主要被控参数之一，温度控制自然是生产的重要控制过程。工业生产中温度很难控制，对于要求严格的的场合，温度过高或过低将严重影响工业生产的产质量及生产效率，降低生产效益。这就需要设计一个良好温度控制器，随时向用户显示温度，而且能够较好控制。单片机具有和普通计算机类似的强大数据处理能力，结合PID，程序控制可大大提高控制效力，提高生产效益[9]。 例如钢铁生产过程中，按照工艺条件的规定保持一定的温度才能保证产品质量和设备的安全。对电气设备进行温度的监控，例如高压开关、变压器的出线套管等，判断可能存在的热缺陷，进而能及时发现、处理、预防重大事故的发生。因此研究温度控制仪具有重要的意义[10]。 在单片机温度测量系统中的关键是测量温度、控制温度和保持温度，温度测量是工业对象中主要的被控参数之一。因此，单片机温度测量则是对温度进行有效的测量，并且能够在工业生产中得到了广泛的应用，尤其在电力工程、化工生产、机械制造、冶金工业等重要工业领域中，担负着重要的测量任务。在日常生活中，也可广泛实用于地热、空调器、电加热器等各种家庭室温测量及工业设备温度测量场合[16]。 目前市场上热水器的控制系统大多存在功能单一、操作复杂、控制不方便等问题，很多控制器只具有温度和水位显示功能，不具有温度控制功能．即使热水器具有辅助加热功能。也可能由于加热时间不能控制而产生过烧，从而浪费电能。本文设计的热水器控制系统以51单片机为检测控制中心单元，具有温度设定与控制功能。该控制器和以往显示仪相比具有性
目录 1 课题简介 2 总体方案设计 3 硬件电路设计 4 控制算法设计 5 软件编程设计 6 实验结果与分析 7 小结
最少拍无波纹控制系统设计 1 课题简介 由于最少拍无波纹控制系统模拟连续系统要求的参数准确, 但在实验电路中的元器件自身参数的不准确性, 及受温度或其它因素的影响, 很难做到参数的准确, 特别是一阶惯性环节和积分环节的参数不易整定, 输出波形易出现失真, 很难得到理想的结果, 多年来基本上是利用传输函数建立仿真模型, 这种仿真模型构建方法相对简单, 仅用比例积分、一阶惯性和传输函数数学模块搭建, 可避免参数的不准确性。最少拍无纹波数字控制器, 要求具有以下特点: ( １) 准确性。对特定的参考输入信号在到达稳态后系统输出在采样点的值准确跟踪输入信号即采样点上的输出不存在稳态误差。( ２) 快速性。在各种使系统在有限拍内到达稳态的没计中系统准确跟踪输入量所需的采样周期数应为最少。( ３) 稳定性。数字控制器必须在物理上可实现且应该是稳定的闭环系统。在采样点上的输出不存在稳态误差, 但在采样点间的输出存在稳态误差的系统为有波纹最少拍控制系统。若在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差, 则这系统为无波纹最少拍控制系统。它们各有自己的优点, 也都存在一些不足。最少拍无纹波数字控制
系统在采样点上和采样点间的输出均不存在稳态误差, 可是它的响应速度相对较慢最少拍无纹波控制系统, 其控制算法都是依据被控对象的准确的数学模型 G(z)来确定的。 2 总体方案设计 设计要求: 根据题目要求, 设计无波纹最小拍控制器。采用零阶保持器的单位反馈离散系统, 被控对象为5 ()(0.81) c G s s s = +, 要求系统 在单位速度信号输入时, 实现无波纹最小拍控制, 用离散设计法设计数字控制器用51单片机经0809采集计一个模拟量并转化为数字量在单片机内的最少拍无波纹控制算法输出数字量再经过0832转化为模拟量输出, 对被控对象进行控制。 最少拍无波纹控制器的设计理论: 图1 数字控制系统原理图 数字控制器模拟化设计方法是基于连续系统的设计, 并在计算机上采用数字模拟方法来实现, 选用的采样周期须足够小, 且采样周期的变化对系统影响不大。 如图1 的数字离散控制系统中, G C (S)为被控对象, 其中 H(S)= (1-e -TS )/S 代表零阶保持器, D(Z)代表被设计的数字控制器, 它是由单片机来实现的, D(Z)的输入输出
模糊PID温度控制毕业设计 第一章绪论 1.1 选题背景及其意义 在工业生产过程中，控制对象各种各样，温度是生产过程和科学实验中普遍而且重要的物理参数之一。在生产过程中，为了高效地进行生产，必须对它的主要参数，如温度、压力、流量等进行有效的控制。温度控制在生产过程中占有相当大的比例，其关键在于测温和控温两方面。温度测量是温度控制的基础，技术已经比较成熟。由于控制对象越来越复杂，在温度控制方面，还存在着许多问题。如何更好地提高控制性能，满足不同系统的控制要求，是目前科学研究领域的一个重要课题。温度控制一般指对某一特定空间的温度进行控制调节，使其达到工艺过程的要求。本文主要研究电锅炉温度控制的方法。 电锅炉是将电能转换为热能的能量转换装置[1]。具有结构简单、无污染、自动化程度高等特点。与传统的以煤和石化产品为燃料的锅炉相比还具有基本投资少、占地面积小、操作方便、热效率高、能量转化率高等优点。近年来，电锅炉已成为供热采暖的主要设备。 锅炉控制作为过程控制的一个典型，动态特性具有大惯性大延迟的特点，而且伴有非线性。目前国电热锅炉控制大都采用的是开关式控制，甚至是人工控制方法。采用这些控制方法的系统稳定性不好，超调量大，同时对外界环境变化响应慢，实时性差。另外，频繁的开关切换对电网产生很大的冲击，降低了系统的经济效益，减少了锅炉的使
用年限。因此，研究一种最佳的电锅炉控制方法，对提高系统的经济性，稳定性具有重要的意义。 1.2 工业控制的发展概况 工业控制的形成和发展在理论上经历了三个阶段50年代末起到70年代为第一阶段，即经典控制理论阶段，这期间既是经典控制理论应用发展的鼎盛时期，又是现代控制理论应用和发展时期；70 年代至 90 年代为第二阶段，即现代控制理论阶段；90 年代至今为第三阶段，即智能控制理论阶段[2] 第一阶段：初级阶段。它以经典控制理论为主要控制方案，采用常规气动、液动和电动仪表，对生产过程中的温度、流量、压力和液位进行控制。在诸多控制系统中，以单回路结构、PID 策略为主，同时针对不同的对象与要求，设计了一些专门的控制算法如达林顿算法、Smith 预估器、根轨迹法等。这阶段的 主要任务是稳定系统、实现定值控制。 第二阶段：发展阶段。以现代控制理论为基础，以微型计算机和高档仪器为工具，对复杂现象进行控制。这阶段的建模理论、在线辨识和实时控制已突破前期的形式，继而涌现了大量的先进控制系统和高级控制策略，如克服对象时变和环境干扰等不确定影响的自适应控制，消除因模型失配而产生不良影响的预测控制等。这阶段的主要任务是克服干扰和模型变化，以满足复杂的工艺要求，提高控制质量。 第三阶段：高级阶段。不论从历史和现状，还是从发展的必要性和可能性来看，控制方法主要朝着综合化、智能化方向发展。尤其近些年来人工智能理论的迅速崛起为控制的智能化提供了一个腾飞的工具。智能控制理论中，专家系统、神经网络、模糊控制系统是最有潜力的三种方法。专家系统在工业生产过程、故障诊断和监督控制以及检测仪表有效性检测等方面获得成功应用；神经网络则可为复杂非线性过程的建模提供有效
计算机控制技术课程设计 课程名称计算机控制技术 学院自动化学院 专业班级自动化08（4）班 学号 姓名 2011 年6 月22 日
一、题目和要求 已知计算机控制系统结构图如图1所示，其中r(t)是系统的参考输入，e(t)是系统偏差，u(t)是系统的控制量，G0(s)是系统被控对象的传递函数，D(z)是待设计控制器的脉冲传递函数。 图1 计算机控制系统结构图 现假设系统采样周期T=0.5s，系统被控对象的传递函数为： 2 () (2) s G s e s s - = + 请针对上述被控对象，完成如下任务： （一）、试分别采用不同的数字控制算法设计数字控制器D(z)，使得输出跟踪不同的参考输入；在设计任务中要求采用如下四种数字控制算法：数字PID 控制算法、最少拍有纹波控制算法、最少拍无纹波控制算法和大林控制算法；设计每种算法时需要跟踪两种典型的参考输入，即：单位阶跃输入和单位速度输入； （二）、针对每一种情况，编写计算机程序或者使用仿真软件作出相应的e(k)，u(k)和y(k)的曲线，通过改变不同算法的控制参数观察控制效果的变化分析相应算法控制算法对系统控制性能的影响； （三）、比较分析各种不同控制算法间的控制效果差异； （四）、撰写心得和体会。 二、数字PID控制算法 1、单位阶跃输入 （1）、搭建sumilink
（2）、双击PID控制器 （3）、点击TUNE，让系统自动调整参数
（4）、调整得到满意参数（5）、编程模拟 s=tf('s'); Gs=200/(s*(s+40)); Ts=0.01; Gz=c2d(Gs,Ts,'zoh'); [num,den]=tfdata(Gz,'v'); step=1000; Kp=0.4411; Ki=0.0019; Kd=0.4694; e=zeros(1,step); y=zeros(1,step); time=zeros(1,step); r=zeros(1,step); delta_u=zeros(1,step); u=zeros(1,step); for k=1:step r(k)=1; time(k)=k*Ts; end for k=3:step y(k)=y(k-1); e(k)=r(k)-y(k); delta_u(k)=Kp*(e(k)-e(k-1))+Ki*e (k)+Kd*(e(k)-2*e(k-1)+e(k-2)); u(k)=delta_u(k)+u(k-1); y(k)=-den(2)*y(k-1)-den(3)*y(k-2 )+num(2)*u(k-1)+num(3)*u(k-2); end plot(time,r,time,y)