二自由度PID控制系统设计与研究
孙维（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011）
指导老师：杨伟
摘要：传统的PID控制是一自由度的PID控制，只能对系统的一个控制参数进行设定，所以很难在实际控制中得到理想的控制效果。而二自由度PID控制系统可以独立设定两个控制参数，使系统的设定值跟踪效果和抑制干扰的效果同时达到最优。本文首先对二自由度PID控制方式做以介绍。其次，根据事先选定的被控对象的传递函数对被控系统加以分析，建立被控对象频域特性的二阶系统模型，对控制参数加以整定。再次，根据对几种控制方式的控制效果的比较，做出二自由度PID控制方式的选择。最后通过Matlab软件进行仿真，并对结果加以分析。
关键词：二自由度PID控制，设定值跟踪，干扰抑制
一、引言
PID控制方式在工业控制过程中是最常见的方式。但传统的PID控制器，无法做到既可以跟踪设定值又可以抑制各种外界干扰。原因在于传统PID控制只可以设定一个PID控制参数，即一自由度PID 控制器。在这种控制方法中，PID控制参数的整定只可以是将目标值跟踪特性和抑制外界干扰特性的折中的处理方法。
二自由度的PID控制方式是在传统的PID控制中想办法整定两套能独立整定的PID控制参数，从而使被控制系统的目标值跟踪特性和外界干扰抑制特性可以同时达到最佳的控制效果的控制方式。基于这种理论的基础之上，人们发展了很多智能型的PID控制器，比如专家型的PID控制器、神经网络PID 控制器、基于遗传算法PID控制器等等。本文采用专家型的二自由度PID控制器来提升被控制系统的控制效果。
二、二自由度的PID控制方式及其选择
2.1控制方式介绍
2.1.1 前馈型PID控制方式（专家式）
目前实际应用中的二自由度PID控制方式包括前馈型和滤波型两种。当控制系统中的被控对象参数发生变化时，利用人工改变相应PID控制参数及二自由度化系数是比较繁琐的。为了克服这一问题人们设计了一种前馈型的二自由度PID控制方式，即专家式自动整定调节器。
前馈型PID调节器再根据阶跃响应法辨识出被控制对象G(s)的大致参数后依据整定公式求出使干扰抑制特性达到最佳的PID控制参数值，然后依据系统的参数以及为满足系统不同控制品质要求而设定的超调量δ的大小，查找出比例尺增益二自由度化系数α的值、积分时间二自由度化系数β矩阵表，得到相对应的α、β值，使系统响应趋于控制效果最佳的设定目标。在本文中将采用滤波型二自由度PID 控制方式的结构设计控制器。所以重点研究滤波型二自由度PID控制方式的结构特点。
2.1.2 设定值滤波型控制
设定值滤波型二自由度的PID 控制系统结构在传统的测量值微分先行的PID 结构上再附加上设定值滤波器而构成的。其中滤波器的传递函数：
式中α是比例增益二自由度化系数（0≤α≤1）、β是积分时间二自由度化系数（0≤β≤1）、γ是微分时间二自由度化系数（0≤γ≤1）,其中1/η为微分增益（0.1≤η≤1）。
当系统中增大α值时，系统响应的上升时间将会减小，超调量δ会增加，适当的增加β的值，可使得系统在上升时间几乎不发生变化的情况下减小超调量δ的值，而γ值的加入仅仅会使阶跃响应的效果变差．这是由于相当于微分作用的γ的值在给定值发生变化的时候会造成操作信号发生急剧变化，所以一般采用仅PI 控制作为二自由度的控制方式(即令γ=0)。当α、β、γ的加入或改变时，不会影响被控制系统的扰动响应，这也是二自由度P1D 控制方式的控制特性的表现．即首先设定使系统干扰抑制为控制效果最佳的PID 控制参数，然后再选择合适的二自由度化系数α、β、γ的值，使得被控制系统的设定值跟踪特性以及干扰抑制特性同时达到最佳。 2.2 PID 控制方式的选择
由于本次毕业设计已事先选取好被控制对象的传递函数，所以可以直接采用用设定值滤波型的二自由度PID 设计实现对被控对象的控制要求。所以选择设定值滤波型控制方式。
三、被控对象的分析及PID 控制参数的整定
3.1被控对象的分析
被控对象的传递函数为：0.5()10/(21)(81)s G s e s s -=++ ,由结构分析得：
01()()()G s G s G s =?，且0()10/(16101)G s s s s =?++；0.51()s G s e -=
3.2 PID 控制参数整定 3.2.1 PID 控制参数整定方法
PID 控制器的控制参数的整定是控制系统设计过程中的核心内容。它是依据被控过程的系统特性来确定PID 控制器的比例系数的值、积分时间的值和微分时间的值。
PID 控制器控制参数的整定方法有很多，概括起来包括两大类：一类是理论计算整定法。它主要依据被控系统的数学模型，经过理论上的计算来确定控制器的参数。这种方法得到的计算数据不一定可以直接使用，有时还必须通过工程实际情况进行调整和修改。另一类是工程整定方法，它主要是依赖工程上的经验，直接在被控制系统的试验中进行整定，这种整定方法具有简单、易于掌握的特点，在实际的工程中被人们广泛采用。PID 控制器的参数的工程整定方法，主要包括临界比例法、衰减曲线法。
两种整定方法各有各的特点，它们的共同点是都要通过试验，然后再按照工程经验公式对控制器的参数进行整定。但无论采用哪一种方法整定得到的控制器参数，都需要在实际工程运行中再进行调整与完善。
3.2.2参数整定方法的选择
现在采用较多的是临界比例度法。但采用临界比例度法的时候有一个限制条件，被控制对象的系统发生临界震荡的条件是被控系统的阶数得是3阶或3阶以上。
因本次毕业设计选取好的被控对象产生临界震荡时候的最高阶次为2，所以本设计中选择Ziegler-Nichol 整定法。
3.2.3 Ziegler-Nichol 整定方法整定PID 控制参数
()(1)/(1)/(1)[()/(1)/(1)]
i i i i i d d H s T s T s T s T s T s T s T s αβγη=++++-+++
Ziegler-Nichol 整定方法是依据频域设计PID 控制器的一种方法。基于频域分析需要考虑参考被控模型，首先要辨识出一个比较好的能反应被控对象频域特性的二阶系统模型。根据这样的系统模型，再结合给定的系统性能指标可以推导出理论公式，以用于PID 控制参数的整定。
Ziegler-Nichol 整定方法整定参数的二阶模型如图1所示：
图1 Ziegler-Nichol 整定法正定参数的二阶模型
Ziegler-Nichol 整定方法是依据给定的被控制对象的瞬态响应特性来确定PID 控制器的控制参数的。首先通过实验的方法获取被控制对象的单位阶跃响应，如果被控制对象单位阶跃响应曲线是S 型，则可以用这种参数整定方法。被控系统的阶跃响应曲线如图2所示：
图2 被控对象单位阶跃响应曲线
从系统的响应曲线可以知道，用Ziegler-Nichol 整定方法整定系统的控制参数是可行的。所以利用延迟时间L 、放大系数K 以及时间常数T,根据表1中公式可以确定p K 、i T 和d T 的值，如表2所示：
表1 Ziegler-Nichol 整定参数计算表（L=3.2 ；T=14.8 ；K=10）
控制器类型 比例度 积分时间 微分时间 P T/(KL) ∞ 0 PI 0.9T/(KL) L/0.3 0 PID
1.2T/(KL)
2.2L
0.5L
1Out1
Transport Delay
1016s +10s+12Transfer Fcn
Step1Step
Scope
PID PID Controller
表2 Ziegler-Nichol 整定参数结果
控制器类型 p K
i T
d T
P 0.463 ∞ 0 PI 0.414 0.094 0 PID
0.555
0.142
1.6
四、二自由度PID 控制方式的选择
4.1控制效果的对比
当输入信号为阶跃信号量15，滞后为0.5s 时的阶跃响应和外加干扰量2，滞后20s 时的三种控制效果的比较如下：
1. 比例控制时的单位阶跃响应曲线如图3所示（p K =0.463, i T =∞, d T =0）：
图3 比例控制时的单位阶跃响应曲线
2. 外加干扰时比例控制的阶跃响应曲线如图4所示：
图4 外加干扰时比例控制时的单位阶跃响应
3. 比例+积分控制时阶跃响应曲线如图5所示（p K =0.414，i T =0.094，d T =0）：
图5 比例+积分控制时候的阶跃响应
4. 外加干扰时比例+积分控制时阶跃响应曲线如图6所示：
图6 外加干扰时比例+积分控制的阶跃响应曲线
5. 比例+积分+微分时的阶跃响应曲线如图7所示（p K =0.555，i T =0.142，d T =1.6）：
图7 比例+积分+微分时的阶跃响应曲线
6. 外加干扰时比例+积分+微分控制时的阶跃响应曲线如图8所示：
图8 加干扰时比例+积分+微分控制时的阶跃响应曲线
4.2二自由度PID 控制方式的选择和二自由度化系数的选择 4.2.1 控制方式的确定
从上节三种控制方式下系统的阶跃响应、外加干扰的响应的过渡时间、上升时间、超调量、最大偏差和衰减比等指标参数中可以比较出，比例+积分+微分控制方式的控制效果最适合控制被控制对象。4.2.2 二自由度化系数的确定
二自由度PID 控制方式和二自由度化系数的关系如表3所示。
表3 二自由度方式和二自由度化系数
控制器类型 α β γ PI —PD 0.4 0 0 PI —PID 0.4 0.15 0 PID —PID
0.4
0.15
0.48
由表格数据的可确定二自由度化系数α=0.4，β=0.15，γ=0.48。
五、二自由度PID 控制的仿真研究
5.1仿真模型的分析 5.1.1 仿真模型
如图9和图10所示。 5.1.2 模型参数的选取
由上章实验得出p K =0.555，i T =0.142，d T =1.6；α=0.4，β=0.15，γ=0.48。故带入这些数据可得设定值滤波器函数：3232()(38.0625.28.81)/(7.951.8514.241)H s s s s s s s =++++++
主回路中PID 的控制参数为p K =0.555，i T =0.142，d T =0；反馈回路中的PID 控制参数为p K =0.555，i T =∞，d T =1.6。
图9 二自由度PID 仿真模型一
图10 二自由度PID 仿真模型二
5.1.3 外界干扰信号
外加干扰信号量取3，作用时间steptime 取25s 。 5.2二自由度PID 仿真的结果 5.2.1 外加干扰前的仿真曲线
不加干扰时模型一和模型二的控制结果的仿真曲线如图11和图12：
图11 干扰前模型一的仿真效果图
1Out1
Transport Delay
num(s)den(s)Transfer Fcn2
1016s +10s+12Transfer Fcn
Step1
Step
Scope
PID PID Controller1
PID
PID Controller
1Out1
Transport Delay
0.157.04s+1Transfer Fcn57.04s 7.04s+1Transfer Fcn4
0.7680.16s+1Transfer Fcn3
2.816s+17.04s+1Transfer Fcn2
1016s +10s+12Transfer Fcn
Step1
Step
Scope
PID PID Controller1
PID
PID Controller
图12 干扰前模型二的仿真效果图
5.2.2 外加干扰后的仿真曲线
加干扰后模型一和模型二的控制结果的仿真曲线如图13和图14：
图13 外加干扰后模型一的仿真效果图
图14 外加干扰后模型二的仿真效果图
5.2.3 仿真结果的对比与分析
从以上两图的仿真效果曲线图可知，二自由度PID控制方式可以做到设定值的跟踪，即测量信号的量15的跟踪，同时也做到了抑制外加干扰信号。弥补了传统的一自由度PID控制方式的不能同时兼顾设定值跟踪和外加干扰抑制的缺陷。然而从实验的结果也同样可以得出结论，设定值滤波型的二自由度PID控制方式的两个控制模型中，第二个控制系统模型的效果更接近于理想的状态，第一个系统模型的控制前期出现了不稳定的扰动量，可能是因为传递函数的理论计算过程中省略了的小数点后几位数而导致系统传递函数存在的缺陷。这是系统本身的缺陷和外加干扰等因素无关。
六、结论
本文依据设定值滤波型的原理，针对选定的具有滞后的被控制对象和测试信号的量做了基于Matlab/simulink的软件仿真的设计与研究。理论分析和软件仿真实验的研究结果表明，用这种方法设计的二自由度PID调节器具有较好的目标跟踪特性、外加干扰抑制特性，从而能够取得较好的系统控制品质。这种二自由度PID控制器可以满足高性能的控制系统的要求；同时这种调节器结构简单、控制参数调整方便、容易理解和实用性强等诸多优点。
本次毕业设计经过大量的文献检索、理论计算和多次的软件调试，做到了从理论分析到实践环节中得到结果的整个环节，最终设计出了一个可以同时兼顾设定值跟踪和外加干扰抑制两种特性的二自由度PID控制器。
参考文献
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The Design and Research of Two Degree of Freedom PID Control System
SunWei
(School of Physics and Electrical of Anqing Normal College, Anqing 246011)
Abstract: The traditional PID control is a degree of freedom PID control, a control parameter of the system can only be set, so it is very difficult in the practical control to get ideal control effect. And the two degree of freedom PID control system can be independently set two control parameters, the system set point tracking effect and suppress the interference effect and at the same time optimal.This paper introduces the two degree of freedom PID control method. Secondly,according to the transfer function of the controlled object selected in advance of the controlled system is analyzed, and the control parameters setting. Thirdly,based on the comparison of several control methods of the control effect, make the two degree of freedom PID control mode selection. Finally, through Matlab simulation software, and analyzes the results.
Key Words: Two degree of freedom PID control, set point tracking, disturbance rejection
二自由度简易云台增稳控制系统设计 项目简介：本课题要求学生在查阅相关资料的基础上，利用单片机、IMU姿态测量元件、舵机等设备搭建二自由度增稳控制平台，设计姿态数据的读取程序，设计舵机的控制程序，设计增稳平台的机械结构，对所设计的程序进行调试，实现云台的增稳控制。 项目方案： 本课题分以下步骤展开研究： 2014年4月~ 2014年10月 收集有单片机接口程序设计方面的资料，学习相关理论知识； 2014年11月~2014年12月 学习MWC飞行控制板的程序设计技术； 2015年1月~2015年4月 设计板载姿态传感器数据读取； 2015年5月~ 2015年8月 设计舵机控制程序和平台机械结构，测试平台增稳性能； 2015年9月~2015年10月 撰写研究报告、结题，项目鉴定。 本项目主要使用MWC飞行控制板和舵机实现二自由度平台的增稳控制 预期成果： 本项目要求完成如下成果： 设计并实现二自由度增稳平台的软、硬件系统，搭建增稳平台的机械结构，完成系统的负载测试。完成研究报告一份。 二自由度云台概述: 云台是一种安装、固定摄像装置的支撑设备，用于摄像装置与支撑物的联结。其英文名称为Pan-Tilt(简称PT),即可以在水平方向和俯仰方向旋转的机械装置。主要用于安装监控、动态摄像等需要进行运动图像（视频）捕捉的场合或环境，使采集方式更直接方便；在需要摇摆和摆动的机构中，如机械臂等，也利用云台来实现可接触范围的延伸和扩展。 根据云台的回转特点可以分为只能左右旋转的水平旋转平台和既能左右旋转又能上下旋转的全方位云台，即二自由度（2-Degree of Freedom）云台，简称2-DOF云台。 增稳的意义： 比如飞行器在飞行过程中，由于自身的抖动以及外界因素对它的影响，它的姿态不断变化，装在上面的图像采集装置一起变化，导致图像的不稳定。如果采用反馈控制原理，先测量姿态变化，再传输到控制装置（舵机），达到稳像的目的。将一个二自由度的稳像平台与遥控直升机恰当地结合在一起，实现了在飞行过程中跟踪目标稳定图像，保持图像质量的功能。
目录一设计任务与要求 二系统校正的基本方法与实现步骤 三PID的控制原理与形式模型 四设计的原理 五设计方法步骤及设计校正构图 六设计总结 七致谢 八参考文献
一 设计任务与要求 校正对象： 已知单位负反馈系统，开环传递函数为：s s s s G 1047035.87523500 )(23++=，设 计校正装置，使系统满足： （1）相位稳定裕量o 45≥γ （2）最大超调量%5≤σ 二 系统校正的基本方法与实现步骤 系统校正就是在自动控制系统的合适位置加入适当的装置，以改善和提高系统性能。按照校正装置在自动控制系统中的位置，可分为串联校正，反馈校正和顺馈补偿。 顺馈补偿方式不能独立使用，通常与其他方式同时使用而构成复合控制。顺馈补偿装置满足一定条件时，可以实现全补偿，但前提是系统模型是准确的，如果所建立的系统模型有较大误差，顺馈补偿的效果一般不佳。 反馈校正主要是针对系统中的敏感设备——其参数可能随外部环境条件发生变化，从而影响自动控制系统的性能——给敏感设备增加局部负反馈支路以提高系统的抗扰能力。由于负反馈本身的特性，反馈校正装置通常比较简单，只有比例（硬反馈）和微分（软反馈）两种类型。 串联校正是最基本也是最常用的校正方式，根据校正装置是否使用独立电源，可分为有源校正装置和无源校正装置；根据校正装置对系统频率特性的影响，可分为相位滞后、相位超前和相位滞后－超前校正装置；根据校正装置的运算功能，可分为比例（P ）校正、比例微分（PD ）校正、比例积分（PI ）校正和比例积分微分（PID ）校正装置。
三 PID 控制的原理与形式模型 具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称PID 控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为： dt t de dt t e t e t m K K K K K d p t i p p )()()()(0++=? 相应的传递函数为： ??? ? ? ? + +=S S s K K K G d i p c 1)( S S S K K K d i p 12++ ?= PID 控制的结构图为： 若14 第一章绪论 在工程和科学技术发展过程中，自动控制担负着重要的角色。除了在宇宙飞船系统、导弹制导系统和机器人系统等领域中，自动控制具有特别重要的作用之外，它已成为现代机器制造业和工业生产过程中的重要而不可缺少的组成部分。例如，在制造工业的数控机床控制中，在航空和航天工业的自动驾驶仪系统设计中，以及在汽车工业的小汽车和大卡车设计中，自动控制都是必不可少的。此外，在工业中的过程控制，对压力、温度、湿度、黏性和流量的控制等工业操作过程，自动控制也是不可缺少的。 自动控制理论和实践的不断发展，为人们提供了获得动态系统最佳性能的方法，提高了生产率，并且使人们从繁重的体力劳动和大量重复性的手工操作中解放出来。 1.2控制系统的分类 1.2.1 反馈控制系统 能对输出量与参考输入量进行比较，并且将它们的偏差作为控制手段，以 保持两者之间预定关系的系统，称为反馈控制系统。室温控制系统就是反馈系统的例子。通过实际室温，并且将其与参考温度（希望的室温）进行比较，温室调机器就会按照某种方式，加温或冷却设备打开或关闭，从而将室温保持在使人们感到舒适的水平上，且与外界条件无关。反馈系统并不限于工程系统，在各种不同的非工程领域，同样存在着反馈控制系统。 1.2.2 闭环控制系统 反馈控制系统通常属于闭环控制系统。在实践中，反馈控制和闭环控制这两个术语通常交换使用。在闭环控制系统中，作为输入信号与反馈信号（反馈信号可以是输出信号本身，也可以是输出信号的函数及其导数和/或其积分）之差的作用误差信号被传送到控制器，以便减小误差，并且使系统的输出达到希望的值。闭环控制这个术语，总是意味着采用反馈控制作用，以减小系统误差。 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) 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，超调量不大于20%，调节时间不大于。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； 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,]) 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 基于SIMULINK的PID控制器设计与仿真 1.引言 MATLAB是一个适用于科学计算和工程用的数学软件系统，历经多年的发展，已是科学与工程领域应用最广的软件工具。该软件具有以下特点：数值计算功能强大；编程环简单；数据可视化功能强；丰富的程序工具箱；可扩展性能强等。Simulink是MATLAB下用于建立系统框图和仿真的环境。Simulink环境仿真的优点是：框图搭建方便、仿真参数可以随时修改、可实现完全可视化编程。 比例-积分-微分（Proporitional-Integral-Derivative,PID）是在工业过程控制中最常见、应用最广泛的一种控制策略。PID控制是目前工程上应用最广的一种控制方法，其结构简单，且不依赖被控对象模型，控制所需的信息量也很少，因而易于工程实现，同时也可获得较好的控制效果。 2.PID控制原理 当我们不能将被控对象的结构和参数完全地掌握，或者是不能得到精确的数学模型时，在这种情况下最便捷的方法便是采用PID 控制技术。为了使控制系统满足性能指标要求，PID 控制器一般地是依据设定值与实际值的误差，利用比例（P）、积分（I）、微分（D）等基本控制规律，或者是三者进行适当地配合形成相关的复合控制规律，例如，PD、PI、PID 等。 图2-1 是典型PID 控制系统结构图。在PID 调节器作用下，对误差信号 分别进行比例、积分、微分组合控制。调节器的输出量作为被控对象的输入控制量。 图2-1典型PID 控制系统结构图 PID 控制器主要是依据给定值r （t ）与实际输出值y （t ）构成控制偏差，用公式表示即e （t ）=r （t ）-y （t ），它本身属于一种线性控制器。通过线性组合偏差的比例（P ）、积分（I ）、微分（D ），将三者构成控制量，进而控制受控对象。控制规律如下： 1 01() ()[()()]p d i de t u t K e t e t dt T T dt =++? 其传递函数为： ()1()(1)()p d i U s G s K T S E s T s = =++ 式中：Kp--比例系数； Ti--积分时间常数； Td--微分时间常数。 3.Simulink 仿真 3.1 建立数学建模 3.2 仿真实验 在传统的PID 调节器中，参数的整定问题是控制面临的最主要的问题，控制系统的关键之处便是将Kp 、Ti 、Td 三个参数的值最终确定下来。而在工业 云台两自由度控制 作者：04——715班王天指导老师：李 云台是搭载激光测距仪座，摄像头座，机械手座之物，为这些仪器部件提供更大的适用范围。 此品主要采用蜗轮蜗杆的结构来作为传动机构。 其优点是可以得到很大的传动比，比交错轴斜齿轮机构紧凑，因为线接触，故承载能力比交错轴斜齿轮大得多，另外传动平稳无噪音，这样仿生蛇可以执行更隐蔽的任务。还有蜗杆的到程角r小于轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁性，即只能由蜗杆带动蜗轮，而不能有蜗轮带动蜗杆，这样便于抬板稳定在某一位置工作。而蜗轮蜗杆将纵向转动变为侧向转动方可以使我们的布局更合理。 当然蜗轮蜗杆机构也具有一定的缺点，（1）齿合时相对滑动速度v较大，以磨损，以发热股效率低，而对于具有自锁性的蜗杆传动其效率更低。（2）为了散热和减小摩擦，常需贵重的抗磨材料和良好的润滑装置，故成本较高（3）蜗杆的轴向力较大。看起来去点多多，但在我们的设备本身的运作状况下这些也便不再是缺点了。首相我们的设备转速要求不大，阻力也不大，并不要求时刻保持运作，因此以磨损，易发热，效率较低情况便可忽略。也因如此便不用采用贵重的材料了，所以成本的问题也便不再成为问题。因为阻力不大，轴向力大的问题也便不是问题了。 我们用的电机是瑞士产的ZGR17AL支流减速电机。每分钟转速15转。正好可以迎合我们的设备不需要告诉运作的要求，而起匀速，慢速转动的特性，可以很好的进行控制，在开环控制的情况下获得较大的精度。 控制用数字化控制，利用双极坐标控制，（X,Y）.X为底盘转角。Y为台办的转角。X介于0度到360度之间，Y介于0度到90度之间。我们并没有安装测算转过角度的设备，我们通过测算电机转动时间来推算转过的角度，此过程在我们要求转动精度不高的情况下是一种很实用经济有效的手法。我们的转盘上安装一个触碰开关，这样在每次反应前，反转，当碰及触碰开关时停止，以此作为基准。这个既为校准的过程，此位置作为0度。在开始转动命令要求的角度。如此，可以是误差不累加化，提高了工作精度！ 我们的电子系统主要是利用plcc封装的51单片机来进行控制，其优点在于功能全面执行能力强，开发工具完善，衍生产品丰富，大量的设计资源可以继承和共享。此单片机成本较低，可以反复擦写1000次左右，可以在没有仿真器的情况下进行反复测试。有效的降低了成本，而plcc封装是正方形而且体积小重量轻，安装于抬板上，云台上，其重心较为稳定，可避免在蛇身高速运动，灵活转向时出现不必要的问题。而运抬要升高到很高高度时，其承载能力较差，所以减轻重量是必要之举。而且使用此单片机可是总体电路紧凑，简明，便于制作和日后维修。 工作原理简述：从并口输入坐标值（X,Y）.经过程序中的一套算法，其中包括蜗轮蜗杆的传动比，电机转速，时钟，底座（齿轮）半径，始终，最后转化为电机开启时间，使设备转到预定位置。 课程设计报告设计题目变速积分PID控制系统设计课程名称计算机控制技术B 姓名苏丹学号2008100731 班级自动化0803 教师闫高伟 设计日期2011年7月5日 目录 摘要............................................................ 错误!未定义书签。Abstract .. (4) 第1章数字PID及变速积分简介.................................... 错误!未定义书签。 1.1 数字PID发展介绍 (1) 1.2 PID控制器工作原理 (2) 1.2.1 模拟式PID控制算法.................................. 错误!未定义书签。 1.2.2 数字式PID控制算法 (3) 1.3 变速积分简介............................................... 错误!未定义书签。第2章系统分析与设计............................................ 错误!未定义书签。 2.1 系统功能分析............................................... 错误!未定义书签。 2.1.1 对象整体分析 (5) 2.1.2系统分析与设计与系统开环增益 (6) 2.2计算机系统选择分析 (6) 2.2.1 8088CPU简介 (6) 2.2.2 其余模块的使用 (7) 2.3 软件设计分析 (12) 第3章硬件设计与软件编程 (12) 3.1 硬件设计 (12) 3.1.1 系统方框图 (12) 3.1.2 线路原理图 (12) 3.2 软件编程 (13) 3.2.1 软件流程图 (14) 3.2.2 程序源代码 (21) 第4章设计仿真与运行分析 (21) 4.1 结果分析 (21) 4.2 matlab仿真 (22) 总结.............................................................................错误!未定义书签。附录....... (26) 附录1 线路原理图 (28) 附录2 TDN-AC/ACS＋教学实验系统介绍 (28) 附录3 参考资料 (30) 《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 实验二自由度机器人的位置控制 一、实验目的 1. 运用Matlab语言、Simulink及Robot工具箱，搭建二自由度机器人的几何模 型、动力学模型， 2. 构建控制器的模型，通过调整控制器参数，对二自由度机器人的位姿进行控 制，并达到较好控制效果。 二、工具软件 1.Matlab软件 2.Simulink动态仿真环境 3.robot工具箱 模型可以和实际中一样，有自己的质量、质心、长度以及转动惯量等，但需要注意的是它所描述的模型是理想的模型，即质量均匀。这个工具箱还支持Simulink的功能，因此，可以根据需要建立流程图，这样就可以使仿真比较明了。 把robot 工具箱拷贝到MATLAB/toolbox文件夹后，打开matalb软件，点击file--set path，在打开的对话框中选add with subfolders，选中添加MATLAB/toolbox/robot，保存。这是在matlab命令窗口键入roblocks就会弹出robot 工具箱中的模块（如下图）。 三、实验原理 在本次仿真实验中，主要任务是实现对二自由度机器人的控制，那么首先就要创建二自由度机器人对象， 二自由度机器人坐标配置 仿真参数如下表1： 表1 二连杆参数配置 1.运动学模型构建二连杆的运动学模型，搭建twolink模型在MATLAB命令窗口下用函数drivebot(WJB)即可观察到该二连杆的动态位姿图。 %文件名命名为自己名字的首字母_twolink %构造连杆一 L{1}=link([0 0.45 0 0 0],'standard') ; L{1}.m=23.9 ; PID 控制器设计 PID 控制器设计 被控制对象的建模与分析 在脑外科、眼科等手术中，患者肌肉的无意识运动可能会导致灾难性的后果。为了保证合适的手术条件，可以采用控制系统自动实施麻醉，以保证稳定的用药量，使患者肌肉放松，图示为麻醉控制系统模型。 图1结构框图 被控制对象的控制指标 取τ=0.5，k=10,要求设计PID 控制器使系统调节时间t s ≤8s,超调量σ％不大于15％，并且输出无稳态误差。 控制器的设计 PID 控制简介 PID 控制中的积分作用可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。 微分作用可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。 所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID 控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。 在PID 控制系统中, PID 控制器分别对误差信号e （t ）进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u （t ），送给对象模型加以控制。 PID 控制器的数学描述为 其传递函数可表示为: 1 1.0) 1.0(++s s k τ )1.0()15.0(1 2++s s 控制器 人 药物 输入 R(s ) 预期松弛程度 C(s) 实际松弛程度 + - 从根本上讲, 设计PID 控制器也就是确定其比例系数Kp 、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器的参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。下面介绍基于MATLAB 的 Ziegler-Nichols 算法PID 控制器设计。 原系统开环传递函数G(s)=)1.0)(15.0)(11.0(10 +++s s s 做原系统零极点图 图2原系统零极点图 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 基于MATLAB的PID 控制器设计 基于MATLAB的PID 控制器设计 一、PID控制简介 PID控制是最早发展起来的经典控制策略, 是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单、技术成，在实际应用中较易于整定, 在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型,只需在线根据系统误差及误差的变化率等简单参数, 经过经验进行调节器参数在线整定, 即可取得满意的结果, 具有很大的适应性和灵活性。 积分作用:可以减少稳态误差, 但另一方面也容易导致积分饱和, 使系统的超调量增大。 微分作用:可提高系统的响应速度, 但其对高频干扰特别敏感, 甚至会导致系统失稳。 所以, 正确计算控制器的参数, 有效合理地实现 PID控制器的设计,对于PID 控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。 在PID控制系统中, PID控制器分别对误差信号e（t）进行比例、积分与微分运算, 其结果的加权和构成系统的控制信号u（t），送给对象模型加以控制。 PID控制器的数学描述为 其传递函数可表示为: 从根本上讲, 设计PID控制器也就是确定其比例系数Kp、积分系数T i 和微分系数T d , 这三个系数取值的不同, 决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下, 适当选择控制器参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合, 从而使控制系统的运行达到最佳状态, 取得最好的控制效果。 二、MATLAB的 Ziegler-Nichols算法PID控制器设计。 1、PID控制器的Ziegler-Nichols参数整定 在实际的过程控制系统中, 有大量的对象模型可以近似地由一阶模型 来表示。这个对象模型可以表示为 sL - e sT 1 K G(s) + = 如果不能建立起系统的物理模型, 可通过试验测取对象模型的阶跃响应, 从而得到模型参数。当然, 我们也可在已知对象模型的情况下, 利用MATLAB，通过使用step ( ) 函数得到对象模型的开环阶跃响应曲线。在被控对象的阶跃响应中, 可获取K 、L 和T参数, 也可在MATLAB中由dcgain ( ) 函数求取 K值。 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。 数字PID控制器设计 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。 具体要求： 1.采用Matlab完成控制系统的建立、分析和模拟仿真，给出仿真结果。 2.设计报告内容包含数字PID控制器的设计步骤、Matlab仿真的性能曲线、采样周期T的选择、数字控制器脉冲传递函数和差分方程形式。 3.设计工作小结和心得体会。 4.列出所查阅的参考资料。 数字PID控制器设计报告 一、设计目的 1 了解数字PID控制算法的实现； 2 掌握PID控制器参数对控制系统性能的影响； 3 能够运用MATLAB/Simulink 软件对控制系统进行正确建模并对模块进行正确的参数设置； 4 加深对理论知识的理解和掌握； 5 掌握计算机控制系统分析与设计方法。 二、设计要求 1采用增量算法实现该PID控制器。 2熟练掌握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 1.数字PID原理结构框图 2. 增量式PID 控制算法 ()()()()()01P I D i u k K e k K e i K e k e k ∞ ==++--????∑ =u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =u(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 所以Δu(k)=u(k)-u(k-1) =Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2) 整理： Δu(k)= Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2) A= Kp+Ki+Kd B=-(Kp+2Kd ) C=Kd 五、Matlab 仿真选择数字PID 参数 （扩充临界比例度法/扩充响应曲线法 具体整定步骤） 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：； 二自由度PID控制系统设计与研究 孙维（安庆师范学院物理与电气工程学院安徽安庆246011） 指导老师：杨伟 摘要：传统的PID控制是一自由度的PID控制，只能对系统的一个控制参数进行设定，所以很难在实际控制中得到理想的控制效果。而二自由度PID控制系统可以独立设定两个控制参数，使系统的设定值跟踪效果和抑制干扰的效果同时达到最优。本文首先对二自由度PID控制方式做以介绍。其次，根据事先选定的被控对象的传递函数对被控系统加以分析，建立被控对象频域特性的二阶系统模型，对控制参数加以整定。再次，根据对几种控制方式的控制效果的比较，做出二自由度PID控制方式的选择。最后通过Matlab软件进行仿真，并对结果加以分析。 关键词：二自由度PID控制，设定值跟踪，干扰抑制 一、引言 PID控制方式在工业控制过程中是最常见的方式。但传统的PID控制器，无法做到既可以跟踪设定值又可以抑制各种外界干扰。原因在于传统PID控制只可以设定一个PID控制参数，即一自由度PID 控制器。在这种控制方法中，PID控制参数的整定只可以是将目标值跟踪特性和抑制外界干扰特性的折中的处理方法。 二自由度的PID控制方式是在传统的PID控制中想办法整定两套能独立整定的PID控制参数，从而使被控制系统的目标值跟踪特性和外界干扰抑制特性可以同时达到最佳的控制效果的控制方式。基于这种理论的基础之上，人们发展了很多智能型的PID控制器，比如专家型的PID控制器、神经网络PID 控制器、基于遗传算法PID控制器等等。本文采用专家型的二自由度PID控制器来提升被控制系统的控制效果。 二、二自由度的PID控制方式及其选择 2.1控制方式介绍 2.1.1前馈型PID控制方式（专家式） 目前实际应用中的二自由度PID控制方式包括前馈型和滤波型两种。当控制系统中的被控对象参数发生变化时，利用人工改变相应PID控制参数及二自由度化系数是比较繁琐的。为了克服这一问题人们设计了一种前馈型的二自由度PID控制方式，即专家式自动整定调节器。 前馈型PID调节器再根据阶跃响应法辨识出被控制对象G(s)的大致参数后依据整定公式求出使干扰抑制特性达到最佳的PID控制参数值，然后依据系统的参数以及为满足系统不同控制品质要求而设定的超调量δ的大小，查找出比例尺增益二自由度化系数α的值、积分时间二自由度化系数β矩阵表，得到相对应的α、β值，使系统响应趋于控制效果最佳的设定目标。在本文中将采用滤波型二自由度PID 控制方式的结构设计控制器。所以重点研究滤波型二自由度PID控制方式的结构特点。 2.1.2设定值滤波型控制 PID控制器设计 一、PID控制的基本原理和常用形式及数学模型 具有比例-积分-微分控制规律的控制器，称PID控制器。这种组合具有三种基本规律各自的特点，其运动方程为： dt t de dt t e t e t m K K K K K d p t i p p )( )( )( )( + + =? (1-1)相应的传递函数为： ? ? ? ? ? ? + + =S S s K K K G d i p c 1 ) ( S S S K K K d i p 1 2+ + ? = (1-2) PID控制的结构图为： 若1 4< T i τ，式（1-2）可以写成： = ) (s G c()() S S S K K i P 1 1 2 1 + + ? τ τ 由此可见，当利用PID控制器进行串联校正时，除可使系统的型别提高一级外，还将提供两个负实零点。与PI控制器相比，PID控制器除了同样具有提高系统的稳态性能的优点外，还多提供一个负实零点，从而在提高系统动态性能方面，具有更大的优越性。因此，在工业过程控制系统中，广泛使用PID控制器。PID控制器各部分参数的选择，在系统现场调试中最后确定。通常，应使积分部分发生在系统频率特性的低频段，以提高系统的稳态性能；而使微分部分发生在系统频率特性的中频段，以改善系统的动态性能。 二、实验内容一： 自己选定一个具体的控制对象(Plant)，分别用P 、PD 、PI 、PID 几种控制方式设计校正网络（Compensators ），手工调试P 、I 、D 各个参数，使闭环系统的阶跃响应（Response to Step Command ）尽可能地好（稳定性、快速性、准确性） 控制对象(Plant)的数学模型： ()()??? ? ??++=115.01 )(S S S G 2 322++=S S 实验1中，我使用MATLAB 软件中的Simulink 调试和编程调试相结合的方法 不加任何串联校正的系统阶跃响应： （1） P 控制方式： P 控制方式只是在前向通道上加上比例环节，相当于增大了系统的开环增益，减小了系统的稳态误差，减小了系统的阻尼，从而增大了系统的超调量和振荡性。 P 控制方式的系统结构图如下： 取Kp=1至15，步长为1，进行循环 测试系统，将不同Kp 下的阶跃响应曲线绘制在一张坐标图下： 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双自由度控制器
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