第三章(一) 典型数字控制器设计--数字PID控制器(全)

数字PID控制系统设计方案如下：一、引言PID控制器是一种常用的闭环控制算法，用于调节系统的输出以使系统稳定在设定值附近。

数字PID控制系统通过数字信号处理器（DSP）或单片机实现PID控制算法，具有灵活性高、易实现和调试等优点。

本文将介绍数字PID控制系统的设计方案，包括硬件连接、软件算法设计和系统调试等内容。

二、硬件设计1. 控制对象：确定待控制的物理对象或过程，例如电机转速、温度、液位等。

2. 传感器：选择合适的传感器获取待控量的反馈信号，如编码器、温度传感器、压力传感器等。

3. 执行器：选择合适的执行器，如电机、阀门等，用于调节系统输出。

4. 控制器：采用DSP或单片机作为数字PID控制器，负责计算PID 控制算法输出并控制执行器。

三、软件算法设计1. PID算法：根据系统特性和需求设计PID控制算法，包括比例项、积分项和微分项的权重和计算方法。

2. 离散化：将连续时间的PID算法离散化，适应数字控制器的运算方式。

3. 反馈控制：读取传感器反馈信号，计算PID输出，并控制执行器实现闭环控制。

四、系统调试1. 参数整定：通过实验和调试确定PID控制器中的比例系数、积分时间和微分时间等参数。

2. 稳定性测试：观察系统响应和稳定性，调整PID参数以提高系统性能。

3. 实时监测：实时监测系统输入、输出和误差信号，确保PID控制器正常工作。

五、性能优化1. 自适应控制：根据系统动态特性调整PID参数，实现自适应控制。

2. 鲁棒性设计：考虑系统模型不确定性和外部扰动，设计鲁棒性PID 控制算法。

3. 高级控制：结合模糊控制、神经网络等高级控制方法，优化系统性能。

六、总结数字PID控制系统设计是一项重要的控制工程任务，通过合理的硬件设计和软件算法实现，可以实现对各种控制对象的精确控制。

希望通过本文的介绍，读者能够了解数字PID控制系统的设计原理和实现方法，并在实践中不断提升控制系统设计和调试的能力。

数字pid控制原理
数字PID控制原理数字PID控制是现代工业控制中常用的一种控制方法，它结合了比例、积分和微分三个控制器，对系统进行精确调节和稳定控制。

数字PID控制原理的核心在于通过计算机或微处理器实现对控制系统的精确控制。

比例控制器根据输入信号与设定值的差异，产生一个与误差成正比的输出信号。

这样可以快速响应系统变化，并通过增大或减小输出信号来实现对系统的调节。

积分控制器根据误差的积分值产生输出信号。

这个信号可以消除系统的稳态误差，使系统更加稳定。

积分控制器的作用是根据误差的累积值来进行补偿，以实现系统的精确调节。

微分控制器根据误差变化的速率产生输出信号。

这个信号可以抑制系统的振荡和快速变化，使系统更加平稳。

微分控制器的作用是根据误差的变化速率来进行补偿，以实现系统的稳定控制。

数字PID控制的优势在于它可以通过计算机或微处理器进行实时计算和调节，具有快速响应、精确控制和稳定性好的特点。

它广泛应用于工业生产中的温度、压力、流量等参数的控制，提高了生产效率和产品质量。

数字PID控制原理是一种高效、精确的控制方法，通过比例、积分和微分三个控制器的组合，实现对系统的精确调节和稳定控制。

它的应用范围广泛，对于提高工业生产效率和产品质量具有重要意义。

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 onend;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。

第三章数字PID控制算法
数字PID控制算法是一种基于数字信号处理技术的PID控制算法。

它
将传统的模拟PID控制算法转化为数字形式，通过采样、离散化和数值运
算等过程实现控制系统的自动调节。

数字PID控制算法主要包括以下几个步骤：
1.信号采样：通过模数转换器将被控系统的输出信号转化为数字信号，以便进行后续的离散化处理。

2.离散化：将连续时间域的PID控制算法转化为离散时间域的算法。

通常采用离散化的方法有Z变换法、欧拉法等。

3.数值运算：根据离散化得到的差分方程，通过数值运算得到当前时
刻的控制量。

常用的数值运算方法有增量式PID算法、位置式PID算法等。

4.输出控制信号：根据计算得到的控制量，通过数字信号处理器将其
转化为模拟信号，作为控制器的输出信号，控制被控对象。

数字PID控制算法相对于模拟PID控制算法具有以下优点：
1.精度高：数字PID控制算法通过离散化处理可以实现更精确的控制，提高控制系统的响应速度和稳定性。

2.灵活性强：数字PID控制算法可以通过调节离散参数来实现不同的
控制效果，适应不同的被控对象和控制要求。

3.可编程性好：数字PID控制算法可以通过编程的方式实现，便于调
试和修改，提高系统的可维护性和可扩展性。

数字PID控制算法在工业控制、自动化设备、机器人等领域得到广泛应用，并且随着数字信号处理技术的不断发展，数字PID控制算法也在不断优化和改进，为实现更高效、精确的控制提供了强大的工具。

第五章PID控制算法控制算法5.1PID控制原理与程序流程5.1.1过程控制的基本概念过程控制――对生产过程的某一或某些物理参数进行的自动控制。

一、模拟控制系统图5-1-1 基本模拟反馈控制回路被控量的值由传感器或变送器来检测，这个值与给定值进行比较，得到偏差，模拟调节器依一定控制规律使操作变量变化，以使偏差趋近于零，其输出通过执行器作用于过程。

控制规律用对应的模拟硬件来实现，控制规律的修改需要更换模拟硬件。

二、微机过程控制系统图5-1-2 微机过程控制系统基本框图以微型计算机作为控制器。

控制规律的实现，是通过软件来完成的。

改变控制规律，只要改变相应的程序即可。

三、数字控制系统DDC图5-1-3 DDC系统构成框图DDC(Direct Digital Congtrol)系统是计算机用于过程控制的最典型的一种系统。

微型计算机通过过程输入通道对一个或多个物理量进行检测，并根据确定的控制规律(算法)进行计算，通过输出通道直接去控制执行机构，使各被控量达到预定的要求。

由于计算机的决策直接作用于过程，故称为直接数字控制。

DDC系统也是计算机在工业应用中最普遍的一种形式。

5.1.2模拟PID 调节器一、模拟PID 控制系统组成图5－1－4 模拟PID 控制系统原理框图 二、模拟PID 调节器的微分方程和传输函数 PID 调节器是一种线性调节器，它将给定值r(t)与实际输出值c(t)的偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)通过线性组合构成控制量，对控制对象进行控制。

1、PID 调节器的微分方程⎥⎦⎤⎢⎣⎡++=⎰tDI P dt t de T dt t e T t e K t u 0)()(1)()( 式中 )()()(t c t r t e -= 2、PID 调节器的传输函数⎥⎦⎤⎢⎣⎡++==S T S T K S E S U S D D I P 11)()()(三、PID 调节器各校正环节的作用1、比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，调节器立即产生控制作用以减小偏差。

PID控制器：介绍PID控制器的原理、设计和应用控制系统在我们日常生活中扮演着重要的角色。

无论是在工业自动化、家电、机器人技术还是其他领域，控制系统都是实现稳定和精确控制的关键。

PID控制器是一种常用的控制器，被广泛应用于各种工业和自动化系统中。

本文将介绍PID控制器的原理、设计和应用。

什么是PID控制器？PID控制器是一种基于反馈的控制系统，用于控制运动、过程或其他变量。

PID 是“比例-积分-微分”（Proportional-Integral-Derivative）的缩写，这三个术语指的是PID控制器中使用的三个控制算法。

PID控制器根据当前的反馈信号与预设的设定值之间的差异，计算控制输出，并通过调整控制信号来实现稳定的控制。

PID控制器的原理PID控制器基于三个算法：比例控制、积分控制和微分控制。

下面我们将详细介绍每个算法的原理。

比例控制比例控制是PID控制器的基本控制算法之一。

它根据当前的反馈信号与设定值之间的差异，计算出一个与误差成比例的控制量。

比例控制的公式可以表示为：输出= Kp × 误差其中，Kp是比例增益，用于调整控制量对误差的敏感度。

较大的比例增益将导致更快的响应，但也可能引起振荡和不稳定。

比例控制器的作用是减小误差，使得实际输出逐渐接近设定值。

然而，由于比例控制只考虑当前误差并未考虑过去的误差，因此它无法消除稳态误差。

积分控制积分控制是PID控制器的另一个重要算法。

它考虑误差的累积，并在一段时间内对误差进行积分。

积分控制的公式可以表示为：输出= Ki × ∫ 误差 dt其中，Ki是积分增益，用于调整积分控制的敏感性。

积分控制的作用是消除稳态误差，因为它对误差的积分可以抵消误差的累积。

然而，积分控制也可能导致系统的超调和不稳定。

过高的积分增益会增加系统的振荡风险，从而造成过调和振荡。

微分控制微分控制通常用于减少系统的超调和抑制振荡。

它通过考虑误差变化的速率来改善系统的响应速度。

《计算机控制》课程设计报告题目: 数字PID控制器设计姓名: 王云学号: ********* 姓名: 孙传梁学号: ********* 姓名: 钟晓光学号: ********* 姓名: 袁海涛学号: *********2011年6月25日目录《计算机控制》课程设计任务书-----------------------------------------------------------------------3 数字控制器设计-------------------------------------------------------------------------------------------41、前言-------------------------------------------------------------------------------------------------------42、设计目的-------------------------------------------------------------------------------------------------43、设计原理-------------------------------------------------------------------------------------------------44、数字PID参数整定------------------------------------------------------------------------------------55、建立simulink模型------------------------------------------------------------------------------------86、MCS-51单片机实现控制器的设计----------------------------------------------------------------96.1、器件选择------------------------------------------------------------------------------------------106.2、电路设计------------------------------------------------------------------------------------------106.3、程序设计------------------------------------------------------------------------------------------117、设计工作总结及心得体会---------------------------------------------------------------------------158、参考资料及文献---------------------------------------------------------------------------------------15《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：2011年6 月25 日数字控制器设计一、前言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。

按偏差的比例、积分、微分进行控制的控制器称为PID 控制器，是控制系统中应用最广泛的一种控制规律。

模拟PID 控制系统原理图如下：其中r(t)为系统给定值，c(t)为实际输出，u(t)为控制量。

模拟PID 控制器的控制式为;][)()(1)()(0dt t de T dt t e T t e K t u D tI p ++=⎰式中，)()()(t c t r t e -=为系统偏差 P K 为比例系数I T 为积分时间常数D T 为微分时间常数1. 比例环节（P ）的作用：按比例反应系统的偏差，系统一旦出现偏差，比例环节立即产生调节作用以减少偏差。

比例作用增大，可以加快系统的调节，缩短调节时间，使系统反应迅速，但比例控制不能消除稳态误差。

比例作用过大会造成系统的不稳定。

我的理解：偏差越大，给的克服偏差的力量越大，以缩短调节时间；但是当系统稳定时 仍然有误差的话，这是加上去的力量就会影响系统的正常工作；而且比例作用太大还会造成调节过快，系统变得不稳定。

2. 积分环节（I ）的作用;只要系统存在误差，积分控制作用就会不断累积，输出控制量以消除误差，因而，只要有充足的时间，积分控制将能完全消除系统的误差。

积分作用的强弱取决于积分时间常熟TI ，TI 越小，积分作用越强，反之TI 越大，积分作用越弱。

积分作用太强会使系统超调加大，甚至使系统出现振荡，所以积分作用常与另外两种调节规律结合，组成PI 调节器或PID 调节器。

我的理解：3. 微分环节（D ）的作用：反映系统偏差的变化率，能预见偏差比变化的趋势，减小系统的超调量，克服振荡，是系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调节时间从而改善系统的动态性能。

微分环节不能单独使用，需要与另外两种调节规律结合，组成PD 调节器或PID 调节器。

在计算机控制系统中，PID 控制规律的实现必须用数值逼近的方法。

当采样周期相当短时，用求和代替积分、用向后差分代替微分，使模拟PID 离散化为差分方程。

超级实用的PID控制原理和算法（Proportional Integral Derivative）PID控制原理和特点工程实际中，应用最为广泛调节器控制规律为比例、积分、微分控制，简称PID控制。

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主要技术之一。

其结构框图:当被控对象结构和参数不能完全掌握，或不到精确数学模型时，控制理论其它技术难以采用时，系统控制器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﹐或不能有效测量手段来获系统参数时，最适合用PID控制技术.PID控制，实际中也有PI和PD控制。

PID控制器就是将系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量进行控制.1、比例控制（P):PID控制与人工控制的控制策略有很多相似的地方.例如：操作人员用比例控制的思想来手动控制电加热炉的炉温。

假设用热电偶检测炉温，用数字仪表显示温度值。

在控制过程中，操作人员用眼睛读取炉温,并与炉温给定值比较，得到温度的误差值。

然后用手操作电位器，调节加热的电流,使炉温保持在给定值附近。

操作人员知道炉温稳定在给定值时电位器的大致位置，并根据当时的温度误差值调整控制加热电流的电位器的转角。

炉温小于给定值时，误差为正，增大电位器的转角，以增大加热的电流。

炉温大于给定值时，误差为负,减小电位器的转角，并令转角的大小与误差成正比。

上述控制策略就是比例控制，即PID 控制器输出中的比例部分与误差成正比。

闭环中存在着各种各样的延迟作用。

例如调节电位器转角后,到温度上升到新的转角对应的稳态值时有较大的时间延迟.由于延迟因素的存在，调节电位器转角后不能马上看到调节的效果，因此闭环控制系统调节困难的主要原因是系统中的延迟作用.比例控制的比例系数如果太小，调节的力度不够，使系统输出量变化缓慢，调节所需的总时间过长。

比例系数如果过大,调节力度太强，将造成调节过头，甚至使温度忽高忽低,来回震荡。