实验六数字PID控制

软件设计报告——Smith纯滞后补偿PID 控制塔顶轻组分含量、继电法整定PID参数目录目录 (2)一、题目 (3)二、原理 (4)1、Smith纯滞后补偿控制原理 (4)2、具有纯滞后补偿的数字控制器 (4)3、数字Smith预估控制 (5)4、继电法整定PID参数 (5)5、继电法整定PID参数的计算 (7)三、程序设计 (8)1、程序设计流程图 (8)2、程序设计详单 (10)四、结果展示与分析 (11)1、系统控制效果 (11)2、系统参数变化的控制结果 (11)五、体会 (15)六、参考文献 (15)一、题目题目5：以中等纯度的精馏塔为研究对象，考虑到不等分子溢流的影响和非理想的汽液相平衡，可以得到塔顶产品轻组分含量Y 与回流量L 之间的传递函数为：s e s s s s L s Y 12)15.17)(13.28()19.0(4.3)()(-⋅+++= 控制要求：1、采用Smith 纯滞后补偿PID 控制算法将塔顶轻组分含量控制在0.99。

2、采用继电法整定PID 参数。

3、整定效果验证：当被控过程参数时变时，如滞后时间有12→24，开环增益由3.4→6时，讨论PID 控制的响应速度及鲁棒性问题，考察当系统参数发生变化时，上述PID 参数是否选取合适。

二、原理1、Smith 纯滞后补偿控制原理在工业过程控制中，由于物料或能量的传输延迟，许多被控对象具有纯滞后。

由于纯滞后的存在，被控量不能及时反映系统所受到的干扰影响，即使测量信号已到达控制器,执行机构接受控制信号后迅速作用于对象,也需要经过纯滞后时间τ以后才能影响到被控量，使之发生变化。

在这样一个控制过程中，必然会产生较明显的超调或震荡以及较长的控制时间，使Smith 就这个问题提出了一种纯滞后补偿控制器，即Smith 补偿器。

其基本思想是按照过程的动态特性建立一个模型加入到反馈控制系统中，使被延迟了τ的被控量提前反映到控制器，让控制器提前动作，从而可明显地减少超调量，加快控制过程。

实验报告实验名称：基于PDH实现FP腔的锁定指导教师：姓名：专业：学号：一．实验目的1.理解PDH锁频的技术原理。

2.掌握实验仪器的工作原理。

3.能利用PDH技术实现对外部光学谐振腔频率的锁定。

二．实验仪器光路:795nm稳频激光器、电光调制器(EOM)、F-P腔、压电陶瓷。

电路:比例积分微分器(PID)、高频探测器、低频探测器、混频器、低通滤波器、扫描信号源、高频信号源、示波器、功率放大器、高压放大器、选择开关。

三．实验原理1.PDH稳频方法简介激光频率稳定有多种方法，可以分为被动稳频和主动稳频。

被动稳频技术通过精确控制温度或提高工作台机械稳定性等方法提高激光频率的稳定性，利用被动稳频在实验上能达到量级的稳定度；但要想将稳定性再提高几个量级，则必须采用主动稳频技术，主动稳频指的是选取一个稳定的频率参考标准，当外界影响使激光频率偏离标准频率时，采用电子伺服系统鉴别出来并自动调节腔长，使激光频率回复到特定的标准频率上，达到稳频目的。

常见的频率参考标准有：兰姆凹陷，谐振腔和饱和吸收谱等[7]。

同其他稳频方法相比，基于谐振振腔的PDH方法不仅应用范围广泛，而且不需要在激光频率上加低频扰动，从而稳频后，激光器频率原则上严格等于谐振腔的共振频率。

PDH技术在腔长锁定的实际应用中具有更高的稳定性和控制精度，由于在锁定过程中对激光相位进行了位相调制，因此避开了激光幅度噪声的影响，具有更强的抗干扰能力。

2.PDH技术应用PDH技术时，其基本原理如下：（1）首先对待锁定的激光进行相位调制，一般使用电光调制器实现。

（2）将调制后的激光信号射入光学腔，使之与光学腔谐振，并使用光电探测器收集光学腔的反射光信号。

（3）对反射光信号进行相位解调，得到误差信号(其幅度正比于激光频率相对光腔谐振频率的失谐量)。

将反射光信号与移相后的本机振荡混频，可以实现反射光信号的相位解调。

（4）将误差信号经过滤波后，输入伺服回路（环路滤波器），通过环路滤波器进行计算后产生控制信号，反馈给待锁定激光器频率调谐器件，最终实现将普通激光锁定在超稳光学腔上。

课程设计说明书题目：基于PID算法的恒温控制系统设计学号：姓名:指导教师:日期：目录一、设计题目 (1)二、设计要求 (1)三、设计思路 (1)四、实验设备 (1)五、硬件介绍 (1)六、硬件接线图 (2)七、软件流程图、 (4)八、PID参数确定 (5)九、实验总结 (6)附件：实验程序 (7)一、设计题目基于PID算法的恒温控制系统设计二、设计要求1.利用DS18B20采集温度并显示;2.利用单片机I/O管角输出PWM控制功率电阻发热;3.基于PID算法实现恒温控制。

三、设计思路本设计要求实时采集温度并实现恒温控制，根据设计要求,本次设计拟采用AT89C52单片机作为控制芯片，采集部分使用DS18B20温度传感器，显示部分采用数码管显示实时温度，功率电阻作为控制对象。

在PID算法的基础上完成恒温控制系统的设计。

四、实验设备单片机开发试验仪1台AT89C52单片机芯片1个DS18B20温度传感器1个C9013三极管1个1W功率二极管1个五、硬件介绍DS18B20：DS18B20是常用的温度传感器，具有体积小,硬件开销低，抗干扰能力强,精度高的特点.DS18B20的主要特征：全数字温度转换及输出。

先进的单总线数据通信。

最高12位分辨率,精度可达土0。

5摄氏度。

12位分辨率时的最大工作周期为750毫秒。

可选择寄生工作方式。

检测温度范围为–55°C ~+125°C （–67°F ~+257°F）内置EEPROM，限温报警功能。

64位光刻ROM，内置产品序列号,方便多机挂接。

多样封装形式，适应不同硬件系统.DS18B20数据采集过程⑴GND 地信号⑵DQ 数据输入/输出引脚。

开漏单总线接口引脚。

当被用着在寄生电源下,也可以向器件提供电源。

⑶VDD 可选择的VDD引脚.当工作于寄生电源时,此引脚必须接地。

由于DS18B20采用的是1－Wire总线协议方式，即在一根数据线实现数据的双向传输，而对AT89S51单片机来说，硬件上并不支持单总线协议，因此，我们必须采用软件的方法来模拟单总线的协议时序来完成对DS18B20芯片的访问。

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可编程控制器概况可编程控制器（PROGRAMMABLE CONTROLLER，简称PC）。

与个人计算机的PC相区别，用PLC表示。

PLC是在传统的顺序控制器的基础上引入了微电子技术、计算机技术、自动控制技术和通讯技术而形成的一代新型工业控制装置，目的是用来取代继电器、执行逻辑、记时、计数等顺序控制功能，建立柔性的程控系统。

国际电工委员会（IEC）颁布了对PLC的规定：可编程控制器是一种数字运算操作的电子系统，专为在工业环境下应用而设计。

它采用可编程序的存贮器，用来在其内部存贮执行逻辑运算、顺序控制、定时、计数和算术运算等操作的指令，并通过数字的、模拟的输入和输出，控制各种类型的机械或生产过程。

可编程序控制器及其有关设备，都应按易于与工业控制系统形成一个整体，易于扩充其功能的原则设计。

PLC具有通用性强、使用方便、适应面广、可靠性高、抗干扰能力强、编程简单等特点。

可以预料：在工业控制领域中，PLC控制技术的应用必将形成世界潮流PLC程序既有生产厂家的系统程序，又有用户自己开发的应用程序，系统程序提供运行平台，同时，还为PLC程序可靠运行及信息与信息转换进行必要的公共处理。

用户程序由用户按控制要求设计。

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第二章PLC的结构及基本配置一般讲，PLC分为箱体式和模块式两种。

但它们的组成是相同的，对箱体式PLC，有一块CPU板、I/O板、显示面板、内存块、电源等，当然按CPU性能分成若干型号，并按I/O点数又有若干规格。

对模块式PLC，有CPU模块、I/O模块、内存、电源模块、底板或机架。

无任哪种结构类型的PLC，都属于总线式开放型结构，其I/O能力可按用户需要进行扩展与组合。

PLC的基本结构框图如下：一、CPU的构成PLC中的CPU是PLC的核心，起神经中枢的作用，每台PLC至少有一个CPU，它按PLC的系统程序赋予的功能接收并存贮用户程序和数据，用扫描的方式采集由现场输入装置送来的状态或数据，并存入规定的寄存器中，同时，诊断电源和PLC内部电路的工作状态和编程过程中的语法错误等。

单容水箱液位过程控制实验报告一、实验目的1、了解单容水箱液位控制系统的结构与组成。

2、掌握单容水箱液位控制系统调节器参数的整定方法。

3、研究调节器相关参数的变化对系统静、动态性能的影响。

4、了解PID调节器对液位、水压控制的作用。

二、单容水箱系统模型图12.1液位控制的实现本实验采用计算机PID算法控制。

首先由差压传感器检测出水箱水位，水位实际值通过A/D转换，变成数字信号后，被输入计算机中，最后，在计算机中，根据水位给定值与实际输出值之差，利用PID程序算法得到输出值，再将输出值经过D/A模块转换成模拟信号，进而控制电机转速，从而形成一个闭环系统，实现水位的计算机自动控制。

2.2 被控对象本实验是单容水箱的液位控制。

被控对象为图1中的上水箱，控制量为流入水箱的流量，执行机构为调节阀。

由图1所示可以知道，单容水箱的流量特性：水箱的出水量与水压有关，而水压又与水位高度近乎成正比。

这样，当水箱水位升高时，其出水量也在不断增大。

所以，若阀开度适当，在不溢出的情况下，当水箱的进水量恒定不变时，水位的上升速度将逐渐变慢，最终达到平衡。

由此可见，单容水箱系统是一个自衡系统。

三、电动调节阀流量特性物理模型电动调节阀包括执行机构和阀两个部分，它是过程控制系统中的一个重要环节。

电动调节阀接受调节器输出4～20mADC的信号，并将其转换为相应输出轴的角位移，以改变阀节流面积S的大小。

图2为电动调节阀与管道的连接图。

图2图中：u----来自调节器的控制信号（4～20mADC）θ----阀的相对开度s----阀的截流面积q----液体的流量由过程控制仪表的原理可知，阀的开度θ与控制信号的静态关系是线性的，而开度θ与流量Q的关系是非线性的。

四、单容水箱系统PID控制规律及整定方法数字PID控制是在实验研究和生产过程中采用最普遍的一种控制方法，在液位控制系统中也有着极其重要的控制作用。

本章主要介绍PID控制的基本原理，液位控制系统中用到的数字PID控制算法及其具体应用。

深圳大学 机电与控制工程学院 - 过程控制实验指导书（学生）过程控制实验指导书（学生）实验一、熟悉实验装置结构及用法（2 课时）1、TKGK-1 实验装置组成和基本原理 2、GK-01 电源控制屏 3、GK-02 传感器输出与显示 4、GK-04 PID 调节器控制 5、GK-07 交流变频调速控制22 3 3 4 4实验二、实验装置的基本操作与仪表调试（2 课时） 实验三、单容水箱对象特性测试（3 课时） 实验四、单容水箱液位 PID 控制系统（4 课时） 实验五、双容水箱对象特性测试（3 课时） 实验六、双容水箱液位 PID 控制系统（4 课时）5 7 8 9 10公 共 用 品 勿 做 标 记 谢 谢 ！第 1 页 共 10 页深圳大学 机电与控制工程学院 - 过程控制实验指导书（学生）实验一、熟悉实验装置结构及用法TKGK-1 型过程控制实验装置是根据自动化专业及相关专业教学的特点的实验设备。

该设备可 以满足《过程控制》《自动化仪表》《工程检测》《计算机控制系统》等课程的教学实验、课程设 、 、 、 计等。

整个系统结构紧凑、功能多样、使用方便，可作为验证性和研究性实验平台使用。

1、TKGK-1 实验装置组成和基本原理 实验装置基本参数控制及被控信号：电压 0～5V 外型尺寸：182×160×70cm 供电要求：单相交流 220V±10%，10A 重 量：380Kg装 置 特 点本过程控制实验装置具有以下特点： 1）多种被控参数：液位 压力 流量 温度 2） 多种控制方式： 位式/PID/智能仪表/单片机/PLC/计算机 控制 3）灵活多样的实验组合：通过控制阀门开关和采集信号 连线组合得到多种控制系统模型系 统 组 成过程控制系统的结构组成右图所示，由上向下四个储 水容器依次为上水箱、下水箱、复合加热水箱和储水箱。

该实验装置由被控对象模块、执行器模块、变送器模块和 调节器模块四部分组成，各部分主要结构功能如下： 1）被控对象模块 水箱 阀 管道 2）执行器模块 3）变送器模块 流量变送器(FT) 温度变送器(TT) 液位变送器(LT1，LT2) 压力变送器(PT) 磁力泵变送器的零位/增益可调 DC0~5V 输出 4）调节器模块 调节器主要有模拟调节器（含比例 P 调节、比例积分 PI 调节、 比例微分 PD 调节、 比例积分微分 PID 调节） 位式调 、 节器和智能仪表调节器等，可通过不同的挂箱实现，如下图 中控制挂箱实验台所示，包括 GK-01/02/03/04/05/07 几部分。

Hefei University of Technology《控制工程基础》实验报告学院机械与汽车工程学院姓名学号专业班级机械设计制造及其自动化13-7班2015年12月15日自动控制原理实验• 1、线性系统的时域分析• 1.1典型环节的模拟研究一、实验要求1、掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式。

2、观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。

二、实验原理(典型环节的方块图及传递函数)三、实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。

如果选用虚拟示波器，只要运行LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。

具体用法参见用户手册中的示波器部分。

1) 观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。

该环节在A1单元中分别选取反馈电阻R1=100K 、200K 来改变比例参数。

图3-1-1 典型比例环节模拟电路实验步骤： 注：“SST ”不能用“短路套”短接！（1）将信号发生器（B1）中的阶跃输出0/+5V 作为系统的信号输入（Ui ） （2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a（b（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT （Uo ）。

注：CH1选“X1”档。

时间量程选“x4”档。

（4）运行、观察、记录：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0→+5V 阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo ）的实际响应曲线Uo （t ），且将结果记下。

改变比例参数（改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1），重新观测结果,其实际阶跃响应曲线见表3-1-1。

2) 观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图3-1-2所示。

实验一 位逻辑指令实验一、实验目的1.掌握位逻辑指令的使用。

2.掌握位逻辑指令参数的设置。

二、实验内容 梯形图图1-1语句表说明步 序 指 令 器件号 说明1 LD I0.0 要想激活Q0.0，常开触点I0.0和I0.1必须为接通（闭合）。

NOT 指令作为一个但向器使用，在RUN 模式下，Q0.0和Q0.1具有相反的逻辑状态。

2 A I0.13 = Q0.04 NOT 5=Q0.1三．实验结果实验二时钟/通讯指令实验一、实验目的1.熟悉读实时时钟指令（TODP）和写实时时钟指令（TODW）的设置和使用。

2.熟悉网络读写指令的设置和使用。

二、实验内容梯形图程序图2-1语句表说明步序指令器件号说明1 LD SM0.1 在第一个扫描周期，使能PPI主站模式，并且清除所有接收和发送缓冲区2 MOVB 2，SMB303 FILL +0，VW200，68三．实验结果实验三比较指令实验一、实验目的1.掌握数值比较的使用方法。

2.进一步熟悉PLC的输入。

二、实验内容梯形图图3-1语句表说明表3-1步 序 指 令 器件号 说明1 LD I0.0 调节模拟调节电位器0来改变SMB28的数值。

当SMB28中的数值小于等于50时，Q0.0输出当SMB28中的数值大于等于150时，Q0.1输出当比较结果为真时，状态指示器点亮。

2 LPS3 AB ﹤﹦ SMB28，504 = Q0.05 LPP6 AB ﹥= SMB28，150 7=Q0.1三．实验结果实验四计数/高速计数指令实验一、实验目的1.掌握计数器指令的使用和设置2.了解高速计数器不同的操作模式下，模块的功能。

3.进一步的熟悉PLC的指令输入。

二、实验内容梯形图图4-1图4-2 时序图语句表说明 表4-1步 序 指 令 器件号 说明1 LD I0.0 I0.0增计数 I0.1减计数I0.2将当前值复位为0当当前值=4时，将增/减计数器C48接通2 LD I0.13 LD I0.24 CTUD C48，+45 LD C48 6=Q0.0三．实验结果实验五脉冲输出指令实验一、实验目的1.掌握脉冲指令的操作。

基于遗传优化算法对离散PID控制器参数的优化设计摘要PID控制作为一种经典的控制方法，从诞生至今，历经数十年的发展和完善，因其优越的控制性能业已成为过程控制领域最为广泛的控制方法；PID控制器具有结构简单、适应性强、不依赖于被控对象的精确模型、鲁棒性较强等优点，其控制性能直接关系到生产过程的平稳高效运行，因此对PID控制器设计和参数整定问题的研究不但具有理论价值更具有很大的实践意义，遗传算法是一种借鉴生物界自然选择和自然遗传学机理上的迭代自适应概率性搜索算法。

本论文主要应用遗传算法对PID调节器参数进行优化。

关键词：遗传优化算法PID控制器参数优化1.前言PID调节器是最早发展起来的控制策略之一，因为它所涉及的设计算法和控制结构都是简单的，并且十分适用于工程应用背景，此外PID控制方案并不要求精确的受控对象的数学模型，且采用PID控制的控制效果一般是比较令人满意的，所以在工业实际应用中，PID调节器是应用最为广泛的一种控制策略，也是历史最久、生命力最强的基本控制方式。

调查结果表明: 在当今使用的控制方式中，PID型占84. 5% ，优化PID型占68%，现代控制型占有15%，手动控制型66%，人工智能(AI)型占0.6% 。

如果把PID型和优化PID型二者加起来，则占90% 以上，这说明PID控制方式占绝大多数，如果把手动控制型再与上述两种加在一起，则占97.5% ，这说明古典控制占绝大多数。

就连科学技术高度发达的日本，PID控制的使用率也高达84.5%。

这是由于理论分析及实际运行经验已经证明了PID调节器对于相当多的工业过程能够起到较为满足的控制效果。

它结构简单、适用面广、鲁棒性强、参数易于调整、在实际中容易被理解和实现、在长期应用中己积累了丰富的经验。

特别在工业过程中，由于控制对象的精确数学模型难以建立，系统的参数又经常发生变化，运用现代控制理论分析综合要耗费很大的代价进行模型辨识，但往往不能达到预期的效果，所以不论常规调节仪表还是数字智能仪表都广泛采用这种调节方式。

使用说明书一、概叙AI-7048型4路温度控制器采用热电偶输入，SSR固态继电器电压输出，各通道可以有不同的输入规格，即可以独立使用，也可以与计算机或可编程控制器PLC联机使用。

本仪表可任选24VDC/AC输入或100~240VAC电源电压，并通过ISO9001质量认证，可靠性高且符合EMC电磁兼容标准；其电源及全部I/O端子均通过了4KV的群脉冲（EFT）抗干扰测试，能在强干扰环境下可靠工作，应用了宇电公司新一代技术，使多路输入达到与单路测量相当的精度与抗干扰能力。

仪表主要功能如下：●最多可支持4路个可编程测量输入回路，支持K、S、E、J、B、N、T、WRe5-WRe26等多种规格热电偶输入，自动冷端补偿，也可以输入mV线性信号，并可以自由进行刻度定义。

输入数字校正，各输入回路均具备数字滤波，且滤波强度可以独立调整或取消滤波。

●使用高性能的元器件，大大降低温度漂移并使得4个通道之间相互干扰降低，使多路测量在精度及抗干扰性能上也达到了与单路测量仪表相当的水准。

●可支持D5/E5型DIN导轨外型或盘装仪表外形尺寸，导轨型可连接E8型手持显示器进行显示编程。

●除D5型仪表外，每个回路都具备独立的上、下限或偏差报警功能，并且其报警输出位置（AL1或AL2）可以编程指定。

不同输入回路的上限或下限报警信号即可编程为从同一报警通道输出，也可从不同的通道输出。

●具有12个现场参数设置，用户可以按自己的使用习惯¡定做¡仪表。

●具备先进的与计算机通讯功能，同常用AI-708人工智能调节器/温度控制器通讯协议完全兼容，1台AI-7048在通讯时可等同4台独立的测量及控制仪表。

二、技术规格●输入规格：热电偶：K、S、R、E、J、T、B、N、WRe5-WRe26线性mV电压：0~20mV、0~60mV、0~100mV、0~1V等●测量范围：K(0~+1300℃)、S(0~+1700℃)、R（0~+1700℃）、T(-200~+350℃)、E(0~1000℃)J(0~1200℃)、B(0~1800℃)、N(0~1300℃) 、WRe5-WRe26（0~2300℃）、Pt100(-200~+600℃)线性mV电压输入：由用户用SCH及SCL参数自由定义●测量精度：¡0.2％FS¡1个字注1：热电偶输入且采用内部冷端补偿时应另加1℃冷端补偿允许误差，采用铜电阻、冰点或恒温槽补偿时则不需要注2：B分度号热电偶在60~600℃范围可进行测量，但精度无法达到标定精度，在600~1800℃可保证测量精度。

过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。

本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人材为出发点。

实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。

仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS 工控组态软件。

对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开辟，如PLC 控制、DCS 控制开辟等。

学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。

同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开辟的平台。

本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC 三部份组成。

由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接， 4.5 千瓦电加热锅炉(由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成)，压力容器组成。

用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。

水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。

二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。

锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层(内胆)和冷却层(夹套)。

做温度定值实验时，可用冷却循环水匡助散热。

加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。

采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。

整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。

为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。

检测上、下二个水箱的液位。

其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0~1.6KPa，精度：0.5 。

输出信号：4~20mA DC。

LWGY－6A，公称压力：6.3MPa，精度：1.0％，输出信号：4~20mA DC本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。

课程设计题目基于PID控制的两轮平衡小车学院XXXXX 专业班级XXXXXX小组成员XXXX 指导教师XXXXX X年 XX 月 XXX小组成员介绍及分工小组成员信息小组成员分工目录机电系统实践与实验设计 (1)一、研究背景与意义 (2)二、平衡原理 (2)2.1 平衡车的机械结构 (2)2.2 自平衡车倾倒原因的受力分析 (3)2.3 平衡的方法 (3)三、两轮平衡小车总体设计 (4)3.1 整体构思 (4)3.2 姿态检测系统 (4)3.3 控制算法 (5)四、matlab建模及仿真 (6)4.1 机械模型建模及仿真（Matlab_simulink） (6)4.2 联合控制器仿真（理想状态PID） (8)五、硬件电路设计 (9)5.1、硬件电路整体框架 (9)5.2、系统运作流程介绍 (10)5.3、硬件电路模块 (10)5.31 电源供电部分 (10)5.32 主控制器部分: (10)5.33 传感器部分; (11)5.34 驱动电路部分 (11)5.35 蓝牙控制模块 (12)5.36 超声波检测模块 (13)5.37 寻迹模块 (13)六、软件控制模块 (14)6.1 系统软件设计结构 (14)6.2 整体初始化过程 (14)6.3 程序设计 (15)6.31 PID-三个参数的调整 (15)6.32 OLED显示信息 (16)6.33 PID-采集信息 (16)6.34 PID-数据计算 (17)6.35 PID-结果输出 (18)6.36 超声波避障 (18)6.37 蓝牙控制 (18)6.38 寻迹实现 (19)七、总结 (19)附录 (21)摘要：两轮自平衡车结合了两轮同轴、独立驱动、悬架结构的自平衡原理，是一种在微处理器控制下始终保持平衡的集智能化与娱乐性于一体的新型代步工具。

整车由底盘、动力装置、控制装置和转向装置组成。

机械结构采用了双轮双马达驱动；控制主要采用的是反馈调节，为了使车体更好的平衡，使用了PID调节方式；硬件上采用陀螺仪GY521 MPU-6050来采集车体的旋转角度以及旋转角加速度，采用加速度传感器来间接测量车体旋转角度，同时，加入超声波检测模块，使小车能够自动完成避障功能；通过在两轮平衡车上加入两个寻迹模块（光电传感器）来识别场地上的黑白线，使得两轮自平衡车能够沿着黑线进行寻迹完成循迹功能。

过程控制实验教案王晓明辽宁科技大学电信学院前言过程控制是自动化专业教学中一门重要的专业课。

要完成这门课程的教学任务，就应进行必要的教学实验，以指导学生理论联系实际，在实验中加深对过程控制理论的理解。

过程控制课程的主要任务是：1．通过实验进一步了解和掌握过程控制理论的基本概念，控制系统的分析方法和设计方法。

2. 学习和掌握系统控制回路的构成和测试技术。

3. 提高应用计算机的能力和水平，这也是应用本实验系统的特色之一。

为提高学生的实验技能，结合配套的工业控制组态软件不仅能进行验证性、研究型实验，又增加了综合性和设计性实验内容。

目的是培养学生用理论知识和实验手段解决科学技术中实际问题的能力。

实验过程中学生可自由组合单元，自主编制程序。

充分发挥学生的主观能动性和创造性，为学生工程实践能力和科学研究能力的提高奠定了基础。

实验要求1.实验预习：实验前必须认真预习实验指导书及其相关的理论知识，作好充分准备。

对于设计性实验和综合性实验，学生必须在实验前拿出设计方案，以其达到预期的目标，写出预习报告。

让指导老师检查合格的方可进行实验。

2.实验进行：学生进入实验室，要保持室内整洁安静。

按照预习报告进行实验。

实验中需要改接线的，应关掉电源后才能拆、接线。

实验时应注意观察，若发现有异常现象，应立即关掉电源，保持现场并报告指导老师处理。

3.实验数据：实验过程中应仔细观察实验现象，认真记录实验结果、数据、波形。

所记录的实验结果经指导老师审阅后再拆除实验线路。

4.实验报告：要求学生独立完成实验报告，不许抄袭或请人代劳。

报告内容包括实验目的、实验设备、实验内容、实验电路图、实验数据及仿真曲线、实验思考题等。

要求文字书写整齐清洁。

目录前言-----------------------------------------------------------------------------------------------1实验要求-----------------------------------------------------------------------------------------------2目录-----------------------------------------------------------------------------------------------3实验一、实验装置的基本操作与仪表调试-----------------------------------------4实验二、智能仪表温度位式控制系统---------------------------------------------------6实验三、单容水箱对象特性的测试----------------------------------------------------10 实验四、单容水箱液位PID控制系统----------------------------------------------14实验五、流量PID控制系统--------------------------------------------------------------17实验六、双容水箱液位PID控制系统--------------------------------------------20实验七、上下水箱液位串级控制系统------------------------------------------------25附录、实验连线参考---------------------------------------------------------------------28实验一、实验装置的基本操作与仪表调试一、实验目的1、了解本实验装置的结构与组成。

化工仪表及自动化实验报告篇一：实验三—化工仪表及自动化实验报告实验报告《化工仪表及自动化》姓名：学号：专业班级：承德石油高等专科学校机械系2014年3实验三、二阶双容水箱液位PID控制实验专业：化工设备维修技术学时：2 实验类型：（验证、综合、设计）实验地点：工业中心C306 一、实验目的1、通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。

2、分析P、PI和PID调节时的过程图形曲线。

3、定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。

实验要求：（必修、选修）二、实验器材CS2000型过程控制实验装置配置：C3000过程控制器、实验连接线。

三、实验原理图3-1 二阶单回路PID控制方框图图3-1为双容水箱液位控制系统。

这也是一个单回路控制系统，它与实验四不同的是有两个水箱相串联，控制的目的是使下水箱的液位高度等于给定值所期望的高度，具有减少或消除来自系统内部或外部扰动的影响功能。

显然，这种反馈控制系统的性能完全取决于调节器的结构和参数的合理选择。

由于双容水箱的数学模型是二阶的，故它的稳定性不如单容液位控制系统。

对于阶跃输入（包括阶跃扰动），这种系统用比例（P）调节器去控制，系统有余差，且与比例度成正比，若用比例积分（PI）调节器去控制，不仅可实现无余差，而且只要调节器的参数K和Ti调节得合理，也能使系统具有良好的动态性能。

比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的控制作用，从而使系统既无余差存在，又使其动态性能得到进一步改善。

四、实验内容和步骤此实验以中水箱的液位为控制对象。

1、储水箱进水阀，主管路泵阀，副管路泵阀，关闭其他手阀，将储水箱灌满水。

打开上水箱进水阀，将上水箱通中水箱出水阀、中水箱出水阀打开至适当开度。

2、将中水箱的液位信号送至C3000过程控制器模拟量输入通道1，将模拟量输出通道12信号送电动调节阀，具体接线如下图所述：仪表回路的组态：点击menu——进入组态——控制回路——PID控制回路PID01的设置，给定方式设为：内给定；测量值PV设为：AI01，其余默认即可，量程0-100。

基于PID控制的直流电机调速系统1绪论1.1本课程的选题背景PID控制器（按闭环系统误差的比例、积分和微分进行控制的调节器）自30年代末期出现以来，在工业控制领域得到了很大的发展和广泛的应用。

它的结构简单，参数易于调整，在长期应用中已积累了丰富的经验。

特别是在工业过程控制中，由于被控制对象的精确的数学模型难以建立，系统的参数经常发生变化，运用控制理论分析综合不仅要耗费很大代价，而且难以得到预期的控制效果。

在应用计算机实现控制的系统中，PID很容易通过编制计算机语言实现。

由于软件系统的灵活性，PID算法可以得到修正和完善，从而使数字PID具有很大的灵活性和适用性，其中数字PID控制器是由软件编程在计算机内部实现的。

PWM控制的基本原理很早就已经提出，但是受电力电子器件发展水平的制约，在上世纪80年代以前一直未能实现。

直到进入上世纪80年代，随着全控型电力电子器件的出现和迅速发展，PWM控制技术才真正得到应用。

随着电力电子技术、微电子技术和自动控制技术的发展以及各种新的理论方法，如现代控制理论、非线性系统控制思想的应用，PWM控制技术获得了空前的发展。

到目前为止，已经出现了多种PWM控制技术。

PWM控制技术以其控制简单、灵活和动态响应好的优点而成为电力电子技术最广泛应用的控制方式，也是人们研究的热点。

由于当今科学技术的发展已经没有了学科之间的界限，结合现代控制理论思想或实现无谐振软开关技术将会成为PWM控制技术发展的主要方向之一。

在电机控制系统开发中，常常需要消耗各种硬件资源，系统构建时间长，而在调试时很难对硬件系统进行修改，从而延长开发周期。

随着计算机仿真技术的出现和发展，可用计算机对电机控制系统进行仿真，从而减小系统开发开支和周期。

计算机仿真可分为整体仿真和实时仿真。

整体仿真是对系统各个时间段对各个对象进行计算和分析，从而对各个对象的变化情况有直观的整体的了解，即能对系统进行精确的预测，如Proteus就是一个典型的实时仿真软件。