计算机控制技术课程设计
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一.课程设计目的
设计制作和调试一个由工业控制机控制的时滞对象输出端具有干扰
信号的计算机控制系统。通过这个过程学习电压的采样方法，A/D和D/A
变换方法和接口的使用方法，以及数字滤波的方法。通过实践过程掌握
常规及改进PID控制方法，熟悉利用计算机进行自动控制的系统结构。
本课程设计是本门课程课堂教学的延伸和发展，是理论知识与工程
实践之间的衔接。通过本课程设计，使学生进一步学习与理解计算机控
制系统的构成原理、接口电路与应用程序，进一步巩固与综合专业基础
知识和相关专业课程知识，提高学生运用理论知识解决实际问题的实践
技能；培养学生独立自主、综合分析的思维与创新能力，最终使学生初
步具有设计小型计算机控制系统的硬件及软件的能力。同时，通过资料
搜集、方案分析、系统设计与报告撰写的一系列过程，使学生得到一次
科学研究工作的初步训练。从而，在专业知识与研究方法方面为日后的
毕业设计乃至毕业后的工作奠定良好的基础。二. 课程设计内容
某系统的被控对象含有纯滞后环节，它的传递函数为：
该系统的输入信号为带有干扰的方波信号（方波幅值2V，频率4Hz,干扰
自行设计硬件电路产生），采样周期1s。请完成以下任务：
1. 分别采用普通PID算法和微分先行PID算法进行控制，并在两种
方法中均采用抗积分饱和的方法。给出两种方法下的系统响应曲线，以
及控制量u的变化曲线图，详细地比较和分析所得结果。
2. 在1中采用微分先行PID算法的基础上，在对象的输出端施加一组
噪声信号（自行设计电路产生），在系统中设计低通滤波器，请分别给
出有无滤波器时的系统响应曲
线图，并详细地比较和分析所得结果。
说明：上述任务中的微分增益系数和滤波时间常数，以及、、的取
值需通过实验调试得到。
三.实验（设计）仪器设备和材料清单
THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台，硬件部分包括直
流稳压电源、低频信号发生器、实验通用单元电路、USB数据采集卡及
接口单元，上位机软件包括虚拟示波器、 。
四.设计步骤
（1）总体方案设计：构建系统的结构框图，确定系统各组成模块的功能和相互关系。
（2）详细设计：
硬件部分：选用THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台
1). 尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图
图1 尖脉冲产生电路
试验电路参考单元U2
通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。其中方波信号
可由上位机软件“THBDC-1”中函数信号发生器产生,信号频率与幅值由
需要而定.本试验中方波频率为50Hz
幅值为1v,以得到理想干扰信号
2) 带干扰方波信号模拟电路
图2 带干扰方波输入产生电路图
实验电路参考单元：U6
3) 被控对象G(s)的模拟电路图
图中：R1=R2=510k . C=10uF. R0=200k
4) 给出系统各个组成部分的接口电路。
软件部分：依据采用的控制算法及计算机控制系统的构成特点，绘制
程序流程图，并编写相应的程序代码。程序的各个关键环节应给出文字
注释。
:
+ -
+ +
+
c(t)
u(t)
e(t)
r(t)
比例
积分
微分
被控对象
图2-1模拟PID控制系统结构图
dim pv,sv,ei,k,ti,td,q0,q1,q2,mx,pvx,op,Ts ‘变量定义
sub inputdata ()
pv=myobject.inputdata1 ‘AD1通道输入
sv= myobject.inputdata2 ‘AD2通道输入
end sub
sub main()
k=12
ti=4
td=0.005
Ts=0.01 '采样时间0.01s
ei=sv-pv '控制偏差
myobject.timedelay=10 ‘滞后时间0.01s
if k=0 and ti=0 and td=0 then
q0=0 '比例项
q1=0 '积分项
q2=0 '微分项
end if
if k<>0 and ti<>0 then
q0=k*ei
mx=k*Ts*ei/ti '积分增量 q2=k*td*(pvx-pv)/Ts
end if
if ti=0 then
q0=K*ei
q1=0
mx=0
q2=k*td*(pvx-pv)/Ts
end if
if mx>3.5 then ‘积分增量限幅
mx=3.5
end if
if mx<-3.5 then
mx=-3.5
end if
q1=q1+mx
pvx=pv
op= q0+q1+q2 ‘PID控制器的输出
if op>=3.5 then
op=3.5
end if
if op<=-3.5 then
op=-3.5 ‘输出限幅
end if
end sub
sub outputdata()
myobject.outputdata1=op ‘输出值给DA1通道
end sub
带有抗积分饱和的微分先行PID算法:
dim pv,sv,ei,k,ti,td,q0,q1,q2,mx,pvx,op,Ts,svx,tf,eix
sub inputdata ()
pv=myobject.inputdata1
sv= myobject.inputdata2
end sub
sub main()
k=1.2
ti=4
td=0.1
tf=0.04
Ts=1 '采样时间1s
ei=sv-(tf*svx*td+Ts*pv+td*pv-td*pvx-tf*td*eix)/(Ts+tf*td)
if k=0 and ti=0 then
q0=0
q1=0
end if
if k<>0 and ti<>0 then
q0=k*ei
mx=k*Ts*ei/ti
end if
if ti=0 then
q0=K*ei
q1=0
mx=0
end if
if mx>3.5 then
mx=3.5
end if
if mx<-3.5 then mx=-3.5
end if
q1=q1+mx
pvx=pv
svx=sv
eix=ei
op=q0+q1
if op>=3.5 then
op=3.5
end if
if op<=-3.5 then
op=-3.5
end if
end sub
sub outputdata()
myobject.outputdata1=op
end sub
2．一阶数字滤波器及其数字化
一阶数字滤波器的传递函数为
利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法：
其中TS为采样周期，为滤波器的时间常数。TS和应根据信号的频谱
来选择。
dim pv,op1,Ts, opx,x,Ti ‘变量定义
sub inputdata() ‘输入接口程序
pv=myobject.inputdata1 ‘采集卡通道1的测量值
end sub
sub main() ‘主程序
x=x+0.05 ‘正弦信号的产生
Ti=0.008
Ts=0.001 ‘采样时间1ms
op1=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx ‘一阶数字滤波器的输出
opx=op1if op1>=5 then
op1=5
end if
if op1<=-5 then
op1=-5
end if ‘输出限幅
end sub
sub outputdata() ‘输出接口程序
myobject.outputdata1=op1 ‘op1为滤波后的输出信号
end sub
五 试验结果
（3）调试：首先在Matlab软件中对系统进行仿真分析（选做，
simulink仿真环境或纯M文件编程均可）；编译软件，在实验室进行系
统的软硬件联调，通过观测系统的响应曲线，整定PID控制器参数和滤
波器参数，获得满意的控制效果。
带有抗积分饱和的PID算法
4结语本文首先从PID控制器及控制技术的研究目的和意义，引出
我们对这种控制算法的理解和仿真具有重大意义，分析了传统
的模拟和数字PID控制算法，并对传统的PID控制算法进行微
分项和积分项的改进，学习了几种比较普遍运用的方法，如微
分先行PID 控制算法、积分限幅法、在这里用到的MATLAB语
言以及所属的Simulink仿真控件。
在整个设计过程中，使我对所学知识进行了一个比较大的
综合巩固，让我学会了各种查阅资料以及整理所需材料的能
力，通过这次的课题设计，也让我学习到了不少新知识，在几
个星期的学习实践中学到的东西比以往学到的都要丰富，因为
我不仅学到了一些新的专业知识还锻炼了自己解决问题的能
力，这是不可多得的。但是，在设计过程中我也遇到了不少困
难，感觉自己对所学专业知识的欠缺，让自己增加了紧迫感，
要抓紧弥补自己的欠缺，学无止境，这也让我体会到了不管以
后走上什么样的工作岗位，都不要抛弃自己的学习，不进则
退，别人的进步自己的停滞不前终将导致自己的被淘汰，这是
我在整个课题设计过程中最大的体会。
