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数字PID控制系统设计(IV)

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水利与能源动力工程学院 课程设计报告

题 目： 数字PID控制系统设计（IV） 课 程： 计算机控制技术课程设计 专 业： 电气工程及其自动化 班 级： 姓 名： 学 号： 1

第 一 部 分 任 务 书 2

《计算机控制技术》课程设计任务书 一、课题名称 数字PID控制系统设计（IV）积分分离

二、课程设计目的 课程设计是课程教学中的一项重要内容，是达到教学目标的重要环节，是综合性较强的实践教学环节，它对帮助学生全面牢固地掌握课堂教学内容、培养学生的实践和实际动手能力、提高学生全面素质具有很重要的意义。 《计算机控制技术》是一门理论性、实用性和实践性都很强的课程，课程设计环节应占有更加重要的地位。计算机控制技术的课程设计是一个综合运用知识的过程，它需要控制理论、程序设计、硬件电路设计等方面的知识融合。通过课程设计，加深对学生控制算法设计的认识，学会控制算法的实际应用，使学生从整体上了解计算机控制系统的实际组成，掌握计算机控制系统的整体设计方法和设计步骤，编程调试，为从事计算机控制系统的理论设计和系统的调试工作打下基础。

三、课程设计内容 设计以89C51单片机和ADC、DAC等电路、由运放电路实现的被控对象，构成的计算机单闭环反馈控制系统。 1. 硬件电路设计：89C51最小系统加上模入电路（用ADC0809等）和模出电路（用TLC7528和运放等）；由运放实现的被控对象。 2. 控制算法：带积分分离的增量型PID控制。 3. 控制算法仿真：在simulink中建立控制系统仿真图，编写S-function, 对算法进行仿真。

四、课程设计要求 1. 模入电路能接受双极性电压输入（-5V~+5V），模出电路能输出双极性电压（-5V~+5V）。 2. 模入电路用两个通道分别采集被控对象的输出和给定信号。 3. 每个同学选择不同的被控对象： 44(),()(0.21)(0.81)GsGsssss



55(),()(0.81)(0.31)(0.81)(0.21)GsGsssss



510(),()(1)(0.81)(1)(0.41)GsGsssss



88(),()(0.81)(0.41)(0.41)(0.51)GsGsssssss



4. PID参数整定，带有积分环节的对象用扩充临界比例度法，无积分环节的对象用扩充响应曲线法。 3

5. 对象输出端加上扰动：扰动可选择小幅度正弦信号、小幅度阶跃信号、小幅度的脉冲信号。 扰动的出现时刻选择在系统进入稳态后的适当时刻。 6. 对采样信号加上滤波算法。算法可选择滑动平均值法，复合滤波，惯性滤波等。 7. simulink仿真采用ode4定步长，仿真步长可取0.1-1ms。采样周期可取20-100ms，由实验结果确定。 8. S-function的函数名由各人姓名拼音缩写+学号后3位数组成。 有关的设计资料可参考《计算机控制实验指导书》的相关内容。

五、课程设计实验结果 1. simulink控制系统仿真能正确运行。 2. 正确整定PID参数后，系统阶跃响应超调<10%，调节时间尽量短。 3. 对比有滤波与无滤波时，扰动对系统的影响。

六、进度安排 序号 内容 天数 1 布置任务，熟悉课题要求 0.5 2 总体方案确定，硬件电路设计 1.5 3 学习matlab及simulink的使用，研读范例程序 1 4 控制算法设计 1 5 Simulink编程，调试 1 6 仿真实验 1 7 总结，撰写课程设计报告 1

七、课程设计报告内容： 总结设计过程，写出设计报告，设计报告具体内容要求如下： 1．课程设计的目的和设计的任务。 2．课程设计的要求。 3．控制系统总框图及系统工作原理。 4．控制系统的硬件电路原理图（含被控对象），电路的工作原理。 5．控制算法原理与控制器设计。 6. Simulink仿真图及S-function的算法实现说明。 7．实验结果及其分析。 8．电路设计、仿真调试中遇到的问题及解决方法。 9．体会。 4

第 二 部 分 课 程 设 计 报 告 5

目 录 1 课题简介 ............................................................................................................................................................ 6 1.1课题的目的 .............................................................................................................................................. 6 1.2课题的任务及要求 .................................................................................................................................. 6 2数字PID控制系统设计（IV）方案设计 ......................................................................................................... 7 2.1控制系统总体介绍及系统框图 .............................................................................................................. 7 2.2闭环工作原理 .......................................................................................................................................... 7 3数字PID控制硬件电路设计 ............................................................................................................................. 7 3.1 A/D转换单元 .......................................................................................................................................... 7 3.2 D/A转换单元 .......................................................................................................................................... 8 3.3被控对象的实现 ...................................................................................................................................... 9 3.4硬件设计图 ............................................................................................................................................ 10 4数字PID控制控制算法设计 ........................................................................................................................... 11 4.1 数字PID增量型积分分离控制算法 ................................................................................................... 11 4.2 采样周期的选择 ................................................................................................................................... 12 5 数字PID控制 Simulink仿真设计 ................................................................................................................ 13 5.1 仿真系统图 ........................................................................................................................................... 13 5.2主程序设计 ............................................................................................................................................ 13 5.3 滤波程序设计 ....................................................................................................................................... 14 6 实验与结果分析 .............................................................................................................................................. 15 6.1 PID参数整定 ........................................................................................................................................ 15 6.2实验结果分析 ........................................................................................................................................ 15 7 小结与体会 ...................................................................................................................................................... 18 参 考 文 献 ........................................................................................................................................................ 19

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PID控制经典PPT

PID控制经典PPT

PID控制广泛应用于各种工业过程控制系统中，如温度、压力、流量等。
PID控制的基本概念
03
微分控制
通过微分项预测误差的变化趋势，提前调整输入信号，以减小超调和缩短调节时间。
01
比例控制
通过调整输入信号的比例系数，对误差进行直接控制，以快速减小误差。
02
积分控制
通过积分项对误差进行累积，并调整输入信号，以消除长期误差。
频率响应法
通过分析系统的频率特性，如幅频特性和相频特性，来评估PID控制器的性能，主要关注系统的稳定性和抗干扰能力。
误差积分法
通过对系统误差进行积分，得到一个反映系统误差累积的指标，以此评估PID控制器的性能，关注系统误差的控制能力。
阶跃响应法
通过调整比例系数，改变系统的放大倍数，影响系统的响应速度和稳态精度。适当增大比例系数可以提高系统的响应速度，但过大会导致系统不稳定；适当减小比例系数可以减小超调量，但过小会导致系统响应迟缓。
PID控制器在机器人控制系统中具有重要的作用，是实现机器人精确控制的关键之一。
04
PID控制的改进与发展
模糊PID控制
总结词：模糊PID控制是一种将模糊逻辑与PID控制相结合的方法，通过模糊化处理将不确定性和非线性因素引入PID控制器中，提高系统的鲁棒性和适应性。
神经网络PID控制
总结词：神经网络PID控制是一种基于神经网络的PID控制器，通过神经网络的自学习和自适应能力，实现对PID参数的在线调整和优化。
pid控制经典
CATALOGUE
目录
PID控制理论概述 PID控制器的设计 PID控制的应用 PID控制的改进与发展 PID控制性能的评估与优化
01
PID控制理论概述
数字PID

数字PID


科 技
凑试法是通过模拟运行观察系统的响应曲线（如阶跃响应），然
大 学
后根据各调节参数对系统响应大致影响，反复凑试参数，以达到满意
网 络
的响应，从而确定PID的调节参数。
教 育
25
KP↑，系统响应加快，有利于减小静差，但KP过大，使系统有较大的 超调，产生振荡，使系统稳定性变坏； Ti↑，减小超调，使系统稳定，但静差的消除将减慢； Td↑，加快系统响应，减小超调量，稳定性增加，但对干扰的抑制 作用却减弱。 具体步骤：
技
大
学
网
络
教 育
6
图4.3 模拟PID调节器方框图
PID控制器把给定值W与实际输出值Y相减，得到控制偏差e，偏
西 南
差e经比例、积分、微分运算后，通过线性组合构成控制量u，然后
科 技
用u对对象进行控制。
大
学
网
络
教 育
7
1. 比例调节器
是一种简单的调节器，其控制 规律为：
u = KPe + u0
KP：比例系数， u0：控制常量， 即误差为零时的控制变量；如图所
数字PID控制算法是一种准连续控制过程，是建立在计算机对连 续PID控制进行数字仿真的基础上的控制。这种控制方式要求采样周 期与系统的时间常数比很小，采样周期越小，数字仿真越精确，控 制效果也就越接近连续控制，采样周期的选择是受多方面影响：
1. 根据香农采样定理，应满足：
其中：fmax为输入信号的上限频率。这样采样信号经过保持环节后， 仍可复原或近似复原为模拟信号，而不丢失任何信息。
西
2. 从执行机构的特性要求来看，需要输出信号保持一定的宽度；
南
科
3. 从控制系统的随动和抗干扰的性能要求采样周期短些；
数字PID控制

数字PID控制

D(s)
r(t) e(t) e(k)
u(k)
T
D(z) T
u(t)
y(t)
H0(s)
G(s)
设计假想连续控制器
1. 原则上可采用连续控制系统中各种设计方法
工程上常采用已知结构的PID 控制算法
2. 零阶保持器
（1）在控制系统中，广义被控对象是指包括零阶保持 器被控对象，因此要考虑ZOH。即
第5章 数字PID控制()
引言：
-在计算机控制系统中，控制计算机代替了传统的模拟调 节器（常规仪表控制器），成为系统的数字控制器；
-控制系统中的被控对象一般具有连续的特性，而计算机
作为一种数字装置，具有离散的特性，因此计算机控制
系统是一个既有连续部分，又有离散部分的混合系统。
输入r(r)
输出c(t)
u(k ) u(k 1) u(k ) 增量式PID是对位置式PID取
增量，使数字控制器输出相邻
其中
q0

K p (1
T Ti

Td T
)
q1

K
p
(1

2Td T
)
两次采样时刻所计算的位置值 之差。

r(t) ＋
e(t) －
P ID增量算法 u 步进电机 u 被控对象
y(t)
G(z)

(1

z 1)Z

G(s) s

连续控制器的离散化
常用的离散化方法：
1. 双线性变换法： 2. 差分变换法：包括前向和后向差分。——更
常用。
连续控制器的离散化
离散化方法：
1. 双线性变换法
D(z)
pid控制系统课程设计

pid控制系统课程设计

pid控制系统课程设计一、教学目标本节课的教学目标是让学生掌握PID控制系统的原理、结构和应用，具备分析和设计PID控制系统的能力。

具体目标如下：1.知识目标：–了解PID控制系统的概念、原理和组成部分；–掌握PID控制器的参数调整方法；–了解PID控制系统在实际应用中的优缺点。

2.技能目标：–能够运用PID控制原理分析和解决实际问题；–能够使用仿真软件进行PID控制系统的模拟和优化；–能够设计简单的PID控制系统并进行实际操作。

3.情感态度价值观目标：–培养学生对自动化技术的兴趣和认识，认识到PID控制系统在现代工业中的重要作用；–培养学生勇于探索、善于合作的科学精神；–培养学生关注社会、关心他人的责任感。

二、教学内容本节课的教学内容主要包括以下几个部分：1.PID控制系统的概念和原理：介绍PID控制系统的定义、作用和基本原理，让学生了解PID控制系统在工业控制中的应用。

2.PID控制器的参数调整：讲解PID控制器的参数（比例系数、积分系数、微分系数）的作用和调整方法，引导学生掌握参数调整的技巧。

3.PID控制系统的应用：分析PID控制系统在实际应用中的优缺点，让学生了解PID控制系统在不同领域的应用实例。

4.PID控制系统的仿真与实际操作：利用仿真软件，让学生亲自模拟和优化PID控制系统，提高学生运用所学知识解决实际问题的能力。

三、教学方法本节课采用多种教学方法相结合，以提高学生的学习兴趣和主动性：1.讲授法：讲解PID控制系统的原理、结构和参数调整方法，为学生提供系统的知识结构。

2.案例分析法：分析实际应用中的PID控制系统案例，让学生了解PID控制系统的应用场景和优缺点。

3.实验法：让学生利用仿真软件进行PID控制系统的模拟和优化，培养学生的实际操作能力。

4.讨论法：学生进行小组讨论，分享学习心得和体会，提高学生的沟通能力和团队协作精神。

四、教学资源本节课的教学资源包括以下几个方面：1.教材：选用国内权威的PID控制系统教材，为学生提供系统的理论知识。