数字PID控制系统设计.docx
数字 PID 控制系统设计1 课题简介1.1 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。1.2 课程设计任务设计以 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：梯形积分型的 PID 控制。（3） 软件设计：主程序、中断程序、A/D 转换程序、滤波程序、PID 控制程序、D/A 输出程序等。1.3 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：2 数字 PID 控制系统方案设计2.1 控制系统框图与介绍15图 1-1 系统结构框图该闭环控制系统的被控对象为二阶控制对象：首先利用模数转换单元对两路信号（给定和输出）进行采样，经 A/D 转换后输入到单片机中，由单片机计算偏差，在进行 PID 计算，然后输出给 D/A 转换器，转换成为模拟量后，最后对控制对象进行控制。被控对象由两只运放及阻容元件构成。2.2 闭环工作原理由信号正向通路和反馈通路构成闭合回路的自动控制系统，又称反馈控制系统。基于反馈原理建立的自动控制系统。所谓反馈原理，就是根据系统输出变化的信息来进行控制，即通过比较系统行为（输出）与期望行为之间的偏差，并消除偏差以获得预期的系统性能。在反馈控制系统中，既存在由输入到输出的信号前向通路，也包含从输出端到输入端的信号反馈通路，两者组成一个闭合的回路。因此，反馈控制系统又称为闭环控制系统。反馈控制是自动控制的主要形式。自动控制系统多数是反馈控制系统。在工程上常把在运行中使输出量和期望值保持一致的反馈控制系统称为自动调节系统，而把用来精确地跟随或复现某种过程的反馈控制系统称为伺服系统或随动系统。反馈控制系统由控制器、受控对象和反馈通路组成（见图）。图中带叉号的圆圈为比较环节，用来将输入与输出相减，给出偏差信号。这一环节在具体系统中可能与控制器一起统称为调节器。以炉温控制为例，受控对象为炉子；输出变量为实际的炉子温度; 输入变量为给定常值温度, 一般用电压表示。炉温用热电偶测量，代表炉温的热电动势与给定电压相比较，两者的差值电压经过功率放大后用来驱动相应的执行机构进行控制。同开环控制系统相比，闭环控制具有一系列优点。在反馈控制系统中，不管出于什么原因（外部扰动或系统内部变化），只要被控制量偏离规定值，就会产生相应的控制作用去消除偏差。因此，它具有抑制干扰的能力，对元件特性变化不敏感，并能改善系统的响应特性。但反馈回路的引入增加了系统的复杂性，而且增益选择不当时会引起系统的不稳定。为提高控制精度，在扰动变量可以测量时，也常同时采用按扰动的控制（即前馈控制）作为反馈控制的补充而构成复合控制系统。3 数字 PID 控制系统硬件电路设计3.1 A/D 转换电路图 2-1 模数转换单元如上图所示是模数转换单元，其读地址为 0600H063FH，所用芯片为 ADC0809， ADC0809 是逐次比较式的 8 路模拟输入，8 位数字输出的 A/D 转换器。其中 IN0IN7 是 8 路模拟量输入端，其中 IN1IN5 的模拟量输入允许范围：0V4.98V，对应数字量为 00HFFH，2.5V 对应 80H；IN6 和 IN7 两路由于接了上拉电阻，所以模拟量输入允许范围：-5V+4.98V,对应数字量 00HFFH，0V 对应 80H。D0D7 是 8 位数字量输出端，A、B、C 与ALE 控制 8 路模拟通道的切换，ABC 分别与三根地址线或者数据线相连，CBA=000111 分别对应通道 IN0IN7。ADC0809 采用逐次比较的方法完成 A/D 转换，由单一的+5V 电源提供。片内带有锁存功能的 8 路选一的模拟开关，由 C、B、A 引脚的编码来决定所选通道，ACD0809 完成一次模数转换的时间约 100um，他可以对05V 的电压进行模数转换。本课程设计选用了 IN6 和 IN7 分别进行给定和响应输出的两路采样。故 B、C 引脚直接接到了高电平，只需要对 A 引脚进行控制就能对 6,、7 通道进行选择。IN6 和 IN7 可以测量-5V+5V 的量，主要是因为加了外部电路。如图所示，在 IN6 和 IN7 的实际输入端其输入范围为 05V，而有了外部电路后：当 IN6 输入为+5V 时，4 号引脚电压 V4=5V；当 IN6 输入为 0V 时，由于有电阻 R7、R8 的串联作用故；当 IN6 输入为-5V 时，由于电阻 R7、R8 的串联作用，故。即实现了-5V+5V 输入。3.2 D/A 转换电路图 3-1 数模转换单元数模转换单元，其地址为 0640H067FH，采用 TLC7528 芯片，它是 8 位、并行、两路、电压型输出模数转换器。其主要参数如下：转换时间100ns，满量程误差1/2LBS，如图所示，根据运算放大器的虚短虚断的原则，得到：其中，带入计算化简得：参考电压-10V+10V，供电电压+5V+15V，输入逻辑电平与 TTL 兼容。输入数字范围为 00HFFH,80H 对应于 0V，输出电压为-5V+4.96V。本课程设计中采用的 TD-ACC+ 教学系统中的 TLC7528，其输入数字量得八位数据线、写线和通道选择控制线已经接至控制计算机的总线上。片选线预留出待实验中连接到相应的 I/O 片选上，具体见上图。由此可知，该芯片 TLC7528 可以双极性输出，但须在单片机中将 D/A 的输出值加128 后再交给 TLC7528 芯片进行 D/A 输出。3.3 控制对象图 3-2 被控对象如上图所示 ， 为被控对象的硬件电路 的设计图。 我的被控对象为： G(s)=10/(s+1)(0.4s+1)。其中比例部分由第一个运算放大器直接实现，即 100/20=5，第一个运算放大器的积分部分为 4*100/1000=0.4，实现被控对象的第二部分，第二个运算放大器的积分部分为 5*200/1000=1,实现被控对象的第一部分。3.4 总体硬件电路设计总体硬件电路设计如图。主要有信号源模块、模数转换单元模块、 51 单片机模块、数模转换单元模块以及被控对象几个部分组成。电路工作流程为：开始时单片机先将型号源中的给定信号和输出信号通过 A/D 采样采进来，进行 A/D 输入通道的变换时，由 P1.6 控制 0809 中的 A 端口，所以我选择的采样通道为 IN6 和 IN7。采样结束之后， 有单片机进行微分先行部分的计算，然后将其与给定值相减，所得结果作为 PI 调节的输入，经过 PI 调节后将最终结果输出。在输出的过程中，由 74LS373 作为地址锁存器， 74LS139 作为地址译码器，启动 74LS7528 将最终的结果输出给被控对象，经过被控对象的输出值又将作为反馈值被采样到单片机，由此构成反馈环节。我们所要调节的主要是 PI 的参数和微分先行中的参数。4 数字 PID 控制算法设计4.1 梯形积分原理在模拟调节系统中，PID 算法表达式为：在计算机控制系统中，离散的数字 PID 算法用梯形积分。其控制算式为：4.2 采样周期选择首先，根据香农采样定理给出了采样周期的上限，即采样周期应满足：T/max其中，max 为被采集信号的上限角频率。采样周期的下限为计算机执行程序和输入输出所耗的时间，系统的采样周期只能在 Tmax 与 Tmin 之间选择。其次，要综合考虑给定值的变化频率、被控对象的特性、执行机构类型和控制回路等因素。具体就本次课程设计的课题来说，一方面，给定方波的周期为 1020s 间可调，且控制对象时间常数接近 1s，变化较慢；另一方面，A/D 转换时间在 100s 左右，D/A 转换时间在 100ns 左右，而程序执行时间估计在 100s 左右。故综合考虑上述因素， 采样周期可以选 50ms 左右。对于我的控制对象，所选择的采样周期为 50ms。5 数字 PID 控制软件编程设计5.1 主程序TMOD = 0x01;time = 10;/ 定时 10mst0_h = (65536 - 1000 * time) / 256; / 计算定时器 0 初值t0_l = (65536 - 1000 * time) % 256;t0_l = t0_l + 70; TH0 = t0_h; TL0 = t0_l;IT1 = 1;EX1 = 1;ET0 = 1;/ 修正因初值重装而引起的定时误差/ 边沿触发中断/ 开外部中断 1/ 开定时中断 0TR0 = 1; M=N=0;TC = 1;DAC_1= 0x80;/ 启动定时器/D/A 清零EK = EK_1 = 0;/ 变量清零AEK =SEK= UK = 0; ZEK = 0;str = 1;图 5-1 主程序EA = 1;while(1);/ 开总中断主程序对系统及变量进行初始化，之后等待中断。5.2 定时中断程序TH0 = t0_h; TL0 = t0_l; EX1 = 0;str = 0;str = 1;DIN1= 0;EOC = 1;while(!EOC);/ 重新装入初值/ 产生 A/D 启动信号RK =ADC_7-128;str = 0;str = 1;DIN1= 1;EOC = 1;/ 产生 A/D 启动信号图 5-2 定时中断程序while(!EOC);YK =ADC_7-128;str = 0;str = 1;EX1 = 1;在程序中，设置了定时的时间，即10ms，当10ms 时间到便会执行这段中断程序，定时的时间可以在主程序中通过设定 time 的值进行更改。这段程序的主要目的对 A/D采样进行计时，其中TC 是作为采样周期的变量，如果TC=5 则采样周期为 50ms。当定时时间到，首先是对计时器重新赋初值，然后判断 TC 是否为零，若为零说明已经有了 5 次定时中断，即采样时间到，此时会打开 0809 进行A/D 采样，并将TC 重新赋初值。先计数器装初值关外部中断 1 启动 A/D 转换，DIN0 清零即选择通道 IN6，EOC 置1 当转换完成即EOC 变低电平时输出RK，再次启动A/D 转换选择通道IN7 同样当EOC跳低是输出 YK，最后开中断。5.3 PID 程序图 5-3 定时中断程序if(TEMP > 0)/ 判控制量是否溢出，溢出赋极值if(TEMP >= 127)UK = 127;elseUK = (char)TEMP;elseif(TEMP <- 128)UK = -128;elseUK = (char)TEMP;DAC_1 = UK + 128;/D/A 输出控制量TC = TK;/ 采样周期变量恢复5.4 滤波程序数字滤波相对与模拟滤波器有如下几个优点：（1） 数字滤波是用程序实现的，不需要增加硬件设备，因此可靠性较高，稳定性较好。（2） 数字滤波可以对频率很低（如 0.001Hz）的信号实现滤波，克服了模拟滤波器的缺陷。（3） 数字滤波器可以根据信号的不同，采用不同的滤波方法或改变滤波参数，具有灵活、方便功能强等优点。假设 m=2，课设 2 个变量 X 、 Y ，在每个采样周期后，讲本次所采的值赋给 X ，在下一个采样周期结束的时候，将 X 的值赋给 Y ，本次采样值赋给 X 。每次的采样输出值。YK =(ADC_7-128+X)/2;X=ADC_7-128; /外中断本课程设计所采用的滤波方法为滑动滤波。RK =(ADC_7-128+Y)/2;Y=ADC_7-128; /定时器中断这是在程序里主要添加的滤波程序，采用的是滑动滤波 N=2。6 实验与结果分析6.1 系统调试比例系数能迅速反应误差，从而减小误差，但比例系数不能消除稳态误差， KP 的加大会引起系统的不稳定；积分项的作用是，只要系统存在误差，积分控制作用就不断地积累。输出控制量以消除静差，因而只要有足够的时间积分控制项能完全消除静差，积分作用太强，会使系统超调加大，甚至可能使系统出现振荡；微分控制可以减小超调，克服振荡，是系统稳定性提高，同时加快系统响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。在调试的过程中，我们采用的是凑试法整定 PID 参数，我们采用的是现比例后积分在微分的方法。首先只整定比例部分。即将比例系数由小变大，并观察相应的系统 相应直到得到响应快，超调小的响应曲线。如果系统没有静差或静差已经小到允许范 围内，切且应曲线已令人满意，那么只需要比例环节即可，最有比例系数可由此确定。如果在比例调节的基础上静差不能满足设计要求，则需要加入积分环节，整定时首先 将积分时间 Ti 设一较大值，并将第一步得到的比例系数缩小，然后减小积分时间 Ti， 使系统在保持良好的动态性能的情况下，静差得到消除。如使用比例积分环节消除了 静差，但动态性能反复调节仍不能让人满意，则可以加入微分环节，构成比例积分微 分控制器。在整定时，先置 TD=0，在第二步的基础上，增大 TD，同事相应的改变比例系数 KP 和积分时间 Ti，逐步试凑，以达到满意的效果。按照以上步骤，整定出参数KP=0.6，Ti=150，TD=0。6.2 实验结果控制输出曲线：图 6-1 控制输出曲线响应曲线：图 6-2 响应曲线加滤波后控制输出曲线：图 6-3 加滤波后控制输出曲线加滤波后响应曲线：图 6-4 加滤波后响应曲线7 小结与体会为期一周半的课程设计结束了，在这一周半的时间内，心中产生了许多疑问，因此我也学到了很多。当我们在第一天拿到课程设计题目的时候我们是丈二和尚摸不着头脑，完全不知道该从何处下手。但是在老师的指导与同学的帮助下，我们顺利的完成了这次的课程设计。在这期间我逐渐熟悉了protol 和keiluvisions 两个软件。我拿到的课题是数字PID 控制系统设计，其中控制算法要求我们用梯形积分的 PID 控制。可是对于梯形积分我基本上已经毫无印象，不得已我只能翻书进行查找。在硬件电路设计中我们遇到的困难是要使 ADC0809 进行两路采样，这必须通过 A、B、C 三条信号线进行通道选择， 因为是对 6、7 通道的选择，所以只需将 B、C 接在高电压端，在对 A 进行控制即可。而在软件编程设计中，因为有程序可以参考，所以我们的问题便只有滑动滤波进行编程，但即使如此我们还是遇到了难题，虽然我们对滑动滤波的过程一清二楚，但是在编程的时候，在我们眼中没错的程序在运行的时候却是错漏百出，没办法只能一次又一次的修改了，终于在经过了一天多的努力之后完成了这段程序，其中的艰辛烦闷不足为外人道也。课程设计的完成并不是终点，这只不够使我们人生中的一个小片段，在接下来的人生中我还会遇到许许多多这样的困难，但是我们只要能勇于面对困难，积极寻找解决困难的方法，一定能克服困难。附录：
