數(shù)字PID積分分離

1、揚(yáng)州大學(xué)水利與能源動(dòng)力工程學(xué)院課程設(shè)計(jì)報(bào)告題 目： 數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（IV） 課 程： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì) 專 業(yè)： 電氣工程及其自動(dòng)化 班 級(jí)： 電氣1102 姓 名： 奧巴馬 學(xué) 號(hào)： 第 一 部 分任務(wù)書計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)任務(wù)書一、課題名稱數(shù)字PID控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)（IV）積分分離二、課程設(shè)計(jì)目的課程設(shè)計(jì)是課程教學(xué)中的一項(xiàng)重要內(nèi)容，是達(dá)到教學(xué)目標(biāo)的重要環(huán)節(jié)，是綜合性較強(qiáng)的實(shí)踐教學(xué)環(huán)節(jié)，它對(duì)幫助學(xué)生全面牢固地掌握課堂教學(xué)內(nèi)容、培養(yǎng)學(xué)生的實(shí)踐和實(shí)際動(dòng)手能力、提高學(xué)生全面素質(zhì)具有很重要的意義。計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是一門理論性、實(shí)用性和實(shí)踐性都很強(qiáng)的課程，課程設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)應(yīng)占有更加重要的地位。計(jì)

2、算機(jī)控制技術(shù)的課程設(shè)計(jì)是一個(gè)綜合運(yùn)用知識(shí)的過程，它需要控制理論、程序設(shè)計(jì)、硬件電路設(shè)計(jì)等方面的知識(shí)融合。通過課程設(shè)計(jì)，加深對(duì)學(xué)生控制算法設(shè)計(jì)的認(rèn)識(shí)，學(xué)會(huì)控制算法的實(shí)際應(yīng)用，使學(xué)生從整體上了解計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的實(shí)際組成，掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的整體設(shè)計(jì)方法和設(shè)計(jì)步驟，編程調(diào)試，為從事計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理論設(shè)計(jì)和系統(tǒng)的調(diào)試工作打下基礎(chǔ)。三、課程設(shè)計(jì)內(nèi)容設(shè)計(jì)以89C51單片機(jī)和ADC、DAC等電路、由運(yùn)放電路實(shí)現(xiàn)的被控對(duì)象，構(gòu)成的計(jì)算機(jī)單閉環(huán)反饋控制系統(tǒng)。1. 硬件電路設(shè)計(jì)：89C51最小系統(tǒng)加上模入電路（用ADC0809等）和模出電路（用TLC7528和運(yùn)放等）；由運(yùn)放實(shí)現(xiàn)的被控對(duì)象。2. 控制算法：帶積

3、分分離的增量型PID控制。3. 控制算法仿真：在simulink中建立控制系統(tǒng)仿真圖，編寫S-function, 對(duì)算法進(jìn)行仿真。 四、課程設(shè)計(jì)要求1. 模入電路能接受雙極性電壓輸入（-5V+5V），模出電路能輸出雙極性電壓（-5V+5V）。2. 模入電路用兩個(gè)通道分別采集被控對(duì)象的輸出和給定信號(hào)。3. 每個(gè)同學(xué)選擇不同的被控對(duì)象：4. PID參數(shù)整定，帶有積分環(huán)節(jié)的對(duì)象用擴(kuò)充臨界比例度法，無積分環(huán)節(jié)的對(duì)象用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法。5. 對(duì)象輸出端加上擾動(dòng)：擾動(dòng)可選擇小幅度正弦信號(hào)、小幅度階躍信號(hào)、小幅度的脈沖信號(hào)。擾動(dòng)的出現(xiàn)時(shí)刻選擇在系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后的適當(dāng)時(shí)刻。6. 對(duì)采樣信號(hào)加上濾波算法。算法可選擇

4、滑動(dòng)平均值法，復(fù)合濾波，慣性濾波等。7. simulink仿真采用ode4定步長(zhǎng)，仿真步長(zhǎng)可取0.1-1ms。采樣周期可取20-100ms，由實(shí)驗(yàn)結(jié)果確定。8. S-function的函數(shù)名由各人姓名拼音縮寫+學(xué)號(hào)后3位數(shù)組成。有關(guān)的設(shè)計(jì)資料可參考計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的相關(guān)內(nèi)容。五、課程設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果1. simulink控制系統(tǒng)仿真能正確運(yùn)行。2. 正確整定PID參數(shù)后，系統(tǒng)階躍響應(yīng)超調(diào)時(shí)，采用PD控制，當(dāng)偏差e(k) /采用PD算法 d_uk=Kp*P+Kd*D; uk=uk_1+d_uk; uk_1=uk; end if abs(ek)umax uk=umax; end /限幅，最大輸出為

5、5V if uk-umax uk=-umax; end /限幅，最小輸出為-5V sys=uk;5.3 濾波程序設(shè)計(jì)采用滑動(dòng)濾波方法，取20個(gè)數(shù)據(jù)xk20=xk19; xk19=xk18; xk18=xk17; xk17=xk16; xk16=xk15; xk15=xk14; xk14=xk13; xk13=xk12; xk12=xk11; xk11=xk10; xk10=xk9; xk9=xk8; xk8=xk7; xk7=xk6; xk6=xk5; xk5=xk4; xk4=xk3; xk3=xk2; xk2=xk1; xk1=u(2);yk=(xk1+xk2+xk3+xk4+xk5+xk

6、6+xk7+xk8+xk9+xk10+xk11+xk12+xk13+xk14+xk15+xk16+xk17+xk18+xk19+xk20)/20;u(2)=yk;6 實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析6.1 PID參數(shù)整定無積分環(huán)節(jié)，按要求采用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法在模擬控制系統(tǒng)中，可用響應(yīng)曲線法代替臨界比例讀法一樣，用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定T和Kp、Ti、Td的步驟如下： 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于手動(dòng)操作狀態(tài)下，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來。然后突然改變給定值，給對(duì)象一個(gè)階躍輸入信號(hào)。 用儀表記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化曲線，如圖6.1所示。 在曲線最大斜率處做切線，求得滯后的時(shí)間，被控對(duì)象時(shí)間

7、常數(shù)T以及它們的比值，查表即可得數(shù)字控制器的Kp、Ti、Td及采樣周期T。圖1 被調(diào)量在階躍輸入下的變化過程曲線6.2實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 控制器的輸出范圍應(yīng)符合設(shè)計(jì)要求-5V+5V圖2 控制器的輸出未加干擾整定后的PID調(diào)節(jié)效果圖整定參數(shù)：Kp=2 Ti=0.8 Td=0.18 T=0.005圖3 PID調(diào)節(jié)輸出圖 加入隨機(jī)干擾后輸出圖4 加入隨機(jī)濾波后的輸出入 加入滑動(dòng)濾波程序后的輸出圖圖5加入滑動(dòng)濾波程序后的輸出圖7 小結(jié)與體會(huì) 這次計(jì)算機(jī)控制技術(shù)課程設(shè)計(jì)采取了分組模式，6-8人一組，每組課題各不相同，這樣尋求幫助的范圍小了很多，討論圈也縮小。所以相比以往的幾次全班相同的課程設(shè)計(jì)，自己感覺這次難

8、度比以前提高了很多，而從最后做的情況來看的確如此。通過這課程設(shè)計(jì)，我學(xué)到了許多在課堂上學(xué)不到的東西。不僅對(duì)課本上所學(xué)的理論知識(shí)有了更進(jìn)一層的了解，并且增加了實(shí)際動(dòng)手操作能力。我感覺本次課程設(shè)計(jì)與以往最大的不同之處就是學(xué)生思考和實(shí)踐的獨(dú)立性更強(qiáng)，老師只提供一些指導(dǎo)和建議通過這一次的課程設(shè)計(jì)，我對(duì)計(jì)算機(jī)控制的相關(guān)知識(shí)有了深刻的認(rèn)識(shí)、同時(shí)加深了對(duì)SIMULINK仿真及編程調(diào)試等知識(shí)的了解和掌握，同時(shí)通過實(shí)踐，對(duì)以上內(nèi)容有了更深刻的認(rèn)識(shí)，有效地將書本知識(shí)和實(shí)際情況聯(lián)系起來。雖然課程設(shè)計(jì)的過程中遇到很多困難，但也收獲了很多。因?yàn)楹芏嗉?xì)節(jié)地方不懂，那么就得上網(wǎng)查資料，以及分析學(xué)習(xí)自己需要的，這間接鍛煉了個(gè)

9、人的查閱整理以及歸納能力。而且在這個(gè)過程中學(xué)習(xí)鞏固了許多計(jì)算機(jī)控制的相關(guān)知識(shí)，使得自己對(duì)于理論與實(shí)踐的統(tǒng)一有了新的認(rèn)識(shí)。當(dāng)然這個(gè)過程是一個(gè)團(tuán)隊(duì)來完成的，大家在做的過程中分工合作，我?guī)ь^盡力去理解去查閱信息，讓后把我們的課程設(shè)計(jì)分為幾個(gè)板塊，大家各負(fù)責(zé)一個(gè)板塊，這樣最后發(fā)現(xiàn)效率提高了不少。當(dāng)然協(xié)調(diào)很重要，我深深體會(huì)到了這一點(diǎn)，團(tuán)隊(duì)合作協(xié)調(diào)統(tǒng)一很重要，但是更重要的是人心，一個(gè)人如果心態(tài)消極怠慢，那么效率自然就會(huì)低很多，并且會(huì)給整個(gè)團(tuán)隊(duì)帶來很多負(fù)面影響。這是我這次體會(huì)到的關(guān)于團(tuán)隊(duì)合作的一些心得。本次課程設(shè)計(jì)用到了專業(yè)軟件MATLAB的SIMULINK模塊，在用的過程中深深感到了自己許多方面的不足，比

10、如熟悉程度，一些指令自己完全不知道是什么。而且讓我感到無奈的是MATLAB軟件的所有指令是英文，在實(shí)際應(yīng)用到英語時(shí)候才發(fā)現(xiàn)，真是書到用時(shí)方恨少。這次的合作讓我想到了許多，現(xiàn)代社會(huì)很多工作需要合作，因?yàn)槟阋粋€(gè)人根本勝任不了，而合作時(shí)難免會(huì)出現(xiàn)矛盾，這些矛盾是組織管理者必須重視的吧。所以以自己的觀點(diǎn)來看，每個(gè)人都可以學(xué)學(xué)心理學(xué)。很多時(shí)候你覺得你出力最多，而其他人覺得自己出力也多，而實(shí)際上團(tuán)隊(duì)的合作少了任何一環(huán)節(jié)都是不行的。所以我是真的體會(huì)到為什么許多大公司團(tuán)隊(duì)大力宣傳奉獻(xiàn)精神，當(dāng)然自我觀點(diǎn)認(rèn)為這是在強(qiáng)調(diào)人文素養(yǎng)吧。雖然最后經(jīng)歷了幾番波折，實(shí)驗(yàn)終于完成，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)也在老師的指導(dǎo)下進(jìn)行了驗(yàn)證，并確保了實(shí)驗(yàn)的正確性。但是實(shí)驗(yàn)內(nèi)容縱然結(jié)束了，但是課程設(shè)計(jì)還遠(yuǎn)沒有完成，因?yàn)檫€要寫課程設(shè)計(jì)報(bào)告，這個(gè)過程讓我體會(huì)了到了合作的重要性，因?yàn)椴檎屹Y料相當(dāng)?shù)馁M(fèi)時(shí)間，還得整理篩選各個(gè)數(shù)據(jù)，而且還得加上分析總結(jié)，這并不是之前想的那樣簡(jiǎn)單的復(fù)制粘貼，有些事看起來容易，可當(dāng)自己親自去做的時(shí)候你才回真正體會(huì)到難易。這次課程設(shè)計(jì)的結(jié)論得出過程、查閱資料、分析結(jié)果等就讓我深深體會(huì)到了這一點(diǎn)。最后我總結(jié)了許多，首先感謝老師的指導(dǎo)，其次這次課程設(shè)計(jì)我收獲了很多，盡管只有短短幾天，但是這幾天的時(shí)間里讓我對(duì)知識(shí)的學(xué)習(xí)，團(tuán)隊(duì)的合作，自我的認(rèn)知有了更進(jìn)一步的體會(huì)。參 考 文 獻(xiàn)1 于海生主編，微型計(jì)算