数字PID控制器设计..doc

《计算机控制》课程设计报告 题目: 数字PID控制器设计 姓名: 王云 学号: 080230205 姓名: 孙传梁 学号: 080230215 姓名: 钟晓光 学号: 080230225 姓名: 袁海涛 学号: 080230235 2011年6月25日 目 录，设计数字PID控制器，使系统的稳态误差不大于0.1，超调量不大于20%，调节时间不大于0.5s。并采用位置算法实现该PID控制器。 方案设计： 采用Matlab完成控制系统的建立、分析、设计和模拟仿真； 选择元器件,完成电路设计，控制器采用MCS-51系列单片机(传感器、功率接口以及人机接口等可以暂不涉及)，使用Protel绘制原理图； 控制算法采用单片机汇编语言编程实现（应通过编译，无语法错误）。 报告内容: 控制系统仿真和设计步骤，应包含Matlab仿真的性能曲线、采样周期T的选择、数字控制器脉冲传递函数和差分方程形式； 元器件选型过程，电路设计过程，绘制的Protel原理图； 算法流程图，含有详细注释的源程序； 设计工作总结及心得体会； 列出所查阅的参考资料。 指导教师签字： 系（教研室）主任签字： 2011年 6 月 25 日 数字控制器设计 前言 PID控制是最早发展起来的经典控制策略，是用于过程控制最有效的策略之一。由于其原理简单．技术成熟，在宴际应用中较易于整定，在工业控制中得到了广泛的应用。它最大的优点是不需了解被控对象精确的数学模型，其需在线根据系统误差段误差的变化率等简单参数，经过经验进行调节器参数在线整定，即可取得满意的结果。具有很大的适应性和灵话性。PID控制中的积分作用可以减少稳态误差，但男一方面也容易导魏积分饱和，使系统的超调量增大。微分作用可提高系统的响应速度，但其对高频干扰特别敏感，甚至会导致系统失稳。所以，正确计算P1D控制器的参数，有效合理地宴现PID控制器的设计，对于PID控制器在过程控制中的广泛应用具有重要的理论和现实意义。 设计目的 学会使用Matlab进行控制系统的建立、分析、设计和模拟仿真 掌握并熟练使用Protel绘制原理图并完成电路设计 利用C语言完成控制算法的编程实现 设计原理 在典型PID控制系统中．PID控制器分别对误差信号E（t）进行比例、积分与微分运算．其结果的加权和椅成系统的控制信号u(t)，送给对象模型加以控制。PID控制器的数学描述为： 其传递函数可表示为： 从根本上讲，设计PID控制器也就是确定其比例系数Kp、积分系数Ti和微分系数Td。，这三个系数取值的不同，决定了比例、积分和微分作用的强弱。控制系统的整定就是在控制系统的结构已经确定、控制仪表和控制对象等处在正常状态的情况下．适当选掸控制器的参数使控制仪表的特性和控制对象的特性相配合．从而使控制系统的运行达到最佳状态，取得最好的控制效果。 位置式PID控制算法 由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，需要进行离散化处理。现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量代替微分，则可以作近似变换； 图1 使用模拟控制器离散化的方法将理想模拟PID控制器D(s)转化为响应的理想数字PID控制器D(z).采用后向差分法,得到数字控制器的脉冲传递函数 令为积分系数, 为微分系数(T为采样周期),由 则可得 上式化为差分方程,可得 令i=k-j,由初始条件i0时,e(j)=0,则可将上式写成标准数字控制算法 上式给出的调节器输出u(k)是全量输出,也就是执行器要求到底的位置,故称为位置式PID 数字PID参数整定 利用扩充临界比例带法选择数字PID参数，扩充临界比例带法是以模拟PID调节器中使用的临界比例带法为基础的一种数字PID参数的整定方法。其整定步骤如下：； 选择合适的采样周期T； 在纯比例的作用下,给定输入阶跃变化时,逐渐加大比例作用Kp(即减小比例带),直至系统出现等幅震荡,记录比例增益Kc,及振荡周期Tc 。Kc成 为临界振荡比例增益(对应的临界比例带),Tc成为临界振荡周期。 在MATLAB下输入如下程序： 得到如下图所示图形： 图2 调整程序参数p=[40:1:45]进一步精确得Kc约为43.2，Tc约为0.5，观察控制系统的响应特性。 可进一步得到图形如下所示： 图3 扩充临界比例带法选