变速积分PID控制系统设计

计算机控制技术课程设计1课程设计报告设计题目变速积分PID控制系统设计课程名称计算机控制技术B姓名苏丹学号2008100731班级自动化0803教师闫高伟设计日期2011年7月5日计算机控制技术课程设计2目录摘要............................................................错误!未定义书签。Abstract..........................................................................4第1章数字PID及变速积分简介....................................错误!未定义书签。1.1数字PID发展介绍...........................................................11.2PID控制器工作原理..........................................................21.2.1模拟式PID控制算法..................................错误!未定义书签。1.2.2数字式PID控制算法..................................................31.3变速积分简介...............................................错误!未定义书签。第2章系统分析与设计............................................错误!未定义书签。2.1系统功能分析...............................................错误!未定义书签。2.1.1对象整体分析........................................................52.1.2系统分析与设计与系统开环增益.........................................62.2计算机系统选择分析..........................................................62.2.18088CPU简介........................................................62.2.2其余模块的使用.....................................................72.3软件设计分析..............................................................12第3章硬件设计与软件编程........................................................123.1硬件设计…………………………………………………………………………….123.1.1系统方框图…………………………………………………………………..123.1.2线路原理图…………………………………………………………………..123.2软件编程……………………………………………………………………………133.2.1软件流程图………………………………………………………………….143.2.2程序源代码………………………………………………………………….21第4章设计仿真与运行分析…………………………………………………………………..214.1结果分析.................................................................214.2matlab仿真...............................................................22总结…………………………………………………………………..错误!未定义书签。附录...............................................................................26附录1线路原理图………………………………………………………………………...28附录2TDN-AC/ACS＋教学实验系统介绍..………………………………………………..28附录3参考资料…………………………………………………………………………..30计算机控制技术课程设计3变速积分PID控制系统设计摘要PID校正装置（又称PID控制器或PID调节器）是一种有源校正装置，它是最早发展起来的控制策略之一，在工业过程控制中有着最广泛的应。它具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是迄今为止最稳定的控制方法。它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。从实际需要出发，一种好的PID控制器参数整定方法，不仅可以减少操作人员的负担，还可以使系统处于最佳运行状态。因此，对PID控制器参数整定法的研究具有重要的实际意义。在普通的PID调节算法中，由于积分系数KI是常数，因此，在整个调节过程中，积分增益不变。但系统对积分项的要求是系统偏差大时积分作用减弱以至全无，而在小偏差时则应加强。否则，积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。改进的PID算法可以有效改变此现象。此采用变速积分可以很好地解决这一问题。本次课程设计基于自动控制原理实验箱（设备型号：TDN—ACS＋），接好硬件电路以后实现变速积分。并在matlab6.5完成对变速积分的仿真。关键词：PID控制算法；变速积分；matlab仿真计算机控制技术课程设计4AbstractSofar,thePIDisthemostcommoncontrolarithmetic.It’soneofthemostearlydevelopedcontrolstrategy,whichisappliedtotheindustryprocess.Itsstructureissimpleandeasytoimplement,however,thecontroleffectisperfect.Thephysicalparametersis,meaningof,theoreticalanalysisofsystemisintegrity,anditisfamiliarbytheengineeringsector,whichintheindustrialprocesscontrolhasbeenwidelyused.Fortheactualneeds,agoodparameterPIDcontrollertuningmethodcannotonlyreducetheburdenonoperators,butalsomakethesystemrunningatbest.Therefore,thefixedPIDcontrollerparametertuningstudyhasimportantpracticalsignificance.InthetraditionalPIDcontrolalgorithm,theintegralcoefficientKIisconstantthroughouttheadjustmentprocess,theintegralgain.Butthesystemrequirementsfortheintegraltermisthesystemerrorislargeaswellasnolessintegralaction,andinthesmalldeviationshouldbestrengthened.Otherwise,theintegralcoefficientwillhaveabigovershoot,orevenintegralsaturation,whicheverissmallerandthedelaytoeliminatestaticerror.ImprovedPIDalgorithmcaneffectivelychangethisbehavior.Theuseofvariable-speedintegrationcansolvethisproblem.Thecoursedesignisbasedonprinciplesofautomaticcontroltestbox(Model:TDN-ACS+),connectedactualhardwarecircuit.Afterachievingagoodconnectionspeedintegrationcircuithardware.,usematlab6.5tocompletethesimulationforvariable-speedintegration.Keyword:PIDcontrolalgorithm;variable-speedintegration;matlabsimulation错误!未指定书签。第1章数字PID及变速积分简介1.1数字ＰＩＤ发展介绍：PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。在工业过程控制中有着最广泛的应用，其实现方式有电气式、气动式和液力式。它具有容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，同时它原理简单，参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。PID控制器是有源校正装置，与无源校正装置相比，它具有结构简单、参数易于整定、应用面广等特点，设计的控制对象可以有精确模型，并可以是黑箱或灰箱系统。总体而言，它主要有如下优点：（1）原理简单，应用方便，参数整定灵活。（2）适用性强。可以广泛应用于电力、机械、化工、热工、冶金、轻工、建材、石油等行业。１.2PID控制器工作原理：1.2.1模拟PID控制算法:图1计算机控制技术课程设计6典型模拟PID结构框图如图1所示。PID控制器是通加对误差信号e(t)进行比例、积分和微分运算，其结果的加权，得到控制器的输出u(t)，该值就是控制对象的控制值。PID控制器的数学描述为：（1—1）式中，u(t)—调节器的输出信号;e(t)—调节器的偏出信号;Kp—比例系数;Ti—积分时间常数;Td—微分时间常数。1.2.2数字式PID控制算法:在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。(1)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，故对模拟PID算式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。按模拟PID控制算法，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（一阶后插）代替微分，则可以作如下的近似变换:000t=kT(k=0,1,2)()()()()e(kT)-e(k-1)Te(k)-e(k-1)tkkjjetdtejTTejdetdtTT（1-2）显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。为了书写方便，将e(kT)简化表示成e(k)等，即省去T。将式(2-2)代入式(2-1)，可以得到离散的PID表达式为:0(){()()[()(1)}1kDpjTTukKekejekekTT（1-3）计算机控制技术课程设计7式中:k—采样序列号;u(k)—第k次采样时刻的计算机输出值;e(k)—第k次采样时刻输入的偏差值;e(k-1)—第k-1次采样时刻输入的偏差值；Ki—积分系数，Ki＝ＫP