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1、计算机控制技术课程设计课 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 目 录摘 要.IAbstract II第1章数字PID及变速积分简介11.1 数字PID发展介绍11.2 PID控制器工作原理2 1.2.1 模拟式PID控制算法2 1.2.2 数字式PID控制算法31.3 变速积分简介3第2章系统分析与设计42.1 系统功能分析42.1.1 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
2、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.12 3.1.1 系统方框图.12 3.1.2 线路原理图.123.2 软件编程 13 3.2.1 软件流程图.14 3.2.2 程序源代码.21第4章 设计仿真与运行分析.214.1 结果分析214.2 matlab仿真22总 结. 26附录.26附录1 线路原理图.28附录2 TDN-AC/ACS教学实验系统介绍.28附录3 参考资料.30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
3、、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
4、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：TDNACS），接好硬件电路以后实现变速积分。并在matlab 6.5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AbstractSo far, the PID is the most common control arithmetic. Its one of the most early developed control strategy, which is applied to the industry process. Its structure is simple a
5、nd easy to implement, however, the control effect is perfect. The physical parameters is, meaning of ,theoretical analysis of system is integrity, and it is familiar by the engineering sector, which in the industrial process control has been widely used. For the actual needs, a good parameter PID co
6、ntroller tuning method can not only reduce the burden on operators, but also make the system running at best. Therefore, the fixed PID controller parameter tuning study has important practical significance.In the traditional PID control algorithm, the integral coefficient KI is constant throughout t
7、he adjustment process, the integral gain. But the system requirements for the integral term is the system error is large as well as no less integral action, and in the small deviation should be strengthened. Otherwise, the integral coefficient will have a big overshoot, or even integral saturation,
8、whichever is smaller and the delay to eliminate static error. Improved PID algorithm can effectively change this behavior. The use of variable-speed integration can solve this problem. The course design is based on principles of automatic control test box (Model: TDN-ACS +), connected actual hardwar
9、e circuit. After achieving a good connection speed integration circuit hardware. , use matlab 6.5 to complete the simulation for variable-speed integration.Keyword: PID control algorithm; variable-speed integration; matlab simulation37第1章 数字PID及变速积分简介1.1 数字发展介绍：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
10、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
11、、机械、化工、热工、冶金、轻工、建材、石油等行业。.2 PID控制器工作原理：1.2.1 模拟 PID 控制算法:图1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： （11）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
12、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: （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: （1-3）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
13、) 第k-1次采样时刻输入的偏差值；Ki 积分系数，Ki/Ti； 微分系数，=/。1.3 变速积分简介：变速积分作为改进的算法之一，它的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应：偏差越大，积分越慢；偏差越小，积分越快。(1)变速积分实现：变速积分是使积分项的累加速度与偏差大小相应，为此设一系数fe(k)，它为e(k)函数，变速积分PID中积分项为:(1-4)fe(k)与当前偏差e(k)是线性或非线性关系， f值在01区间变化 (1-5)累加部分当前偏差e(K),偏差大于上限，不累加;偏差小于下限，积分限完全累加；介于二者之中，引入变系数fe(k)。（2）变速积分PID算法为：(1-6)第章系统分析与设计系统功能分析：2.1.1 对象整体分析：控制对象传递函数为极点：s1=-4，s2=-5。选择将传递函数拆成2个一阶惯性环节，实验箱上用两个积分电
