计算机控制课程设计.DOC

1、计算机控制课程设计一、 题目已知被控对象 试采用数字 PID 控制使得系统满足)1.0)(5.(0sG指标：（1）跟踪速度信号误差为 ；（2） （3）/radess/10radc。o45二、 控制系统设计PID 调节又叫 PID 控制，是比例（proportional） 、积分（integral） 、微分（differential）调节的简称。在自动控制的发展历程中，PID 调节是历史最悠久、控制性能最强的基本调节方式。PID 调节原理简单，易于整定，使用方便；按照 PID 调节功能工作的各类调节器广泛应用于国民经济所有工业生产部门，适用性特强；PID 的调节性能指标对于受控对象特性的稍许变化

2、不很敏感，这就极大地保证了调节的有效性；PID 调节可用于补偿系统使之达到大多数品质指标的要求。直到目前为止，PID 调节仍然是最广泛应用的基本控制方式。具有 PID 特点的调节器既可以作为控制器，叫 PID 控制器；也可以作为校正器，叫 PID 校正器。它们都能发挥其独特的多项优越调节功能。PID 校正是一种负反馈闭环控制。PID 校正器通常与被控对象串联连接，设置负反馈闭环控制的前向通道上。若校正器与系统地前向通道或者前向通道的一部分构成负反馈闭环连接，这种校正叫做反馈校正。1. 原系统分析作原系统的 Bode 图与阶跃响应曲线，检查是否满足题目要求，并观察其阶跃响应曲线形状。执行以下程序

3、：%Analysis origental system cbc1.mclear;num=5;den=conv(0.5,1,0.1,1);sys1=tf(num,den);figure(1);margin(sys1);hold onfigure(2);sys=feedback(sys1,1);step(sys);程序运行后，可得到如图1所示的未经校正系统的Bode图及其性能指标，还有如图2所示的未校正系统的阶跃给定响应曲线。由图1可知系统的：模稳定裕度： 穿越频率：hLg相稳定裕度： 剪切频率：67.1 7.6/crads由于计算的数据即模稳定裕量与模稳定裕量都达到系统要求，系统工作在稳定的状态

4、下。其阶跃响应曲线（图 2）很快衰减下来，系统只需要通过调整PID 参数使其满足剪切频率要求即可。图 1 未校正系统的 Bode 图图 2 未校正系统系统的单位阶跃响应系统跟踪信号误差，原系统为 0 型系统，其单位阶跃响应的稳态误差应为=1/(1+K)=0.165，可用以下程序计算： seclear;num=5;den=conv(0.5 1,0.1 1);s=tf(num,den);sys=feedback(s,1);step(sys);t=0:0.001:1;y=step(sys,t);subplot(121),plot(t,y),grid;subplot(122),ess=1-y;plot

5、(t,ess),grid;ess(length(ess)得到 =0.1650及响应曲线和误差相应曲线如图3所示。se图3 系统单位阶跃响应与阶跃误差响应曲线由于系统是0型系统，其速度信号跟随误差 ，故不作仿真，根据设se计要求，须在PID校正中使系统成为I型以上系统。2. PID 控制系统建模在图 4 中，给出了作为校正器的 PID 调节动态结构框图。在 PID 调节作用下，对误差信号 分别进行比例、积分、微分运算，三个作用分量之和作为()et控制信号输出给被控制对象。图中信号对其对应量的拉氏变换。R ( s )PK/()PITsPDKs05(.1).GsE ( s )U ( s )C ( s

6、 )-图 4 典型 PID 校正器结构框图PID 调节器的微分方程数学模型为：（1）01()()()()tPDIdetutKetT式中，u(t)为 PID 调节器的输出信号，这个信号就是送到被控对象的；系统误差信号定义为：e(t)=r(t)-c(t);r(t)是系统的给定输入信号；c(t)是系统的被控量。PID 调节的传递函数模型（2）1()CPDIGsKTs3.PID 参数整定我们采用现场凑试法整定 PID 参数。按照先比例（P） 、再积分（I） 、最后微分（D）的顺序。1）比例参数 整定PK置调节器积分时间 ，微分时间 。由于原系统处于稳定工作状IT0DT态，同时根据设计要求系统跟踪速度信

7、号误差为 ，为了增大系统s/1rad.es剪切频率所以 的初值选择为 2，逐步增大，直到得到满意的过渡过程曲线。IK执行以下程序：%PID parameter fixed up cbc2.m%PID parameter fixed up cbc2.mclear;num=5;den=conv(0.5,1,0.1,1);G=tf(num,den);Kp=2:1:5;for i=1:length(Kp)Gc=feedback(Kp(i)*G,1);figure(1);step(Gc),hold onendgtext(1 Kp=2),gtext(2 Kp=3),gtext(3 Kp=4),gtext(

8、4 Kp=5);for j=1:length(Kp)Gc=feedback(Kp(j)*G,1);figure(2);margin(Gc),hold onendgtext(1 Kp=2),gtext(2 Kp=3),gtext(3 Kp=4),gtext(4 Kp=5),gtext(1 Kp=2),gtext(2 Kp=3),gtext(3 Kp=4),gtext(4 Kp=5),运行程序后有比例（P）调节作用下系统阶跃给定响应曲线如图 5 所示，以及 Bode 图如图 6 所示。图 5 系统 P 控制阶跃给定响应曲线图 6 系统 P 控制 Bode 图根据系统设计要求，我们选择 =3（ ）

9、，此时系统频率特性为：K25%模稳定裕度： 穿越频率：hLg相稳定裕度： 剪切频率：60.1 21.7/crads2）积分时间 参数整定IT引入积分作用（此时应将上述比例度 加大 1.2 倍） 。将 由大到小进行整IT定。设置 ，考察 时对系统阶跃给定响应的影响，执行如下程4PK0.21I序：%PID Ti parameter fixed up cbc3.mclear;num=5;den=conv(0.5,1,0.1,1);G=tf(num,den);Kp=3;Ti=0.2:0.2:1;for i=1:length(Ti)Gc=tf(Kp*Ti(i) 1,Ti(i) 0);Gcc=feedba

10、ck(G*Gc,1);step(Gcc),hold onendgtext(1 Ti=0.6),gtext(2 Ti=0.7),gtext(3 Ti=0.8),gtext(4 Ti=0.9),gtext(5 Ti=1),图7 系统PI控制单位阶跃给定响应曲线运行后可得到系统单位阶跃响应曲线图如图 7 所示，为了降低计算机控制系统的运算量选取 。此时系统的频率特性为：1IT模稳定裕度： 穿越频率：hLg相稳定裕度： 剪切频率：54 2/crads若此时系统引入微分作用环节，会增加单片机系统的浮点运算量。微分环节反映偏差信号变化趋势，用以加快系统的动作速度，减小调节时间，此时系统频率特性已满足设计要

11、求，故不引入微分量。由此，得到 PI 参数： ， 。3PK1IT4.调节后系统仿真作系统的 Bode 图与阶跃响应曲线，检查是否满足题目要求，并观察其阶跃响应曲线形状。执行以下程序：%PID System Test cbc5.mclear;num=5;den=conv(0.5,1,0.1,1);G=tf(num,den);Kp=3;Ti=1;Gc=tf(Kp*Ti 1,Ti 0);Gcc=feedback(G*Gc,1);figure(1);step(Gcc);figure(2);margin(Gcc);程序运行后，可得到如图8所示的未经校正系统的Bode图及其性能指标，还有如图9所示的未校正

12、系统的阶跃给定响应曲线。由图8可知系统的：模稳定裕度： 穿越频率：hLg相稳定裕度： 剪切频率：54 2/crads图8 系统Bode图图9 系统阶跃给定响应曲线系统的频率特性达到设计要求。系统速度跟踪信号误差，系统为 I 型系统，其单位阶跃的稳态误差 =0，其单位斜坡响应的稳态误差应为se=1/K=0.0667，可用以下程序计算：se%testclear;num=5;den=conv(0.5,1,0.1,1);G=tf(num,den);Kp=3;Ti=1;Gc=tf(Kp*Ti 1,Ti 0);Gcc=feedback(G*Gc,1);t=0:0.001:8;num=Gcc.num1;de

13、n=Gcc.den1,0;Gcc=tf(num,den);y=step(Gcc,t);subplot(121),plot(t,y),grid;subplot(122),es=t-y;plot(t,es),grid;es(length(es)程序执行后，可得到系统速度输入信号的响应曲线如图 10 所示。图 10 速度信号输入响应与单位等速度输入误差响应曲线三、单片机系统硬件设计（全电路见附录）1.PID 控制系统硬件结构该控制系统实质是一个计算机控制系统，该系统对控制对象的自动控制，计算机控制系统对控制对象各种参数进行采集、转换，然后按一定的控制算法对原始数据加以处理，输出控制量以驱动执行机构，

14、达到控制的目的。系统硬件以 MCS-51 系列的 89S52 单片机为核心控制器，包括输入通道、输出通道、显示键盘电路、电源电路。整体结构如图 11。8 9 S 5 2 单 片 机 核 心 控 制 器A / D 转 换 器开 关 信 号隔 离 电 路开 关 信 号隔 离 电 路D / A 转 换 器模 拟 信 号隔 离 放 大 器模 拟 信 号隔 离 放 大 器键 盘显 示电 路控 制 面 板电 源 电 路启 停 信 号反 馈 输 入信 号复 位 信 号控 制 对 象图 11 控制系统硬件结构图2.电源电路设计单片机控制硬件系统由外部电源 912V 直流供电，利用 7805 三端稳压电路，构成单片机的电源电路如图 12。图 12 单片机电源电路3.过程通道设计过程通道是计算机和控制对象之间进行信息传递和交换的桥梁，它将控制对象各种状态信息输入到计算机，然后按照一定的规律控制对其进行处理、计算后，将结果输出到执行机构，达到控制的目的。（1）模拟量输入通道设计模拟量输入通道由仪表放大器 AD620、带有采样保持器的 8 位逐次逼近 A/D转换器 AD7888 芯片、精确基准源 5G1403 及接口电路组成。A/D 转换接口电路如图 13。