变速积分PID控制系统设计.docx

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1、课程设计报告设计题目变速积分PlD控制系统设计课程名称计算机控制技术B姓名苏丹学号班级自动化0803教师闫高伟设计日期2023年7月5日目录摘要错误!未定义书签。Abstract错误!未定义书签。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发展简介11.2 PID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。对象整体分析5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68088CPU简介6其他模块

2、的J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成果分析214.2matIab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+教学试验系统简介28附录3参照资料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调整器）是一种有源校正装置，它是最早发展起来的控制方略之一，在工业过程控制中有着最广泛的应。它具有构造简朴、轻易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点

3、，是迄今为止最稳定的控制措施。它所波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PlD控制器参数整定措施，不仅可以减少操作人员的承担，还可以使系统处在最佳运行状态。因此，对PlD控制器参数整定法的研究具有重要的实际意义。在一般0PID调整算法中，由于积分系数Kl是常数，因此，在整个调整过程中，积分增益不变。但系统对积分项0规定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。改善0PID算法可以有效变化此现象。此采用变速积分可以很好地处理这一

4、问题。本次课程设计基于自动控制原理试验箱（设备型号：TDN-ACS+）,接好硬件电路后来实现变速积分。并在matlab6.5完毕对变速积分B仿真。关键词：PID控制算法；变速积分；matIab仿真AbstractSofar,thePIDisthemostcommoncontrolarithmetic.It,soneofthemostearlydevelopedcontrolstrategy,whichisappliedtotheindustryprocess.Itsstructureissimpleandeasytoimplement,however,thecontroleffectisper

5、fect.Thephysicalparametersis,meaningof,theoreticalanalysisofsystemisintegrity,anditisfamiliarbytheengineeringsector,whichintheindustrialprocesscontrolhasbeenwidelyused.Fortheactualneeds,agoodparameterPIDcontrollertuningmethodcannotonlyreducetheburdenonoperators,butalsomakethesystemrunningatbest.Ther

6、efore,thefixedPIDcontrollerparametertuningstudyhasimportantpracticalsignificance.InthetraditionalPIDcontrolalgorithm,theintegralcoefficientKlisconstantthroughouttheadjustmentprocess,theintegralgain.Butthesystemrequirementsfortheintegraltermisthesystemerrorislargeaswellasnolessintegralaction,andinthe

7、smalldeviationshouldbestrengthened.Otherwise,theintegralcoefficientwillhaveabigovershoot,orevenintegralsaturation,whicheverissmallerandthedelaytoeliminatestaticerror.ImprovedPIDalgorithmcaneffectivelychangethisbehavior.Theuseofvariable-speedintegrationcansolvethisproblem.Thecoursedesignisbasedonprin

8、ciplesofautomaticcontroltestbox(Model:TDN-ACS+),connectedactualhardwarecircuit.Afterachievingagoodconnectionspeedintegrationcircuithardware.,usematlab6.5tocompletethesimulationforvariable-speedintegration.Keyword:PIDcontrolalgorithm;variable-speedintegration;matlabsimulation第1章数字PlD及变速积分简介1.1数字PlD发展

9、简介：PID控制器以其构造简朴、稳定性好、工作可靠、调整以便而成为工业控制的重要技术之一。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。它具有轻易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，同步它原理简朴，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，许多先进控制措施不停推出，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。PlD控制器是有源校正装置，与无源校正装置相比，它具有构造简朴、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，它重要有如

10、下长处：(1)原理简朴，应用以便，参数整定灵活。(2)合用性强。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。.2PID控制器工作原理:1.2.1 模拟PID控制算法:图1经典模拟PlD构造框图如图1所示。PlD控制器是通加对误差信号e(t)进行比例、积分和微分运算，其成果附加权，得到控制器的输出u(t),该值就是控制对象的控制值。PlD控制涔日勺数学描述为:u(f)=K9式)+至卜必+丁才-(11)1.hca.式中，U一调整器的输出信号;6一调整器的偏出信号;Kp一比例系数;Ti一积分时间常数;Td一微分时间常数。1.2.2 数字式PID控制算法：在计算机控制系统中，使

11、用的是数字PID控制器，数字PlD控制算法一般又分为位置式PlD控制算法和增量式PlD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B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0采样时刻点kT代表持续时间t,以和式替代积分，以增量(一阶后插)替代微分，则可以作如下0近似变换：t=kT(k=0,l,2)tA(1-2)je(t)dtYe(jT)=TYje(j)0=de(t)e(kT)-e(k-l)Te(k)-e(k-l)dtT-T显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证

12、有足够日勺精度。为了书写以便，将e(kT)简化表达成e(k)等，即省去T。将式(22)代入式(21),可以得到离散的PID体现式为：rrykfTt(%)=Ke(A:)+-1)(1-3)Tl；=0T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J偏差值;e(k-l)第k-1次采样时刻输入J偏差值；Ki积分系数，Ki=KpTZTi;Kd一微分系数，Kd=tdt01.3变速积分简介:变速积分作为改善BPID算法之一，它的基本思想是设法变化积分项日勺累加速度，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

13、的累加速度与偏差大小对应，为此设一系数fe(k),它为e(k)函数，变速积分PID中积分项为：A-I,(1-4)fe(k)与目前偏差e(k)是线性或非线性关系，f值在O1区间变化/e()=.三AOe(k)B(A+B)(1-5)累加部分目前偏差e(K),偏差不小于上限，不累加;偏差不不小于下限，积分限完全累加；介于两者之中，引入变系数fe(k)(2)变速积分PID算法为：A-Iu(k)=kpe(k)+kiZea)+/e(Z)k%)卜T+砥e（八）-e(k-)(卜6)第2章系统分析与设计2. 1系统功能分析:2.1.1 对象整体分析:控制对象传递函数为GG)=50(0.25+1)(0.255+1)

14、极点：sl=4,s2=-5。选择将传递函数拆成2个一阶惯性环节，试验箱上用两个积分电路串联实现，如下图所示:图2运算关系：uo=-i+-Jui(Odt)(1_6)两级参数选择：第1级:R=50K,Rf=100K,C=3u;第2级：R=30K,Rf=240K,C=Iu经计算，可实现传递函数。整个系统的框图：图32.1.2 整定调整参数与系统开环增益:可用临界比例带法整定参数。设采样周期为50ms,先去掉微分与积分作用，只保留比例控制，增大K1.,直至系统等幅振，记下振荡周期Tl和振荡时所用比例值K,按如下公式整定参数。只用比例调整：KP=O.5KPU(P=KP=0.5KPu)用比例、积分调整(T

15、取0.2T)比例Kp=O.36KPu(即P=KP=O.36KPu)积分时间Tl=I.05T(即I=O.07KPU)用比例、积分、微分调整(T=l6Tu)比例KP=O.27KPU(即P=KP=O.27KPu)积分时间T1=O.4Tu(BP1=0.11Kpv)微分时间Td=0.22Tu(即D=O.36KPU)PlD系数不可过小，由于这会使计算机控制输出也较小，从而使系统量化误差变大，甚至有时控制器主线无输出而形成死区。这时可将模拟电路开环增益合适减小，而使PID系数变大。例：PlD三个系数都不不小于0.2,模拟电路开环增益可变为K5,PID系数则都对应增大5倍。另首先PID系数不可等于1,因此整个系统功率增益赔偿是由模拟电路实现。例如若想取PID=5.3,可取0.5300送入，模拟电路开环增益亦对应增大10倍。2.2计算机系统