單容水箱液位控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)課程設(shè)計(jì)(編輯修改稿)
2025-07-23 11:53 本頁(yè)面
【文章內(nèi)容簡(jiǎn)介】 P07圖 鍵盤(pán)模塊硬件原理圖 顯示模塊本設(shè)計(jì)采用三位 LED 顯示電路。即常用的七段顯示器件：半導(dǎo)體數(shù)碼管將十進(jìn)制數(shù)碼分成七個(gè)字段，每段為一發(fā)光二極管。半導(dǎo)體數(shù)碼管（或稱(chēng) LED 數(shù)碼管）的基本單元是 PN 結(jié)，目前較多采用磷砷化鎵做成的 PN 結(jié)，當(dāng)外加正向電壓時(shí)，就能發(fā)出清晰的光線。單個(gè) PN 結(jié)可以封裝成發(fā)光二極管，多個(gè) PN 結(jié)可以按分段式封裝成半導(dǎo)體數(shù)碼管。有動(dòng)態(tài)顯示和靜態(tài)顯示兩種。為了便于實(shí)時(shí)顯示，本設(shè)計(jì)采用動(dòng)態(tài)顯示。畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文第 4 章 軟件設(shè)計(jì) PID 算法數(shù)字 PID 控制是在實(shí)驗(yàn)研究和生產(chǎn)過(guò)程中采用最普遍的一種控制方法，在液位控制系統(tǒng)中也有著極其重要的控制作用。本章主要介紹 PID 控制的基本原理，液位控制系統(tǒng)中用到的數(shù)字 PID 控制算法及其具體應(yīng)用。一般，在控制系統(tǒng)中，控制器最常用的控制規(guī)律是 PID 控制。常規(guī) PID 控制系統(tǒng)原理框圖如圖 所示。系統(tǒng)由模擬 PID 控制器和被控對(duì)象組成。積分比例微分被控對(duì)象u(t)e(t)r(t) c(t)圖 PID 控制系統(tǒng)原理框圖PID 控制器是一種線性控制器，它是根據(jù)給定值 r(t)與實(shí)際輸出值 c(t)構(gòu)成控制偏差 e(t)=r(t)c(t) (41)將偏差的比例（P） 、積分（I）和微分（D）通過(guò)線性組合可以構(gòu)成控制量，對(duì)被控對(duì)象進(jìn)行控制，故稱(chēng) PID 控制器。它的控制規(guī)律為 (42)0()1()()()tDPITdetutKet?????????寫(xiě)成傳遞函數(shù)形式為 (43)())PDIUsGsE式中 ——比例系數(shù)；PK ——積分時(shí)間常數(shù)；IT ——微分時(shí)間常數(shù)；D從系統(tǒng)的穩(wěn)定性、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)態(tài)精度等各方面來(lái)考慮，PID 控制器各校正環(huán)節(jié)的作用如下：比例環(huán)節(jié) 畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文用于加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，提高系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。 越大，系統(tǒng)的響應(yīng)速度越快，PK系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度越高，但易產(chǎn)生超調(diào)，甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。 取值過(guò)小，則會(huì)P降低調(diào)節(jié)精度，使響應(yīng)速度緩慢，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)時(shí)間，使系統(tǒng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)特性變壞。積分環(huán)節(jié) 主要用來(lái)消除系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。 越小，系統(tǒng)的靜態(tài)誤差消除越快，但 過(guò)小，ITIT在響應(yīng)過(guò)程的初期會(huì)產(chǎn)生積分飽和現(xiàn)象，從而引起響應(yīng)過(guò)程的較大超調(diào)。若 過(guò)大，將使系統(tǒng)靜態(tài)誤差難以消除，影響系統(tǒng)的調(diào)節(jié)精度。微分環(huán)節(jié) 能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，其作用主要是在響應(yīng)過(guò)程中抑制偏差向任何方向的變化，對(duì)偏差變化進(jìn)行提前預(yù)報(bào)。但 過(guò)大，會(huì)使響應(yīng)過(guò)程提前制動(dòng)，從而延長(zhǎng)調(diào)節(jié)DT時(shí)間，而且會(huì)降低系統(tǒng)的抗干擾性能。 位置式 PID 控制系統(tǒng) 由于計(jì)算機(jī)控制是一種采樣控制，它只能根據(jù)采樣時(shí)刻的偏差值計(jì)算控制量，因此式（42 ）中的積分和微分項(xiàng)不能直接使用，需要進(jìn)行離散化處理。按模擬 PID控制算法的算式（32） ，現(xiàn)以一系列的采樣時(shí)刻點(diǎn) kT 代表連續(xù)時(shí)間 t，以和式代替積分，以增量代替微分，則可作如下近似變換： （44）000(,12))(()([]1)kktjjTedeTet??? ?? ??? ???? ?? ????式中 T——采樣周期。 顯然，上述離散化過(guò)程中，采用周期 T 必須足夠短，才能保證有足夠的精度。為書(shū)寫(xiě)方便，將 e(kT)簡(jiǎn)化表示成 e(k)等，即省去 將式（44）代入式（42） ，可O得離散的 PID 表達(dá)式為 （45）??0()()()()1)kDPjIukKeekeT???????????或 （46）0()()()())kPIDjK?式中 k——采樣序號(hào)， ；,12?u(k)——第 k 次采樣時(shí)刻的計(jì)算機(jī)輸出值；e(k)——第 k 次采樣時(shí)刻輸入的偏差值；畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文e(k1)——第(k1)次采樣時(shí)刻輸入的偏差值； ——積分系數(shù)， ；IK/IPIKT?——微分系數(shù)， ；DD由 z 變換的性質(zhì) 1[()]()zekzE?0j??式（46）的 z 變換式為 （47）11()()()[()()]PIDzUKEKz????由式（47）便可得到數(shù)字 PID 控制器的 z 傳遞函數(shù)為 （48）11() ()IPzGz??或者 （49）1121()[()()]PIDzKKz?????數(shù)字 PID 控制器如圖 所示。圖 數(shù)字 PID 控制器的結(jié)構(gòu)圖由于計(jì)算機(jī)輸出的 u(k)直接去控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)（如出水閥門(mén)） ，u(k)的值和執(zhí)行機(jī)構(gòu)的位置（如閥門(mén)開(kāi)度）是一一對(duì)應(yīng)的，所以通常稱(chēng)式（45）或式（46）為位置式 PID 控制算法。P1/()IKz?1DU(z)u(k)E(z)e(k)畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 圖 位置式 PID 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖這種算法的缺點(diǎn)是，由于全量輸出，所以每次
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