第一篇：基于MATLAB的PID_控制器設(shè)計(jì)

基于MATLAB的PID 控制器設(shè)計(jì)

基于MATLAB的PID 控制器設(shè)計(jì)

一、PID控制簡(jiǎn)介

PID控制是最早發(fā)展起來(lái)的經(jīng)典控制策略, 是用于過(guò)程控制最有效的策略之一。由于其原理簡(jiǎn)單、技術(shù)成，在實(shí)際應(yīng)用中較易于整定, 在工業(yè)控制中得到了廣泛的應(yīng)用。它最大的優(yōu)點(diǎn)是不需了解被控對(duì)象精確的數(shù)學(xué)模型,只需在線根據(jù)系統(tǒng)誤差及誤差的變化率等簡(jiǎn)單參數(shù), 經(jīng)過(guò)經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行調(diào)節(jié)器參數(shù)在線整定, 即可取得滿意的結(jié)果, 具有很大的適應(yīng)性和靈活性。

積分作用:可以減少穩(wěn)態(tài)誤差, 但另一方面也容易導(dǎo)致積分飽和, 使系統(tǒng)的超調(diào)量增大。

微分作用:可提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度, 但其對(duì)高頻干擾特別敏感, 甚至?xí)?dǎo)致系統(tǒng)失穩(wěn)。

所以, 正確計(jì)算控制器的參數(shù), 有效合理地實(shí)現(xiàn) PID控制器的設(shè)計(jì),對(duì)于PID 控制器在過(guò)程控制中的廣泛應(yīng)用具有重要的理論和現(xiàn)實(shí)意義。

在PID控制系統(tǒng)中, PID控制器分別對(duì)誤差信號(hào)e（t）進(jìn)行比例、積分與微分運(yùn)算, 其結(jié)果的加權(quán)和構(gòu)成系統(tǒng)的控制信號(hào)u（t），送給對(duì)象模型加以控制。PID控制器的數(shù)學(xué)描述為

其傳遞函數(shù)可表示為:

從根本上講, 設(shè)計(jì)PID控制器也就是確定其比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)T i 和微分系數(shù)T d , 這三個(gè)系數(shù)取值的不同, 決定了比例、積分和微分作用的強(qiáng)弱?？刂葡到y(tǒng)的整定就是在控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)已經(jīng)確定、控制儀表和控制對(duì)象等處在正常狀態(tài)的情況下, 適當(dāng)選擇控制器參數(shù)使控制儀表的特性和控制對(duì)象的特性相配合, 從而使控制系統(tǒng)的運(yùn)行達(dá)到最佳狀態(tài), 取得最好的控制效果。

二、MATLAB的 Ziegler-Nichols算法PID控制器設(shè)計(jì)。

1、PID控制器的Ziegler-Nichols參數(shù)整定

在實(shí)際的過(guò)程控制系統(tǒng)中, 有大量的對(duì)象模型可以近似地由一階模型

K-sLG(s)?e來(lái)表示。這個(gè)對(duì)象模型可以表示為

1?sT如果不能建立起系統(tǒng)的物理模型, 可通過(guò)試驗(yàn)測(cè)取對(duì)象模型的階躍響應(yīng), 從而得到模型參數(shù)。當(dāng)然, 我們也可在已知對(duì)象模型的情況下, 利用MATLAB，通過(guò)使用step()函數(shù)得到對(duì)象模型的開環(huán)階躍響應(yīng)曲線。在被控對(duì)象的階躍響應(yīng)中, 可獲取K、L 和 T參數(shù), 也可在MATLAB中由 dcgain()函數(shù)求取 K值。

2.在 MATLAB下實(shí)現(xiàn)PID 控制器的設(shè)計(jì)與仿真

已知被控對(duì)象的K、L 和T 值后, 我們可以根據(jù)Ziegler — Nichols整定公式編寫一 個(gè)MATLAB函數(shù)ziegler_std()用以設(shè)計(jì)PID控制器。該函數(shù)程序如下：

function [num,den,Kp,Ti,Td,H]=Ziegler_std(key,vars)Ti=[ ];Td=[ ];H=[ ];K=vars(1);L=vars(2);T=vars(3);a=K*L/T;if key==1

num=1/a;

%判斷設(shè)計(jì)P 控制器

elseif key==2

Kp=0.9/a;Ti=3.33*L;

%判斷設(shè)計(jì)PI 控制器

elseif key==3，Kp=1.2/a;Ti=2*L;Td=L/2;

%判斷設(shè)計(jì)PID控制器 end

switch key

case 1 num=Kp;den=1;

% P控制器

case 2 num=Kp*[Ti,1];den=[Ti,0];

% PI控制器

case 3

% PID控制器 p0=[Ti*Td,0,0];p1=[0,Ti,1];p2=[0,0,1];p3=p0+p1+p2;p4=Kp*p3;num=p4/Ti;den=[1,0];

end

由圖可知L和T 令??KL。在求得L 和α參數(shù)的情況下, 我們可通過(guò)表1中給出的Ziegler T— Nichols經(jīng)驗(yàn)公式確定 P、PI 和PID控制器的參數(shù)。

三、對(duì)某傳遞函數(shù)G(s)?1(s?1)3的控制

未加控制器的仿真： Simulink下的系統(tǒng)圖

仿真輸出圖形如下：

第一次測(cè)量

KLT=3.28 L=1.38 K=1 ??=0.42

TP控制

Kp=?1?=2.38 Simulink下的系統(tǒng)圖

仿真輸出圖形如下：

峰值時(shí)間tp=4.15s,峰值為0.9518 上升時(shí)間td=2.953s 調(diào)節(jié)時(shí)間ts=14.4s

PI控制

Kp=?0.9?=2.14

Ti=3.33L=4.60

Simulink下的系統(tǒng)圖:

仿真后的輸出曲線為:

峰值時(shí)間tp=4.48s,峰值1.019s 上升時(shí)間td=3.783s 調(diào)節(jié)時(shí)間ts=25.486s PID控制

LKp=?=2.85 Ti=2L=2.76 Td=?=0.69 ?2Simulink下的系統(tǒng)圖 1.2

仿真后的輸出曲線為：

峰值時(shí)間tp=4.028s峰值1.077 上升時(shí)間td=3.565s 調(diào)節(jié)時(shí)間ts=28.50s

第二次測(cè)量

KLT=3.51 L=1.23 k=1 ??=0.35

TP控制, Kp=1?=2.86 Simulink下的系統(tǒng)圖:

仿真后的輸出曲線為：

峰值時(shí)間tp=3.685s峰值1.025 上升時(shí)間td=2.834s 調(diào)節(jié)時(shí)間ts=25.70s PI控制圖如下：

Kp=?0.9?=2.57

Ti=3.33L=4.10

Simulink下的系統(tǒng)圖:

仿真后的輸出曲線為：

峰值時(shí)間tp=4.197s峰值1.104 上升時(shí)間td=3.324s 調(diào)節(jié)時(shí)間ts=27.06s PID控制

Kp=?1.2?=2.757

Ti=2L=0.262 Td=?L=0.0655 2Simulink下的系統(tǒng)圖

仿真后的輸出曲線為：

峰值時(shí)間tp=4.002s峰值1.169 上升時(shí)間td=3.023s 調(diào)節(jié)時(shí)間ts=22.26s

四、控制方案的選擇：對(duì)于開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?1(s?1)3的系統(tǒng)，經(jīng)過(guò)兩次測(cè)量，并分別進(jìn)行P，PI，PID控制發(fā)現(xiàn)比例P控制有較好的動(dòng)態(tài)和穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)。取兩次測(cè)量平均值K=1，L=1.305，T=3.40，則??KL=0.383 T

五、由實(shí)驗(yàn)過(guò)程和仿真結(jié)果對(duì)P、PI、PID控制的優(yōu)劣性比較 比例（P）控制

單獨(dú)的比例控制也稱“有差控制”，輸出的變化與輸入控制器的偏差成比例關(guān)系，偏差越大輸出越大。實(shí)際應(yīng)用中，比例度的大小應(yīng)視具體情況而定，比例度太大，控制作用太弱，不利于系統(tǒng)克服擾動(dòng)，余差太大，控制質(zhì)量差，也沒有什么控制作用；比例度太小，控制作用太強(qiáng)，容易導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)定性變差，引發(fā)振蕩。

對(duì)于反應(yīng)靈敏、放大能力強(qiáng)的被控對(duì)象，為提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性，應(yīng)當(dāng)使比例度稍大些；而對(duì)于反應(yīng)遲鈍，放大能力又較弱的被控對(duì)象，比例度可選小一些，以提高整個(gè)系統(tǒng)的靈敏度，也可以相應(yīng)減小余差。

單純的比例控制適用于擾動(dòng)不大，滯后較小，負(fù)荷變化小，要求不高，允許有一定余差存在的場(chǎng)合。工業(yè)生產(chǎn)中比例控制規(guī)律使用較為普遍。比例積分（PI）控制

比例控制規(guī)律是基本控制規(guī)律中最基本的、應(yīng)用最普遍的一種，其最大優(yōu)點(diǎn)就是控制及時(shí)、迅速。只要有偏差產(chǎn)生，控制器立即產(chǎn)生控制作用。但是，不能最終消除余差的缺點(diǎn)限制了它的單獨(dú)使用?？朔嗖畹霓k法是在比例控制的基礎(chǔ)上加上積分控制作用。

積分控制器的輸出與輸入偏差對(duì)時(shí)間的積分成正比。這里的“積分”指的是“積累”的意思。積分控制器的輸出不僅與輸入偏差的大小有關(guān)，而且還與偏差存在的時(shí)間有關(guān)。只要偏差存在，輸出就會(huì)不斷累積（輸出值越來(lái)越大或越來(lái)越?。?，一直到偏差為零，累積才會(huì)停止。所以，積分控制可以消除余差。積分控制規(guī)律又稱無(wú)差控制規(guī)律。

積分時(shí)間的大小表征了積分控制作用的強(qiáng)弱。積分時(shí)間越小，控制作用越強(qiáng)；反之，控制作用越弱。

積分控制雖然能消除余差，但它存在著控制不及時(shí)的缺點(diǎn)。因?yàn)榉e分輸出的累積是漸進(jìn)的，其產(chǎn)生的控制作用總是落后于偏差的變化，不能及時(shí)有效地克服干擾的影響，難以使控制系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。所以，實(shí)用中一般不單獨(dú)使用積分控制，而是和比例控制作用結(jié)合起來(lái)，構(gòu)成比例積分控制。這樣取二者之長(zhǎng)，互相彌補(bǔ)，既有比例控制作用的迅速及時(shí)，又有積分控制作用消除余差的能力。因此，比例積分控制可以實(shí)現(xiàn)較為理想的過(guò)程控制。

比例積分控制器是目前應(yīng)用最為廣泛的一種控制器，多用于工業(yè)生產(chǎn)中液位、壓力、流量等控制系統(tǒng)。由于引入積分作用能消除余差，彌補(bǔ)了純比例控制的缺陷，獲得較好的控制質(zhì)量。但是積分作用的引入，會(huì)使系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。對(duì)于有較大慣性滯后的控制系統(tǒng)，要盡量避免使用。比例積分微分（PID）控制

最為理想的控制當(dāng)屬比例-積分-微分控制規(guī)律。它集三者之長(zhǎng)：既有比例作用的及時(shí)迅速，又有積分作用的消除余差能力，還有微分作用的超前控制功能。

當(dāng)偏差階躍出現(xiàn)時(shí)，微分立即大幅度動(dòng)作，抑制偏差的這種躍變；比例也同時(shí)起消除偏差的作用，使偏差幅度減小，由于比例作用是持久和起主要作用的控制規(guī)律，因此可使系統(tǒng)比較穩(wěn)定；而積分作用慢慢把余差克服掉。只要三個(gè)作用的控制參數(shù)選擇得當(dāng)，便可充分發(fā)揮三種控制規(guī)律的優(yōu)點(diǎn)，得到較為理想的控制效果。

PID控制中的積分作用可以減少穩(wěn)態(tài)誤差, 但另一方面也容易導(dǎo)致積分飽和, 使系統(tǒng)的超調(diào)量增大。

六、參考文獻(xiàn)

張德豐編著、MATLAB控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與仿真、電子工業(yè)出版社、2009.6 胡壽松主編、自動(dòng)控制原理（第五版）、科學(xué)出版社、2007

七、心得體會(huì)

我覺得學(xué)習(xí)MATLAB是不容易的，這是一件需要持之以恒的事，必須要堅(jiān)持不懈的學(xué)習(xí)，還需要敢于開口向別人請(qǐng)教，更需要我們勤于思考，勤于動(dòng)手，勤于記憶。程序設(shè)計(jì)是實(shí)踐性很強(qiáng)的事情，需要我們親自動(dòng)手實(shí)際操作設(shè)計(jì)程序，熟悉MATLAB的操作環(huán)境，這對(duì)提高我們操作能力非常有效。

在這幾天時(shí)間里，我僅僅學(xué)了一些皮毛，在編程過(guò)程中遇見許多問(wèn)題，例如對(duì)工具欄了解不夠，導(dǎo)致一些操作很混亂，對(duì)程序的運(yùn)行，修改，添加往往是繁瑣的，后來(lái)經(jīng)過(guò)看書查閱資料有了基本了解，但是還是沒有熟練掌握。雖然有的題目對(duì)我們來(lái)說(shuō)還是有些難度的，但是在經(jīng)過(guò)坎坎坷坷之后下我還是編出程序的，當(dāng)我看到自己編的程序運(yùn)行正確時(shí)，總是會(huì)萬(wàn)分的興奮，充滿成就感。雖然不能十分熟悉和運(yùn)用MATLAB的所有程序，但是我們卻打下了一定的基礎(chǔ)，想要進(jìn)一步學(xué)習(xí)，還需要我在以后的實(shí)際應(yīng)用里不斷學(xué)習(xí)，改進(jìn)自己不足之處，讓自己有所進(jìn)步，有所成長(zhǎng)。

第二篇：基于傳遞函數(shù)的控制器設(shè)計(jì)

【實(shí)驗(yàn)名稱】

基于傳遞函數(shù)的控制器設(shè)計(jì)

【實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?/p>

1．熟練掌握用MATLAB語(yǔ)句繪制頻域曲線。2．掌握控制系統(tǒng)頻域范圍內(nèi)的分析校正方法。

3．掌握用頻率特性法進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)的思路和步驟?！緦?shí)驗(yàn)原理】

控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)的思路之一就是在原系統(tǒng)特性的基礎(chǔ)上，對(duì)原特性加以校正，使之達(dá)到要求的性能指標(biāo)。最常用的經(jīng)典校正方法有根軌跡法和頻域法。而常用的串聯(lián)校正裝置有超前校正、滯后校正和超前滯后校正裝置。本實(shí)驗(yàn)主要討論在MATLAB環(huán)境下進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)。

1．基于頻率法的串聯(lián)超前校正

超前校正裝置的主要作用是通過(guò)其相位超前效應(yīng)來(lái)改變頻率響應(yīng)曲線的形狀，產(chǎn)生足夠大的相位超前角，以補(bǔ)償原來(lái)系統(tǒng)中元件造成的過(guò)大的相位滯后。因此校正時(shí)應(yīng)使校正裝置的最大超前相位角出現(xiàn)在校正后系統(tǒng)的開環(huán)截止頻率?c處。

例9-1：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?K，試確定串聯(lián)校正

s(s?1)裝置的特性，使系統(tǒng)滿足在斜坡函數(shù)作用下系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差小于0.1，相角裕度r?450。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

1s2k1?s(s?1)ess?LimsE(s)?Lims?s?0s?0?0.1?K?10

取K?12，求原系統(tǒng)的相角裕度。>>num0=12;

den0=[2,1,0];

w=0.1:1000;[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);

[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

%計(jì)算系統(tǒng)的相角裕度和幅值裕度，并繪制出Bode圖

grid;ans =

Inf

11.6548

Inf

2.4240 由結(jié)果可知，原系統(tǒng)相角裕度r?11.6，?c?2.4rad/s，不滿足指標(biāo)要求，系

0統(tǒng)的Bode圖如圖9-1所示?？紤]采用串聯(lián)超前校正裝置，以增加系統(tǒng)的相角裕度。

確定串聯(lián)裝置所需要增加的超前相位角及求得的校正裝置參數(shù)。

?c????0??(??450,?0為原系統(tǒng)的相角裕度,?取50,令?m??c)

??1?sin?m

1?sin?me=5;r=45;r0=pm1;phic=(r-r0+e)*pi/180;alpha=(1+sin(phic))/(1-sin(phic));將校正裝置的最大超前角處的頻率?m作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率?c。則有：

20lgGc(j?c)G0(j?c)?0?G0(j?c)?圖9-1 原系統(tǒng)的Bode圖

1?

即原系統(tǒng)幅頻特性幅值等于?20lg?時(shí)的頻率，選為?c。

根據(jù)?m=?c，求出校正裝置的參數(shù)T。即T? [il,ii]=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha)));wc=w(ii);T=1/(wc*sqrt(alpha));numc=[alpha*T,1];denc=[T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);

%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

1?c?。[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-2 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖 2．基于頻率法的串聯(lián)滯后校正

滯后校正裝置將給系統(tǒng)帶來(lái)滯后相角。引入滯后裝置的真正目的不是為了提供一個(gè)滯后相角，而是要使系統(tǒng)增益適當(dāng)衰減，以便提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)精度。

滯后校正的設(shè)計(jì)主要是利用它的高頻衰減作用，降低系統(tǒng)的截止頻率，以便能使得系統(tǒng)獲得充分的相位裕量。

例5-2：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為，G(s)?K

s(0.1s?1)(0.2s?1)試確定串聯(lián)校正裝置的特性，使校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)等于30/s，相角裕度r?400，幅值裕量不小于10dB，截止頻率不小于2.3rad/s。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?Lims?s?0s?0K?30?K?30

s(0.1s?1)(0.2s?1)利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度。

>>num0=30;

den0=conv([1,0],conv([0.1,1],[0.2,1]));

w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

ans =

0.5000-17.2390 7.0711

9.7714 由結(jié)果可知，原系統(tǒng)不穩(wěn)定，且截止頻率遠(yuǎn)大于要求值。系統(tǒng)的Bode圖如圖5-3所示，考慮采用串聯(lián)超前校正無(wú)法滿足要求，故選用滯后校正裝置。

根據(jù)對(duì)相位裕量的要求，選擇相角為???1800????(??50~100,??400)處的頻率作為校正后系統(tǒng)的截止頻率?c。確定原系統(tǒng)在新?c處的幅值衰減到0dB時(shí)所需的衰減量為?20lg?。一般取校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率分別為

圖9-3 原系統(tǒng)的Bode圖

1111?(~)?c和。T510?Te=10;r=40;r0=pm1;phi=(-180+r+e);[il,ii]=min(abs(phase1-phi));

wc=w(ii);beit=mag1(ii);T=10/wc;

numc=[ T,1];denc=[ beit*T,1];

[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);

printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-4 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖

3．基于頻率法的串聯(lián)滯后-超前校正

滯后-超前校正裝置綜合了超前校正和滯后校正的優(yōu)點(diǎn)，從而改善了系統(tǒng)的性能。

例9-3：?jiǎn)挝环答佅到y(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?K，若要求

s(s?1)(0.4s?1)相角裕度r?450，幅值裕量大于10dB，Kv?10(1/s)，試確定串聯(lián)校正裝置的特性。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?K?10

s?0利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如圖5-5所示。>>num0=10;

den0=conv([1,0],conv([1,1],[0.4,1]));w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

ans = 0.3500-24.1918 1.5811 2.5520

圖9-5 原系統(tǒng)的Bode圖

由結(jié)果可以看出，單級(jí)超前裝置難以滿足要求，故設(shè)計(jì)一個(gè)串聯(lián)滯后-超前裝置。

選擇原系統(tǒng)?1800的頻率為新的截止頻率?c，則可以確定滯后部分的T2和?。其中

111，??10。由原系統(tǒng)，?c?1.58rad/s，此時(shí)的幅值為??c?T2?T2100.1?c9.12dB。

根據(jù)校正后系統(tǒng)在新的幅值交接頻率處的幅值必須為0dB，確定超前校正部分的T1。在原系統(tǒng)(?c,?20lgG0(j?c))，即（1.58,-9.12）處畫一條斜率為20dB/dec的直線，此直線與0dB線及-20dB線的交點(diǎn)分別為超前校正部分的兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率。

wc=1.58;beit=10;T2=10/wc;lw=20*log10(w/1.58)-9.12;[il,ii]=min(abs(lw+20));

w1=w(ii);numc1=[1/w1,1];denc1=[1/(beit*w1),1];numc2=[ T2,1];denc2=[ beit*T2,1];[numc,denc]=series(numc1,denc1,numc2,denc2);[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);printsys(numc,denc)

disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);[mag,phase]=bode(num,den,w);

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);

grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

圖9-6 系統(tǒng)校正前后的傳遞函數(shù)及Bode圖

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1．某單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?4，試設(shè)計(jì)一超前

s(s?1)校正裝置，使校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數(shù)Kv?20s?1，相位裕量??500，增益裕量20lgKg?10dB。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

Kv?LimsG(s)?4K?20?K?5

s?0利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如下圖所示。>>num0=[20];

den0=[1 1 0];w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

ans =

Inf

12.7580

Inf

4.4165

0由結(jié)果可知，原系統(tǒng)相角裕度r?12.758，?c?4.4165rad/s，不滿足指標(biāo)要求，系統(tǒng)的Bode圖如下圖所示?？紤]采用串聯(lián)超前校正裝置，以增加系統(tǒng)的相角裕度。

確定串聯(lián)裝置所需要增加的超前相位角及求得的校正裝置參數(shù)。

?c????0??(??450,?0為原系統(tǒng)的相角裕度,?取100,令?m??c)

??1?sin?m

1?sin?me=10;r=50;r0=pm1;phic=(r-r0+e)*pi/180;alpha=(1+sin(phic))/(1-sin(phic));將校正裝置的最大超前角處的頻率?m作為校正后系統(tǒng)的剪切頻率?c。則有：

20lgGc(j?c)G0(j?c)?0?G0(j?c)?1?

即原系統(tǒng)幅頻特性幅值等于?20lg?時(shí)的頻率，選為?c。

根據(jù)?m=?c，求出校正裝置的參數(shù)T。即T?1?c?。

[il,ii]=min(abs(mag1-1/sqrt(alpha)));wc=w(ii);T=1/(wc*sqrt(alpha));numc=[alpha*T,1];denc=[T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);

%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度

printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù)

disp('校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:');printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

num/den =

0.32589 s + 1

----------------

0.06387 s + 1 校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:

num/den =

6.5178 s + 20

-----

0.06387 s^3 + 1.0639 s^2 + s

2．某單位負(fù)反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)?k，試設(shè)計(jì)一個(gè)合3(s?1)適的滯后校正網(wǎng)絡(luò)，使系統(tǒng)階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)誤差約為0.04，相角裕量約為450。

解：根據(jù)系統(tǒng)靜態(tài)精度的要求，選擇開環(huán)增益

1sk1?(s?1)3ess?LimsE(s)?Lims?s?0s?0?0.04?K?24

利用MATLAB繪制原系統(tǒng)的bode圖和相應(yīng)的穩(wěn)定裕度，如圖下所示。>>num0=24;

den0=conv([1,1],conv([1,1],[1,1]));w=logspace(-1,1.2);[gm1,pm1,wcg1,wcp1]=margin(num0,den0);[mag1,phase1]=bode(num0,den0,w);[gm1,pm1,wcg1,wcp1] margin(num0,den0)

grid;

由結(jié)果可知，原系統(tǒng)不穩(wěn)定。系統(tǒng)的Bode圖如圖所示，考慮采用串聯(lián)超前校正無(wú)法滿足要求，故選用滯后校正裝置。

根據(jù)對(duì)相位裕量的要求，選擇相角為???1800????(??50~100,??400)處的頻率作為校正后系統(tǒng)的截止頻率?c。確定原系統(tǒng)在新?c處的幅值衰減到0dB時(shí)所需的衰減量為?20lg?。一般取校正裝置的轉(zhuǎn)折頻率分別為1111?(~)?c和。T510?Te=10;r=45;r0=pm1;phi=(-180+r+e);[il,ii]=min(abs(phase1-phi));wc=w(ii);beit=mag1(ii);T=10/wc;numc=[ T,1];denc=[ beit*T,1];[num,den]=series(num0,den0,numc,denc);%原系統(tǒng)與校正裝置串聯(lián)

[gm,pm,wcg,wcp]=margin(num,den);%返回系統(tǒng)新的相角裕度和幅值裕度 printsys(numc,denc)

%顯示校正裝置的傳遞函數(shù) disp(’校正之后的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為:’);printsys(num,den)

%顯示系統(tǒng)新的傳遞函數(shù)

[mag2,phase2]=bode(numc,denc,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)校正裝置的相角范圍和幅值范圍

[mag,phase]=bode(num,den,w);%計(jì)算指定頻率內(nèi)系統(tǒng)新的相角范圍和幅值范圍

subplot(2,1,1);semilogx(w,20*log10(mag),w,20*log10(mag1),’--’,w,20*log10(mag2),’-.’);grid;

ylabel(’幅值(db)’);

title(’--Go,-Gc,GoGc’);subplot(2,1,2);

semilogx(w,phase,w,phase1,’--’,w,phase2,’-’,w,(w-180-w),’:’);grid;

ylabel(’相位(0)’);xlabel(’頻率(rad/sec)’);title([‘校正前：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm1)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm1),’0’;’校正后：幅值裕量=’,num2str(20*log10(gm)),’db’,’相位裕量=’,num2str(pm),’0’]);

第三篇：數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)

數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)任務(wù)：

設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

設(shè)計(jì)數(shù)字PID控制器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.1，超調(diào)量不大于20%，調(diào)節(jié)時(shí)間不大于0.5s。采用增量算法實(shí)現(xiàn)該P(yáng)ID控制器。

具體要求：

1.采用Matlab完成控制系統(tǒng)的建立、分析和模擬仿真，給出仿真結(jié)果。

2.設(shè)計(jì)報(bào)告內(nèi)容包含數(shù)字PID控制器的設(shè)計(jì)步驟、Matlab仿真的性能曲線、采樣周期T的選擇、數(shù)字控制器脈沖傳遞函數(shù)和差分方程形式。

3.設(shè)計(jì)工作小結(jié)和心得體會(huì)。4.列出所查閱的參考資料。

數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)報(bào)告

一、設(shè)計(jì)目的 了解數(shù)字PID控制算法的實(shí)現(xiàn)；

掌握PID控制器參數(shù)對(duì)控制系統(tǒng)性能的影響；

能夠運(yùn)用MATLAB/Simulink 軟件對(duì)控制系統(tǒng)進(jìn)行正確建模并對(duì)模塊進(jìn)行正確的參數(shù)設(shè)置；

加深對(duì)理論知識(shí)的理解和掌握； 5 掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)方法。

二、設(shè)計(jì)要求

1采用增量算法實(shí)現(xiàn)該P(yáng)ID控制器。

2熟練掌握PID設(shè)計(jì)方法及MATLAB設(shè)計(jì)仿真。

三、設(shè)計(jì)任務(wù)

設(shè)單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：

設(shè)計(jì)數(shù)字PID控制器，使系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差不大于0.1，超調(diào)量不大于20%，調(diào)節(jié)時(shí)間不大于0.5s。采用增量算法實(shí)現(xiàn)該P(yáng)ID控制器。

四、設(shè)計(jì)原理

1.數(shù)字PID原理結(jié)構(gòu)框圖

2.增量式PID控制算法

?u?k??KPe?k??KI?e?i??KD??e?k??e?k?1??i?0?

=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)] =u(k-1)+(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)所以Δu(k)=u(k)-u(k-1)

=Kp[e(k)-e(k-1)]+Kie(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)]

=(Kp+Ki+Kd)e(k)-(Kp+2Kd)e(k-1)+Kde(k-2)整理：

Δu(k)= Ae(k)-Be(k-1)+Ce(k-2)A= Kp+Ki+Kd

B=-(Kp+2Kd)C=Kd

五、Matlab仿真選擇數(shù)字PID參數(shù)

（擴(kuò)充臨界比例度法/擴(kuò)充響應(yīng)曲線法 具體整定步驟）

利用擴(kuò)充臨界比例帶法選擇數(shù)字PID參數(shù)，擴(kuò)充臨界比例帶法是以模擬PID調(diào)節(jié)器中使用的臨界比例帶法為基礎(chǔ)的一種數(shù)字PID參數(shù)的整定方法。其整定步驟如下：； 1)選擇合適的采樣周期T；

2)在純比例的作用下,給定輸入階躍變化時(shí),逐漸加大比例作用Kp(即減小比例帶?),直至系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩,記錄比例增益Kc,及振蕩周期Tc。Kc成 為臨界振蕩比例增益(對(duì)應(yīng)的臨界比例帶?),Tc成為臨界振蕩周期。

=1/150S^3+6/25S^2+37/30S+1 在MATLAB下輸入如下程序：

num=[1];

den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[20:2:45];for i=1:length(p)

Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid

title('Kp變化時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：

調(diào)整參數(shù)：p=[35:2:45] 程序如下： num=[1];

den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[35:2:45];for i=1:length(p)

Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid title('Kp變化時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：

由圖像可知：當(dāng)Kp在40~45之間時(shí)，系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)等幅振蕩。為進(jìn)一步得到準(zhǔn)確的Kp，調(diào)整程序參數(shù)p=[40:1:45]，程序如下： num=[1];

den=[1/150,6/25,37/30,1];sys=tf(num,den);p=[40:1:45];for i=1:length(p)

Gc=feedback(p(i)*sys,1);step(Gc)hold on end;grid

title('Kp變化時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線')axis([0,3,0,2.3])仿真階躍響應(yīng)如下圖：

由圖像進(jìn)一步精確得Kc約為43時(shí)，系統(tǒng)出現(xiàn)等幅震蕩，震蕩周期Tc約為0.5s。

擴(kuò)充臨界比例帶法選擇數(shù)字PID參數(shù)的計(jì)算公式如下表所示：

3）選擇控制度?？刂贫鹊亩x為數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)所對(duì)應(yīng)的過(guò)度過(guò)程的誤差平方積分之比，即控制度=?0??2eDdt?0edt2式中，eD為數(shù)字調(diào)節(jié)器的控制誤差;e為模擬調(diào)節(jié)器的控制誤差.當(dāng)控制度為1.05時(shí),數(shù)字調(diào)節(jié)器魚模擬調(diào)節(jié)器的控制效果相當(dāng);當(dāng)控制度為2時(shí),數(shù)字調(diào)節(jié)器比模擬調(diào)節(jié)器的控制效果差一倍；在此選控制度為1.05。按選擇的控制度指標(biāo)及Tc,Kc實(shí)驗(yàn)測(cè)得值,由查表選擇相應(yīng)的計(jì)算公式計(jì)算采樣周期：T=0.007，Kp=27，Ti=0.245，Td=0.07;KI?KiT?KPT=0.77，KD?Kd?KPTD=270，Ki=0.23

TITTTc=0.5 則T=Tc*0.014=0.5*0.014=0.007;

Kp=Kc*0.63=43*0.63=27.09;

Ti=Tc*0.49=0.5*0.49=0.245;

Td=Tc*0.14=0.5*0.14=0.07;

Kp=27.09;

Ki=Kp*T/Ti=27.09*0.007/0.245=0.774;

Kd=Kp*Td/T=27.09*0.07/0.007=270.09;

六、Matlab/Simulink 控制系統(tǒng)建模 1.控制器

ΔU(Z)=(Kp+Ki+Kd)E(Z)-(Kp+2Kd)/Z*E(Z)+Kd/Z^2*E(Z)則D(Z)=ΔU(Z)/E(Z)=(Kp+Ki+Kd)-(Kp+2Kd)/Z+Kd/Z^2 =[(Kp+Ki+Kd)Z^2-(Kp+2Kd)Z+Kd]/Z^2 2.仿真模型圖

將 Kp=27.09;

Ki=Kp*T/Ti=27.09*0.007/0.245=0.774;

Kd=Kp*Td/T=27.09*0.07/0.007=270.09帶入，得：

Kp+Ki+Kd=27.09+0.774+270.09=297.95 Kp+2Kd=27.09+2*270.09=567.27 Kd=270.09

即D(Z)=[297.95*Z^2-567.27*Z+270.09]/Z^2

G0(S)=43/[0.00667S^3+0.24S^2+1.2333S+1] 3.輸出階躍響應(yīng)曲線

Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：

4、試湊法微調(diào)參數(shù) 由階躍響應(yīng)圖像可得：

Y(∞）=0.96，則穩(wěn)態(tài)誤差Ess=1-0.96=0.04 超調(diào)量

=（1.1-0.96）/0.96*100%=14.6% 調(diào)整時(shí)間Ts=0.27s

系統(tǒng)有少量的穩(wěn)態(tài)誤差，則適當(dāng)增大KI參數(shù)，使得KI參數(shù)由0.774變?yōu)?.774；

Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：

由圖像可知：此時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差Ess減為1-0.98=0.02，超調(diào)量=(1.1-1)/1*100%=10%,調(diào)整時(shí)間減少為Ts=0.15s，但該曲線不夠平滑，調(diào)整：Kp=36.08，Ki=2.770，Kd=270.08，降低傳遞函數(shù)的K值為36

Scope中得到階躍響應(yīng)曲線如下所示：

此時(shí)穩(wěn)態(tài)誤差幾乎為0，調(diào)整時(shí)間Ts為0.3s，超調(diào)量為(1.05-1)/1*100%=5%,基本符合要求

5.最終PID參數(shù)及輸出響應(yīng)曲線 當(dāng)Kp=36.08 Ki=2.770 Kd=270.08時(shí)

最終輸出階躍響應(yīng)曲線為：

七、設(shè)計(jì)心得體會(huì)

通過(guò)這次設(shè)計(jì)，重新認(rèn)識(shí)了計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的數(shù)字PID控制，基本掌握了數(shù)字PID控制的基本規(guī)律，也認(rèn)識(shí)到計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的復(fù)雜性，檢驗(yàn)了我所學(xué)的知識(shí)，體會(huì)了控制系統(tǒng)三大指標(biāo)“穩(wěn)，準(zhǔn)，快”的意義.加深了我對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)的了解，同時(shí)也對(duì)比例、積分、微分控制有了更進(jìn)一步的認(rèn)識(shí)。

比例系數(shù)的加大，將使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，在系統(tǒng)穩(wěn)定的前提下，加大比例系數(shù)可以減少穩(wěn)態(tài)誤差。但不能消除穩(wěn)態(tài)誤差。積分控制通常影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性，有助于消除穩(wěn)態(tài)誤差，提高系統(tǒng)的控制精度。而微分作用的增加則可以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，但也可能降低系統(tǒng)的抗干擾能力。比例+積分控制器可以使系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。而比例+微分控制器能改善系統(tǒng)在調(diào)節(jié)過(guò)程中的動(dòng)態(tài)特性。

這次設(shè)計(jì)過(guò)程讓我們把理論知識(shí)付諸于實(shí)踐，這對(duì)以后的學(xué)習(xí)帶來(lái)了更大的 幫助!

八、參考文獻(xiàn)

1．陳懷琛.MATLAB及在電子信息課程中的應(yīng)用.北京：電子工業(yè)出版社，2009 2．趙廣元.MATLAB與控制系統(tǒng)仿真實(shí)踐.北京：北京航空航天大學(xué)出版社，2009

第四篇：路燈控制器設(shè)計(jì)報(bào)告

路燈控制器的設(shè)計(jì)

一.設(shè)計(jì)任務(wù)和要求

設(shè)計(jì)要求：

1、自制電路供電的穩(wěn)壓電源；

2、LED采用恒流供電。

3、該控制器具有環(huán)境亮度檢測(cè)和控制功能，當(dāng)處于暗（亮）環(huán)境下能夠自動(dòng)開（關(guān)）燈，為了演示方便，在現(xiàn)場(chǎng)演示時(shí)，當(dāng)調(diào)光臺(tái)燈（模擬自然光）較暗（較亮）時(shí)相當(dāng)于暗環(huán)境（亮環(huán)境），此時(shí)另一個(gè)白光LED（模擬路燈）將被點(diǎn)亮（熄滅），以此實(shí)現(xiàn)光控功能。

二.方案說(shuō)明

安裝在公共場(chǎng)所或道路兩旁的路燈，通常是隨環(huán)境的亮和暗而自動(dòng)的關(guān)斷和開啟或者自身亮度，同時(shí)可以對(duì)消耗的電功率進(jìn)行測(cè)量。實(shí)驗(yàn)時(shí)用1W白光LED（3.3V@300mA）代替路燈，用調(diào)光臺(tái)燈替代環(huán)境光線變化。

三.原理電路設(shè)計(jì)

1.單元電路設(shè)計(jì).本光控路燈包括

(1)光敏采樣部分,當(dāng)光敏三極管處于不同光照強(qiáng)度下,它的阻值變化很大.將光敏三極管串聯(lián)一個(gè)適當(dāng)?shù)碾娮?接入電路中,輸出量作為開關(guān)值.無(wú)光照強(qiáng)度或光照強(qiáng)度很小時(shí),采樣值接近VCC.當(dāng)光照強(qiáng)度增加到一定程度時(shí),采樣值為一個(gè)較小值,并且隨著光照繼續(xù)增強(qiáng),采樣值也隨著減小.(2)電位器調(diào)節(jié)電壓部分.當(dāng)光照達(dá)到一定強(qiáng)度時(shí),通過(guò)調(diào)節(jié)電位器改變它的電壓,使之與光敏采樣部分的采樣值相等即可.(3)集成運(yùn)放器部分.需要用到集成運(yùn)放器的開環(huán)性能和閉環(huán)性能.當(dāng)集成運(yùn)放處于開環(huán)狀態(tài)時(shí).它是一個(gè)電壓比較器,對(duì)同相輸入端和反相輸入端的電壓進(jìn)行比較.若同相輸入端的電壓高于反相輸入端的電壓,則輸出高電平;若同相輸入端的電壓低于反相輸入端的電壓,則輸出零(單電源)或低電平(雙電源).(4)三極管放大部分.使用三極管對(duì)集成運(yùn)放器的微弱輸出電流進(jìn)行放大,從而使led燈能正常發(fā)光.2.元件選擇

(1).光敏器件選擇

光敏三極管和普通三極管相似，也有電流放大作用，只是它的集電極電流不只是受基極電路和電流控制，同時(shí)也受光輻射的控制。通常基極不引出，但一些光敏三極管的基極有引出，用于溫度補(bǔ)償和附加控制等作用。光敏三極管又稱光電三極管，它是一種光電轉(zhuǎn)換器件，其基本原理是光照到P-N結(jié)上時(shí)，吸收光能并轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?。?dāng)光敏三極管加上反向電壓時(shí)，管子中的反向電流隨著光照強(qiáng)度的改變而改變，光照強(qiáng)度越大，反向電流越大，大多數(shù)都工作在這種狀態(tài)。當(dāng)具有光敏特性的PN 結(jié)受到光輻射時(shí)，形成光電流，由此產(chǎn)生的光生電流由基極進(jìn)入發(fā)射極，從而在集電極回路中得到一個(gè)放大了相當(dāng)于β倍的信號(hào)電流。不同材料制成的光敏三極管具有不同的光譜特性，與光敏二極管相比，具有很大的光電流放大作用，即很高的靈敏度。

本次設(shè)計(jì)選擇的是3DU33型號(hào)光敏三極管.在1000lx，V=10v條件下，電流典型值為10 mA.故可推測(cè)在1000lx,V=5A條件下，電路大約為5mA。且在有光條件下，電流最小值為2 mA.電路圖如下

(2)電位器選擇

本次設(shè)計(jì)電位器選擇通用型3296系列103A電位器，阻值為10k.圖如下

（3）集成運(yùn)算放大器選擇。本次選擇LM358運(yùn)算放大器。

LM358里面包括有兩個(gè)高增益、獨(dú)立的、內(nèi)部頻率補(bǔ)償?shù)碾p運(yùn)放，適用于電壓范圍很寬的單電源，而且也適用于雙電源工作方式，它的應(yīng)用范圍包括傳感放大器、直流增益模塊和其他所有可用單電源供電的使用運(yùn)放的地方使用 電路如下

（4）三極管選擇。

本次選用S8050 NPN型三極管。三極管8050是非常常見的NPN型晶體三極管，在各種放大電路中經(jīng)常看到它，應(yīng)用范圍很廣，主要用于功率放大、開關(guān)。參數(shù)： 耗散功率0.625W（貼片：0.3W）

集電極電流0.5A 集電極--基極電壓40V 集電極--發(fā)射極擊穿電壓25V 集電極-發(fā)射極飽和電壓 0.6V 特征頻率fT 最小150MHZ 典型值產(chǎn)家的目錄沒給出 引腳排列為EBC或ECB 838電子

按三極管后綴號(hào)分為 B C D檔 貼片為 L H檔

放大倍數(shù)B85-160 C120-200 D160-300 L100-200 H200-350

3.整體電路

實(shí)驗(yàn)原理

光敏采樣值輸出到前1/2 LM358同相輸入端，電位器調(diào)節(jié)部分電壓輸出到前1/2 LM358反相輸入端。當(dāng)同相輸入端電壓值高于反相輸入端電壓值時(shí)，U1A輸出高電平，反之輸出零。U1B是引入負(fù)反饋閉環(huán)的運(yùn)算放大器，可以由理想集成運(yùn)算放大器虛短，虛端方法來(lái)分析電路。當(dāng)U1A輸出為零時(shí)，反相輸入端電平也為零，U1B輸出為0，led燈滅。當(dāng)U1A輸出高電平時(shí)，由虛短可判斷反相輸入端電壓也為等值高電平。三極管工作在放大區(qū)，放大電流，led燈亮。

四.性能測(cè)試與分析

理論數(shù)據(jù)分析：在有一定光照條件下，光敏三極管的電流為2-5 mA.經(jīng)計(jì)算考量，選取與光敏三極管串聯(lián)的電阻為800歐。為使調(diào)節(jié)范圍足夠大，滿足設(shè)計(jì)要求，選取R3=R6=1k,電位器R4=10k.在同相輸入端大于反相輸入端的電壓值時(shí)，集成運(yùn)算放大器最大輸出幾mA的電流，理論流過(guò)led燈最大電流為300mA。在光照足夠強(qiáng)時(shí)，同相輸入端電壓值小于反相輸入端，電壓比較器輸出零，此時(shí)三極管be間電壓小于開啟電壓，三極管處于截止?fàn)顟B(tài)，流過(guò)led燈的電流為零。

仿真數(shù)據(jù)：無(wú)光照條件下，U1A同相輸入端輸入值即光敏部分采樣值為4.993V，反相輸入端電壓值為2.363V，U1A輸出4.023V，輸出電流幾乎為零。三極管基極電流為0.036A，流過(guò)led燈的電流值為0.400A（protues仿真沒有S8050三極管和光敏三極管，故分別用TIP41和光敏電阻代替，與理論數(shù)據(jù)分析有差距）實(shí)測(cè)數(shù)據(jù): 無(wú)光時(shí),U1A同相輸入端電壓為4.91V,反相輸入端電壓為3.74V,U1A輸出端電壓為4.01V,電流幾乎為零.此時(shí)測(cè)得led燈兩端電壓約為3.20V.逐漸增大光照強(qiáng)度,發(fā)現(xiàn)某一時(shí)刻led燈開始明顯變暗,并且隨著光強(qiáng)緩慢增加,led燈繼續(xù)變暗,直至只有微弱燈光.此時(shí)測(cè)得led燈兩端電壓為2.43V.整個(gè)過(guò)程中,U1A同相輸入端電壓始終小于反相輸入端電壓值,U1A輸出電壓為零.U2A同相及反相輸入端電壓都為零,輸出端有0.64V電壓.誤差分析: 處于臨界光照時(shí),運(yùn)算放大器同相及反相輸入端電壓差值很小,容易波動(dòng).運(yùn)算放大器均是采用直接耦合的方式，直接耦合式放大電路的各級(jí)的Q點(diǎn)是相互影響的，由于各級(jí)的放大作用，第一級(jí)的微弱變化，會(huì)使輸出級(jí)產(chǎn)生很大的變化。當(dāng)輸入短路時(shí)（由于一些原因使輸入級(jí)的Q點(diǎn)發(fā)生微弱變化 象：溫度），輸出將隨時(shí)間緩慢變化，這樣就形成了零點(diǎn)漂移。產(chǎn)生零漂的原因是：晶體三極管的參數(shù)受溫度的影響。解決零漂最有效的措施是：采用差動(dòng)電路

六.實(shí)驗(yàn)心得

本次課程實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)是我們?nèi)私M齊心協(xié)力,默契的團(tuán)隊(duì)配合.從初期方案的確定,到實(shí)驗(yàn)室共同焊板子,還有后來(lái)共同解決遇到的電路問(wèn)題,每個(gè)人都很積極地去解決困難.通過(guò)此次設(shè)計(jì)，能夠一步了解了光敏三極管的原理和特性，把我們所學(xué)到的知識(shí)應(yīng)用到了實(shí)踐，結(jié)合模擬電路和數(shù)字電路知識(shí)，經(jīng)一步鞏固和掌握前面所學(xué)的知識(shí)，收獲很大。

七.參考文獻(xiàn)

[1] 華成英，童詩(shī)白.模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)[M].北京：高等教育出版社，2006：74-116.[2] 謝自美 電子線路設(shè)計(jì)[M];華中科技大學(xué)出版社;[3] 百度文庫(kù),道客巴巴資料以及電子愛好者論壇等

第五篇：交通燈控制器設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目名稱

交通燈控制器設(shè)計(jì)

實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目學(xué)時(shí)：3學(xué)時(shí)

實(shí)驗(yàn)要求：■ 必修

□ 選修

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1、學(xué)習(xí)與日常生活相關(guān)且較復(fù)雜數(shù)字系統(tǒng)設(shè)計(jì)；

2、進(jìn)一步熟悉EDA實(shí)驗(yàn)裝置和QuartusⅡ軟件的使用方法；

3、學(xué)習(xí)二進(jìn)制碼到BCD碼的轉(zhuǎn)換；

4、學(xué)習(xí)有限狀態(tài)機(jī)的設(shè)計(jì)應(yīng)用。

二、實(shí)驗(yàn)原理

交通燈的顯示有很多方式，如十字路口、丁字路口等，而對(duì)于同一個(gè)路口又 有很多不同的顯示要求，比如十字路口，車輛如果只要東西和南北方向通行就很 簡(jiǎn)單，而如果車子可以左右轉(zhuǎn)彎的通行就比較復(fù)雜，本實(shí)驗(yàn)僅針對(duì)最簡(jiǎn)單的南北 和東西直行的情況。

要完成本實(shí)驗(yàn)，首先必須了解交通路燈的燃滅規(guī)律。本實(shí)驗(yàn)需要用到實(shí)驗(yàn)箱上交通燈模塊中的發(fā)光二極管，即紅、黃、綠各三個(gè)。依人們的交通常規(guī)，“紅燈停，綠燈行，黃燈提醒”。其交通燈的燃滅規(guī)律為：初始態(tài)是兩個(gè)路口的紅燈全亮之后，主干道的綠燈亮，鄉(xiāng)間道路的紅燈亮，主干道方向通車，延時(shí)一段時(shí)間后，鄉(xiāng)間公路來(lái)車，主干道綠燈滅，黃燈開始閃爍。閃爍若干次后，主干道紅燈亮，而同時(shí)鄉(xiāng)間公路的綠燈亮，延時(shí)一段時(shí)間后，鄉(xiāng)間公路的綠燈滅，黃燈開始閃爍。閃爍若干次后，再切換到主干道方向，重復(fù)上述過(guò)程。

三、設(shè)計(jì)要求

完成設(shè)計(jì)、仿真、調(diào)試、下載、硬件測(cè)試等環(huán)節(jié)，在型EDA實(shí)驗(yàn)裝置上實(shí)現(xiàn)一個(gè)由一條主干道和一條鄉(xiāng)間公路的匯合點(diǎn)形成的十字交叉路口的交通燈控制器功能，具體要求如下：

1、有MR（主紅）、MY（主黃）、MG（主綠）、CR（鄉(xiāng)紅）、CY（鄉(xiāng)黃）、CG（鄉(xiāng)綠）六盞交通燈需要控制；

2、交通燈由綠轉(zhuǎn)紅前有4秒亮黃燈的間隔時(shí)間，由紅轉(zhuǎn)綠沒有間隔時(shí)間；

3、鄉(xiāng)間公路右側(cè)各埋有一個(gè)串連傳感器，當(dāng)有車輛準(zhǔn)備通過(guò)鄉(xiāng)間公路時(shí)，發(fā)出請(qǐng)求信號(hào)S=1，其余時(shí)間S=0；

4、平時(shí)系統(tǒng)停留在主干道通行（MGCR）狀態(tài)，一旦S信號(hào)有效，經(jīng)主道黃燈4秒（MYCR）狀態(tài)后轉(zhuǎn)入鄉(xiāng)間公路通行（MRCG）狀態(tài)，但要保證主干道通行大于一分鐘后才能轉(zhuǎn)換；

5、一旦S信號(hào)消失，系統(tǒng)脫離MRCG狀態(tài)，即經(jīng)鄉(xiāng)道黃燈4秒（MRCY）狀態(tài)進(jìn)入MGCR狀態(tài)，即使S信號(hào)一直有效，MRCG狀態(tài)也不得長(zhǎng)于20秒鐘；

6、控制對(duì)象除紅綠燈之外，還包括分別在主干道和鄉(xiāng)間公路各有一個(gè)兩位十進(jìn)制倒計(jì)時(shí)數(shù)碼管顯示。

四、主要儀器設(shè)備

1、微機(jī)

1臺(tái)

1套 1套

2、QuartusII集成開發(fā)軟件

3、EDA實(shí)驗(yàn)裝置

五、實(shí)驗(yàn)步驟

源程序：

0module traffic1(clk,s,rst,light,sel,SG);input clk,s,rst;output[5:0] light;

output [2:0]sel;output [7:0]SG;reg [5:0] light;reg clk1;reg [3:0] sc;

reg [7:0] count;reg [7:0] cnt,SG;reg [2:0] sel;reg [3:0]a;parameter s0=0,s1=1,s2=2,s3=3,s4=4;initial

begin

count<=8'b01100000;

light<=6'b001100;

sc=s0;

end

always @(posedge clk)begin

begin cnt=cnt+1;

if(cnt==100)begin clk1=1'b1;cnt=0;end

else clk1=1'b0;//100分頻，CLK為數(shù)碼管掃描頻率，CLK1為計(jì)數(shù)頻率

if(sel<7)sel=sel+1;else sel=6;

end //sel為數(shù)碼管選擇

begin

case(sel)

7: a=count[3:0];//0數(shù)碼管為個(gè)位

6: a=count[7:4];//1數(shù)碼管為十位

default: a=0;

endcase

case(a)

0:SG<=8'b00111111;1:SG<=8'b00000110;

2:SG<=8'b01011011;3:SG<=8'b01001111;

4:SG<=8'b01100110;5:SG<=8'b01101101;

6:SG<=8'b01111101;7:SG<=8'b00000111;

8:SG<=8'b01111111;9:SG<=8'b01101111;//8段譯碼值

default: SG=8'b11111111;

endcase

end end

always @(posedge clk1 or negedge rst)

begin

if(!rst)begin count = 0;sc=s3;end // count set nothing but else 0

else if(count == 0)

begin

case(sc)

s0: begin if(s)begin sc=s1;count = 8'b00000100;light=6'b010100;end else begin sc=s4;count = 8'b01100000;end end

s1: begin count = 8'b00100000;sc=s2;light=6'b100001;end

s2: begin count = 8'b00000100;sc=s3;light=6'b100010;end

s3: begin count = 8'b01100000;sc=s0;light=6'b001100;end

s4: begin if(s)begin sc=s1;count = 8'b00000100;light=6'b010100;end else begin sc = s4;count = 8'b01100000;light<=6'b001100;end end

default begin sc=s0;count =8'h60;end

endcase

end

else

if((sc==s2)&(s==0))begin sc=s3;count = 8'b00000100;light=6'b100010;end

else

if((sc==s4)&(s==1))begin sc=s1;count = 8'b00000100;light=6'b010100;end

else if(count[3:0] == 4'b0000)

begin count = count-7;end

else

begin count = count-1;end

end endmodule

管腳鎖定

六、波形仿真

主干道60s倒計(jì)時(shí)

s信號(hào)為1時(shí)

七、實(shí)驗(yàn)心得

通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)，讓我進(jìn)一步掌握了軟件quartus的使用流程，一開始實(shí)驗(yàn)時(shí)波形仿真是正確的，但在電路上實(shí)現(xiàn)時(shí)主干道亮黃燈時(shí)，鄉(xiāng)間道路亮的是綠燈，這顯然是不對(duì)的，后面發(fā)現(xiàn)是管腳鎖定時(shí)出現(xiàn)了問(wèn)題，改回來(lái)之后就沒問(wèn)題了。管腳鎖定時(shí)不能粗心，不然很容易出現(xiàn)問(wèn)題。

曹軍

生醫(yī)121班