DDC單回路PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計及實時仿真課程設(shè)計報告

1、 課程設(shè)計(綜合實驗)報告( 2011- 2012 年度第 二學期)名 稱： 過程計算機控制系統(tǒng) 題 目：DDC單回路PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的設(shè)計及實時仿真院 系： 控制與計算機工程學院 班 級： 學 號： 學生姓名： 指導(dǎo)教師： 朱耀春 設(shè)計周數(shù)： 一周 成 績： 日期：2012 年 6 月 20 日 課程設(shè)計報告一、 課程設(shè)計的目的與要求1.設(shè)計目的在計算機控制系統(tǒng)課程學習的基礎(chǔ)上，加強學生的實際動手能力，通過對DDC直接數(shù)字閉環(huán)控制的仿真加深對課程內(nèi)容的理解。2.設(shè)計要求本次課程設(shè)計通過多人合作完成DDC直接數(shù)字閉環(huán)控制的仿真設(shè)計，學會A/D、D/A轉(zhuǎn)換模塊的使用。通過手動編寫PID運算式掌

2、握數(shù)字PID控制器的設(shè)計與整定的方法，并做出模擬計算機對象飛升特性曲線，熟練掌握DDC單回路控制程序編制及調(diào)試方法。二、 設(shè)計正文1.設(shè)計思想 本課程設(shè)計利用Turboc2.1開發(fā)環(huán)境，通過手動編寫C語言程序完成PID控制器的設(shè)計，A/D、D/A轉(zhuǎn)換，繪出PID階躍響應(yīng)曲線與被控對象動態(tài)特性曲線。整個設(shè)計程序模塊包含了PID配置模塊，PLCD-780定時采樣、定時輸出模塊，PID手/自動切換模塊（按鍵控制）及繪圖顯示模塊。設(shè)計中，通過設(shè)定合理的PID 參數(shù)，控制PLCD-780完成模擬計算機所搭接二階慣性環(huán)節(jié)數(shù)據(jù)的采集，并通過繪圖程序獲得對象階躍響應(yīng)曲線。 2. 設(shè)計步驟（1）前期準備工作 (

3、1.1)配備微型計算機一臺，系統(tǒng)軟件Windows 98或DOS (不使用無直接I/O能力的NT或XP系統(tǒng)), 內(nèi)裝Turbo C 2.0/3.0集成開發(fā)環(huán)境軟件；(1.2)配備模擬計算機一臺(XMN-1型), 通用數(shù)據(jù)采集控制板一塊（PLCD-780型）；(1.3)復(fù)習Turboc2.0并參照說明書學習PLCD-780的使用（2） PID的設(shè)計(2.1)PID的離散化理想微分PID算法的傳遞函數(shù)形式為：采用向后差分法對上式進行離散，得出其差分方程形式為：uk=uk-1+q0*e2+q1*e1+q2*e0;其中各項系數(shù)為：q0=kp*(1+T/Ti+Td/T); q1=-kp*(1+2*Td/

4、T); q2=kp*Td/T;實際微分PID算法的傳遞函數(shù)形式為：采用向后差分法對上式進行離散化，寫成差分方程的形式為： uk=c0*(uk-1)+c1*ek+c2*ek-1+c3*ek-2+uk-1;其中各項系數(shù)為：c0=Tf/(T+Tf);c1=kp*T/(T+Tf)*(1+T/Ti+Td/T); c2=-kp*T/(T+Tf)*(1+2*Td/T); c3=kp*Td/(T+Tf); (2.2)數(shù)字PID算法的改進積分分離算法積分分離算法通過控制PID輸入偏差e達到優(yōu)化目的，當偏差較大時停止積分作用，只有當偏差較小時才投入積分，算法如下表示：當|e(k)|>時，采用PD控制； 當|

5、e(k)|<時， 采用PID控制；的值根據(jù)具體對象及要求確定?？狗e分飽和算法抗積分飽和算法依據(jù)控制系統(tǒng)最終的控制輸出量u達到優(yōu)化目的，當控制量u較大且超出執(zhí)行機構(gòu)與A/D轉(zhuǎn)換范圍時，控制器停止積分作用，保證輸出超限時不積分；帶死區(qū)的數(shù)字PID算法在實際控制系統(tǒng)中，計算機控制為了避免控制動作過于頻繁，以消除系統(tǒng)振蕩，就會采用帶死區(qū)的PID算法。該算法是在原PID算法前加一個不靈敏區(qū)來實現(xiàn)，即 當|e(k)|>C時，|e(k)|=|e(k)|; 當|e(k)|<C時，|e(k)|=0 其中C代表不靈敏區(qū)值；(2.3) 手動/自動雙向無擾切換自動切手動：系統(tǒng)處于自動時，手操器實時跟

6、蹤自動PID調(diào)節(jié)器的輸出，切換瞬間由于手操器內(nèi)部電路起保持作用，使得切換沒有擾動產(chǎn)生，此時對象處于手操器的開環(huán)控制，調(diào)節(jié)器跟蹤手操器的輸出。手動切自動：手動到自動的切換過程主要由計算機軟件實現(xiàn)，一方面PID調(diào)節(jié)器獲得手操器輸出，同時軟件使得算法中的uk-1)、ek、ek-1、ek-2等歷史狀態(tài)清零。 程序中通過設(shè)置鍵盤，使的按下手動鍵H時，系統(tǒng)處于手動狀態(tài)，按下自動鍵A時，系統(tǒng)處于自動狀態(tài)。（3）硬件二階慣性環(huán)節(jié)搭建利用模擬計算機中的電容電阻及運算放大器，搭接二階慣性環(huán)節(jié)，仿真一個被控對象。其傳遞函數(shù)為，硬件電路如下：圖中各元件參數(shù)如下：R3=R2=510K；R1=R4=R5=R6=R7=1M

7、 ；C1=C2=C=4.7uF；則可得：K=（R5/R1）*(R6/R4)=1 T1=T2=R5*C1=R6*C2=1000000*0.0000047=4.7s所以G（s）=1/（4.7s+1）*(4.7s+1)搭建好硬件電路后，將PLCD-780插入IPC機箱插槽，用導(dǎo)線將PLCD-780中的A/D、D/A、電源的接線端子與所搭二階慣性環(huán)節(jié)的輸出、輸入端口及機箱上的電源連接，組成一個完整的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)，為通信做好準備。（4）PID參數(shù)的整定8.75,6.6*1.2,6.6*04運用過程控制中PID參數(shù)的工程整定方法，運用衰減曲線法對PID參數(shù)進行整定。在matlab中，設(shè)置PID參數(shù)為

8、Td=0，Ti=，設(shè)置合適的比例帶使得對象閉環(huán)階躍響應(yīng)曲線衰減率為0.9，從而確定PID的整定參數(shù)為：P=0.8，Ti=1.2tr ， Td=0.4tr ；matlab中對象響應(yīng)曲線為：由曲線可得PID參數(shù)為：P=0.8=0.8×5=4，Ti=1.2tr=1.2×10=12 ，Td=0.4tr=0.4×10=4（5）實驗結(jié)果輸出通過在程序中編寫相應(yīng)的繪圖模塊子程序，在需要畫圖時調(diào)用相應(yīng)的子程序?qū)崿F(xiàn)曲線的繪制。同時在程序中，本小組采用按鍵實現(xiàn)了PID手自動切換，理想PID與實際PID的切換，以及在手自動狀態(tài)下由按鍵改變PID參數(shù)，使得調(diào)節(jié)方式更加的靈活。 3.設(shè)計結(jié)

9、果（1）PID階躍響應(yīng)曲線調(diào)用程序，向PID模塊輸入一個階躍信號，繪出PID階躍響應(yīng)曲線如下：（1.1）理想PID階躍響應(yīng)圖： （1.2）實際PID階躍響應(yīng)圖：（2）被控對象（慣性環(huán)節(jié)）階躍響應(yīng)曲線上圖通過D/A輸出一個1伏左右的信號輸入模擬的被控對象（慣性環(huán)節(jié)），A/D采集對象的輸入信號及其響應(yīng)，再使D/A輸出一個幅度為2伏左右的階躍信號，同時采集輸入輸出信號。然后，D/A再反向在輸出一個幅度為2伏左右負的階躍信號，同時采集輸入輸出信號，得出仿真對象飛升特性曲線。程序中，通過按鍵實現(xiàn)模擬對象輸入信號的加減。當按下H按鍵時，且按下U鍵時，D/A輸出一個1伏階躍信號，再次按下按鍵時階躍信號累加。

10、每次按下D鍵時，D/A輸出的階躍信號遞減1。（3）設(shè)定值r、控制量u和被控對象輸出y的響應(yīng)曲線：4.程序清單/*-頭文件定義-*/ #include<conio.h> #include<graphics.h> #include <stdio.h> #include <dos.h>/*-定義繪圖坐標-*/ #define ox 8 /*-原點橫坐標-*/ #define oy 440 /*-原點縱坐標-*/ #define xx 620 /*-x軸頂點橫坐標-*/ #define xy 440 /*-x軸頂點縱坐標-*/ #define lenx

11、580 #define leny 400 #define yx 8 /*-y軸頂點橫坐標-*/ #define yy 15 /*-y軸頂點縱坐標-*/ /*-定義繪圖區(qū)域-*/ #define left 20 #define top 20 #define right 620 #define bottom 460 /*-坐標軸注釋-*/ #define xtext1x 450 #define xtext1y 450 #define ytext1x 10 #define ytext1y 60 #define xtext2x 610 #define xtext2y 450 #define ytext

12、2x 10 #define ytext2y 20/*-理想PID運算式-*/float lxpid(float kp,float td,float ti,float e3,float u1) int t=1; float u; float q0=kp*(1+t/ti+td/t); float q1=-kp*(1+2*td/t); float q2=kp*td/t; u=q0*e0+q1*e1+q2*e2+u1; return u; /*-實際PID運算式-*/float sjpid(float kp,float tf,float td,float ti,float e3,float du1,f

13、loat u1) int t=1,k=1000; float u2; float c1=tf/(t+tf); float c2=kp*t*(1+t/ti+td/t)/(t+tf); float c3=-kp*t*(1+2*td/t)/(t+tf); float c4=kp*td/(t+tf); u2=c1*du1+c2*e0+c3*e1+c4*e2+u1; return u2; /*-繪圖初始化-*/void Initial_Sys(void) int GraphDriver; int GraphMode; detectgraph(&GraphDriver,&GraphMode

14、); initgraph(&GraphDriver,&GraphMode,"C:TC201EBGI"); cleardevice(); /*-繪制坐標系-*/void DrawAxis(void) int i; setbkcolor(15); setcolor(5); line(ox,oy,xx,xy); /*x_axis*/ line(xx-5,xy-5,xx,xy); line(xx,xy,xx-5,xy+5); line(ox,oy,yx,yy); /*y_axis*/ line(yx-5,yy+10,yx,yy); line(yx+5,yy+10,y

15、x,yy); for(i=0;i<51;i+) line(ox+10*i,oy,ox+10*i,oy-10); line(ox+10*i+5,oy,ox+10*i+5,oy-5); for(i=1;i<=8;i+) line(ox,oy-50*i,ox+10,oy-50*i); outtextxy(ox+50*0-7,oy+20,"0"); outtextxy(ox+50*1-7,oy+20,"5"); outtextxy(ox+50*2-7,oy+20,"10"); outtextxy(ox+50*3-7,oy+20,&

16、quot;15"); outtextxy(ox+50*4-7,oy+20,"20"); outtextxy(ox+50*5-7,oy+20,"25"); outtextxy(ox+50*6-7,oy+20,"30"); outtextxy(ox+50*7-7,oy+20,"35"); outtextxy(ox+50*8-7,oy+20,"40"); outtextxy(ox+50*9-7,oy+20,"45"); outtextxy(ox+50*10-7,oy+20

17、,"50"); outtextxy(ox-10,oy-50*1,"1"); outtextxy(ox-10,oy-50*2,"2"); outtextxy(ox-10,oy-50*3,"3"); outtextxy(ox-10,oy-50*4,"4"); outtextxy(ox-10,oy-50*5,"5"); outtextxy(ox-10,oy-50*6,"6"); outtextxy(ox-10,oy-50*7,"7"); ou

18、ttextxy(ox-10,oy-50*8,"8"); settextstyle(SMALL_FONT,HORIZ_DIR,5); outtextxy(xtext1x,xtext1y,"Time"); outtextxy(xtext2x,xtext2y,"t/s"); settextstyle(SMALL_FONT,VERT_DIR,5); outtextxy(ytext1x,ytext1y,"The output (Response)"); outtextxy(ytext2x,ytext2y,"U(t)

19、/V");main() float kp,ti,td,tf,e3=0,ee3=0,u6=0,au1=0; int r=1,k=1; Initial_Sys(); DrawAxis(); while(k<100) u0=lxpid(1,3.0,10,e,u1); e0=r; /*printf("%fn",u0);*/ u3=sjpid(1,5,3.0,10,ee,au1,u4); setcolor(5); line(k-1)*10,130-u1*100,k*10,130-u1*100); line(k*10,130-u1*100,k*10,130-u0*100

20、); delay(10000); u2=u1; u1=u0; e2=e1; e1=e0; ee0=r; setcolor(3); line(k-1)*10,150-u4*100,k*10,150-u4*100); line(k*10,150-u4*100,k*10,150-u3*100); delay(10000); u5=u4; u4=u3; ee2=ee1; ee1=ee0; au1=u4-u5; k+;/*-頭文件定義-*/#include "stdio.h"#include "math.h"#include "graphics.h&qu

21、ot;/*for graph driver installing,only can be called in Turbo C*/#include "string.h"#include "dos.h"#include "bios.h"#include "conio.h"/*for interrupt program 頭文件定義* /#include "stdlib.h"#include "io.h"/*-按鍵地址區(qū)定義-*/*statements*/double key_ESC

22、=0x011b;/*define can not suit the length of bioskey 鍵盤內(nèi)存定義*/double key_E=0x1265;double key_A=0x1e61;double key_H=0x2368;double key_U=0x1675;double key_D=0x2064;double key_I=0x1769;double key_P=0x1970;double key_up=0x4800;double key_down=0x5000;double key_left=0x4b00;double key_right=0x4d00;double ke

23、y_pgup=0x4900;double key_pgdown=0x5100;/*-PLCD780基址定義-*/#define BASE 0x220/*-PCL812G need 16 addresses in a row,from 220H to 3F0H*/#define REG 0/*-定義繪圖坐標-*/#define ox 40/*-原點橫坐標-*/#define oy 440 /*-原點縱坐標-*/#define xx 600/*-x軸頂點橫坐標-*/#define xy 440/*-x軸頂點縱坐標-*/#define yx 40/*-y軸頂點橫坐標-*/#define yy 40/

24、*-y軸頂點縱坐標-*/*-PID參數(shù)定義-*/float Kp=1.0;float Ti=10.0;float Td=3.0;float Tf0=15.0;float Tf=0; float T=0.1; /*-采樣時間-*/float ad,e,pv0;float u=0.0;float pv=0.0;float sp=0.0;char A_H='H'char manu;int key=0;int time_counter=0;/*times of interrupt*/int cj_counter=0;/*sampling counter*/int Q_counter=8

25、00;/* 采集步長 賦初始值*/int stepdata800;int slopedata800;int error800;/*-函數(shù)聲明 -*/void interrupt (*fadd1C)(void);void loop();float AD(unsigned char channal);/*A/D*/void DA(float pv1);/*D/A*/void interrupt INT_1C(void);/*8259,reset interrupt controller*/int scankey();float DelayAction(float y0);void PIDset(v

26、oid);float PID(float sp1,float pv1,float Kp1,float Ti1,float Td1,float Tf1,char A_H1,float T1);float Object(float u1,float T1);void Initial_Sys(void);/*Initiate graph display*/void axis(void);void Drawline(int cj,float pv1,float sp1,float u1,float e1);/*主函數(shù)*/void main(void)int i;for(i=0;i<500;i+)

27、stepdatai=10;slopedatai=i;errori=0; /* Set new INT_1C and save old */disable();fadd1C=getvect(0x1C);/*1C為定時器控制的軟中斷,平均一秒發(fā)生18.2次，即周期為55ms 中斷程序*/* 開啟中斷服務(wù)*/setvect(0x1C,INT_1C);enable();axis();loop();/*主函數(shù)結(jié)束 下面為定時采值輸出程序*/void loop() doif(cj_counter*T)<(time_counter/18.2) PIDset();/*Introduction:Exit-

28、E/ESC,A_H-A/H,Ideal/Parallel PID,sp-U/D*/u=PID(sp,pv,Kp,Ti,Td,Tf,A_H,T);/*DA(u); */pv=Object(u,T);/*ad=AD(O);*/*pv=DelayAction(u);*/e=errorcj_counter;Drawline(cj_counter,pv,sp,u,e);manu=0;/*status bar,at the top of the screen-how to express %.2f*/if(Tf=0)printf("IdealPID,Mode:%c,sp=%.1f,pv=%2.1

29、f,u=%.1f,error=%.1f,Kp=%.1f,Ti=%.1f,Td=%.1ftr",A_H,sp,pv,u,e,Kp,Ti,Td);else if(Tf>0)printf("Parallal,Mode:%c,sp=%.1f,pv=%2.1f,u=%.1f,error=%.1f,Kp=%.1f,Ti=%.1f,Td=%.1ftr",A_H,sp,pv,u,e,Kp,Ti,Td);else printf("ttTf got a wrong value! Please exit and restart this program.r")

30、;cj_counter+;while(cj_counter<500);disable();/* 恢復(fù)中斷*/setvect(0x1C,fadd1C);enable();/*D/A conversion program,0 to 4095 - 0to +5*/float AD(unsigned char channal)float result=0;int i;unsigned char hb=0,lb=0,ok=0x10;/*12bit AD/high 4 bits and low 8 bits*/outportb(BASE+11,REG);/*軟件程序觸發(fā)*/delay(10); /*

31、here,'delay(int ms)' is used long before,and we just need some time for hardware working*/outportb(BASE+10,channal);/*進行通道設(shè)置.選擇通道0*/delay(10);outportb(BASE+9,1); /*設(shè)置增益通道增益*/delay(10);outportb(BASE+12,0);/*觸發(fā)A/D轉(zhuǎn)換*/delay(10); dook=inportb(BASE+5);while(ok&0x10);hb=inportb(BASE+5);delay(1

32、0);lb=inportb(BASE+4);result = lb + (hb&0x0F)<<8);/*0 to 4095*/result=result*5/4096;/*0 V to +5V*/return result;/*A/D conversion program,0 to +5 - 0 to 4095*/void DA(float pv1) int temp,i; unsigned char hb,lb; if (pv1>5) /* make the output real */ pv1=5; else if (pv1<0) pv1=0; temp=(

33、int)(4095*pv1/5.0); hb=temp<<8; lb=temp-(hb<<8); outportb(BASE,1); delay(10); outportb(BASE+4,lb); /* low 8 */ delay(10); outportb(BASE+5,hb); /* high 4 */void interrupt INT_1C(void)time_counter+;outportb(0x20,0x20); /*鍵盤控制*/int scankey(void)int key0;key0=bioskey(1);/* function 1 returns

34、 0 until a key is pressed */if(key0!=0)key0=bioskey(0);/* function 0 returns the key that is waiting */return key0;/*DelayAction*/*tao=(int)(18.2*2) Delay action=2 seconds*/float DelayAction(float y0)float y_out;static float y_old36=0;int cyc;y_out=y_old36-1;for(cyc=1;cyc<36;cyc+)y_old36-cyc=y_ol

35、d36-cyc-1;y_old0=y0;return y_out;/*PID 主程序*/void PIDset(void)key=scankey();if(A_H='H')if(key=key_up)Kp+=0.2;else if(key=key_down)Kp-=0.2;else if(key=key_left)Ti-=0.2;else if(key=key_right)Ti+=0.2;else if(key=key_pgup)Td+=0.2;else if(key=key_pgdown)Td-=0.2;else if(key=key_U)manu='+'el

36、se if(key=key_D)manu='-'if(A_H='A')if(key=key_U)sp+=10;if(key=key_D)sp-=10;if(key=key_E|key=key_ESC)exit(1);if(key=key_A)A_H='A'if(key=key_H)A_H='H'if(key=key_I)Tf=0;if(key=key_P)Tf=Tf0;/*PID-default:IdealPID*/float PID(float sp1,float pv1,float Kp1,float Ti1,float Td

37、1,float Tf1,char A_H1,float T1)float delta_u,u0,e,C1,C2,C3,C4;static float e1,e2,u1,delta_u1;/*here,u1 stands for the previous value of u*/if(Kp1<0)printf("Kp becomes a negative number,please restart.");else if(Ti1<0) printf("Ti becomes a negative number,please press restart.&qu

38、ot;);else if(Td1<0) printf("Td becomes a negative number,please press restart.");elseC1=Tf1/(T1+Tf1);C2=Kp1*T1*(1+T1/Ti1+Td1/T1)/(T1+Tf1);C3=-Kp1*T1*(1+2*Td1/T1)/(T1+Tf1);C4=Kp1*Td1/(T1+Tf1);/*自動控制*/if(A_H1='A')e=sp1-pv1;delta_u=C1*delta_u1+C2*e+C3*e1+C4*e2;/*here,delta_u1 stand

39、s for the previous value of delta_u*/u0=u1+delta_u; e2=e1;e1=e;delta_u1=delta_u;u1=u0;errorcj_counter=sp1-pv1;return u0;/*手動控制*/else if(A_H1='H')if(manu='+')u+=10;if(manu='-')u-=10;sp1=pv1;u1=u;sp=pv1;e1=0;e2=0;delta_u1=0;errorcj_counter=sp1-pv1;return u;/*object:二階慣性環(huán)節(jié)*/floa

40、t Object(float u1,float T1)/*G(s)=1/(4.7s+1)2,K=1,Tp1=Tp2=4.7*/static float y1,y2;float y;y=1/(31.49+T1)*(-22.09*y2+53.58*y1+T1*u1);y2=y1;y1=y;return y;/*顯示與畫圖*/*初始化 CRT*/void Initial_Sys(void)int GraphDriver; int GraphMode; detectgraph(&GraphDriver,&GraphMode); initgraph(&GraphDriver,&a

41、mp;GraphMode,"C:TC201EBGI");/*draw basic coordinate axis*/void axis(void)int i;Initial_Sys();setbkcolor(15);/*white0/black15*/setcolor(9);/*linght blue*/rectangle(10,20,630,470);/*zone of drawing*/line(ox,oy,xx,xy);/*axis and arrow*/line(xx-5,xy-5,xx,xy);line(xx,xy,xx-5,xy+5);line(ox,oy,yx

42、,yy);line(yx-5,yy+5,yx,yy);line(yx+5,yy+5,yx,yy);settextstyle(2,1,5);/*Small font,vert,5 times bigger*/outtextxy(20,100,"The Output (Response)");outtextxy(20,40,"U(t)");settextstyle(2,0,5);/*Small font,horiz,5 times bigger*/outtextxy(300,455,"Time");outtextxy(590,455,"t/sec");setlinestyle(1,0,1);/*dot line,none,width*/for(i=1;i<4;i+)/*each inport starting position*/line(ox,oy-100*i,ox+500,oy-100*i);outtextxy(ox-16,oy-100*0,"0");outtextxy(ox-16,oy-100*1,"1");outtextxy(ox-16,oy-100*2,"2"