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

1、課程設計(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)的設計及實時仿真院 系： 控制與計算機工程學院 班 級： 自動0905 學 號： 學生姓名： 指導教師： 朱耀春 設計周數(shù)： 一周 成 績： 日期：2012 年 6 月 20 日一、 課程設計的目的與要求1.設計目的在計算機控制系統(tǒng)課程學習的基礎上，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容的理解。2.設計要求本次課程設計通過多人合作完成ddc直接數(shù)字閉環(huán)控制的仿真設計，學會a/d、d/a轉換模塊的使用。通過手動編寫pid運算式掌握

2、數(shù)字pid控制器的設計與整定的方法，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試方法。二、 設計正文1.設計思想 本課程設計利用turboc2.1開發(fā)環(huán)境，通過手動編寫c語言程序完成pid控制器的設計，a/d、d/a轉換，繪出pid階躍響應曲線與被控對象動態(tài)特性曲線。整個設計程序模塊包含了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。設計中，通過設定合理的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曲線。 2. 設計步驟（1）前期準備工作 (1

3、.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)復習turboc2.0并參照說明書學習plcd-780的使用（2） pid的設計(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/t

4、); 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|e(k)|

5、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，手操器實時跟蹤自動pid調節(jié)器的輸出，切換瞬間由于手操器內部電路起保持作用，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

6、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 ；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。

7、（4）pid參數(shù)的整定運用過程控制中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，設置pid參數(shù)為td=0，ti=，設置合適的比例帶使得對象閉環(huán)階躍響應曲線衰減率為0.9，從而確定pid的整定參數(shù)為：p=0.8，ti=1.2tr ， td=0.4tr ；matlab中對象響應曲線為：由曲線可得pid參數(shù)為：p=0.8=0.85=4，ti=1.2tr=1.210=12 ，td=0.4tr=0.410=4（5）實驗結果輸出通過在程序中編寫相應的繪圖模塊子程序，在需要畫圖時調用相應的子程序實現(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

8、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)，使得調節(jié)方式更加的靈活。 3.設計結果（1）pid階躍響應曲線調用程序，向pid模塊輸入一個階躍信號，繪出pid階躍響應曲線如下：（1.1）理想pid階躍響應圖： （1.2）實際pid階躍響應圖：（2）被控對象（慣性環(huán)節(jié)）階躍響應曲線上圖通過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，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

9、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。每次按下d鍵時，d/a輸出的階躍信號遞減1。（3）設定值r、控制量u和被控對象輸出y的響應曲線：4.程序清單/*-頭文件定義-*/ #include #include #include #include /*-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 580 #define le

10、ny 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 550 #define xtext1y 450 #define ytext1x 10 #define ytext1y 60 #define xtext2x 610 #define xtext2y 450 #define ytext2x 10 #define

11、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,float u1) int t

12、=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); initgraph(&graphdri

13、ver,&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,yx,yy); for(i=0;i51;i+) line(ox+10*i,oy,ox+

14、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+20,15); outtextxy(ox+50*4-7,oy+20,20); outtextxy(ox+50*5-7,oy+20,25); outtextxy(ox+50*6-7,

15、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+20,50); 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,

16、6); outtextxy(ox-10,oy-50*7,7); outtextxy(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)/v);main() float kp,t

17、i,td,tf,e3=0,ee3=0,u6=0,au1=0; int r=1,k=1; initial_sys(); drawaxis(); while(k100) 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); delay(10000); u2=u1; u1=u0; e2=e1; e1=e0

18、; 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/*for graph driver installing,only can be called in turbo c*/#include string

19、.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=0x011b;/*define can not suit the length of bioskey 鍵盤內存定義*/double key_e=0x1265;double key_a=0x1e61;double key_h=0x2368;double key_u=0x1675;double key_

20、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 key_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

21、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/*-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

22、.0;float sp=0.0;char a_h=h;char manu;int key=0;int time_counter=0;/*times of interrupt中斷的次數(shù)*/int cj_counter=0;/*sampling counter采樣次數(shù)*/int q_counter=800;/* 采集步長 賦初始值*/int stepdata800;int slopedata800;int error800;/*-函數(shù)聲明 -*/void interrupt (*fadd1c)(void); /*中斷函數(shù)聲明*/void loop(); /*定值采樣輸出程序聲明*/float ad

23、(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); /*延遲*/void pidset(void);/*pid設置聲明*/float pid(float sp1,float pv1,float kp1,float ti1,float td1,float tf1,char a_h1,float t1);/*pid計算聲明*/f

24、loat object(float u1,float t1); /*二階慣性環(huán)節(jié)聲明*/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;i500;i+)stepdatai=10;slopedatai=i;errori=0; /* set new int_1c and save old */disable(); /*屏蔽中斷*

25、/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，getvect用于取得中斷向量入口*/* 開啟中斷服務*/setvect(0x1c,int_1c);/*設置中斷矢量入口*/enable();axis(); /*畫坐標軸*/loop(); /*定時采值輸出程序*/*主函數(shù)結束 下面為定時采值輸出程序*/void loop() doif(cj_counter*t)0)printf(parallal,mode:%c,sp=%.1f,pv=%2.1f,u=%.1f,error=%.1f,kp=%.1f,ti=%.1f,td=

26、%.1ftr,a_h,sp,pv,u,e,kp,ti,td);else printf(tttf got a wrong value! please exit and restart this program.r);cj_counter+;while(cj_counter500);disable();/* 恢復中斷*/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

27、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); /*here,delay(int ms) is used long before,and we just need some time for hardware working*/outportb(base+10,channal);/*進行通道設置.選擇通道0*/delay(10);outportb(base+9,1); /*設置增益通道增益*/delay(10);outportb(base+12

28、,0);/*觸發(fā)a/d轉換*/delay(10); dook=inportb(base+5);while(ok&0x10);hb=inportb(base+5);delay(10);lb=inportb(base+4);result = lb + (hb&0x0f)5) /* make the output real */ pv1=5; else if (pv10) pv1=0; temp=(int)(4095*pv1/5.0); hb=temp8; lb=temp-(hb8); outportb(base,1); delay(10); outportb(base+4,lb); /* low

29、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 0 until a key is pressed */if(key0!=0)key0=bioskey(0);/* function 0 returns the key that is waiting */return key0;/*d

30、elayaction*/*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;cyc36;cyc+)y_old36-cyc=y_old36-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_

31、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=+;else 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=

32、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 td1,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(kp10)printf(kp becomes a negative nu

33、mber,please restart.);else if(ti10) printf(ti becomes a negative number,please press restart.);else if(td10) 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=sp

34、1-pv1;delta_u=c1*delta_u1+c2*e+c3*e1+c4*e2;/*here,delta_u1 stands 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-

35、pv1;return u;/*object:二階慣性環(huán)節(jié)*/float 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); ini

36、tgraph(&graphdriver,&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

37、,oy,yx,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;i4;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,o