DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真课程设计.doc

课程设计(综合实验)报告( 2011- 2012 年度第 二学期)名 称： 过程计算机控制系统 题 目：ddc单回路pid闭环控制系统的设计及实时仿真院 系： 控制与计算机工程学院 班 级： 自动0905 学 号： 学生姓名： 指导教师： 朱耀春 设计周数： 一周 成 绩： 日期：2012 年 6 月 20 日 课程设计报告一、 课程设计的目的与要求1.设计目的在计算机控制系统课程学习的基础上，加强学生的实际动手能力，通过对ddc直接数字闭环控制的仿真加深对课程内容的理解。2.设计要求本次课程设计通过多人合作完成ddc直接数字闭环控制的仿真设计，学会a/d、d/a转换模块的使用。通过手动编写pid运算式掌握数字pid控制器的设计与整定的方法，并做出模拟计算机对象飞升特性曲线，熟练掌握ddc单回路控制程序编制及调试方法。二、 设计正文1.设计思想 本课程设计利用turboc2.1开发环境，通过手动编写c语言程序完成pid控制器的设计，a/d、d/a转换，绘出pid阶跃响应曲线与被控对象动态特性曲线。整个设计程序模块包含了pid配置模块，plcd-780定时采样、定时输出模块，pid手/自动切换模块（按键控制）及绘图显示模块。设计中，通过设定合理的pid 参数，控制plcd-780完成模拟计算机所搭接二阶惯性环节数据的采集，并通过绘图程序获得对象阶跃响应曲线。 2. 设计步骤（1）前期准备工作 (1.1)配备微型计算机一台，系统软件windows 98或dos (不使用无直接i/o能力的nt或xp系统), 内装turbo c 2.0/3.0集成开发环境软件；(1.2)配备模拟计算机一台(xmn-1型), 通用数据采集控制板一块（plcd-780型）；(1.3)复习turboc2.0并参照说明书学习plcd-780的使用（2） pid的设计(2.1)pid的离散化理想微分pid算法的传递函数形式为：采用向后差分法对上式进行离散，得出其差分方程形式为：uk=uk-1+q0*e2+q1*e1+q2*e0;其中各项系数为：q0=kp*(1+t/ti+td/t); q1=-kp*(1+2*td/t); q2=kp*td/t;实际微分pid算法的传递函数形式为：采用向后差分法对上式进行离散化，写成差分方程的形式为： uk=c0*(uk-1)+c1*ek+c2*ek-1+c3*ek-2+uk-1;其中各项系数为：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)数字pid算法的改进积分分离算法积分分离算法通过控制pid输入偏差e达到优化目的，当偏差较大时停止积分作用，只有当偏差较小时才投入积分，算法如下表示：当|e(k)|时，采用pd控制； 当|e(k)|c时，|e(k)|=|e(k)|; 当|e(k)|c时，|e(k)|=0 其中c代表不灵敏区值；(2.3) 手动/自动双向无扰切换自动切手动：系统处于自动时，手操器实时跟踪自动pid调节器的输出，切换瞬间由于手操器内部电路起保持作用，使得切换没有扰动产生，此时对象处于手操器的开环控制，调节器跟踪手操器的输出。手动切自动：手动到自动的切换过程主要由计算机软件实现，一方面pid调节器获得手操器输出，同时软件使得算法中的uk-1)、ek、ek-1、ek-2等历史状态清零。 程序中通过设置键盘，使的按下手动键h时，系统处于手动状态，按下自动键a时，系统处于自动状态。（3）硬件二阶惯性环节搭建利用模拟计算机中的电容电阻及运算放大器，搭接二阶惯性环节，仿真一个被控对象。其传递函数为，硬件电路如下：图中各元件参数如下：r3=r2=510k；r1=r4=r5=r6=r7=1m ；c1=c2=c=4.7uf；则可得：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)搭建好硬件电路后，将plcd-780插入ipc机箱插槽，用导线将plcd-780中的a/d、d/a、电源的接线端子与所搭二阶惯性环节的输出、输入端口及机箱上的电源连接，组成一个完整的pid闭环控制系统，为通信做好准备。（4）pid参数的整定运用过程控制中pid参数的工程整定方法，运用衰减曲线法对pid参数进行整定。在matlab中，设置pid参数为td=0，ti=，设置合适的比例带使得对象闭环阶跃响应曲线衰减率为0.9，从而确定pid的整定参数为：p=0.8，ti=1.2tr ， td=0.4tr ；matlab中对象响应曲线为：由曲线可得pid参数为：p=0.8=0.85=4，ti=1.2tr=1.210=12 ，td=0.4tr=0.410=4（5）实验结果输出通过在程序中编写相应的绘图模块子程序，在需要画图时调用相应的子程序实现曲线的绘制。同时在程序中，本小组采用按键实现了pid手自动切换，理想pid与实际pid的切换，以及在手自动状态下由按键改变pid参数，使得调节方式更加的灵活。 3.设计结果（1）pid阶跃响应曲线调用程序，向pid模块输入一个阶跃信号，绘出pid阶跃响应曲线如下：（1.1）理想pid阶跃响应图： （1.2）实际pid阶跃响应图：（2）被控对象（惯性环节）阶跃响应曲线上图通过d/a输出一个1伏左右的信号输入模拟的被控对象（惯性环节），a/d采集对象的输入信号及其响应，再使d/a输出一个幅度为2伏左右的阶跃信号，同时采集输入输出信号。然后，d/a再反向在输出一个幅度为2伏左右负的阶跃信号，同时采集输入输出信号，得出仿真对象飞升特性曲线。程序中，通过按键实现模拟对象输入信号的加减。当按下h按键时，且按下u键时，d/a输出一个1伏阶跃信号，再次按下按键时阶跃信号累加。每次按下d键时，d/a输出的阶跃信号递减1。（3）设定值r、控制量u和被控对象输出y的响应曲线：4.程序清单/*-头文件定义-*/ #include #include #include #include /*-定义绘图坐标-*/ #define ox 8 /*-原点横坐标-*/ #define oy 440 /*-原点纵坐标-*/ #define xx 620 /*-x轴顶点横坐标-*/ #define xy 440 /*-x轴顶点纵坐标-*/ #define lenx 580 #define leny 400 #define yx 8 /*-y轴顶点横坐标-*/ #define yy 15 /*-y轴顶点纵坐标-*/ /*-定义绘图区域-*/ #define left 20 #define top 20 #define right 620 #define bottom 460 /*-坐标轴注释-*/ #define xtext1x 550 #define xtext1y 450 #define ytext1x 10 #define ytext1y 60 #define xtext2x 610 #define xtext2y 450 #define ytext2x 10 #define ytext2y 20/*-理想pid运算式-*/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; /*-实际pid运算式-*/float sjpid(float kp,float tf,float td,float ti,float e3,float du1,float 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; /*-绘图初始化-*/void initial_sys(void) int graphdriver; int graphmode; detectgraph(&graphdriver,&graphmode); initgraph(&graphdriver,&graphmode,c:tc201ebgi); cleardevice(); /*-绘制坐标系-*/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+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,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*6,6); 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,ti,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; 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+;/*-头文件定义-*/#include stdio.h#include math.h#include graphics.h/*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 头文件定义* /#include stdlib.h#include io.h/*-按键地址区定义-*/*statements*/double key_esc=0x011b;/*define can not suit the length of bioskey 键盘内存定义*/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 key_pgup=0x4900;double key_pgdown=0x5100;/*-plcd780基址定义-*/#define base 0x220/*-pcl812g need 16 addresses in a row,from 220h to 3f0h*/#define reg 0/*-定义绘图坐标-*/#define ox 40/*-原点横坐标-*/#define oy 440 /*-原点纵坐标-*/#define xx 600/*-x轴顶点横坐标-*/#define xy 440/*-x轴顶点纵坐标-*/#define yx 40/*-y轴顶点横坐标-*/#define yy 40/*-y轴顶点纵坐标-*/*-pid参数定义-*/float kp=1.0;float ti=10.0;float td=3.0;float tf0=15.0;float tf=0; float t=0.1; /*-采样时间-*/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中断的次数*/int cj_counter=0;/*sampling counter采样次数*/int q_counter=800;/* 采集步长 赋初始值*/int stepdata800;int slopedata800;int error800;/*-函数声明 -*/void interrupt (*fadd1c)(void); /*中断函数声明*/void loop(); /*定值采样输出程序声明*/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); /*延迟*/void pidset(void);/*pid设置声明*/float pid(float sp1,float pv1,float kp1,float ti1,float td1,float tf1,char a_h1,float t1);/*pid计算声明*/float object(float u1,float t1); /*二阶惯性环节声明*/void initial_sys(void);/*initiate graph display*/void axis(void);void drawline(int cj,float pv1,float sp1,float u1,float e1);/*主函数*/void main(void)int i;for(i=0;i500;i+)stepdatai=10;slopedatai=i;errori=0; /* set new int_1c and save old */disable(); /*屏蔽中断*/fadd1c=getvect(0x1c);/*1c为定时器控制的软中断,平均一秒发生18.2次，即周期为55ms 中断程序，getvect用于取得中断向量入口*/* 开启中断服务*/setvect(0x1c,int_1c);/*设置中断矢量入口*/enable();axis(); /*画坐标轴*/loop(); /*定时采值输出程序*/*主函数结束 下面为定时采值输出程序*/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=%.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();/* 恢复中断*/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);/*软件程序触发*/delay(10); /*here,delay(int ms) is used long before,and we just need some time for hardware working*/outportb(base+10,channal);/*进行通道设置.选择通道0*/delay(10);outportb(base+9,1); /*设置增益通道增益*/delay(10);outportb(base+12,0);/*触发a/d转换*/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 8 */ delay(10); outportb(base+5,hb); /* high 4 */void interrupt int_1c(void)time_counter+;outportb(0x20,0x20); /*键盘控制*/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;/*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;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_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=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 number,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);/*自动控制*/if(a_h1=a)e=sp1-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;/*手动控制*/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:二阶惯性环节*/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;/*显示与画图*/*初始化 crt*/void initial_sys(void)int graphdriver; int graphmode; detectgraph(&graphdriver,&graphmode); initgraph(&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,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,oy