变速积分PID控制系统设计

计算机控制技术课程设计 1 课 程 设 计 报 告 设计题目 变速积分变速积分 PID 控制系统设计控制系统设计 课程名称计算机控制技术 B 姓名苏丹学号 班级自动化 0803教师闫高伟 设计日期 2011 年 7 月 5 日 计算机控制技术课程设计 2 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1 章数字 PID 及变速积分简介 1 1 1 数字 PID 发展介绍 1 1 2 PID 控制器工作原理 2 1 2 1 模拟式 PID 控制算法 2 1 2 2 数字式 PID 控制算法 3 1 3 变速积分简介 3 第 2 章系统分析与设计 4 2 1 系统功能分析 4 2 1 1 对象整体分析 5 2 1 2 系统分析与设计与系统开环增益 6 2 2 计算机系统选择分析 6 2 2 1 8088CPU 简介 6 2 2 2 其余模块的使用 7 2 3 软件设计分析 12 第 3 章硬件设计与软件编程 12 3 1 硬件设计 12 3 1 1 系统方框图 12 3 1 2 线路原理图 12 3 2 软件编程 13 3 2 1 软件流程图 14 3 2 2 程序源代码 21 第 4 章 设计仿真与运行分 析 21 4 1 结果分析 21 4 2 matlab 仿真 22 总 结 26 附录 26 附录 1 线路原理 图 28 附录 2 TDN AC ACS 教学实验系统介绍 28 附录 3 参考资料 30 计算机控制技术课程设计 3 变速积分变速积分 PIDPID 控制系统设计控制系统设计 摘要摘要 PID 校正装置 又称 PID 控制器或 PID 调节器 是一种有源校正装置 它是最早 发展起来的控制策略之一 在工业过程控制中有着最广泛的应 它具有结构简单 容 易实现 控制效果好 鲁棒性强等特点 是迄今为止最稳定的控制方法 它所涉及的 参数物理意义明确 理论分析体系完整 并为工程界所熟悉 因而在工业过程控制中 得到了广泛应用 从实际需要出发 一种好的 PID 控制器参数整定方法 不仅可以 减少操作人员的负担 还可以使系统处于最佳运行状态 因此 对 PID 控制器参数 整定法 的研究具有重要的实际意义 在普通的 PID 调节算法中 由于积分系数 KI 是常数 因此 在整个调节过程中 积分增益不变 但系统对积分项的要求是系统偏差大时积分作用减弱以至全无 而在 小偏差时则应加强 否则 积分系数取大了会产生超调 甚至积分饱和 取小了又迟 迟不能消除静差 改进的 PID 算法可以有效改变此现象 此采用变速积分可以很好 地解决这一问题 本次课程设计基于自动控制原理实验箱 设备型号 TDN ACS 接好硬件电路以后实现变速积分 并在 matlab 6 5 完成对变速积分的仿真 关键词 关键词 PIDPID 控制算法 变速积分 控制算法 变速积分 matlabmatlab 仿真仿真 计算机控制技术课程设计 4 AbstractAbstract So far the PID is the most common control arithmetic It s one of the most early developed control strategy which is applied to the industry process Its structure is simple and easy to implement however the control effect is perfect The physical parameters is meaning of theoretical analysis of system is integrity and it is familiar by the engineering sector which in the industrial process control has been widely used For the actual needs a good parameter PID controller tuning method can not only reduce the burden on operators but also make the system running at best Therefore the fixed PID controller parameter tuning study has important practical significance In the traditional PID control algorithm the integral coefficient KI is constant throughout the adjustment process the integral gain But the system requirements for the integral term is the system error is large as well as no less integral action and in the small deviation should be strengthened Otherwise the integral coefficient will have a big overshoot or even integral saturation whichever is smaller and the delay to eliminate static error Improved PID algorithm can effectively change this behavior The use of variable speed integration can solve this problem The course design is based on principles of automatic control test box Model TDN ACS connected actual hardware circuit After achieving a good connection speed integration circuit hardware use matlab 6 5 to complete the simulation for variable speed integration Keyword PID control algorithm variable speed integration matlab simulation 计算机控制技术课程设计 5 7df0b163752c358a3eeb94c2fdf2aadc pdf 第第 1 1 章章 数字数字 PIDPID 及变速积分简介及变速积分简介 1 11 1 数字 发展介绍 数字 发展介绍 PID 控制器以其结构简单 稳定性好 工作可靠 调整方便而成为工业控制的主 要技术之一 在工业过程控制中有着最广泛的应用 其实现方式有电气式 气动式和 液力式 它具有容易实现 控制效果好 鲁棒性强等特点 同时它原理简单 参数物 理意义明确 理论分析体系完整 并为工程界所熟悉 因而在工业过程控制中得到了 广泛应用 尽管自 1940 年以来 许多先进控制方法不断推出 但 PID 控制器仍被广泛 应用于冶金 化工 电力 轻工和机械等工业过程控制中 PID 控制器是有源校正装 置 与无源校正装置相比 它具有结构简单 参数易于整定 应用面广等特点 设计 的控制对象可以有精确模型 并可以是黑箱或灰箱系统 总体而言 它主要有如下优 点 1 原理简单 应用方便 参数整定灵活 2 适用性强 可以广泛应用于电力 机械 化工 热工 冶金 轻工 建材 石油 等行业 2 2 PIDPID 控制器工作原理 控制器工作原理 1 2 11 2 1 模拟模拟 PIDPID 控制算法控制算法 图 1 计算机控制技术课程设计 7 典型模拟 PID 结构框图如图 1 所示 PID 控制器是通加对误差信号 e t 进行比例 积分和微分运算 其结果的加权 得到控制器的输出 u t 该值就是控制对象的控 制值 PID 控制器的数学描述为 1 1 式中 u t 调节器的输出信号 e t 调节器的偏出信号 Kp 比例系数 Ti 积分时 间常数 Td 微分时间常数 1 2 21 2 2 数字式数字式 PIDPID 控制算法控制算法 在计算机控制系统中 使用的是数字 PID 控制器 数字 PID 控制算法通常又分为 位置式 PID 控制算法和增量式 PID 控制算法 1 位置式 PID 控制算法 由于计算机控制是一种采样控制 它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量 故 对模拟 PID 算式中的积分和微分项不能直接使用 需要进行离散化处理 按模拟 PID 控制算法 现以一系列的采样时刻点 kT 代表连续时间 t 以和式代替积分 以增量 一阶后插 代替微分 则可以作如下的近似变换 1 2 00 0 t kT k 0 1 2 e kT e k 1 Te k e k 1 t kk jj e t dte jTTe j de t dtTT 显然 上述离散化过程中 采样周期 T 必须足够短 才能保证有足够的精度 为 了书写方便 将 e kT 简化表示成 e k 等 即省去 T 将式 2 2 代入式 2 1 可以得到 离散的 PID 表达式为 1 3 0 1 1 k D p j TT u kK e ke je ke k TT 计算机控制技术课程设计 8 式中 k 采样序列号 u k 第 k 次采样时刻的计算机输出值 e k 第 k 次采样时刻输入 的偏差值 e k 1 第 k 1 次采样时刻输入的偏差值 Ki 积分系数 Ki Ti 微分系数 P D D D 1 31 3 变速积分简介 变速积分简介 变速积分作为改进的 算法之一 它的基本思想是设法改变积分项的累加速 度 使其与偏差的大小相对应 偏差越大 积分越慢 偏差越小 积分越快 1 变速积分实现 变速积分是使积分项的累加速度与偏差大小相应 为此设一系数 f e k 它为 e k 函数 变速积分 PID 中积分项为 1 4 f e k 与当前偏差 e k 是线性或非线性关系 f 值在 0 1 区间变化 1 5 累加部分当前偏差 e K 偏差大于上限 不累加 偏差小于下限 积分限完全累加 介于二者之中 引入变系数 f e k 2 变速积分 PID 算法为 1 6 第 章第 章 系统分析与设计系统分析与设计 系统功能分析 系统功能分析 1 0 k j II kekefkeKkU 0 Be k 1 BAke BAkeB A BkeA kef k j II jeKU 0 1 1 0 kekekTkekefiekkekku d k i ip 计算机控制技术课程设计 9 2 1 12 1 1 对象整体分析 对象整体分析 控制对象传递函数为 50 0 21 0 251 G s ss 极点 s1 4 s2 5 选择将传递函数拆成 2 个一阶惯性环节 实验箱上用两个 积分电路串联实现 如下图所示 图 2 运算关系 1 6 两级参数选择 第 1 级 R 50K Rf 100K C 3u 第 2 级 R 30K Rf 240K C 1u 经计算 可实现传递函数 整个系统的框图 R uo t C t dtu RC 1 t u R R t u ii f o Rf 计算机控制技术课程设计 10 图 3 2 1 22 1 2 整定调节参数与系统开环增益 可用临界比例带法整定参数 设采样周期为 50ms 先去掉微分与积分作用 只保 留比例控制 增大 KP 直至系统等幅振 记下振荡周期TU和振荡时所用比例值 KPU 按以下公式整定参数 只用比例调节 KP 0 5KPU P KP 0 5 KPU 用比例 积分调节 T 取0 2T 比例 KP 0 36 KPU 即 P KP 0 36 KPU 积分时间TI 1 05T 即I 0 07KPU 用比例 积分 微分调节 T 1 6Tu 比例 KP 0 27KPU 即 P KP 0 27 KPU 积分时间 TI 0 4TU 即 I 0 11KPU 微分时间 TD 0 22TU 即 D 0 36KPU PID系数不可过小 因为这会使计算机控制输出也较小 从而使系统量化误差变大 甚至有时控制器根本无输出而形成死区 这时可将模拟电路开环增益适当减小 而使 PID 系数变大 例 PID三个系数都小于 0 2 模拟电路开环增益可变为 K 5 PID 系 数则都相应增大 5 倍 另一方面 PID 系数不可等于 1 所以整个系统功率增益补偿 是由模拟电路实现 例如若想取 PID 5 3 可取0 5300 送入 模拟电路开环增益亦 相应增大 10 倍 计算机控制技术课程设计 11 2 22 2计算机系统选择分析 计算机系统选择分析 TDN ACS 系统采用8088CPU作为微处理器 本次设计同时使用了它附带的 8255 8259芯片作为并行I O接口和中断处理芯片 2 2 12 2 1 8088CPU8088CPU简介 简介 8088是8080和8085的改进型 像8080和8085一样 它的指令是以字节为基础构成的 它的性能的提高 主要依赖于采取了以下一些特殊措施 1 建立4字节的指令预取队列 2 设立地址段寄存器 3 在结构上和指令设置方面支持多微处理器系统 a 一般处理器指令执行过程 b 8088处理器指令执行过程 8088处理器芯片引线图 引脚功能说明 A16 A19 S3 S6 4条时分复用 三态输出的引线 A8 A15 三态输出引线 AD0 AD7 地址 数据时分复用的输入输出信号线 IO CPU的输出 三态 控制信号 用来区分当前操作是访问存贮器还是访问I O端 口 CPU的输出控制信号 三态 DT CPU的输出控制信号 三态 用于确定数据传送的方向 CPU经三态门输出的控制信号 ALE 三态输出控制信号 高电平有效 读选通输出信号 三态 低电平有效 取指执行取指执行 a 取指执行 取指执行 取指执行 b GND A14 A13 A12 A11 A10 A9 A8 AD7 AD6 AD5 AD4 AD3 AD2 AD1 AD0 NMI INTR CLK GND 40 39 38 37 36 35 34 33 32 31 30 29 28 27 26 25 24 23 22 21 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 VCC A15 A16 S3 A17 S4 A18 S5 A19 S6 SSO HIGH MN MX RD HOLD HLDA WR LOCK IO M S2 DT R S1 DEN S0 ALE QS0 INTA QS1 TEST READY RESET RQ GT0 RQ GT1 M WR R DEN RD 计算机控制技术课程设计 12 READY 准备就绪输入信号 高电平有效 INTR 可屏蔽中断请求输入信号 高电平有效 可用WAIT指令对该引脚进行测试的输入信号 低电平有效 NMI 非屏蔽中断输入信号 边沿触发 正跳变有效 RESET CPU的复位输入信号 高电平有效 CPU输出的中断响应信号 是CPU对外部输入的INTR中断请求信号的响应 HOLD 高电平有效的输入信号 用于向CPU提出保持请求 HLDA CPU对HOLD请求的响应信号 是高电平有效的输出信号 状态输出线 CLK 时钟信号输入端 VCC 5V电源输入引脚 GND 接地端 2 2 22 2 2 其余模块的使用 其余模块的使用 1 信号源发生单元电路 信号源发生单元电路包括 U1 SG 单元和 U15 SIN 单元 本次使用U1 SG 单元可 以产生重复的阶跃 斜波 抛物线三种典型信号 且信号的幅值 频率可以调 通过 调电位器 W12 W11 TEST INTA SSO 计算机控制技术课程设计 13 图4 2 采样保持器及单稳单元电路 U2 SH 该单元的输入输出电平范围 12V PU 为控制端 用逻辑电平控制 高电平采样 低电平保持 采样时间约为 10us 3 运算模拟单元电路 U6 4 非线性单元电路 U9 NC 该单元供死区非线性和间隙非线性模拟电路插接电阻用 图5 计算机控制技术课程设计 14 3 数模转换单元电路 U10 DAC 该单元采用 DAC0832 芯片 转换精度为 8 位二进制码 输入数字范围为 00H FFH 对应输出 U10 单元的 OUT 端 为 5V 4 96V 80 H对应0V 图 6 4 模数转换单元电路 U12 ADC 它采用 ADC0809 芯片 分辨率为 8 位二进制码 模拟输入通道 8路 IN0 IN7 通过三端地址码 A B C 多路开关可选通 8路模拟输入的任何一路 进行 A D 变换 其中IN1 IN5 的模拟量输入允许范围 0V 4 98V 对应数字量 00H FFH 2 5V 对应数字量 80H IN6 和IN7 两路用于接上拉电阻 所以模拟量输 入允许范围 5V 4 96V 对应数字量 00H FFH 0V 对应 80H 计算机控制技术课程设计 15 图7 5 状态指示单元 U11 D 用于实验现象指示作用 6 运算模拟单元电路 U3 计算机控制技术课程设计 16 图 9 注 信号发生单元接两个反相器 图 10 其中 Ri Rf 第一级参数 Ri Rf 10K 第二级参数 Ri Rf 200K vI vO Rf R1 A vN vP R2 I 1 f O u R R u 计算机控制技术课程设计 17 2 32 3 软件设计分析 软件设计分析 使用汇编语言编程 其中对下限设置变量 EIB 上限变量 EIA 由式 1 5 可编写 计算 f e k 的源程序 TK 为采样周期 计算机采用 8253 产生定是信号 T TK 10ms 可改变 定义 EI 为误差绝对值 取值范围 00H 0FFH 可改变 定义KPP为比例系数 KII积分系数 KDD为微分系数 P I D 范围为 0 9999 0 9999 计算机分别用相邻三个字节存储其 BCD 码 最低字节存符号 00H 为正 01H 为负 中间字节存前 2 位小数 最高字节存末 2 位小数 例如 P 0 1234 其存储方式 2F03H 00H 2F04H 12H 2F05H 34H 可自行设定 整体思路 先对经采用 保持器离散化的信号采集 在存于堆栈段 编写A D转换 程序 将A D转换结果传送至8088 8088根据所设定的EI值进行判断 f e k 应选择哪 一个 产生中断信号 执行中断子程序 将结果经 转换输出 第 章第 章 硬件设计与软件编程硬件设计与软件编程 硬件设计 系统方框图 系统方框图 图 线路原理图 线路原理图 见附录 计算机控制技术课程设计 18 软件设计 软件设计 软件流程图 软件流程图 主程序 系数转换 初始化 设置 口中断地址 控制准备程序 等待中断及 中断返回后处理程序 中断申请 变速积分中断子程序 是 E B 否 是 否 Kp Ek Kd Ek Ek 1 1 1 0 k ek ekTi ekk ekku d k i ip 1 kekekkekku dp 1 1 0 k ek ekTk ek e fi ekk ekku d k i ip 中断程序 计算机控制技术课程设计 19 程序源代码 程序源代码 堆栈段定义 STACK SEGMENT STACK DW 256 DUP STACK ENDS 数据段定义 DATA SEGMENT TK DB 05H EIB DB 10H EIA DB 30H KP DB 00H 24H 43H KI DB 00H 04H 96H KD DB 00H 42H 40H EKB DB 00H EKK DW 0000H KPP DW 0000H KII DW 0000H KDD DW 0000H PEIE DW 0000H DE1 DW 0000H DE2 DW 0000H EI DW0000H EIAB DB EEE DB FFF DW GGG DW OUTPUT DW0000H BA1 DW 1999H 十进制小数 0 2 转化后的 16 位二进制数 ALLK DW Xk DW XXk DW Xk 1 DW Xk 2 DW XK 3 DW ZZ DB04H DATA ENDS 计算机控制技术课程设计 20 代码段定义 CODE SEGMENT ASSUME CS CODE DS DATA START MOV AX DATA MOV DS AX PUSHDS XORAX AX MOVDS AX MOV AX 2000H OFFSET IRQ7 MOV SI 003CH MOV SI AX MOV AX 2000H OFFSET IRQ6 MOV SI 0038H MOV SI AX MOV AX 0000H MOV SI 003EH MOV SI AX MOV SI 003AH MOV SI AX CLI POPDS MOV AL 90H OUT 63H AL MOV AL 0A4H OUT 43H AL MOV AL 2EH OUT 42H AL IN AL 21H AND AL 3FH OUT 21H AL MOV SI OFFSET KD 2 MOV BH 03H MOV DI OFFSET KDD 1 CALL CHANGE MOV AL 80H 计算机控制技术课程设计 21 OUT 00H AL MOV BL 01H AGAIN STI HLT JMP AGAIN 中断子程序处理 IRQ6 MOV AL 80H OUT 00H AL MOV AL 00H OUT 61H AL MOV AX 0000H MOV DE2 AX MOV IE AX MOV BL 01H MOV AL 20H OUT 20H AL IRET IRQ7 CALL CY DEC BL JNZ FINISH CALL LVBO MOV CL 03H SAR DX CL MOV EKK DX MOV AX DX MOV DX KPP CALL ML MOV PEIE DX MOV DX KDD MOV AX EKK CALL ML MOV DE1 DX MOV AL EKB MOV BL 00H SUB AL BL JG L1 NEG AL JMP L1 FINISH MOV AL 20H 计算机控制技术课程设计 22 OUT 20H AL IRET 变速积分处理子程序 L1 MOVEEE AL MOV DL EIB SUB AL DL JG AD6 MOVAX 01H MOVFFF AX JMP DDF AD6 MOVAL EIB MOVAH EIA ADDAL AH MOVEIAB AL MOVDL EEE MOVAL DL SUB AL EIAB JGDD6 MOVAL EIAB SUBAL EEE MOVAH 00H MOVDL EIA MOVDH 00H DIVDX MOVFFF AX DDF MOVDX FFF MOVAX KII IMULDX MOVGGG DX 计算机控制技术课程设计 23 MOV DX GGG MOV AX EKK CALL ML MOV AX IE ADD DX AX MOV IE DX TEST DH 80H JZ DD1 MOV AX 0F000H AND AL AL SBB DX AX JG DD2 MOV DX 0F000H JMP DD4 DD1 MOV AX 0FFFH AND AL AL SBB DX AX JG DD3 DD2 MOV DX IE JMP DD5 DD3 MOV DX 0FFFH DD4 MOV IE DX DD5 MOV AX PEIE ADD DX AX MOV PEIE DX DD6 MOV AX DE2 MOV DX DE1 MOV DE2 DX AND AL AL SBB DX AX MOV AX PEIE ADD DX AX CALL OUT PUT MOV BL TK JMP FINISH ML CMP DX 7FFFH JA ML1 计算机控制技术课程设计 24 IMUL DX RET ML1 PUSH BX PUSH CX PUSH AX SUB DX 7FFFH IMUL DX MOV BX DX MOV CX AX POP AX MOV DX 7FFFH IMUL DX ADD AX CX ADC DX BX POP CX POP BX RET CY IN AL 60H SUB AL 80H MOV EKB AL MOV SI OFFSET XK 2 MOV DI OFFSET XK 3 MOV ZZ 04H Z1 MOV AX SI MOV DI AX DEC SI DEC SI DEC DI DEC DI DEC ZZ JNZ Z1 MOV AX 0000H MOV AH EKB MOV XK AX RET LVBO MOV AX 0000H MOV ALLK AX MOV SI OFFSET BA1 计算机控制技术课程设计 25 MOV DI OFFSET XK MOV CX 0005H LL1 MOV DX SI MOV AX DI INC DI INC DI CALL ML ADD DX ALLK MOV ALLK DX DEC CX JNZ LL1 RET OUT PUT MOV OUTPUT DX TEST DH 80H JZ L7 MOV BX 0F000H SUB DX BX JG L8 MOV DX 0F000H MOV AL 80H OUT 61H AL JMP L9 L7 MOV BX 0FFFH SUB DX BX JG L10 L8 MOV DX OUTPUT JMP L11 L10 MOV DX 0FFFH MOV AL 80H OUT 61H AL L9 MOV OUTPUT DX L11 MOV CL 03H SHL DX CL MOV AL DH ADD AL 80H OUT 00H AL L12 RET 计算机控制技术课程设计 26 CHANGE DEC SI MOV CX SI INC SI AND AL AL MOV DX 0000H MOV BL 10H GO MOV AL SI ADD AL AL DAA MOV SI AL DEC SI MOV AL SI ADC AL AL DAA RCL DX 0001H MOV SI AL INC SI DEC BL JNZ GO DEC SI MOV SI CX DEC SI TEST BYTE PTR SI 01H JNZ QB1 FIN DEC DI MOV DI DX DEC SI DEC DI DEC BH JNZ CHANGE RET QB1 NEG DX JMP FIN CODE ENDS END START 计算机控制技术课程设计 27 第 章第 章 设计仿真与结果分析设计仿真与结果分析 4 14 1结果分析 结果分析 图 12 硬件线路 设置 EIB 10H EIA 50H EI 70H 波形如下 属于未引入系数积分情况 计算机控制技术课程设计 28 图 13 设置 EIB 10H EIA 50H EI 30H 波形如下 属于引入积分分离系数 图 14 其中 Kp 0 0015 Ki 0 9000 Kd 0 3240 可以看出变速积分效果 计算机控制技术课程设计 29 2 2 仿真 仿真 4 2 14 2 1 源程序 源程序 PID Controller with changing integration rate clear all close all Big time delay Plant ts 20 sys tf 1 60 1 inputdelay 80 dsys c2d sys ts zoh num den tfdata dsys v u 1 0 u 2 0 u 3 0 u 4 0 u 5 0 y 1 0 y 2 0 y 3 0 error 1 0 error 2 0 ei 0 for k 1 1 200 time k k ts rin k 1 0 Step Signal Linear model yout k den 2 y 1 num 2 u 5 error k rin k yout k kp 0 45 kd 12 ki 0 0048 A 0 4 B 0 6 T type integration ei ei error k error 1 2 ts M 1 if M 1 Changing integration rate if abs error k B end if u k 10 u k 10 end Return of PID parameters u 5 u 4 u 4 u 3 u 3 u 2 u 2 u 1 u 1 u k y 3 y 2 y 2 y 1 y 1 yout k error 2 error 1 error 1 error k end figure 1 plot time rin b time yout r xlabel time s ylabel rin yout figure 2 plot time f r xlabel time s ylabel Integration rate f 计算机控制技术课程设计 31 4 2 4 2 仿真图 仿真图 图 15 变速积分 图 16 普通 PID 运算 计算机控制技术课程设计 32 第 章第 章 总结与体会总结与体会 此次课程设计我做了三个题目中最难的变速积分 设计中我才发现课本学的内容 远远不够 我获得的更多的东西是设计一个系统的思路 一开始的确有些畏难情绪 怕自己做不好 不过静