华北电力大学过程计算机控制课设DDC串级回路PID闭环

1、课程设计报告名称：过程计算机控制题目： DDC串级回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真院系：控计班级： 学号： 学生姓名： 同组人： 指导教师：李明扬设计周数：一周一、设计目的1. 学习并了解用高级语言（C语言）实现数字PID控制算法模块程序的方法；2. 比较验证理想微分PID和实际微分PID控制算法阶跃响应，加深对上述两种算法各自特点的认识；3. 学习了解用模拟计算机使用方法；4. 学习掌握A/D、D/A转换接口板的使用方法；5. 了解一种微机中断定时的方法；6. 学习掌握通过A/D、D/A转换用计算机获取被控对象动态特性的方法；7 通过实时仿真实验掌握DDC单回路控制程序编制及调试方法。

2、二、实验仪器(1)微型计算机一台，系统软件Windows 98或DOS (不能使用无直接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；(2)模拟计算机一台(XMN-1型)；(3)通用数据采集控制板一块（PCL-812PG型）。三、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

3、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);四、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=R

4、5*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。五、实验结果（1）理想和实际PID阶跃响应曲线（2）被控对象（实物搭建二阶惯性环节）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。

5、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）根据对象单位阶跃响应曲线求增益和惯性时间：利用切线法求对象的增益和用一阶等效的惯性时间：如上图所示做拐点切线，得对象增益和一阶等效惯性时间分别为： Ti13s（4）手自动切换：（5）设定值r、控制量u和被控对象输出的阶跃响应曲线：程序清单 /*-头文件定义-*/   

6、0;  #include<conio.h>      #include<graphics.h>      #include <stdio.h>      #include <dos.h>/*-定义绘图坐标-*/       #define ox

7、0;8       /*-原点横坐标-*/          #define oy 440                /*-原点纵坐标-*/       #define

8、0;xx 620                /*-x轴顶点横坐标-*/       #define xy 440                /*-x轴顶点纵坐标-*/

9、60;      #define lenx 580       #define leny 400       #define yx 8                 &

10、#160; /*-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   

11、    #define top 20       #define right 620       #define bottom 460 /*-坐标轴注释-*/       #define xtext1x 450    &

12、#160;  #define xtext1y 450       #define ytext1x 10       #define ytext1y 60       #define xtext2x 610       #

13、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)    i

14、nt t=1;       float u;       float q0=kp*(1+t/ti+td/t);       float q1=-kp*(1+2*td/t);       float q2=kp*td/t;     

15、  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;       

16、; 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);     

17、60;  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; 

18、60;      int GraphMode;        detectgraph(&GraphDriver,&GraphMode);        initgraph(&GraphDriver,&GraphMode,"C:TC201EBGI");     

19、0;cleardevice();  /*-绘制坐标系-*/ void DrawAxis(void)       int i;      setbkcolor(15);      setcolor(5);      line(ox,oy,xx,xy);     

20、    /*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,y

21、y);line(yx+5,yy+10,yx,yy);    for(i=0;i<51;i+)       /*-x轴刻度-*/          line(ox+10*i,oy,ox+10*i,oy-10);          line(ox+10*i+5,oy,ox+10*i+5,oy-5)

22、;             for(i=1;i<=8;i+)  /*-y轴刻度-*/      line(ox,oy-50*i,ox+10,oy-50*i);       outtextxy(ox+50*0-7,oy+20,"0");      

23、; 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

24、+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&q

25、uot;);  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-

26、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");     &

27、#160; outtextxy(ox-10,oy-50*8,"8");   /*坐标轴刻度标识*/   settextstyle(SMALL_FONT,HORIZ_DIR,5);     /*坐标轴标示字体 方向 大小*/outtextxy(xtext1x,xtext1y,"Time");outtextxy(xtext2x,xtext2y,"t/s");     settextstyle

28、(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;  

29、    int r=1,k=1;      Initial_Sys();      DrawAxis();      while(k<100)                  u0=

30、lxpid(1,3.0,10,e,u1);            e0=r;             u3=sjpid(1,5,3.0,10,ee,au1,u4); setcolor(5);            line(k-1

31、)*10,130-u1*100,k*10,130-u1*100);            line(k*10,130-u1*100,k*10,130-u0*100);            delay(10000);            

32、        u1=u0;            e2=e1;            e1=e0;            ee0=r;  

33、          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);      

34、0;     u5=u4;            u4=u3;            ee2=ee1;            ee1=ee0;    

35、        au1=u4-u5;            k+;  /*-头文件定义-*/ #include "stdio.h"  #include "math.h" #include "graphics.h"  #include

36、0;"string.h" #include "dos.h" #include "bios.h" #include "conio.h"    /*中断程序头文件定义*/#include "stdlib.h" #include "io.h"/*-按键地址区定义-*/ /*statements*/ double key_ESC=0x0

37、11b;   /*退出*/double key_E=0x1265;  double key_A=0x1e61;  /*自动*/double key_H=0x2368;  /*手动*/double key_U=0x1675;  /*自动时增SP，手动时增手操器输出*/double key_D=0x2064;  /*自动时减SP，手动时增手操器输出*/double key_I=0x1769;  /*理想PID*/double key_P=0x1970

38、; /*实际PID*/ double key_up=0x4800;  /*手动时,增Kp*/double key_down=0x5000;  /*手动时,减Kp*/double key_left=0x4b00; /*手动时,减Ti*/ double key_right=0x4d00;  /*手动时,增Ti*/double key_pgup=0x4900; /*手动时,增Td*/ double key_pgdown=0x5100; /*手动时,减Td*/*-PLCD780基址定义-*/&

39、#160;#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 

40、;      /*-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-

41、*/*-PID参数定义-*/float Kp=1.0; float Ti=10.0; float Td=3.0; float Tf0=15.0; float Tf=0;                            

42、60; float T=0.1;                     /*-采样时间-*/ float ad,e,pv0; float u=0.0; float pv=0.0; /*反馈值*/ float sp=0.0;  /*设定值*/char A_H='

43、H' /*手动-自动,开始为手动*/char manu; /*用于调节u_m的增减*/  int key=0; /*存键盘扫描结果*/ int time_counter=0;   /*中断计数*/ int cj_counter=0;   /*采样计数器*/ int Q_counter=800;  /* 采集步长   赋初始值*/ int stepdata800;

44、0;int slopedata800; int error800;/*-函数声明 -*/ void interrupt (*fadd1C)(void);  /*中断*/void loop();  /*主程序循环*/float AD(unsigned char channal);  /*A/D*/ void DA(float pv1); /*D/A*/ void interrupt

45、0;INT_1C(void);   /*8259,reset interrupt controller*/ int scankey();  /*扫描键盘，判断是否有建按下*/float DelayAction(float y0); /*软件延迟*/void PIDset(void);  /*PID设置*/float PID(float sp1,float pv1,float Kp1,float Ti1,float T

46、d1,float Tf1,char A_H1,float T1); float Object(float u1,float T1);   /*仿真对象*/void Initial_Sys(void);     /*初始化为图形模式*/void axis(void);  /*画坐标轴*/void Drawline(int cj,float pv1,float sp1,float 

47、u1,float e1); /*画线*/*主函数*/ void main(void)int i;  for(i=0;i<500;i+)  stepdatai=10; slopedatai=i; errori=0; /* Set new INT_1C  and save old   */   disable();  /*保存旧中断，设置新中断*/fadd1C=getvect

48、(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*/  /* 开启中断服务*/  setvect(0x1C,INT_1C);  enable();  axis();  loop();  /*主函数结束  下面为定时采值输出程序*/void loop()  do     if(cj_cou

49、nter*T)<(time_counter/18.2)     ad=AD(0);  PIDset();     u=PID(sp,pv,Kp,Ti,Td,Tf,A_H,T);    DA(u);       pv=DelayAction(u); /*pv=Object(u,T);    */  e=errorcj_cou

50、nter;     Drawline(cj_counter,pv,sp,u,e);    manu=0; /*复位*/*status bar,at the top of the screen-how to express %.2f*/    if(Tf=0)printf("IdealPID,Mode:%c,sp=%.1f,pv=%2.1f,u=%.1f,error=%.1f,K

51、p=%.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 

52、wrong value! Please exit and restart this program.r");cj_counter+;   while(cj_counter<500);  /* 恢复中断*/  disable();  setvect(0x1C,fadd1C);  enable();  /*D/A conversion program,0&

53、#160;to 4095 - 0to +5*/ float AD(unsigned char channal)  float result=0;  int i;  unsigned char hb=0,lb=0,poll=0x10; outportb(BASE+11,REG);  /*软件程序触发*/ for(i=0;i<10000;i+);outportb(BASE+10,channal)

54、; /*进行通道设置.选择通道0*/  for(i=0;i<10000;i+);outportb(BASE+9,0);         /*设置增益通道增益*/  for(i=0;i<10000;i+); outportb(BASE+12,0);  /*触发A/D转换*/ for(i=0;i<10000;i+);  do   /*查询法读PV*/poll=in

55、portb(BASE+5);  while(poll&0x10);  hb=inportb(BASE+5); for(i=0;i<10000;i+);lb=inportb(BASE+4);  result = lb + (hb&0x0F)<<8);  /*0 to 4095*/  result=result*5/4096;  /*0 V to 

56、+5V*/  return result;    /*A/D conversion program,0 to +5 - 0 to 4095*/ void DA(float pv1)      int temp,i;     unsigned char hb,lb;  /

57、*限幅 */if (pv1>5)                    /* make the output real */                 pv1

58、=5;     else if (pv1<0)                 pv1=0;     temp=(int)(4095*pv1/5.0);     hb=temp<<8;     

59、;lb=temp-(hb<<8);outportb(BASE,1);    /*启动DA转换*/  for(i=0;i<10000;i+);    outportb(BASE+4,lb);        /* low 8 */     for(i=0;i<10000;i+);    o

60、utportb(BASE+5,hb);        /* high 4 */ /*00-中断子程序-*/void interrupt INT_1C(void)   time_counter+;  outportb(0x20,0x20);   /*键盘控制*/ int scankey(void)    int key0

61、;   /*扫描键盘，判断是否有建按下*/ key0=bioskey(1);  /*1:无键按下则返回0 */ if(key0!=0)   key0=bioskey(0); /*0:返回按下的键*/  return key0; /*DelayAction*/ /*tao=(int)(18.2*2) Delay action=2 seconds*/ float DelayAction(fl

62、oat y0) /*软件延迟*/   float y_out;static float y_old36=0;  /*将ad延迟2s作为PV，T=0.2s，于是延迟36步*/int cyc;  y_out=y_old36-1;  for(cyc=1;cyc<36;cyc+)   y_old36-cyc=y_old36-cyc-1;  y_old0=y0;  return y

63、_out; /*PID 主程序*/ void PIDset(void)  /*PID设置*/   key=scankey();  /*扫描键盘，并将按键存为key*/ if(A_H='H')  /*手动状态*/   if(key=key_up)    Kp+=0.2;   else if(key=key_down)   &

64、#160;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.

65、2;else if(key=key_U)    /*控制u_m增减*/manu='+'  else if(key=key_D)   manu='-'    if(A_H='A')   /*自动状态*/    if(key=key_U)     /*设定值增减*/sp+=10;  &

66、#160;if(key=key_D)    sp-=10;    if(key=key_E|key=key_ESC)   /*退出*/ exit(1); if(key=key_A)   /*设为手动*/ A_H='A'  if(key=key_H)   /*设为自动*/A_H='H'  if(key=key_I) &

67、#160; /*理想PID*/Tf=0;  if(key=key_P)   /*实际PID*/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

68、_u,u0,e,C1,C2,C3,C4;   /*离散化后PID参数 当前时刻,u0为返回值*/static float e1,e2,u1,delta_u1;  /*前一时刻的值*/  if(Kp1<0) printf("Kp becomes a negative number,please restart."); else if(Ti1<0)  printf("Ti bec

69、omes a negative number,please press restart."); else if(Td1<0)  printf("Td becomes a negative number,please press restart.");  else    C1=Tf1/(T1+Tf1);  C2=Kp1*T1*(1+T1/Ti1

70、+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;  /*delta_u1是delta_u前一时刻的值*/ u0=u1+delta_u;  /*当前时刻控制器输出*/ &#

71、160;    e2=e1;   e1=e;   delta_u1=delta_u;   u1=u0;  /*自动时，手操器输出跟踪自动输出*/  errorcj_counter=sp1-pv1;   return u0;/*手动控制*/  else if(A_H1='H')      

72、60;if(manu='+')     /*调节手操器输出*/u+=10;   if(manu='-')    u-=10;   sp1=pv1;   u1=u;  sp=pv1; /*sp跟踪pv保证偏差e为0*/  e1=0; e2=0;   delta_u1=0;     /*将前

73、两时刻的偏差赋值为0*/   errorcj_counter=sp1-pv1;   return u;      /*显示与画图*/*初始化 CRT*/ void Initial_Sys(void)   int GraphDriver;     int GraphMode;     det

74、ectgraph(&GraphDriver,&GraphMode);     initgraph(&GraphDriver,&GraphMode,"C:TC201EBGI");  /*draw basic coordinate axis*/ void axis(void)   int i;Initial_Sys();  setbkcolor(15); &#

75、160;  /*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);

76、  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)");