变速积分PID控制系统设计

1、课 程 设 计 报 告设计题目变速积分PID控制系统设计课程名称计算机控制技术B姓名苏丹学号2008100731班级自动化0803教师闫高伟设计日期 2011年 7月5日目 录摘 要.IAbstract II第1章数字PID及变速积分简介11.1 数字PID发展介绍11.2 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31.3 变速积分简介3第2章系统分析与设计42.1 系统功能分析4 对象整体分析5系统分析与设计与系统开环增益62.2计算机系统选择分析68088CPU简介6其余模块的使用72.3 软件设计分析12第3章硬件设计与软件编程123.

2、1 硬件设计.12 3.1.1 系统方框图.12 3.1.2 线路原理图.123.2 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.214.1 结果分析214.2 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变速积分PID控制系统设计摘要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

3、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

4、控制原理实验箱（设备型号：TDNACS），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：PID控制算法；变速积分；matlab仿真AbstractSo far, the PID is the most common control arithmetic. Its one of the most early developed control strategy, which is applied to the industry process. Its structure is simple and easy to implement, however, t

5、he 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 o

6、nly 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 integ

7、ral 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 del

8、ay 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 goo

9、d 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第1章 数字PID及变速积分简介1.1 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

10、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 PID控制器

11、工作原理：1.2.1 模拟 PID 控制算法:图1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： （11）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。1.2.2 数字式 PID 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

12、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）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）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

13、分系数，=/。1.3 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fe(k)，它为e(k)函数，变速积分PID中积分项为:(1-4)fe(k)与当前偏差e(k)是线性或非线性关系， f值在01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fe(k)。（2）变速积分PID算法为：(1-6)第章系统分析与设计系统功能分析：2.1.1 对象整体分析：

14、控制对象传递函数为极点：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：RfR= uo(t)-+C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： 图32.1.2 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：KP0.5KPU（PKP0.5

15、KPU） 用比例、积分调节（T 取0.2T）比例 KP0.36 KPU（即 PKP0.36 KPU）积分时间TI1.05T（即I=0.07KPU） 用比例、积分、微分调节（T=1/6Tu）比例 KP0.27KPU（即 PKP0.27 KPU）积分时间 TI0.4TU（即I=0.11KPU）微分时间 TD0.22TU（即 D0.36KPU）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

16、 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 PID5.3，可取0.5300 送入，模拟电路开环增益亦相应增大 10 倍。2.2 计算机系统选择分析：TDNACS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。2.2.1 8088CPU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

17、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：A16A19/S3S6：4条时分复用、三态输出的引线。A8A15：三态输出引线。AD0AD7：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。 READY：准备就绪输入信号，高电平有效。INTR：

18、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。2.2.2 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

19、 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）。图42.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53. 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 00HFFH，对应输出（U10 单元的 OUT 端）为

20、5V4.96V。80 H对应0V。图64. 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（IN0IN7），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IN1IN5 的模拟量输入允许范围：0V4.98V,对应数字量 00HFFH，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：-5V4.96V，对应数字量 00HFFH。0V 对应 80H。.图75. 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:图9注：信

21、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=200K2.3 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fe(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：00H0FFH。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：0.99990.9999，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

22、 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，fe(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 硬件设计与软件编程硬件设计：系统方框图：图线路原理图：见附录软件设计：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Kp.EkKd(Ek-Ek_1) 是 EB 否 是 否

23、中断程序程序源代码：堆栈段定义STACK SEGMENT STACK DW 256 DUP(?)STACK ENDS数据段定义DATA SEGMENTTK DB05HEIB DB 10HEIA DB 30HKP DB 00H,24H,43HKI DB 00H,04H,96HKD DB 00H,42H,40HEKB DB 00HEKK DW 0000HKPP DW 0000HKII DW 0000HKDD DW 0000HPEIE DW 0000HDE1 DW 0000HDE2 DW 0000HEI DW0000HEIAB DB ?EEE DB ?FFF DW ?GGG DW ?OUTPUT D

24、W0000HBA1 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 (?)ZZDB04HDATA ENDS代码段定义CODE SEGMENT ASSUME CS:CODE,DS:DATASTART: 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 M

25、OV 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 OUT 00H,AL MOV BL,01H AGAIN: STI HLT JMP AGAIN中断子程

26、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 IRETIRQ7: 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,00

27、H SUB AL,BL JG L1 NEG AL JMP L1FINISH: MOV AL,20H 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 DDFAD6: 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,AXDDF: MOVD

28、X,FFF MOVAX,KII IMULDX MOVGGG,DX 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 DD4DD1: MOV AX,0FFFH AND AL,AL SBB DX,AX JG DD3DD2: MOV DX,IE JMP DD5DD3: MOV DX,0FFFHDD4: MOV IE,DXDD5: MOV AX,PEIE ADD DX,AX MO

29、V PEIE,DXDD6: 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 FINISHML: CMP DX,7FFFH JA ML1 IMUL DX RETML1: 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 RETCY: IN A

30、L,60H SUB AL,80H MOV EKB,ALMOVSI,OFFSET XK_2MOVDI,OFFSET XK_3MOV ZZ,04HZ1:MOVAX,SIMOVDI,AXDECSIDECSIDECDIDECDIDECZZJNZZ1 MOV AX,0000H MOV AH,EKB MOV XK,AX RETLVBO: MOV AX,0000H MOV ALLK,AX MOV SI,OFFSET BA1 MOV DI,OFFSET XK MOV CX,0005HLL1: MOV DX,SI MOV AX,DI INC DI INC DI CALL ML ADD DX,ALLK MOV A

31、LLK,DX DEC CX JNZ LL1 RETOUT_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 L9L7: MOV BX,0FFFH SUB DX,BX JG L10L8: MOV DX,OUTPUT JMP L11L10: MOV DX,0FFFH MOV AL,80H OUT 61H,ALL9: MOV OUTPUT,DXL11: MOV CL,03H SHL DX,CL MOV AL,DH ADD AL,80H O

32、UT 00H,ALL12: RETCHANGE: DEC SI MOV CX,SI INC SI AND AL,AL MOV DX,0000H MOV BL,10HGO: 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 PTRSI,01H JNZ QB1FIN: DEC DI MOV DI,DX DEC SI DEC DI DEC BH JNZ CHANGE

33、RETQB1: NEG DX JMP FINCODE ENDS END START第章 设计仿真与结果分析4.1 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：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。2 仿真：4.2.1 源程序：%PID Controller with changing integration rateclear all;close all;%Big time delay Pl

34、antts=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=1:1:200time(k)=k*ts;rin(k)=1.0; %Step Signal%Linear modelyout(k)=-den(2)*y_1+num(2)*u_5;error(k)=rin(k)-yout(

35、k);kp=0.45;kd=12;ki=0.0048;A=0.4;B=0.6;%T type integrationei=ei+(error(k)+error_1)/2*ts; M=1;if M=1 %Changing integration rateif abs(error(k)<=B f(k)=1;elseif abs(error(k)>B&abs(error(k)<=A+B f(k)=(A-abs(error(k)+B)/A;else f(k)=0;endelseif M=2 %Not changing integration rate f(k)=1;endu(

36、k)=kp*error(k)+kd*(error(k)-error_1)/ts+ki*f(k)*ei;if u(k)>=10 u(k)=10;endif u(k)<=-10 u(k)=-10;end%Return of PID parametersu_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);endfigure(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'