DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真课程设计报告

1、 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： 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

2、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 (

3、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/

4、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|

5、e(k)|<时， 采用PID控制；的值根据具体对象及要求确定。抗积分饱和算法抗积分饱和算法依据控制系统最终的控制输出量u达到优化目的，当控制量u较大且超出执行机构与A/D转换范围时，控制器停止积分作用，保证输出超限时不积分；带死区的数字PID算法在实际控制系统中，计算机控制为了避免控制动作过于频繁，以消除系统振荡，就会采用带死区的PID算法。该算法是在原PID算法前加一个不灵敏区来实现，即 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

6、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

7、 ；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8.75,6.6*1.2,6.6*04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

8、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=0.8×5=4，Ti=1.2tr=1.2×10=12 ，Td=0.4tr=0.4×10=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

9、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。

10、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<conio.h> #include<graphics.h> #include <stdio.h> #include <dos.h>/*-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

11、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 450 #define xtext1y 450 #define ytext1x 10 #define ytext1y 60 #define xtext2x 610 #define xtext2y 450 #define ytext

12、2x 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,f

13、loat 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

14、); 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,y

15、x,yy); for(i=0;i<51;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,&

16、quot;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

17、,"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"); ou

18、ttextxy(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)

19、/V");main() float kp,ti,td,tf,e3=0,ee3=0,u6=0,au1=0; int r=1,k=1; Initial_Sys(); DrawAxis(); while(k<100) 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

20、); 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&qu

21、ot;/*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

22、=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 ke

23、y_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/

24、*-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*/int cj_counter=0;/*sampling counter*/int Q_counter=8

25、00;/* 采集步长 赋初始值*/int stepdata800;int slopedata800;int error800;/*-函数声明 -*/void interrupt (*fadd1C)(void);void loop();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);void PIDset(v

26、oid);float PID(float sp1,float pv1,float Kp1,float Ti1,float Td1,float Tf1,char A_H1,float T1);float Object(float u1,float T1);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;i<500;i+)

27、stepdatai=10;slopedatai=i;errori=0; /* Set new INT_1C and save old */disable();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*/* 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() doif(cj_counter*T)<(time_counter/18.2) PIDset();/*Introduction:Exit-

28、E/ESC,A_H-A/H,Ideal/Parallel PID,sp-U/D*/u=PID(sp,pv,Kp,Ti,Td,Tf,A_H,T);/*DA(u); */pv=Object(u,T);/*ad=AD(O);*/*pv=DelayAction(u);*/e=errorcj_counter;Drawline(cj_counter,pv,sp,u,e);manu=0;/*status bar,at the top of the screen-how to express %.2f*/if(Tf=0)printf("IdealPID,Mode:%c,sp=%.1f,pv=%2.1

29、f,u=%.1f,error=%.1f,Kp=%.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 wrong value! Please exit and restart this program.r")

30、;cj_counter+;while(cj_counter<500);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); /*

31、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(1

32、0);lb=inportb(BASE+4);result = lb + (hb&0x0F)<<8);/*0 to 4095*/result=result*5/4096;/*0 V to +5V*/return result;/*A/D conversion program,0 to +5 - 0 to 4095*/void DA(float pv1) int temp,i; unsigned char hb,lb; if (pv1>5) /* make the output real */ pv1=5; else if (pv1<0) pv1=0; temp=(

33、int)(4095*pv1/5.0); hb=temp<<8; lb=temp-(hb<<8); 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

34、 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;cyc<36;cyc+)y_old36-cyc=y_ol

35、d36-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='+'el

36、se 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 Td

37、1,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(Kp1<0)printf("Kp becomes a negative number,please restart.");else if(Ti1<0) printf("Ti becomes a negative number,please press restart.&qu

38、ot;);else if(Td1<0) 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 stand

39、s 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*/floa

40、t 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,&a

41、mp;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

42、,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;i<4;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-100*2,"2"