DDC单回路PID闭环控制系统设计及实时仿真

本文格式为Word版，下载可任意编辑——DDC单回路PID闭环控制系统设计及实时仿真课程设计报告(2022--2022年度第2学期)名称：

计算机操纵系统A题目：

DDC单回路PID闭环操纵系统的设计及实时仿真院系：

自动化系班级：

自动班学号：

学生姓名：

指导教师：

设计周数：

一周成绩：

日期：2022年X月X日《计算机操纵系统A》课程设计任务书一、目的与要求1.学习并了解用高级语言（C语言）实现数字PID操纵算法模块程序的方法；

2.对比验证梦想微分PID和实际微分PID操纵算法阶跃响应，加深对上述两种算法各自特点的熟悉；

3.学习了解用模拟计算机使用方法；

4.学习掌管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.学习掌管通过A/D、D/A转换用计算机获取被控对象动态特性的方法；

7．通过实时仿真测验掌管DDC单回路操纵程序编制及调试方法。

二、主要内容1.用C语言分别编写梦想微分PID和实际微分PID操纵算法模块，在微机中调试实现，并编写简朴的计算机绘图程序，分别绘制并打印出上述两种算法的单位阶跃响应曲线（课外上机完成）；

2.用模拟计算机搭接成一个二阶惯性环节，作为一个模拟仿真的被控对象；

3.用C语言编写使用HY-6060举行定时采样、定时输出的接口程序，并在微机中调试实现；

4.由D/A输出阶跃信号，同时由A/D采集模拟的被控对象的响应，绘制并打印出采集获得的飞升曲线，并初步计算出对象模型；

y5.由模拟计算机搭接的二阶惯性环节作为系统中的被控对象，用计算机作为DDC操纵器，通过HY-6060接口板实现对模拟机的实时操纵。仿真测验系统的框图如下：

r+uPID模拟机D/A-A/D6．整定操纵器PID参数，在设定值阶跃处境下，打印操纵量u和被控量y的曲线。

三、进度筹划序号设计内容完成时间备注1编写数字PID操纵算法模块本设计开头前在课程要求的8学时课外上机时间完成2本设计其它内容按小组分工协作完成设计周五3验收、辩论设计周末前四、设计（测验）成果要求1.根据个人在设计小组中的分工，完成设计内容；

2．分析实时仿真结果，每人完成设计报告。设计报告除C语言源程序及打印的结果曲线外，务必手写完成，不得使用打印稿；

3．提交设计报告，加入设计辩论。

五、考核方式按小组对设计内容举行演示，由教师检查验收，辩论按学生个人举行，给出综合劳绩。

学生姓名：

指导教师：

2022年X月X日正文一．设计思想运用编程软件Turboc2.0，开发名为Administrators的监控软件。Administrators包含HY-6060举行定时采样、定时输出的接口模块，手/自动切换模块及操纵界面显示模块。对PID参数举行整定后，通过HY-6060对用模拟计算机所搭接二阶惯性环节数据的采集，在可视化界面中获得直观的响应曲线，并通过HY-6060接口板实现对模拟机的实时操纵。

二．设计步骤1.前期打定工作（1）需要一台具有PC插槽的微型计算机并安装具有直接I/O才能的Windows98系统以及Turboc2.0软件，HY-6060及接线板一套，模拟计算机一台。

（2）复习Turboc2.0并参照说明书学习HY-6060的使用2.PID的设计：

(1)采用连续传递函数的离散化方法，如向后差分法及双线性变换法，将梦想微分PID算式和实际微分PID算式离散化，写成差分方程的形式，从而便于用计算机实现。

梦想微分PID：

c0=kp*(1+T/Ti+Td/T);c1=-kp*(1+2*Td/T);c2=kp*Td/T;u[0]=u[0]+q0*e[2]+q1*e[1]+q2*e[0];实际微分PID：

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);a=c0*(u[0]-u[1])+c1*e[0]+c2*e[1]+c3*e[2]+u[0];（4）设置死区：在实际操纵系统中，并不要求被控量特别精确的与设定值相等，完全无差，而是容许偏差在确定范围内变化，在这种处境下，计算机操纵为了制止操纵动作过于频繁，以消释系统振荡，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，即设置不灵敏区C值当|e(k)|C时，|e(k)|=|e(k)|;当|e(k)|C时，|e(k)|=0(5)手动/自动跟踪和无扰切换自动到手动过程：系统处于自动时，手操器实时跟踪PID调理器的输出，当切换到手动时，被控对象处于手操器的开环操纵，调理器跟踪手操器的输出。

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，同时设置相应的功能键，P为暂停，E为退出。

3．二阶惯性环节的搭接利用模拟计算机中的电容电阻及运算放大器，搭接已经设计好的二阶惯性环节，仿真一个被控对象。其传递函数为，为使增益为1左右并且对象的惯性时间足够大令R1=R2=R3=R4=R=1MR5=R6=510K,C1=C2=C=4.7uF那么K=（R2/R1）*(R4/R3)=1T1=T2=R*C=1000000*0.0000047=4.7s所以G（s）=1/（4.7s+1）*(4.7s+1)将HY-6060插入微型计算机的PC插槽，用硬盘线、接线板及导线将HY-6060与所搭二阶惯性环节连接，实现计算机与二阶系统的硬件连接，为通信做好打定。

接线电路图如下：（手抄）

4.PID参数整定通过使用matlab获得对象的阶跃响应曲线，从而确定出对象的延迟时间、时间常数T，开环增益K，根据内模整定法得出PID调理器参数的初步整定值。再通过测验调整初步整定值最终得出一组PID参数使系统在给定值阶跃扰动下的响应曲线对比梦想。

于是有：T=11.5=2K=1那么Ti=T=11.5Td=0.5*=1=0.5*K*/T=1/11.5Kp=11.5Tf=0.25．A/D采集与D/A转换（1）过程:采集二阶惯性环节输出的电压并通过HY-6060对该模拟量举行A/D转换，然后将其送入微型计算机，将转化后的数字信号与设定值举行对比，利用偏差举行PID操纵，将PID调理器的输出量送给HY-6060举行D/A转换得到模拟信号，即电压值，再送给二阶惯性环节，从而得到新的二阶惯性环节的输出量，该输出量再次由HY-6060采集并举行A/D转换。

采样时间取0.055s，由中断实现。

（2）HY-6060的使用：

通过调整PID使板基地址base为260HBase+0为模拟输入信号通道选择寄放器，测验中选用通道1base+1为转换完成位寄放器，最高位置1转换完成，置0转换未完成base+2为转换低8位数据寄放器base+3为转换高4位数据寄放器base+4为命令字寄放器，测验中置0从而屏蔽定时触发和外触发。

通过调整JP1、JP2、JP5、JP6使模拟电压输入范围为单极性输入0--+10通过调整JP3、JP4使模拟电压输出范围为单极性输出0--+10(3)数模标度变换采集的模拟量A是最大范围为0--+10的电压，而经转换后在电脑中的数字量D是12位二进制数，对应范围是0—FFFH，即数字量D=A*FFFH/10。

例如0V的电压对应数字量是000H。

6.操纵界面设计本小组使用Turboc2.0根本操纵界面实现对被控对象的PID参数设置及调整，通过本操纵界面可实现手/自动操纵切换。

三．测验结果本小组采用实际PID调理器操纵具有迟延的二阶对象（其中二阶对象由模拟计算机实现），获得了良好的效果。其中整定的实际PID调理器参数如下：

kp=11.5Ti=11.5Td=1Tf=0.2峰值时间（s）

超调量（%）

调理时间（s）

原系统阶跃响应30030整定后系统阶跃响应3．915．1%14．7原系统阶跃响应曲线，整定后系统的阶跃响应曲线，系统运行曲线，手/自动切换PID调理器输出曲线见附录。

四．测验总结1.测验过程中，因本小组遇到的难点主要集中在硬件方面如HY-6060的使用、A/D通道和D/A通道连接测试等硬件方面的问题及软件的查错调试等，因本小组成员在这些方面阅历缺乏，所以在解决这些问题的过程中本小组成员虚心向老师及周边同学请教，获得了解决问题的根本思路后积极