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.doc

《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.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《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.doc（26页珍藏版）》请在迅下文库上搜索。

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：指导教师：X耀春设计周数：一周成绩：日期：2012 年 6 月 20 日-.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运算式掌握数字PID控制器的设计与整定的方法，并做出模拟计算机

2、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(1.1)配备微型计算机一台，系统软件Windows 98或DOS (

3、不使用无直接I/O能力的NT或XP系统), 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/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

4、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|e(k)|C时，|e(k)|=|e(k)|;当|e(k)|C时，|e(k)|=0 其中C

5、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，手操器实时跟踪自动PID调节器的输出，切换瞬间由于手操器部电路起保持作用，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

6、：图中各元件参数如下：R3=R2=510K；R1=R4=R5=R6=R7=1M ；C1=C2=C=4.7uF；那么可得：K=R5/R1*(R6/R4)=1 T1=T2=R5*C1=R6*C2=1000000*0.0000047=4.7s所以Gs=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。4PID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

7、减曲线法对PID参数进行整定。在matlab中，设置PID参数为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=0.85=4，Ti=1.2tr=1.210=12，Td=0.4tr=0.410=45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

8、加的灵活。3.设计结果1PID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。每次按

9、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 #include #include #include /*-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 580 #define leny 400 #define yx 8 /*-y轴顶点横坐标-*/ #define yy 15 /*-y轴

10、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 ytext2x 10 #define ytext2y 20/*-理想PID运算式-*/float lxpid(float kp,float td,fl

11、oat 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,float 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); initgraph(&GraphDriver,&GraphMode,C:TC201EBGI); cleardevice(); /*-