DDC串级回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真

1、 课程设计报告( 2012 - 2013 年度第 2 学期)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：自动化 班 级：实验自10 学 号：1101290120 学生姓名：张超群 指导教师： 田 涛 设计周数： 一 周 成 绩： 日期：2013 年 7 月 6 日PID参数的整定1）利用Matlab中Simulink工具搭建理想PIDPID模块内部结构：整定理想PID参数为：Kp=3 Ti=15s Td=2s对象响应曲线为:该组整定参数能够实现快速稳定效果，整定结果较为理想。2）利用Matlab中Simulink工具搭建实际PID： PID模块内

2、部结构：整定实际PID参数为：Kp=2 Ti=15s Td=4 Tf=10s对象响应曲线为:同样满足快速性要求，保证系统稳定。（5）实验结果输出曲线绘制由程序中编写的绘图模块子程序完成，同时采用按键实现了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：理想PID阶跃响应图： 实际PID阶跃响应图：由理想与实际PID阶跃响应对比，可知，理想微分PID算法的微分作用仅局限于一个采样周期有一个大幅度的输出。这样在大的干扰作用情况下，

3、一方面会使算法中的微分不能充分发挥作用。另一方面也会对执行机构产生很大的冲击作用。相反的，实际微分PID算法由于惯性滤波的存在，使微分作用可持续多个采样周期，有效地避免了上述问题的产生，因而具有更好的控制性能。（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。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

4、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： Ti（4）手自动切换：为实现手动到自动的勿扰切换，计算机需要跟踪手操器的阀位值，使u(k-1)能够跟踪阀位值，此外，控制算法中的e(k-1)、e(k-2)、u(k-1)等历史状态清零，使切换时偏差e(k)也为0。为使e(k)=0，就要求手动状态时的设定值跟踪过程的反馈量（即SP跟踪PV）。这样处理后，就能保证u(k)=0，实现手动到自动的

5、无扰切换。（5）设定值r、控制量u和被控对象输出的阶跃响应曲线：理想PID自动状态下，闭环系统阶跃响应曲线：实际PID自动状态下，闭环系统阶跃响应曲线：由于微分对高频信号具有放大作用，采用理想PID容易在系统引入高频的干扰，因此在理想PID自动状态下，响应曲线有非常明显的毛刺。而实际微分PID算法中包含有一阶惯性环节，具有低通滤波的性能，抗干扰能力较强。 4.程序清单/*-理想PID-*/*-头文件定义-*/#include#include#include#include#include/*-截图-*/#define IMAGEX 0 unsigned char CLOR163=0XFF,0X

6、FF,0XFF,0XAA,0X00,0X00,0X00,0XAA,0X00,0XAA,0XAA,0X00,0X00,0X00,0XAA,0XAA,0X00,0XAA,0X00,0X55,0XAA,0XAA,0XAA,0XAA,0X55,0X55,0X55,0XFF,0X55,0X55,0X55,0XFF,0X55,0XFF,0XFF,0X55,0X55,0X55,0XFF,0XFF,0X55,0XFF,0X55,0XFF,0XFF,0X00,0X00,0X00,;/*-定义绘图坐标(640,480)-*/#define xo 40 /*-x轴-*/ #define xf 630 #define

7、 xy 440 #define yx 40 /*-y轴-*/#define yo 440#define yf 10 /*-理想PID运算式-*/float ipid(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; /*-绘图初始化-*/void Initial_Sys(void)int GraphDriver;int Gra

8、phMode;detectgraph(&GraphDriver,&GraphMode);initgraph(&GraphDriver,&GraphMode,);cleardevice(); /*-绘制坐标系-*/void DrawAxis(void)int i;setbkcolor(15);setcolor(5);line(xo,xy,xf,xy); /*-x轴-*/line(xf,xy,xf-5,xy+5);line(xf,xy,xf-5,xy-5);line(yx,yo,yx,yf); /*-y轴-*/line(yx,yf,yx-5,yf+5);line(yx,yf,yx+5,yf+5);

9、for(i=1;i=50;i+) /*-x轴刻度-*/if(i%5=0)line(xo+10*i,yo,xo+10*i,yo-10);elseline(xo+10*i,yo,xo+10*i,yo-5);for(i=1;i=8;i+) /*-y轴刻度-*/line(xo,yo-50*i,xo+10,yo-50*i);outtextxy(xo+50*0-7,yo+20,0);outtextxy(xo+50*1-7,yo+20,5);outtextxy(xo+50*2-7,yo+20,10);outtextxy(xo+50*3-7,yo+20,15);outtextxy(xo+50*4-7,yo+2

10、0,20);outtextxy(xo+50*5-7,yo+20,25);outtextxy(xo+50*6-7,yo+20,30);outtextxy(xo+50*7-7,yo+20,35);outtextxy(xo+50*8-7,yo+20,40);outtextxy(xo+50*9-7,yo+20,45);outtextxy(xo+50*10-7,yo+20,50);outtextxy(xo-10,yo-50*1,1);outtextxy(xo-10,yo-50*2,2);outtextxy(xo-10,yo-50*3,3);outtextxy(xo-10,yo-50*4,4);outte

11、xtxy(xo-10,yo-50*5,5);outtextxy(xo-10,yo-50*6,6);outtextxy(xo-10,yo-50*7,7);outtextxy(xo-10,yo-50*8,8);rectangle(1,5,635,470); /*画外层大框*/ settextstyle(2,0,5);/*Small font,horiz,5 times bigger*/outtextxy(300,450,Time);outtextxy(590,450,t/sec); settextstyle(2,0,5);/*Small font,vert,5 times bigger*/outt

12、extxy(5,15,The Output (Response);outtextxy(5,40,U(t); setlinestyle(1,0,1); /*虚线*/for(i=1;i=8;i+)/*横向虚线-y380*/line(xo,yo-50*i,xo+520,yo-50*i);for(i=1;i=0;m-) for(n=0;n640;n+) pix = getpixel(n,m); fwrite(CLORpix,3,1,fp); fclose(fp); return 1;/*-主函数-*/main()float e3=0,u2=0;int k;Initial_Sys();DrawAxis(

13、);e0=1; /*第0步*/e1=0;e2=0;u0=ipid(1,3.0,10,e,u1);setcolor(3);setlinestyle(0,0,1); line(xo,yo-u0*50,xo+10,yo-u0*50);delay(500);u1=u0;e0=1; /*第1步*/e1=1;e2=0;u0=ipid(1,3.0,10,e,u1);setcolor(3);line(xo+10,yo-u1*50,xo+10,yo-u0*50);line(xo+10,yo-u0*50,xo+20,yo-u0*50);delay(500);u1=u0;e0=1; /*第2步以后*/e1=1;e2

14、=1;for(k=2;k=50;k+)u0=ipid(1,3.0,10,e,u1);setcolor(3);line(xo+10*k,yo-u1*50,xo+10*k,yo-u0*50);line(xo+10*k,yo-u0*50,xo+10*(k+1),yo-u0*50);delay(500);u1=u0;get_img(); /*截图*/*/*-实际PID-*/*-头文件定义-*/#include#include#include#include#include/*-截图-*/#define IMAGEX 0 unsigned char CLOR163=0XFF,0XFF,0XFF,0XAA

15、,0X00,0X00,0X00,0XAA,0X00,0XAA,0XAA,0X00,0X00,0X00,0XAA,0XAA,0X00,0XAA,0X00,0X55,0XAA,0XAA,0XAA,0XAA,0X55,0X55,0X55,0XFF,0X55,0X55,0X55,0XFF,0X55,0XFF,0XFF,0X55,0X55,0X55,0XFF,0XFF,0X55,0XFF,0X55,0XFF,0XFF,0X00,0X00,0X00,;/*-定义绘图坐标(640,480)-*/#define xo 40 /*-x轴-*/ #define xf 630 #define xy 440 #def

16、ine yx 40 /*-y轴-*/#define yo 440#define yf 10 /*-实际PID运算式-*/float ppid(float kp,float ti,float td,float tf,float e3,float du1) int t=1; float du; 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); du=c1*du1+c2*e0+c3*e1+c4*e2; return du; /

17、*-绘图初始化-*/void Initial_Sys(void)int GraphDriver;int GraphMode;detectgraph(&GraphDriver,&GraphMode);initgraph(&GraphDriver,&GraphMode,);cleardevice(); /*-绘制坐标系-*/void DrawAxis(void)int i;setbkcolor(15);setcolor(5);line(xo,xy,xf,xy); /*-x轴-*/line(xf,xy,xf-5,xy+5);line(xf,xy,xf-5,xy-5);line(yx,yo,yx,yf

18、); /*-y轴-*/line(yx,yf,yx-5,yf+5);line(yx,yf,yx+5,yf+5);for(i=1;i=50;i+) /*-x轴刻度-*/if(i%5=0)line(xo+10*i,yo,xo+10*i,yo-10);elseline(xo+10*i,yo,xo+10*i,yo-5);for(i=1;i=8;i+) /*-y轴刻度-*/line(xo,yo-50*i,xo+10,yo-50*i);outtextxy(xo+50*0-7,yo+20,0);outtextxy(xo+50*1-7,yo+20,5);outtextxy(xo+50*2-7,yo+20,10)

19、;outtextxy(xo+50*3-7,yo+20,15);outtextxy(xo+50*4-7,yo+20,20);outtextxy(xo+50*5-7,yo+20,25);outtextxy(xo+50*6-7,yo+20,30);outtextxy(xo+50*7-7,yo+20,35);outtextxy(xo+50*8-7,yo+20,40);outtextxy(xo+50*9-7,yo+20,45);outtextxy(xo+50*10-7,yo+20,50);outtextxy(xo-10,yo-50*1,1);outtextxy(xo-10,yo-50*2,2);outt

20、extxy(xo-10,yo-50*3,3);outtextxy(xo-10,yo-50*4,4);outtextxy(xo-10,yo-50*5,5);outtextxy(xo-10,yo-50*6,6);outtextxy(xo-10,yo-50*7,7);outtextxy(xo-10,yo-50*8,8);rectangle(1,5,635,470); /*画外层大框*/ settextstyle(2,0,5);/*Small font,horiz,5 times bigger*/outtextxy(300,450,Time);outtextxy(590,450,t/sec); set

21、textstyle(2,0,5);/*Small font,vert,5 times bigger*/outtextxy(5,15,The Output (Response);outtextxy(5,40,U(t); setlinestyle(1,0,1); /*虚线*/for(i=1;i=8;i+)/*横向虚线-y380*/line(xo,yo-50*i,xo+520,yo-50*i);for(i=1;i=0;m-) for(n=0;n640;n+) pix = getpixel(n,m); fwrite(CLORpix,3,1,fp); fclose(fp); return 1;/*-主函

22、数-*/main()float e3=0,u2=0,du2=0;int k;Initial_Sys();DrawAxis();e0=1; /*第0步*/e1=0;e2=0;du0=ppid(1,10,30,10,e,du1);u0=u1+du0;setcolor(3);setlinestyle(0,0,1); line(xo,yo-u0*50,xo+10,yo-u0*50);delay(500);u1=u0;du1=du0;e0=1; /*第1步*/e1=1;e2=0;du0=ppid(1,10,30,10,e,du1);u0=u1+du0;setcolor(3);line(xo+10,yo-

23、u1*50,xo+10,yo-u0*50);line(xo+10,yo-u0*50,xo+20,yo-u0*50);delay(500);u1=u0;du1=du0;e0=1; /*第2步以后*/e1=1;e2=1;for(k=2;k=50;k+)du0=ppid(1,10,30,10,e,du1);u0=u1+du0;setcolor(3);line(xo+10*k,yo-u1*50,xo+10*k,yo-u0*50);line(xo+10*k,yo-u0*50,xo+10*(k+1),yo-u0*50);delay(500);u1=u0;du1=du0;get_img(); /*截图*/*

24、/*00-头文件定义-*/#include stdio.h#include math.h#include graphics.h#include 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/*00-按键地址区定义-*/ /* 键盘定义*/double key_ESC=0 x011b; /*退出*/ double key_E=0 x1265;double key_A=0 x1e61; /*自动*/double key_H=0 x2368; /*手动

25、*/double key_U=0 x1675; /*自动时增SP，手动时增手操器输出*/double key_D=0 x2064; /*自动时增SP，手动时增手操器输出*/double key_I=0 x1769; /*理想PID*/double key_P=0 x1970; /*实际PID*/double key_up=0 x4800; /*手动时,增Kp*/double key_down=0 x5000; /*手动时,减Kp*/double key_left=0 x4b00; /*手动时,减Ti*/double key_right=0 x4d00; /*手动时,增Ti*/double ke

26、y_pgup=0 x4900; /*手动时,增Td*/double key_pgdown=0 x5100; /*手动时,减Td*/*-PLCD780基址定义-*/#define BASE 0 x220/*-基址-*/*-截图-*/*#define IMAGEX 0 unsigned char CLOR163=0XFF,0XFF,0XFF,0XAA,0X00,0X00,0X00,0XAA,0X00,0XAA,0XAA,0X00,0X00,0X00,0XAA,0XAA,0X00,0XAA,0X00,0X55,0XAA,0XAA,0XAA,0XAA,0X55,0X55,0X55,0XFF,0X55,

27、0X55,0X55,0XFF,0X55,0XFF,0XFF,0X55,0X55,0X55,0XFF,0XFF,0X55,0XFF,0X55,0XFF,0XFF,0X00,0X00,0X00,; */*00-定义绘图坐标（640,480）-*/#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/*y轴顶点纵坐标*/*-xx-ox=600-40=560(500)-oy-yy=440

28、-40=400(380)-*/*-PID参数定义(全局变量)-*/float Kp=3; /*全局变量*/float Ti=15;float Td=2;float Tf0=10; /*实际PID*/float Tf=0; /*理想PID*/float dead_band=0.5; /*积分分离*/float u_max=4.9; /*抗积分饱和*/float u_min=0.1; float T=0.2; /*采样时间ms*/float pv=0; /*反馈值*/float sp=0; /*设定值*/float ad; /*A/D的读数*/float e; /*偏差*/float u=0; /

29、*控制作用,控制器的输出*/float u_m=0; /*手操器输出*/char A_H=H; /*手动-自动,开始为手动*/char manu=0; /*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=500; /* 采集步长*/*00-函数声明 -*/void interrupt (*fadd1C)(void); /*中断*/void interrupt INT_1C(void);/*8259,reset interrupt cont

30、roller*/void loop(); /*主程序循环*/float AD(unsigned char channal);/*A/D*/void DA(); /*D/A*/int scankey(); /*扫描键盘，判断是否有建按下*/float DelayAction(); /*软件延迟*/void PIDset(void); /*PID设置*/float PID(void);float Object(void); /*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(void);

31、 /*画线*/*int get_img(void);*/*00-主函数-*/void main(void) disable(); /*保存旧中断，设置新中断*/fadd1C=getvect(0 x1C);/*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*/ setvect(0 x1C,INT_1C); /* 开启中断服务*/enable();axis(); /*画坐标轴*/loop();/*-loop-*/void loop() doif(cj_counter*T)0)printf(Parallal,Mode:%c,sp=%.1f,pv=%2.1f,u=%.1f

32、,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);cj_counter+; /*计数器加1*/while(cj_counter04095-*/void DA() int temp,i; unsigned char hb,lb; /*限幅 */ if (u5) u=5; else if (u0)u=0; temp=(int)(4095*u/5.0); /*转换为0-4095

33、的数字量*/hb=temp/256; /*高4位*/lb=temp%256; /*低8位*/outportb(BASE,1); /*启动DA转换*/ for(i=0;i10000;i+); outportb(BASE+4,lb); /* 低8位输出 */ for(i=0;i05-*/float AD(unsigned char channal)float result=0;int num,i;unsigned char hb=0,lb=0,poll=0 x10;/*12bit AD/high 4 bits and low 8 bits*/outportb(BASE+11,1);/*软件程序触发

34、*/for(i=0;i10000;i+); outportb(BASE+10,channal);/*进行通道设置.选择通道0*/for(i=0;i10000;i+); outportb(BASE+9,0); /*设置增益通道增益*/for(i=0;i10000;i+); outportb(BASE+12,0);/*触发A/D转换*/for(i=0;i10000;i+); do /*查询法读PV*/poll=inportb(BASE+5);while(poll&0 x10);hb=inportb(BASE+5);for(i=0;i10000;i+); lb=inportb(BASE+4);hb=

35、hb&0 x0f; /*高4位清0*/num=lb+hb*256; /*hb左移8位加lb*/result=(num*5.0/4096-2.5)*2;/*0 V to +5V*/return result;/*00-中断子程序-*/void interrupt INT_1C(void)time_counter+;outportb(0 x20,0 x20); /*00-扫描键盘-*/int scankey(void)int key0;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;

36、/*00-DelayAction-*/*将ad延迟2s作为PV，T=0.2s，于是延迟11步*/float DelayAction()float y_out;static float y_old11=0;int i;y_out=y_old10;for(i=1;i10)Kp=10; else if(key=key_down)Kp-=0.2;if(Kp0.2)Kp=0.2; else if(key=key_left)Ti-=0.2;if(Ti20)Ti=20; else if(key=key_pgup)Td+=0.2;if(Td10)Td=10; else if(key=key_pgdown)Td

37、-=0.2;if(Tddead_band) /*积分分离*/Ti=10000;elseTi=15;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*/if(uu_max) /*抗积分饱和*/Ti=10000;elseTi=15; e2=e1;e1=e;delta_u1=delta_u;u1=u0;u_m=u0; /*自动时，手操器输出跟踪自动输出*/return u0; /*返回自动输出*/*手动状态*/else if(A_H=H)if(manu=+) /*调节手操器输出*/u_m+=1;if(u_m5)u_m=5;if(manu=-)u_m-=1;if(u_m5)u=5;else if(u0)u=0;y1=exp(-T/4.7)*y1_1+(1-exp(-T/4.7)*u;y=exp(-T/4.7)*y_1+(1-exp(-T/4.7)*y1;y1_1=y1;y_1=y;return y;/*00-初始化为图形模式-*/void In