华北电力大学过程计算机控制课设DDC串级回路PID闭环

1、课程设计报告名称：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：控计班级： 学号： 学生姓名： 同组人： 指导教师：李明扬设计周数：一周一、设计目的1. 学习并了解用高级语言（C语言）实现数字PID控制算法模块程序的方法；2. 比较验证理想微分PID和实际微分PID控制算法阶跃响应，加深对上述两种算法各自特点的认识；3. 学习了解用模拟计算机使用方法；4. 学习掌握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. 学习掌握通过A/D、D/A转换用计算机获取被控对象动态特性的方法；7 通过实时仿真实验掌握DDC单回路控制程序编制及调试方法。

2、二、实验仪器(1)微型计算机一台，系统软件Windows 98或DOS (不能使用无直接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；(2)模拟计算机一台(XMN-1型)；(3)通用数据采集控制板一块（PCL-812PG型）。三、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：采用向后差分法对上式进行

3、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);四、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 ；C1=C2=C=4.7uF；则可得：K=（R5/R1）*(R6/R4)=1 T1=T2=R

4、5*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。五、实验结果（1）理想和实际PID阶跃响应曲线（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。

5、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： Ti13s（4）手自动切换：（5）设定值r、控制量u和被控对象输出的阶跃响应曲线：程序清单/*-头文件定义-*/#include#include#include#inc

6、lude/*-定义绘图坐标-*/#defineox8/*-原点横坐标-*/#defineoy440/*-原点纵坐标-*/#definexx620/*-x轴顶点横坐标-*/#definexy440/*-x轴顶点纵坐标-*/#definelenx580#defineleny400#defineyx8/*-y轴顶点横坐标-*/#defineyy15/*-y轴顶点纵坐标-*/*-定义绘图区域-*/#defineleft20#definetop20#defineright620#definebottom460/*-坐标轴注释-*/#definextext1x450#definextext1y450#de

7、fineytext1x10#defineytext1y60#definextext2x610#definextext2y450#defineytext2x10#defineytext2y20/*-理想PID运算式-*/floatlxpid(floatkp,floattd,floatti,floate3,floatu1)intt=1;floatu; floatq0=kp*(1+t/ti+td/t);floatq1=-kp*(1+2*td/t);floatq2=kp*td/t;u=q0*e0+q1*e1+q2*e2+u1;returnu;/*-实际PID运算式-*/floatsjpid(float

8、kp,floattf,floattd,floatti,floate3,floatdu1,floatu1) intt=1;floatu2;floatc1=tf/(t+tf);floatc2=kp*t*(1+t/ti+td/t)/(t+tf);floatc3=-kp*t*(1+2*td/t)/(t+tf);floatc4=kp*td/(t+tf);u2=c1*du1+c2*e0+c3*e1+c4*e2+u1;returnu2;/*-绘图初始化-*/voidInitial_Sys(void)intGraphDriver;intGraphMode;detectgraph(&GraphDriver,&G

9、raphMode);initgraph(&GraphDriver,&GraphMode,C:TC201EBGI);cleardevice(); /*-绘制坐标系-*/voidDrawAxis(void)inti;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,yx,yy);for(i=0;i51;i+) /*-x轴

10、刻度-*/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+) /*-y轴刻度-*/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+20,15);outtextxy(ox+50*4-7,oy+20,20);outtextxy(ox+50*5-7,oy+20

11、,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+20,50);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);outtextx

12、y(ox-10,oy-50*6,6);outtextxy(ox-10,oy-50*7,7);outtextxy(ox-10,oy-50*8,8); /*坐标轴刻度标识*/settextstyle(SMALL_FONT,HORIZ_DIR,5); /*坐标轴标示字体 方向 大小*/outtextxy(xtext1x,xtext1y,Time);outtextxy(xtext2x,xtext2y,t/s);settextstyle(SMALL_FONT,VERT_DIR,5);outtextxy(ytext1x,ytext1y,Theoutput(Response);outtextxy(ytext

13、2x,ytext2y,U(t)/V);main()floatkp,ti,td,tf,e3=0,ee3=0,u6=0,au1=0;intr=1,k=1;Initial_Sys();DrawAxis();while(k100)u0=lxpid(1,3.0,10,e,u1);e0=r; 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);delay(10000);u1=u0;e2=e1;e1=e0;ee0=r;

14、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-*/#includestdio.h #includemath.h#includegraphics.h#includestring.h#includedos.h#includebios.h#includeconio.h /*中断程序头文件定义*/#includestdlib.h#include

15、io.h/*-按键地址区定义-*/*statements*/doublekey_ESC=0x011b; /*退出*/doublekey_E=0x1265; doublekey_A=0x1e61; /*自动*/doublekey_H=0x2368; /*手动*/doublekey_U=0x1675; /*自动时增SP，手动时增手操器输出*/doublekey_D=0x2064; /*自动时减SP，手动时增手操器输出*/doublekey_I=0x1769; /*理想PID*/doublekey_P=0x1970; /*实际PID*/ doublekey_up=0x4800; /*手动时,增Kp*

16、/doublekey_down=0x5000; /*手动时,减Kp*/doublekey_left=0x4b00; /*手动时,减Ti*/doublekey_right=0x4d00; /*手动时,增Ti*/doublekey_pgup=0x4900; /*手动时,增Td*/doublekey_pgdown=0x5100; /*手动时,减Td*/*-PLCD780基址定义-*/#defineBASE0x220 /*-PCL812Gneed16addressesinarow,from220Hto3F0H*/#defineREG0/*-定义绘图坐标-*/#defineox40/*-原点横坐标-*/

17、#defineoy440/*-原点纵坐标-*/#definexx600/*-x轴顶点横坐标-*/#definexy440/*-x轴顶点纵坐标-*/#defineyx40/*-y轴顶点横坐标-*/#defineyy40/*-y轴顶点纵坐标-*/*-PID参数定义-*/floatKp=1.0;floatTi=10.0;floatTd=3.0;floatTf0=15.0;floatTf=0;floatT=0.1;/*-采样时间-*/floatad,e,pv0;floatu=0.0;floatpv=0.0; /*反馈值*/floatsp=0.0; /*设定值*/charA_H=H; /*手动-自动,开

18、始为手动*/charmanu; /*用于调节u_m的增减*/intkey=0; /*存键盘扫描结果*/inttime_counter=0; /*中断计数*/intcj_counter=0;/*采样计数器*/ intQ_counter=800;/*采集步长赋初始值*/intstepdata800;intslopedata800;interror800;/*-函数声明-*/voidinterrupt(*fadd1C)(void); /*中断*/voidloop(); /*主程序循环*/floatAD(unsignedcharchannal);/*A/D*/voidDA(floatpv1);/*D/

19、A*/voidinterruptINT_1C(void);/*8259,resetinterruptcontroller*/intscankey(); /*扫描键盘，判断是否有建按下*/floatDelayAction(floaty0); /*软件延迟*/voidPIDset(void); /*PID设置*/floatPID(floatsp1,floatpv1,floatKp1,floatTi1,floatTd1,floatTf1,charA_H1,floatT1);floatObject(floatu1,floatT1); /*仿真对象*/voidInitial_Sys(void);/*初始

20、化为图形模式*/voidaxis(void); /*画坐标轴*/voidDrawline(intcj,floatpv1,floatsp1,floatu1,floate1); /*画线*/*主函数*/voidmain(void)inti;for(i=0;i500;i+) stepdatai=10; slopedatai=i; errori=0;/*SetnewINT_1Candsaveold*/disable(); /*保存旧中断，设置新中断*/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*/setve

21、ct(0x1C,INT_1C);enable();axis();loop(); /*主函数结束下面为定时采值输出程序*/voidloop()doif(cj_counter*T)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);elseprintf(ttTfgotawrongvalue!Pleaseexitandrestartthisprogram.r);cj_counter+;while(cj_counter500);/*恢

22、复中断*/disable();setvect(0x1C,fadd1C);enable();/*D/Aconversionprogram,0to4095-0to+5*/floatAD(unsignedcharchannal) floatresult=0;inti;unsignedcharhb=0,lb=0,poll=0x10; outportb(BASE+11,REG);/*软件程序触发*/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

23、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&0x10);hb=inportb(BASE+5);for(i=0;i10000;i+);lb=inportb(BASE+4);result=lb+(hb&0x0F)5)/*maketheoutputreal*/pv1=5;elseif(pv10)pv1=0;temp=(int)(4095*pv1/5.0);hb=temp8;lb=temp-(hb8);ou

24、tportb(BASE,1); /*启动DA转换*/for(i=0;i10000;i+);outportb(BASE+4,lb);/*low8*/for(i=0;i10000;i+);outportb(BASE+5,hb);/*high4*/*00-中断子程序-*/voidinterruptINT_1C(void)time_counter+;outportb(0x20,0x20);/*键盘控制*/intscankey(void) intkey0; /*扫描键盘，判断是否有建按下*/key0=bioskey(1);/*1:无键按下则返回0*/if(key0!=0)key0=bioskey(0);

25、/*0:返回按下的键*/returnkey0;/*DelayAction*/*tao=(int)(18.2*2)Delayaction=2seconds*/floatDelayAction(floaty0) /*软件延迟*/floaty_out;staticfloaty_old36=0;/*将ad延迟2s作为PV，T=0.2s，于是延迟36步*/intcyc;y_out=y_old36-1;for(cyc=1;cyc36;cyc+)y_old36-cyc=y_old36-cyc-1;y_old0=y0;returny_out;/*PID主程序*/voidPIDset(void) /*PID设置

26、*/key=scankey(); /*扫描键盘，并将按键存为key*/if(A_H=H)/*手动状态*/if(key=key_up)Kp+=0.2;elseif(key=key_down)Kp-=0.2;elseif(key=key_left)Ti-=0.2;elseif(key=key_right)Ti+=0.2;elseif(key=key_pgup)Td+=0.2;elseif(key=key_pgdown)Td-=0.2;elseif(key=key_U)/*控制u_m增减*/manu=+;elseif(key=key_D)manu=-;if(A_H=A) /*自动状态*/if(key

27、=key_U) /*设定值增减*/sp+=10;if(key=key_D)sp-=10;if(key=key_E|key=key_ESC)/*退出*/exit(1);if(key=key_A)/*设为手动*/A_H=A;if(key=key_H)/*设为自动*/A_H=H;if(key=key_I)/*理想PID*/Tf=0;if(key=key_P)/*实际PID*/Tf=Tf0;/*PID-default:IdealPID*/floatPID(floatsp1,floatpv1,floatKp1,floatTi1,floatTd1,floatTf1,charA_H1,floatT1)flo

28、atdelta_u,u0,e,C1,C2,C3,C4; /*离散化后PID参数 当前时刻,u0为返回值*/staticfloate1,e2,u1,delta_u1;/*前一时刻的值*/if(Kp10)printf(Kpbecomesanegativenumber,pleaserestart.);elseif(Ti10) printf(Tibecomesanegativenumber,pleasepressrestart.);elseif(Td10) printf(Tdbecomesanegativenumber,pleasepressrestart.);elseC1=Tf1/(T1+Tf1);

29、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; /*delta_u1是delta_u前一时刻的值*/ u0=u1+delta_u; /*当前时刻控制器输出*/e2=e1;e1=e;delta_u1=delta_u;u1=u0; /*自动时，手操器输出跟踪自动输出*/errorcj_counter=sp1-pv1;returnu0;/*

30、手动控制*/elseif(A_H1=H)if(manu=+) /*调节手操器输出*/u+=10;if(manu=-)u-=10;sp1=pv1;u1=u;sp=pv1; /*sp跟踪pv保证偏差e为0*/e1=0; e2=0;delta_u1=0; /*将前两时刻的偏差赋值为0*/errorcj_counter=sp1-pv1;returnu;/*显示与画图*/*初始化CRT*/voidInitial_Sys(void)intGraphDriver;intGraphMode;detectgraph(&GraphDriver,&GraphMode);initgraph(&GraphDriver,

31、&GraphMode,C:TC201EBGI);/*drawbasiccoordinateaxis*/voidaxis(void)inti;Initial_Sys();setbkcolor(15);/*white0/black15*/setcolor(9);/*linghtblue*/rectangle(10,20,630,470);/*zoneofdrawing*/line(ox,oy,xx,xy);/*axisandarrow*/line(xx-5,xy-5,xx,xy);line(xx,xy,xx-5,xy+5);line(ox,oy,yx,yy);line(yx-5,yy+5,yx,y

32、y);line(yx+5,yy+5,yx,yy);settextstyle(2,1,5);/*Smallfont,vert,5timesbigger*/outtextxy(20,100,TheOutput(Response);outtextxy(20,40,U(t);settextstyle(2,0,5);/*Smallfont,horiz,5timesbigger*/outtextxy(300,455,Time);outtextxy(590,455,t/sec);setlinestyle(1,0,1);/*dotline,none,width*/for(i=1;i4;i+)/*eachinportstartingposition*/ 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);outtextxy(ox-16,oy-100*3,3