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

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

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

(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：⎪⎪⎭

⎫

⎝⎛++=s T s T K s G d i p 11)(

采用向后差分法对上式进行离散，得出其差分方程形式为： u[k]=u[k-1]+q0*e[2]+q1*e[1]+q2*e[0];

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：⎪⎪⎭

⎫ ⎝⎛+++=s T s T s T K s G d i f p 111)( 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：

u[k]=c0*(Δu[k-1])+c1*e[k]+c2*e[k-1]+c3*e[k-2]+u[k-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

○

1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)|>β时，采用PD 控制；

当|e(k)|<β时， 采用PID 控制；

β的值根据具体对象及要求确定。

○

2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；

○

3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)|

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Δu[k -1])、e[k]、e[k-1]、e[k-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2

)1()(+=Ts K s G ，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=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=0.8δ，Ti=1.2t r ， Td=0.4t r ；

matlab 中对象响应曲线为：