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.docx

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。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：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：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。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；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)|C时，|e(k)|=0 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，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