數(shù)字PID的計(jì)算機(jī)仿真(共26頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字PID的計(jì)算機(jī)仿真課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 學(xué) 院：電子信息與電氣工程學(xué)部專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 1102 學(xué) 號(hào)： 學(xué)生姓名： 一. 數(shù)字PID的計(jì)算機(jī)仿真一、 目的加深理解PID調(diào)節(jié)器的特性及參數(shù)設(shè)定。二、 算法u(k)=q0*e(k)+q1*e(k-1)+q2*e(k-2)u(k)=u(k-1)+u(k)初始條件：u(k-1)=u(k-2)=0, e(k-1)=e(k-2)=0, y(k-1)=y(k-2)=0,R(k)為單位階躍,且控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖為：PIDG（z）R（k）e（k）u（k）y（k）-三個(gè)被控對(duì)象：二階振蕩環(huán)節(jié)其中：=-1.5,=0.7

2、,=1.0,=0.5,T=2s具有非最小相位特性的過程 其中：=-1.68364,=0.70469,=-0.07289,=0.09394,T=1s具有低通特性和純滯后的過程其中：d=4,=-2.48824,=2.05387,=-0.56203,=0,=0.00462,=0.00169,=-0.00273,T=1s三、仿真要求：1、 采用matlab計(jì)算40步以上的y(k) u(k)，并畫圖顯示。2、 對(duì)三個(gè)對(duì)象，在T=1或2時(shí)，整定出最佳的PID參數(shù)。3、 整定法，湊試法。（程序中要有上升時(shí)間，超調(diào)量和收斂時(shí)間的計(jì)算）在此，我們選取T=2S，約定超調(diào)量poss<5%, 上升時(shí)間tr<

3、;25, 調(diào)整時(shí)間 ts<40。不符合條件的PID參數(shù)均舍棄。四、被控對(duì)象的PID參數(shù)整定過程：（1） 二階振蕩環(huán)節(jié)a)、實(shí)驗(yàn)程序Kp=？;Ti=？;Td=？;T=2;q0=Kp*1+T/Ti+Td/T;q1=-Kp*1+2*Td/T;q2=Td*Kp/T;b1=1;b2=0.5;a1=-1.5;a2=0.7;e=zeros(1,60);u=zeros(1,60);y=zeros(1,60);du=zeros(1,60);for k=3:1:60 e(1,k)=1-y(1,k-1); du(1,k)=q0*e(1,k)+q1*e(1,k-1)+q2*e(1,k-2); u(1,k)=u(

4、1,k-1)+du(1,k); y(1,k)=-a1*y(1,k-1)-a2*y(1,k-2)+b1*u(1,k-1)+b2*u(1,k-2);end %迭代步驟 t=1:60; subplot(2,1,1) plot(t,y) xlabel('t'); ylabel('y'); title('y(k)圖形'); subplot(2,1,2) plot(t,u) xlabel('t'); ylabel('u'); title('u(k)圖形'); yp,tp=max(y);num=length(t)

5、;yss=y(num) ;poss=100*(yp-yss)/yss %計(jì)算超調(diào)量 for i=length(t):-1:1 if (y(i)>1.02*yss) ts=t(i); break elseif (y(i)<0.98*yss) ts=t(i); break else ts=0; endendts %顯示調(diào)整時(shí)間 for i=1:length(t) if(y(i)<0.9*yss) tr1=t(i); elseif(y(i)=yp) break endend for i=1:length(t) if(y(i)<0.1*yss) tr2=t(i); elseif

6、(y(i)=yp) break endend tr=tr1-tr2 wucha=1-y(60)b)、參數(shù)選擇Kp=0.03,Ti=3.55,Td=0.1c)、仿真圖像d)、40步仿真數(shù)據(jù)u(k)0 0 0.1900 0.0800 0.0689 0.0635 0.0743 0.0898 0.1049 0.11630.1230 0.1259 0.1266 0.1264 0.1265 0.1273 0.1287 0.1303 0.1317 0.13280.1334 0.1336 0.1335 0.1333 0.1332 0.1331 0.1331 0.1332 0.1333 0.1333 0.133

7、4 0.1334 0.1334 0.1334 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333 0.1333Y(k) 0 0 0 0.1900 0.4600 0.6659 0.7748 0.8021 0.7878 0.77000.7723 0.8006 0.8478 0.9008 0.9474 0.9803 0.9978 1.0028 1.0003 0.9954 0.9915 0.9903 0.9917 0.9946 0.9978 1.

8、0003 1.0016 1.0019 1.0014 1.00060.9999 0.9995 0.9994 0.9995 0.9998 1.0000 1.0002 1.0002 1.0002 1.0001 1.0000 1.0000 0.9999 0.9999 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000 1.0000Poss=0.2801ts=15tr=10 wucha =-1.3850e-006（2） ：二階振蕩環(huán)節(jié)a)、實(shí)驗(yàn)程序Kp=？;Ti=？;Td=？;T=1;q0=Kp*1+T/Ti+Td/T;q1=-Kp*1+2*Td/T;q2=Td*Kp/T;b1=-0.

9、07289;b2=0.09394;a1=-1.68364;a2=0.70469;e=zeros(1,60);u=zeros(1,60);y=zeros(1,60);du=zeros(1,60);for k=3:1:60 e(1,k)=1-y(1,k-1); du(1,k)=q0*e(1,k)+q1*e(1,k-1)+q2*e(1,k-2); u(1,k)=u(1,k-1)+du(1,k); y(1,k)=-a1*y(1,k-1)-a2*y(1,k-2)+b1*u(1,k-1)+b2*u(1,k-2);end %迭代步驟 t=1:60; subplot(2,1,1) plot(t,y) xlab

10、el('t'); ylabel('y'); title('y(k)圖形'); subplot(2,1,2) plot(t,u) xlabel('t'); ylabel('u'); title('u(k)圖形'); yp,tp=max(y);num=length(t);yss=y(num) ;poss=100*(yp-yss)/yss %計(jì)算超調(diào)量for i=length(t):-1:1 if (y(i)>1.02*yss) ts=t(i); break elseif (y(i)<0.98

11、*yss) ts=t(i); break else ts=0; endendts %顯示調(diào)整時(shí)間 for i=1:length(t) if(y(i)<0.9*yss) tr1=t(i); elseif(y(i)=yp) break endend for i=1:length(t) if(y(i)<0.1*yss) tr2=t(i); elseif(y(i)=yp) break endend tr=tr1-tr2 %顯示上升時(shí)間，是從10%到90%axes(handles.axes2) ; plot(t,y); xlabel('t');ylabel('y

12、9;);grid axes(handles.axes4) ; plot(t,u); xlabel('t');ylabel('u');grid;b)、參數(shù)選擇Kp=0.67,Ti=11.5,Td=0.95c)、仿真圖像d)、40步仿真數(shù)據(jù)u(k)0 0 1.3648 0.7865 0.9805 0.9774 1.0343 1.0646 1.0934 1.11371.1286 1.1383 1.1437 1.1454 1.1442 1.1406 1.1351 1.1282 1.1202 1.1115 1.1024 1.0930 1.0837 1.0746 1.065

13、8 1.0574 1.0494 1.0420 1.0352 1.0290 1.0233 1.0183 1.0138 1.0098 1.0064 1.0034 1.0009 0.9988 0.9971 0.99570.9947 0.9939 0.9933 0.9929 0.9927 0.9927 0.9927 0.9929 0.9931 0.9934Y(k)0 0 0 -0.0995 -0.0966 -0.0901 -0.0628 -0.0258 0.0204 0.0728 0.1298 0.1895 0.2507 0.3121 0.3727 0.4318 0.4887 0.5429 0.594

14、1 0.6420 0.6864 0.7274 0.7648 0.7988 0.8294 0.8567 0.8810 0.9024 0.9212 0.93740.9513 0.9632 0.9732 0.9816 0.9884 0.9939 0.9983 1.0016 1.0042 1.0059 1.0071 1.0078 1.0080 1.0079 1.0076 1.0071 1.0064 1.0056 1.0048 1.0040Poss=1.0387 ts=33 tr=17(3) 具有低通特性和純滯后的過程a)、實(shí)驗(yàn)程序Kp=？;Ti=？;Td=？;T=1;q0=Kp*1+T/Ti+Td/T

15、;q1=-Kp*1+2*Td/T;q2=Td*Kp/T;a1=-2.48824;a2=2.05387;a3=-0.56203;b1=0.00462;b2=0.00169;b3=-0.00273;e=zeros(1,60);u=zeros(1,60);y=zeros(1,60);du=zeros(1,60);for k=8:1:60 e(1,k)=1-y(1,k-1); du(1,k)=q0*e(1,k)+q1*e(1,k-1)+q2*e(1,k-2); u(1,k)=u(1,k-1)+du(1,k);y(1,k)=-a1*y(1,k-1)-a2*y(1,k-2)-a3*y(1,k-3)+b1*

16、u(1,k-5)+b2*u(1,k-6)+b3*u(k-7);end %數(shù)字PID增量型控制算法迭代步驟 t=1:60; subplot(2,1,1) plot(t,y) xlabel('t'); ylabel('y'); title('y(k)圖形'); %顯示輸出曲線 subplot(2,1,2) plot(t,u) xlabel('t'); ylabel('u'); title('u(k)圖形'); %顯示控制量曲線 yp,tp=max(y);num=length(t);yss=y(num)

17、; %穩(wěn)態(tài)值poss=100*(yp-yss)/yss %計(jì)算超調(diào)量 for i=length(t):-1:1 if (y(i)>1.02*yss) ts=t(i); break elseif (y(i)<0.98*yss) ts=t(i); break else ts=0; endendts %顯示調(diào)整時(shí)間 for i=1:length(t) if(y(i)<0.9*yss) tr1=t(i); elseif(y(i)=yp) break endend for i=1:length(t) if(y(i)<0.1*yss) tr2=t(i); elseif(y(i)=y

18、p) break endend tr=tr1-tr2b)、參數(shù)選擇Kp=0.62,Ti=15,Td=1.1c)、仿真圖像d)、40步仿真數(shù)據(jù)u(k)0 0 0 0 0 0 0 1.3433 0.7027 0.74400.7853 0.8267 0.8680 0.9010 0.9265 0.9510 0.9723 0.9907 1.0064 1.01951.0302 1.0389 1.0456 1.0506 1.0541 1.0563 1.0572 1.0572 1.0562 1.05461.0523 1.0495 1.0464 1.0429 1.0393 1.0355 1.0316 1.027

19、7 1.0239 1.02021.0165 1.0131 1.0098 1.0067 1.0038 1.0011 0.9986 0.9964 0.9944 0.9927y(k)0 0 0 0 0 0 0 0 0 00 0 0.0062 0.0210 0.0404 0.0638 0.0908 0.1209 0.1534 0.18800.2241 0.2613 0.2992 0.3374 0.3756 0.4134 0.4508 0.4873 0.5229 0.55730.5905 0.6222 0.6526 0.6814 0.7087 0.7343 0.7584 0.7809 0.8019 0.

20、82130.8393 0.8558 0.8709 0.8847 0.8973 0.9086 0.9189 0.9280 0.9362 0.9435Poss=0 ts=52 tr=26五、實(shí)驗(yàn)體會(huì)： 通過此次數(shù)字PID的仿真實(shí)驗(yàn)，首先掌握了PID控制規(guī)律及控制器的實(shí)現(xiàn)，同時(shí)對(duì)MATLAB的運(yùn)用也更加熟練。此次實(shí)驗(yàn)最大的收獲就是通過自編寫程序來實(shí)驗(yàn)PID的控制算法。而不僅僅局限于用Simulink模塊實(shí)現(xiàn)PID算法。通過程序的編寫，使得對(duì)PID的調(diào)節(jié)作用有了更深入的了解，尤其是對(duì)三個(gè)參數(shù)的改變對(duì)控制系統(tǒng)的影響有了更深刻的理解。而在整定參數(shù)的過程中，學(xué)會(huì)了整定法，湊試法的方法，而非理論計(jì)算，使得更加

21、貼近于工程。溫度智能控制器課程名稱： 計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 學(xué) 院：電子信息與電氣工程學(xué)部專 業(yè)： 自動(dòng)化 班 級(jí)： 1102 學(xué) 號(hào)： 一.設(shè)計(jì)說明書1.技術(shù)參數(shù)與指標(biāo)：檢測(cè)元件：熱電偶（K 、E、 S、 R、 N等），測(cè)量精度0.2級(jí)熱電阻：Pt100：-200800、Cu50：-40140；控制對(duì)象：窯爐、鍋爐等；控溫手段：控制能源（煤、煤氣、重油、過熱蒸汽等）的流量（通過閥門）來控制爐內(nèi)的溫度；也可以通過電加熱來控制溫度，具體方法為，通過脈寬調(diào)制來調(diào)節(jié)電功率控制繼電器的輸出方式，或者是通過調(diào)節(jié)控制角來調(diào)節(jié)電壓控制420mA方式；顯示部分：實(shí)測(cè)溫度值PV；設(shè)定溫度值SV；OUT100%；電源指

22、示燈；通訊指示燈；故障指示燈；報(bào)警指示燈（包括上限、下限）；操作部分：鍵盤按鍵；通訊：RS-485 Mod BUS協(xié)議；電源：220V交流；控制方式：PID飽和不完全積分法。2.實(shí)現(xiàn)的功能：本設(shè)計(jì)主要是測(cè)量系統(tǒng)的溫度，并對(duì)其進(jìn)行控制，在要求的溫度范圍內(nèi)，保證了準(zhǔn)確度?？梢愿鶕?jù)不同的溫度范圍和精度要求選擇不同的檢測(cè)元件，可以使測(cè)溫范圍更加廣。將溫度控制器通過RS-485 Mod BUS協(xié)議與計(jì)算機(jī)連接，對(duì)溫度進(jìn)行集中分析和控制。在操作部分，通過按鍵設(shè)定上下限，確定了溫度的范圍。同時(shí)，利用數(shù)碼管同時(shí)現(xiàn)實(shí)設(shè)定值和實(shí)測(cè)值，正常工作時(shí)，電源指示燈和通訊指示燈亮，。當(dāng)出現(xiàn)故障時(shí)，故障部分指示燈亮。當(dāng)溫度超

23、過上下限時(shí)，報(bào)警指示燈亮，并且蜂鳴器響。實(shí)現(xiàn)智能化。3.簡(jiǎn)單的操作使用說明：l 根據(jù)不同的測(cè)溫范圍和精度要求選擇不同的檢測(cè)元件；l 根據(jù)選定的檢測(cè)原件設(shè)定溫度值以及上下限：選擇相應(yīng)的工作方式，按SET鍵進(jìn)入模式選擇，按移位鍵選擇合適的模式，并在該模式下通過上下鍵設(shè)定設(shè)定溫度值和上下限，最后按回車使其進(jìn)入正常工作狀態(tài)；l 在無故障過程中計(jì)算機(jī)分析當(dāng)前溫度并進(jìn)行合理的控制，并輸出設(shè)定值和實(shí)測(cè)值。二.系統(tǒng)設(shè)計(jì)溫度控制是工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常遇到的過程控制，在很多工藝生產(chǎn)中，溫度控制效果直接影響到產(chǎn)品的質(zhì)量，因而設(shè)計(jì)一種比較理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價(jià)值的。日常生活中，溫度值也是一個(gè)重要的參考量。此外，對(duì)溫度

24、信息的采集，檢測(cè)，控制，步進(jìn)保證產(chǎn)品質(zhì)量，還節(jié)約能源，安全生產(chǎn)方面有積極作用。1.系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)：硬件系統(tǒng)以單片機(jī)為檢測(cè)控制系統(tǒng)中心，溫度控制采用改進(jìn)的PID數(shù)字控制算法，顯示采用4位LED實(shí)時(shí)顯示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下：溫度采集和控制對(duì)象 420mA電流輸出通道51單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器溫度測(cè)量通道 顯示模塊按鍵輸入微處理器監(jiān)控電路溫度控制輸出通道 報(bào)警電路2.控制方法描述：不完全微分?jǐn)?shù)字PID：若輸入為單位階躍：即,若此時(shí)：，則下一個(gè)周期：-+PID 得到差分方程： 3.硬件模塊設(shè)計(jì)：3.1熱電阻測(cè)溫電路系統(tǒng)電路圖中共有4路熱電偶、1路熱電阻，可循環(huán)接收5路的溫度信號(hào)（通過P20P24引出的5根地

25、址線完成選擇），并將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)代表的溫度值（運(yùn)用分段線性化方法），最后5組溫度的均值（或根據(jù)實(shí)際情況加權(quán)平均）即為現(xiàn)場(chǎng)的實(shí)際溫度。實(shí)際過程如下：首先，熱電阻的電路如下：其中比較器輸出為2、3引腳的電壓差，再經(jīng)運(yùn)放放大后送入選擇開關(guān)（熱電偶電壓信號(hào)經(jīng)儀用放大電路接至選擇開關(guān)），由于熱電阻等器件的溫度-阻值存在非線性，在將單片機(jī)接收的電信號(hào)轉(zhuǎn)換為對(duì)應(yīng)的熱電偶的阻值后，再將阻值對(duì)應(yīng)成相應(yīng)溫度時(shí)，要運(yùn)用分段線性化的方法，即將溫度-阻值的非線性曲線劃分為若干段，每一段內(nèi)近似成線性關(guān)系，將實(shí)際的阻值對(duì)應(yīng)找到其所在的段，則根據(jù)段內(nèi)的線性關(guān)系，可得出阻值對(duì)應(yīng)的溫度。3.2溫度測(cè)量通道1路熱電阻、4路熱電

26、偶和多路選擇開關(guān)CD4052、CD4051的組合，可實(shí)現(xiàn)5路溫度測(cè)量的隨意切換（；由熱電偶、熱電阻產(chǎn)生的電壓信號(hào)經(jīng)儀用放大電路放大、線性光耦隔離后，送入模數(shù)轉(zhuǎn)換器ICL7135；ICL7135與單片機(jī)的連接采用了不常用的串行接收方式，而ICL7135的串行接法是通過計(jì)脈沖數(shù)的方法來獲得測(cè)量轉(zhuǎn)換結(jié)果的。由其時(shí)序分析可知，在ICL7135工作過程中的去積相，其脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)換結(jié)果具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過單片機(jī)的定時(shí)器T0來計(jì)脈沖器。由于，定時(shí)器T0所用的CLK頻率是系統(tǒng)晶振頻率的1/12。因此可利用單片機(jī)的ALE信號(hào)作為ICL7135的脈沖（CLK）輸入。至此，便可找到定時(shí)器所使用的頻率與單片機(jī)系統(tǒng)晶振

27、頻率的關(guān)系，以及ICL7135所需的頻率輸入與單片機(jī)系統(tǒng)晶振頻率的關(guān)系。為了使定時(shí)器T0的計(jì)數(shù)脈沖的ICL7135工作所需的脈沖同步，可以將ICL7135的BUSY信號(hào)接至P3.2（INT0）引腳上，并且將定時(shí)器T0的選通控制信號(hào)GATE倍1。此時(shí)定時(shí)器T0是否工作將受BUSY信號(hào)的控制。當(dāng)ICL7135開始工作時(shí)，也就是ICL7135的BUSY信號(hào)跳高時(shí)，定時(shí)器T0才開始工作，且定時(shí)器T0的TH0、TL0所記錄的數(shù)據(jù)與ICL7135的測(cè)試脈沖存在一定的比例關(guān)系。要得到測(cè)量脈沖的個(gè)數(shù)，只需將定時(shí)器所記錄的脈沖個(gè)數(shù)除以2即可。而要得到A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果所對(duì)應(yīng)的脈沖數(shù)則應(yīng)用測(cè)量脈沖的個(gè)數(shù)減去10001

28、。在溫度測(cè)量通道，模擬信號(hào)與A/D轉(zhuǎn)換器之間加入了線性光耦，起到隔離作用，線性光耦隔離部分如下：同樣，在多路開關(guān)的選通線與地址線之間也加入了普通光耦，確保測(cè)量電路與單片機(jī)之間良好的電氣隔離，電路如下： 3.3 4到20mA電流輸出模塊由P0口輸出，經(jīng)DAC0832轉(zhuǎn)換成模擬電壓輸出，通過線性光耦隔離，進(jìn)行V/I變換，轉(zhuǎn)換成標(biāo)準(zhǔn)的420mA電流輸出；模塊的電路圖如下：其中V/I變換部分的電路如下：通過設(shè)置Rc阻值及調(diào)整滑動(dòng)變阻器阻值，可使輸出電流為420mA,輸出電流的表達(dá)式為：I=(Vin+Vrf)/Rc在420mA標(biāo)準(zhǔn)電流輸出通道，D/A轉(zhuǎn)換器與后續(xù)電路之間也加入了線性光耦，確保兩邊的電氣隔

29、離，其隔離部分的電路圖與溫度曾兩通道的線性光耦隔離完全相同，不再重復(fù)。3.4 溫度控制輸出通道 將輸出的pwm脈沖經(jīng)光耦隔離，三極管的驅(qū)動(dòng)放大后，控制繼電器的開、關(guān)，進(jìn)而控制功能電路的開、關(guān)。3.5 顯示模塊3.6 按鍵輸入模塊本系統(tǒng)的四個(gè)按鍵，通過光耦隔離，經(jīng)過74LS244三態(tài)緩沖器，連至單片機(jī)的PI0P13口；按鍵與單片機(jī)輸入緩沖器間加入普通光耦進(jìn)行電氣隔離，電路圖如上面的按鍵接收模塊的電路圖；為了去除按鍵抖動(dòng)，在硬件上，按鍵后面加入了RC濾波電路，減少抖動(dòng)的影響，如下圖：在軟件中，當(dāng)判斷按鍵按下后調(diào)用延時(shí)程序（幾十毫秒），然后再判斷開關(guān)的狀態(tài)是否還是按下，是則代表確實(shí)開關(guān)被按下，否則不

30、做相應(yīng)的響應(yīng)。3.7 報(bào)警模塊控制輸出與報(bào)警輸出中都加入普通光耦進(jìn)行隔離，繼電器兩端并入二極管，防止開關(guān)過程中反向電流的損害，如下：3.8 通訊模塊 RS232通訊電路4、軟件功能分析軟件主要功能：數(shù)據(jù)采集，數(shù)字濾波，標(biāo)度變換，PID控制，顯示，報(bào)警，通訊。1) 數(shù)據(jù)采集按順序采集4個(gè)點(diǎn)的溫度信號(hào)，共采集多次并存儲(chǔ)起來，采樣周期T=1s。2) 數(shù)字濾波將每個(gè)信號(hào)的測(cè)量值排序，去掉一個(gè)最大值和一個(gè)最小值，剩余求平均值即為該信號(hào)的測(cè)量結(jié)果，即采用中位值濾波法與平均值濾波法相結(jié)合來實(shí)現(xiàn)數(shù)字濾波3) 標(biāo)度變換測(cè)溫回路和控溫回路，都是用420mA 信號(hào)進(jìn)行控制。將測(cè)量允許的上限和下限進(jìn)行分段線性化，上限溫度時(shí)對(duì)應(yīng)電壓輸出轉(zhuǎn)化為20mA 電流輸出，下限溫度對(duì)應(yīng)電壓輸出轉(zhuǎn)化為4mA電流輸出。標(biāo)度變換的公式為：Y=Ymin + (Ymax-Ymin)(D-Dmin)/(Dmax-Dmin)4) PID控制采用增量型PID控制算式：u(k)=q0*e(k)+q1*e(k-1)+q2*e(k-2)u(k)=u(k-1)+u(k)采樣周期為1S5) 顯示LCD 顯示實(shí)測(cè)值PV、設(shè)定值SV、狀態(tài)