數(shù)字PID的計算機仿真(共26頁)

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上數(shù)字PID的計算機仿真課程名稱： 計算機控制技術 學 院：電子信息與電氣工程學部專 業(yè)： 自動化 班 級： 1102 學 號： 學生姓名： 一. 數(shù)字PID的計算機仿真一、 目的加深理解PID調(diào)節(jié)器的特性及參數(shù)設定。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）-三個被控對象：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計算40步以上的y(k) u(k)，并畫圖顯示。2、 對三個對象，在T=1或2時，整定出最佳的PID參數(shù)。3、 整定法，湊試法。（程序中要有上升時間，超調(diào)量和收斂時間的計算）在此，我們選取T=2S，約定超調(diào)量poss<5%, 上升時間tr<

3、;25, 調(diào)整時間 ts<40。不符合條件的PID參數(shù)均舍棄。四、被控對象的PID參數(shù)整定過程：（1） 二階振蕩環(huán)節(jié)a)、實驗程序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)、實驗程序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)、實驗程序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、實驗體會： 通過此次數(shù)字PID的仿真實驗，首先掌握了PID控制規(guī)律及控制器的實現(xiàn)，同時對MATLAB的運用也更加熟練。此次實驗最大的收獲就是通過自編寫程序來實驗PID的控制算法。而不僅僅局限于用Simulink模塊實現(xiàn)PID算法。通過程序的編寫，使得對PID的調(diào)節(jié)作用有了更深入的了解，尤其是對三個參數(shù)的改變對控制系統(tǒng)的影響有了更深刻的理解。而在整定參數(shù)的過程中，學會了整定法，湊試法的方法，而非理論計算，使得更加

21、貼近于工程。溫度智能控制器課程名稱： 計算機控制技術 學 院：電子信息與電氣工程學部專 業(yè)： 自動化 班 級： 1102 學 號： 一.設計說明書1.技術參數(shù)與指標：檢測元件：熱電偶（K 、E、 S、 R、 N等），測量精度0.2級熱電阻：Pt100：-200800、Cu50：-40140；控制對象：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：實測溫度值PV；設定溫度值SV；OUT100%；電源指

22、示燈；通訊指示燈；故障指示燈；報警指示燈（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.實現(xiàn)的功能：本設計主要是測量系統(tǒng)的溫度，并對其進行控制，在要求的溫度范圍內(nèi)，保證了準確度。可以根據(jù)不同的溫度范圍和精度要求選擇不同的檢測元件，可以使測溫范圍更加廣。將溫度控制器通過RS-485 Mod BUS協(xié)議與計算機連接，對溫度進行集中分析和控制。在操作部分，通過按鍵設定上下限，確定了溫度的范圍。同時，利用數(shù)碼管同時現(xiàn)實設定值和實測值，正常工作時，電源指示燈和通訊指示燈亮，。當出現(xiàn)故障時，故障部分指示燈亮。當溫度超

23、過上下限時，報警指示燈亮，并且蜂鳴器響。實現(xiàn)智能化。3.簡單的操作使用說明：l 根據(jù)不同的測溫范圍和精度要求選擇不同的檢測元件；l 根據(jù)選定的檢測原件設定溫度值以及上下限：選擇相應的工作方式，按SET鍵進入模式選擇，按移位鍵選擇合適的模式，并在該模式下通過上下鍵設定設定溫度值和上下限，最后按回車使其進入正常工作狀態(tài)；l 在無故障過程中計算機分析當前溫度并進行合理的控制，并輸出設定值和實測值。二.系統(tǒng)設計溫度控制是工業(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，因而設計一種比較理想的溫度控制系統(tǒng)是非常有價值的。日常生活中，溫度值也是一個重要的參考量。此外，對溫度

24、信息的采集，檢測，控制，步進保證產(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)總體設計：硬件系統(tǒng)以單片機為檢測控制系統(tǒng)中心，溫度控制采用改進的PID數(shù)字控制算法，顯示采用4位LED實時顯示。系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如下：溫度采集和控制對象 420mA電流輸出通道51單片機A/D轉(zhuǎn)換器溫度測量通道 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 報警電路2.控制方法描述：不完全微分數(shù)字PID：若輸入為單位階躍：即,若此時：，則下一個周期：-+PID 得到差分方程： 3.硬件模塊設計：3.1熱電阻測溫電路系統(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（通過P20P24引出的5根地

25、址線完成選擇），并將電信號轉(zhuǎn)換為對應代表的溫度值（運用分段線性化方法），最后5組溫度的均值（或根據(jù)實際情況加權平均）即為現(xiàn)場的實際溫度。實際過程如下：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)運放放大后送入選擇開關（熱電偶電壓信號經(jīng)儀用放大電路接至選擇開關），由于熱電阻等器件的溫度-阻值存在非線性，在將單片機接收的電信號轉(zhuǎn)換為對應的熱電偶的阻值后，再將阻值對應成相應溫度時，要運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)近似成線性關系，將實際的阻值對應找到其所在的段，則根據(jù)段內(nèi)的線性關系，可得出阻值對應的溫度。3.2溫度測量通道1路熱電阻、4路熱電

26、偶和多路選擇開關CD4052、CD4051的組合，可實現(xiàn)5路溫度測量的隨意切換（；由熱電偶、熱電阻產(chǎn)生的電壓信號經(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脈沖數(shù)的方法來獲得測量轉(zhuǎn)換結(jié)果的。由其時序分析可知，在ICL7135工作過程中的去積相，其脈沖數(shù)與轉(zhuǎn)換結(jié)果具有一一對應關系。通過單片機的定時器T0來計脈沖器。由于，定時器T0所用的CLK頻率是系統(tǒng)晶振頻率的1/12。因此可利用單片機的ALE信號作為ICL7135的脈沖（CLK）輸入。至此，便可找到定時器所使用的頻率與單片機系統(tǒng)晶振

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

28、。在溫度測量通道，模擬信號與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，在多路開關的選通線與地址線之間也加入了普通光耦，確保測量電路與單片機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，進行V/I變換，轉(zhuǎn)換成標準的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：通過設置Rc阻值及調(diào)整滑動變阻器阻值，可使輸出電流為420mA,輸出電流的表達式為：I=(Vin+Vrf)/Rc在420mA標準電流輸出通道，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。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)動放大后，控制繼電器的開、關，進而控制功能電路的開、關。3.5 顯示模塊3.6 按鍵輸入模塊本系統(tǒng)的四個按鍵，通過光耦隔離，經(jīng)過74LS244三態(tài)緩沖器，連至單片機的PI0P13口；按鍵與單片機輸入緩沖器間加入普通光耦進行電氣隔離，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，在硬件上，按鍵后面加入了RC濾波電路，減少抖動的影響，如下圖：在軟件中，當判斷按鍵按下后調(diào)用延時程序（幾十毫秒），然后再判斷開關的狀態(tài)是否還是按下，是則代表確實開關被按下，否則不

30、做相應的響應。3.7 報警模塊控制輸出與報警輸出中都加入普通光耦進行隔離，繼電器兩端并入二極管，防止開關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，標度變換，PID控制，顯示，報警，通訊。1) 數(shù)據(jù)采集按順序采集4個點的溫度信號，共采集多次并存儲起來，采樣周期T=1s。2) 數(shù)字濾波將每個信號的測量值排序，去掉一個最大值和一個最小值，剩余求平均值即為該信號的測量結(jié)果，即采用中位值濾波法與平均值濾波法相結(jié)合來實現(xiàn)數(shù)字濾波3) 標度變換測溫回路和控溫回路，都是用420mA 信號進行控制。將測量允許的上限和下限進行分段線性化，上限溫度時對應電壓輸出轉(zhuǎn)化為20mA 電流輸出，下限溫度對應電壓輸出轉(zhuǎn)化為4mA電流輸出。標度變換的公式為：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 顯示實測值PV、設定值SV、狀態(tài)