最新变速积分PID控制系统设计.docx

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最新变速积分PID控制系统设计

课程设计报告

设计题目

变速积分PID控制系统设计

课程名称

计算机控制技术B

姓名

苏丹

学号

2008100731

班级

自动化0803

教师

闫高伟

设计日期

2011年7月5日

附录2TDN-AC/ACS＋教学实验系统介绍..………………………………………………..28

附录3参考资料…………………………………………………………………………..30

变速积分PID控制系统设计

摘要

PID校正装置（又称PID控制器或PID调节器）是一种有源校正装置，它是最早发展起来的控制策略之一，在工业过程控制中有着最广泛的应。

它具有结构简单、容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，是迄今为止最稳定的控制方法。

它所涉及的参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。

从实际需要出发，一种好的PID控制器参数整定方法，不仅可以减少操作人员的负担，还可以使系统处于最佳运行状态。

因此，对PID控制器参数整定法

的研究具有重要的实际意义。

在普通的PID调节算法中，由于积分系数KI是常数，因此，在整个调节过程中，积分增益不变。

但系统对积分项的要求是系统偏差大时积分作用减弱以至全无，而在小偏差时则应加强。

否则，积分系数取大了会产生超调，甚至积分饱和，取小了又迟迟不能消除静差。

改进的PID算法可以有效改变此现象。

此采用变速积分可以很好地解决这一问题。

本次课程设计基于自动控制原理实验箱（设备型号：

TDN—ACS＋），

接好硬件电路以后实现变速积分。

并在matlab6.5完成对变速积分的仿真。

关键词：

PID控制算法；变速积分；matlab仿真

Abstract

Sofar,thePIDisthemostcommoncontrolarithmetic.It’soneofthemostearlydevelopedcontrolstrategy,whichisappliedtotheindustryprocess.Itsstructureissimpleandeasytoimplement,however,thecontroleffectisperfect.Thephysicalparametersis,meaningof,theoreticalanalysisofsystemisintegrity,anditisfamiliarbytheengineeringsector,whichintheindustrialprocesscontrolhasbeenwidelyused.Fortheactualneeds,agoodparameterPIDcontrollertuningmethodcannotonlyreducetheburdenonoperators,butalsomakethesystemrunningatbest.Therefore,thefixedPIDcontrollerparametertuningstudyhasimportantpracticalsignificance.

InthetraditionalPIDcontrolalgorithm,theintegralcoefficientKIisconstantthroughouttheadjustmentprocess,theintegralgain.Butthesystemrequirementsfortheintegraltermisthesystemerrorislargeaswellasnolessintegralaction,andinthesmalldeviationshouldbestrengthened.Otherwise,theintegralcoefficientwillhaveabigovershoot,orevenintegralsaturation,whicheverissmallerandthedelaytoeliminatestaticerror.ImprovedPIDalgorithmcaneffectivelychangethisbehavior.Theuseofvariable-speedintegrationcansolvethisproblem.Thecoursedesignisbasedonprinciplesofautomaticcontroltestbox（Model:

TDN-ACS+）,connectedactualhardwarecircuit.Afterachievingagoodconnectionspeedintegrationcircuithardware.,usematlab6.5tocompletethesimulationforvariable-speedintegration.

Keyword:

PIDcontrolalgorithm;variable-speedintegration;matlabsimulation

第1章数字PID及变速积分简介

1.1数字ＰＩＤ发展介绍：

PID控制器以其结构简单、稳定性好、工作可靠、调整方便而成为工业控制的主要技术之一。

在工业过程控制中有着最广泛的应用，其实现方式有电气式、气动式和液力式。

它具有容易实现、控制效果好、鲁棒性强等特点，同时它原理简单，参数物理意义明确，理论分析体系完整，并为工程界所熟悉，因而在工业过程控制中得到了广泛应用。

尽管自1940年以来，许多先进控制方法不断推出，但PID控制器仍被广泛应用于冶金、化工、电力、轻工和机械等工业过程控制中。

PID控制器是有源校正装置，与无源校正装置相比，它具有结构简单、参数易于整定、应用面广等特点，设计的控制对象可以有精确模型，并可以是黑箱或灰箱系统。

总体而言，它主要有如下优点：

（1）原理简单，应用方便，参数整定灵活。

（2）适用性强。

可以广泛应用于电力、机械、化工、热工、冶金、轻工、建材、石油等行业。

１.2PID控制器工作原理：

图1

典型模拟PID结构框图如图1所示。

PID控制器是通加对误差信号e（t）进行比例、积分和微分运算，其结果的加权，得到控制器的输出u（t），该值就是控制对象的控制值。

PID控制器的数学描述为：

（1—1）

式中，u（t）—调节器的输出信号;e（t）—调节器的偏出信号;Kp—比例系数;Ti—积分时间常数;Td—微分时间常数。

在计算机控制系统中，使用的是数字PID控制器，数字PID控制算法通常又分为位置式PID控制算法和增量式PID控制算法。

（1）位置式PID控制算法：

由于计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量，故对模拟PID算式中的积分和微分项不能直接使用，需要进行离散化处理。

按模拟PID控制算法，现以一系列的采样时刻点kT代表连续时间t，以和式代替积分，以增量（一阶后插）代替微分，则可以作如下的近似变换:

（1-2）

显然，上述离散化过程中，采样周期T必须足够短，才能保证有足够的精度。

为了书写方便，将e（kT）简化表示成e（k）等，即省去T。

将式（2-2）代入式（2-1），可以得到离散的PID表达式为:

（1-3）

式中:

k—采样序列号;u（k）—第k次采样时刻的计算机输出值;e（k）—第k次采样时刻输入的偏差值;e（k-1）—第k-1次采样时刻输入的偏差值；Ki—积分系数，Ki＝Ｋ

Ｔ/Ti；Ｋ

—微分系数，Ｋ

=Ｔ

/Ｔ。

1.3变速积分简介：

变速积分作为改进的ＰＩＤ算法之一，它的基本思想是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差的大小相对应：

偏差越大，积分越慢；偏差越小，积分越快。

（1）变速积分实现：

变速积分是使积分项的累加速度与偏差大小相应，为此设一系数f[e（k）]，它为e（k）函数，变速积分PID中积分项为:

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1-4）

f[e（k）]与当前偏差e（k）是线性或非线性关系，f值在0～1区间变化

（1-5）

累加部分当前偏差e（K）,偏差大于上限，不累加;偏差小于下限，积分限完全累加；介于二者之中，引入变系数f[e（k）]。

（2）变速积分PID算法为：

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　（1-6）

第２章　　系统分析与设计

２．１系统功能分析：

2.1.1对象整体分析：

控制对象传递函数为

极点：

s1=-4，s2=-5。

选择将传递函数拆成2个一阶惯性环节，实验箱上用两个积分电路串联实现，如下图所示：

图2

运算关系：

（1-6）

两级参数选择：

第1级：

R=50K，Rf=100K,C=3u;

第2级：

R=30K，Rf=240K,C=1u

经计算，可实现传递函数。

整个系统的框图：

图3

2.1.2整定调节参数与系统开环增益：

可用临界比例带法整定参数。

设采样周期为50ms，先去掉微分与积分作用，只保留比例控制，增大KP，直至系统等幅振，记下振荡周期TU和振荡时所用比例值KPU，按以下公式整定参数。

①只用比例调节：

KP＝0.5KPU（P＝KP＝0.5KPU）

②用比例、积分调节（T取0.2T）

比例KP＝0.36KPU（即P＝KP＝0.36KPU）

积分时间TI＝1.05T（即I=0.07KPU）

③用比例、积分、微分调节（T=1/6Tu）

比例KP＝0.27KPU（即P＝KP＝0.27KPU）

积分时间TI＝0.4TU（即I=0.11KPU）

微分时间TD＝0.22TU（即D＝0.36KPU）

PID系数不可过小，因为这会使计算机控制输出也较小，从而使系统量化误差变大，甚至有时控制器根本无输出而形成死区。

这时可将模拟电路开环增益适当减小，而使PID系数变大。

例：

PID三个系数都小于0.2，模拟电路开环增益可变为K/5，PID系数则都相应增大5倍。

另一方面PID系数不可等于1，所以整个系统功率增益补偿是由模拟电路实现。

例如若想取PID＝5.3，可取0.5300送入，模拟电路开环增益亦相应增大10倍。

2.2计算机系统选择分析：

TDN—ACS＋系统采用8088CPU作为微处理器，本次设计同时使用了它附带的8255,8259芯片作为并行I/O接口和中断处理芯片。

2.2.18088CPU简介：

8088是8080和8085的改进型，像8080和8085一样，它的指令是以字节为基础构成的。

它的性能的提高，主要依赖于采取了以下一些特殊措施。

1.建立4字节的指令预取队列

2.设立地址段寄存器

3.在结构上和指令设置方面支持多微处理器系统

（a）一般处理器指令执行过程；（b）8088处理器指令执行过程

8088处理器芯片引线图

***引脚功能说明：

A16～A19/S3～S6：

4条时分复用、三态输出的引线。

A8～A15：

三态输出引线。

AD0～AD7：

地址、数据时分复用的输入输出信号线。

IO/：

CPU的输出（三态）控制信号，用来区分当前操作是访问存贮器还是访问I/O端口。

：

CPU的输出控制信号（三态）。

DT/：

CPU的输出控制信号（三态），用于确定数据传送的方向。

：

CPU经三态门输出的控制信号。

ALE：

三态输出控制信号，高电平有效。

：

读选通输出信号（三态），低电平有效。

READY：

准备就绪输入信号，高电平有效。

INTR：

可屏蔽中断请求输入信号，高电平有效。

：

可用WAIT指令对该引脚进行测试的输入信号，低电平有效。

NMI：

非屏蔽中断输入信号，边沿触发，正跳变有效。

RESET：

CPU的复位输入信号，高电平有效。

：

CPU输出的中断响应信号，是CPU对外部输入的INTR中断请求信号的响应。

HOLD：

高电平有效的输入信号，用于向CPU提出保持请求。

HLDA：

CPU对HOLD请求的响应信号，是高电平有效的输出信号。

：

状态输出线。

CLK：

时钟信号输入端。

VCC：

5V电源输入引脚。

GND：

接地端。

2.2.2其余模块的使用：

1.信号源发生单元电路:

信号源发生单元电路包括U1SG单元和U15SIN单元.本次使用U1SG，单元可以产生重复的阶跃、斜波、抛物线三种典型信号，且信号的幅值。

频率可以调（通过调电位器W12，W11）。

图4

2.采样保持器及单稳单元电路（U2SH）：

该单元的输入输出电平范围±12V，PU为控制端，用逻辑电平控制，高电平采样，低电平保持，采样时间约为10us。

3．运算模拟单元电路（U6）4．非线性单元电路：

（U9NC）：

该单元供死区非线性和间隙非线性模拟电路插接电阻用。

图5

3.数模转换单元电路（U10DAC）：

该单元采用DAC0832芯片，转换精度为8位二进制码，输入数字范围为00H－FFH，对应输出（U10单元的OUT端）为－5V－＋4.96V。

80H对应0V。

图6

4.模数转换单元电路（U12ADC）：

它采用ADC0809芯片，分辨率为8位二进制码。

模拟输入通道8路（IN0～IN7），通过三端地址码A、B、C多路开关可选通8路模拟输入的任何一路进行A/D变换。

其中IN1～IN5的模拟量输入允许范围：

0V～4.98V,对应数字量00H～FFH，2.5V对应数字量80H。

IN6和IN7两路用于接上拉电阻，所以模拟量输入允许范围：

-5V～＋4.96V，对应数字量00H～FFH。

0V对应80H。

.

图7

5.状态指示单元（U11D）：

用于实验现象指示作用。

.6.运算模拟单元电路U3:

图9

注：

信号发生单元接两个反相器：

图10

其中Ri=Rf，

第一级参数：

Ri=Rf=10K

第二级参数：

Ri=Rf=200K

2.3软件设计分析：

使用汇编语言编程，其中对下限设置变量EIB，上限变量EIA，由式（1-5）可编写计算f[e（k）]的源程序。

TK为采样周期，计算机采用8253产生定是信号，T=TK*10ms。

可改变。

定义EI为误差绝对值，取值范围：

00H~0FFH。

可改变。

定义KPP为比例系数，KII积分系数，KDD为微分系数。

P、I、D范围为：

－0.9999～＋0.9999，计算机分别用相邻三个字节存储其BCD码。

最低字节存符号，00H为正，01H为负。

中间字节存前2位小数，最高字节存末2位小数。

例如：

P=0.1234，其存储方式：

（2F03H）=00H,（2F04H）=12H,（2F05H）=34H。

可自行设定。

整体思路：

先对经采用/保持器离散化的信号采集，在存于堆栈段，编写A/D转换程序，将A/D转换结果传送至8088,8088根据所设定的EI值进行判断，f[e（k）]应选择哪一个，产生中断信号，执行中断子程序，将结果经Ｄ／Ａ转换输出。

第3章　硬件设计与软件编程

３．１硬件设计：

３．１．１　系统方框图：

　　　　　　　　　　　　　　　　图１１

３．１．２　线路原理图：

见附录１

３．２　　软件设计：

３．２．１软件流程图：

变速积分中断子程序

是E《B否

是否

３．２．２程序源代码：

＊＊＊＊堆栈段定义＊＊＊＊

STACKSEGMENTSTACK

DW256DUP（?

）

STACKENDS

＊＊＊＊数据段定义＊＊＊＊＊

DATASEGMENT

TKDB　　05H

EIBDB10H

EIA　DB30H

KPDB　00H,24H,43H

KIDB　　00H,04H,96H

KDDB00H,42H,40H

EKBDB00H

EKKDW0000H

KPPDW0000H

KIIDW0000H

KDDDW0000H

PEIEDW0000H

DE1DW0000H

DE2DW0000H

EIDW0000H

EIABDB?

EEEDB?

FFFDW?

GGGDW?

OUTPUTDW0000H

BA1DW1999H;十进制小数0.2转化后的16位二进制数

ALLK　DW（?

）

XkDW（?

）

XXkDW（?

）

Xk_1DW（?

）

Xk_2DW（?

）

XK_3DW　（?

）

ZZDB04H

DATAENDS

＊＊＊＊代码段定义＊＊＊＊

CODESEGMENT

ASSUMECS:

CODE,DS:

DATA

START:

MOVAX,DATA

MOVDS,AX

PUSHDS

XORAX,AX

MOVDS,AX

MOVAX,2000H+OFFSETIRQ7

MOVSI,003CH

MOV[SI],AX

MOVAX,2000H+OFFSETIRQ6

MOVSI,0038H

MOV[SI],AX

MOVAX,0000H

MOVSI,003EH

MOV[SI],AX

MOVSI,003AH

MOV[SI],AX

CLI

POPDS

MOVAL,90H

OUT63H,AL

MOVAL,0A4H

OUT43H,AL

MOVAL,2EH

OUT42H,AL

INAL,21H

ANDAL,3FH

OUT21H,AL

MOVSI,OFFSETKD+2

MOVBH,03H

MOVDI,OFFSETKDD+1

CALLCHANGE

MOVAL,80H

OUT00H,AL

MOVBL,01H

AGAIN:

STI

HLT

JMPAGAIN

＊＊＊＊中断子程序处理＊＊＊＊

IRQ6:

MOVAL,80H

OUT00H,AL

MOVAL,00H

OUT61H,AL

MOVAX,0000H

MOVDE2,AX

MOVIE,AX

MOVBL,01H

MOVAL,20H

OUT20H,AL

IRET

IRQ7:

　　CALLCY

DECBL

JNZFINISH

CALLLVBO

MOVCL,03H

SARDX,CL

MOVEKK,DX

MOVAX,DX

MOVDX,KPP

CALLML

MOVPEIE,DX

MOVDX,KDD

MOVAX,EKK

CALLML

MOVDE1,DX

MOVAL,EKB

MOVBL,00H

SUBAL,BL

JGL1

NEGAL

JMPL1

FINISH:

MOVAL,20H

OUT20H,AL

IRET

＊＊＊＊变速积分处理子程序＊＊＊＊

L1:

MOVEEE,AL

MOVDL,EIB

SUBAL,DL

JGAD6

MOVAX,01H

MOVFFF,AX

JMPDDF

AD6:

MOVAL,EIB

MOVAH,EIA

ADDAL,AH

MOVEIAB,AL

MOVDL,EEE

MOVAL,DL

SUBAL,EIAB

JGDD6

MOVAL,EIAB

SUBAL,EEE

MOVAH,00H

MOVDL,EIA

MOVDH,00H

DIVDX

MOVFFF,AX

DDF:

MOVDX,FFF

MOVAX,KII

IMULDX

MOVGGG,DX

MOVDX,GGG

MOVAX,EKK

CALLML

MOVAX,IE

ADDDX,AX

MOVIE,DX

TESTDH,80H

JZDD1

MOVAX,0F000H

ANDAL,AL

SBBDX,AX

JGDD2

MOVDX,0F000H

JMPDD4

DD1:

MOVAX,0FFFH

ANDAL,AL

SBBDX,AX

JGDD3

DD2:

MOVDX,IE

JMPDD5

DD3:

MOVDX,0FFFH

DD4:

MOVIE,DX

DD5:

MOVAX,PEIE

ADDDX,AX

MOVPEIE,DX

DD6:

MOVAX,DE2

MOVDX,DE1

MOVDE2,DX

ANDAL,AL

SBBDX,AX

MOVAX,PEIE

ADDDX,AX

CALLOUT_PUT

MOVBL,TK

JMPFINISH

ML:

CMPDX,7FFFH

JAML1

IMULDX

RET

ML1:

　　PUSH　BX

PUSH　CX

PUSH　AX

SUBDX,7FFFH

IMULDX

MOVBX,DX

MOVCX,AX

POPAX

MOVDX,7FFFH

IMULDX

ADDAX,CX

ADCDX,BX

POPCX

POPBX

RET

CY:

INAL,60H

SUBAL,80H

MOVEKB,AL

MOVSI,OFFSETXK_2

MOVDI,OFFSETXK_3

MOVZZ,04H

Z1:

MOVAX,[SI]

MOV[DI],AX

DECSI

DECSI

DECDI

DECDI

DECZZ

JNZZ1

MOVAX,0000H

MOVAH,EKB

MOVXK,AX

RET

LVBO:

　　MOVAX,0000H

MOVALLK,AX

MOVSI,OFFSETBA1

MOVDI,OFFSETXK

MOVCX,0005H

LL1:

　MOVDX,[SI]

MOVAX,[DI]

INCDI

INCDI

CALLML

ADDDX,ALLK

M