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凑试法 扩充临界比例度法 扩充响应曲线法整定PID参数单片机源程序 带死区PID算法

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ID:275622 发表于 2018-1-13 17:19 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式
学过的单片机实验内容及程序
计算机控制技术综合性实验指导书-电气（单片机实验）
编写：蒙志强
重庆交通大学机电与汽车工程学院
机电与自动化控制实验室
2017年3月1日
目录
项目一、凑试法整定PID参数
项目二、带死区PID算法
项目三、扩充临界比例度法PID参数
项目四、扩充响应曲线法整定PID参数

                                          项目1  凑试法整定PID参数
一、实验目的
1．了解PID参数对系统性能的影响。
2．学习凑试法整定PID参数。
3．掌握积分分离法PID控制规律
二、实验设备
PC机一台，TD－ACC＋实验系统一套，i386EX系统板一块
三、实验原理和内容

图3.2－1

图3.2－1是一个典型的PID闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的7号中断，用作采样中断，“DIN0”表示386EX的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。

这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制机的定时器作为基准时钟 (初始化为10ms)，定时采集“IN7”端的信号，并通过采样中断读入信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。

本实验中，采用位置式PID算式。在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：当误差e ( k ) 较大时，取消积分作用；当误差e ( k ) 较小时才将积分作用加入。

讨论PID参数对系统性能的影响：

(1) 增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。

(2) 增大积分时间参数TI有利于消除静差、减小超调、减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。

(3) 增大微分时间参数TD有利于加快系统响应，使超调量减小，系统稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。

在调整参数时，可以使用凑试法。参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行“先比例，后积分，再微分”的步骤。

(1) 首先整定比例部分。将比例系数KP由小变大，并观察相应的系统响应，直到响应曲线超调小、反应快。如果系统没有静差，或者静差小到允许的范围内，那么只需比例调节器即可。

(2) 如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足要求，则须加入积分作用。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数KP缩小 (如80％)，然后减小积分时间，使静差得到消除。如果动态性能 (过渡时间短) 也满意，则需PI调节器即可。

(3) 若动态性能不好，则需加入微分作用。整定时，使微分时间TD从0变大，并相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意结果

由于PID三个参数有互补作用，减小一个往往可由几个增大来补偿，因此参数的整定值不唯一，不同的参数组合完全有可能得到同样的效果。

四、实验步骤

1．参考流程图3.2－3编写实验程序，检查无误后编译、链接。

2．按照实验线路图3.2－2接线，检查无误后开启设备电源。

3．调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为2V，周期6S的方波。确定系统的采样周期以及积分分离值。

4．装载程序，将全局变量TK (采样周期)、EI (积分分离值)、KP (比例系数)、TI (积分系数)和TD (微分系数) 加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

5．运行程序，将积分分离值设为最大值7FH (相当于没有引入积分分离)，用示波器分别观测输入端R和输出端C。

6．如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。

7．修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。

8．将6和7中的较满意的响应曲线分别保存，在画板、PHOTOSHOP中处理后粘贴到WORD中，方便形成实验报告。

五、实验代码：

功能描述：实现数字PID调节器的功能。

  1. *****************************************/
  2. #include <reg51.h>
  3. #include <absacc.h>
  4. #include <math.h>
  5. /*****************************************
  6. 宏定义
  7. *****************************************/
  8. #define uchar unsigned char
  9. #define uint  unsigned int
  10. #define ADC_7 XBYTE[0x0600]                                          //定义模数转换IO地址
  11. #define DAC_1 XBYTE[0x0640]                                          //定义D/A第一路的IO地址

  13. /*****************************************
  14. 全局变量定义
  15. *****************************************/
  16. sbit  str  = P1^7;                                                                      //定义A/D启动信号
  17. sbit  DIN0 = P1^0;                                                                      //声明同步信号
  18. uint  data time;                                                                      //声明变量，用于定时
  19. uchar data t0_h,t0_l;                                                        //用于存储定时器0的初值
  20. char TK=5;                                                                                                  //声明采样周期变量,//采样周期＝TK*10ms
  21. char TC;                                                                                                  //TK的变量
  22. float kp=0.20;                                                                                    //比例系数
  23. char ti=30;                                                                                                  //积分系数
  24. char td=1;                                                                                                  //微分系数
  25. char IBAND=32;                                                                                    //积分分离值
  26. char EK;                                                                                                  //当前采样的偏差值
  27. char EK_1;                                                                                                  //上一次采样的偏差值
  28. char AEK;                                                                                                  //偏差的变化量
  29. char UK;                                                                                                  //当前时刻的D/A输出
  30. int  ZEK;
  31. /*****************************************
  32. 主函数
  33. *****************************************/
  34. void main(void)
  35. {              
  36.               TMOD = 0x01;
  37.               time = 10;                                                                                                  //定时10ms
  38.               t0_h  = (65536-500*time)/256;                            //计算定时器0初值
  39.               t0_l  = (65536-500*time)%256;
  40.               t0_l = t0_l+20;                                                                                    //修正因初值重装而引起的定时误差
  41.               TH0  = t0_h;
  42.               TL0  = t0_l;
  43.               IT1  = 1;                                                                                                  //边沿触发中断
  44.               EX1  = 1;                                                                                                  //开外部中断1
  45.               ET0  = 1;                                                                                                  //开定时中断0
  46.               TR0  = 1;                                                                                                  //启动定时器

  48.               TC   = 1;
  49.               DAC_1= 0x80;                                                                                    //D/A清零
  50.               EK=EK_1=0;                                                                                                  //变量清零
  51.               AEK=UK=0;
  52.               ZEK=0;

  54.               EA              = 1;                                                                                                  //开总中断
  55.               while(1);
  56. }

  58. /**********************************************
  59. 函数名：INT1
  60. 功能  ：1号外部中断服务程序
  61. 参数  ：无*
  62. 返回值：无 *
  63. ***********************************************/
  64. void int1() interrupt 2 using 2
  65. {              float P,D,I,TEMP;

  67.               DIN0 = 1;                                                                                                  //读取输入前，先输出高电平
  68.   if(DIN0)                                                                                                                //判同步信号到否
  69.               {
  70.                   EK=EK_1=0;                                                                                    //变量清零
  71.                             UK=AEK=0;
  72.                   ZEK=0;
  73.                   DAC_1 =0x80;                                                                      //D/A输出零
  74.                             TC=1;
  75.               }
  76.   else
  77.     {
  78.                             TC--;                                                                                                  //判采样周期到否
  79.                   if(TC==0)
  80.                                {
  81.                                           EK  = ADC_7-128;                                          //采样当前的偏差值，并计算偏差的变化量
  82.                                           AEK =EK-EK_1;
  83.                                           EK_1=EK;
  84.                                          
  85.                                          
  86.                                  if(abs(EK)> IBAND)  I=0;              //判积分分离值
  87.                                  else
  88. …………
  89. …………限于本文篇幅 余下代码请从51黑下载附件…………

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六、实验结果及分析


项目2   带死区PID控制

一、实验目的

掌握带死区的PID控制规律

二、实验设备

PC机一台，TD－ACC＋实验系统一套，i386EX系统板一块

三、实验原理及内容

1．在计算机控制系统中，某些系统为了避免过于频繁的控制动作，为了消除由于频繁动作所引起的振荡，通常采用带死区的PID控制系统，该系统实际上是一个非线性控制系统。其基本思想是：可以按实际需要设置死区B,当误差的绝对值B时，P (K)为0，U (K)也为常值，实际应用中，常值是由经验值来确定的；当>B时，P (K)= , U (K)以PID运算的结果输出。

图3.3－1

2．图3.3－1所示的方框图，其硬件电路原理及接线图见图3.3－3。

图3.3－3

四、实验步骤

1．参照图3.3－2的流程图编写实验程序，检查无误后编译、链接。

2．按照实验线路图3.3－3接线，检查无误后开启设备电源。调节信号源中的电位器和拨动开关，使信号源输出幅值为4V，周期6S的方波。

3．装载程序，将全局变量TK (采样周期)、EI (积分分离值)、KP (比例系数)、TI (积分系数)、TD (微分系数)、PT(死区变量值) 和 CONST(常值)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

4．运行程序，将死区宽度B (PT) 设为最小值00H (相当于没有引入死区控制)，用示波器分别观测控制量输出端U (即数模转换单元的“OUT1”端) 和对象输出端C。

5．如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，直到响应曲线满意。

6．修改死区宽度B (PT)为02H，用示波器分别观测控制量输出端U (即数模转换单元的“OUT1”端) 和对象输出端C，记录并和积分分离时的响应曲线进行比较



五、实验代码
功能描述：实现死区PID数字调节器，死区宽度和常值可根据实际情况进行修改

（源码见附件）

六、实验结果分析



项目3  扩充临界比例度法整定PID参数

一、实验目的

1．学习并掌握扩充临界比例度法整定PID参数。

二、实验设备

PC机一台，TD－ACC＋实验系统一套，i386EX系统板一块

三、实验原理及内容

1、实验原理

扩充临界比例度法是对模拟调节器中的临界比例度法的推广，在工程实践中最常用，其参数整定步骤如下：

(1) 选择一个足够小的采样周期T，一般取系统纯滞后时间的1/10以下。

(2) 使系统闭环工作，只用比例控制，增大比例系数KP直到系统等幅振荡，记下此时的临界比例系数KPU和临界振荡周期TU (见图3.4－1)。

图3.4－1

(3) 选择控制度 (1.05~2.0)。控制度指数字调节器和模拟调节器控制效果之比。

(4) 根据控制度，查表3.4－1计算出采样周期T和KP、TI、TD。

表3.4－1

控制度

T

KP

TI

TD

1.05

0.014TU

0.63KPU

0.49TU

0.14TU

1.2

0.043TU

0.47KPU

0.47TU

0.16TU

1.5

0.09TU

0.34KPU

0.43TU

0.20TU

2.0

0.16TU

0.27KPU

0.40TU

0.22TU


2) 实验设计

图3.4－2是一个PID闭环控制系统的实验电路原理及接线图，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。其相应的程序流程图和3.2节中的图3.2－3是一样的，实验中的参数取值范围规定为：

参数名称

T

KP

TI

TD

取值范围

1～FFH

0～FFFFH

1～7FFFH

0～7FFFH

实际量纲

10～2550ms

0～1倍

10ms～327.67s

0ms～327.67s


图3.4－2

上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的7号中断，用作采样中断，“DIN0”表示386EX的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。

本实验中，将针对该闭环系统应用临界比例度法来整定PID参数。

四、实验步骤

(1) 编写程序，检查无误后编译、链接并装载程序。

(2) 按照实验线路图3.4－2接线，调节信号源使其输出幅值为3V，周期6S的方波。

(3) 由于模拟对象的惯性时常约为250ms，取采样周期T=10ms。

(4) 装载程序，将全局变量TK (采样周期)、EI (积分分离值)、KP (比例系数)、TI (积分系数)和TD (微分系数)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

(5) 运行程序且只用比例控制 (EI = 0，TD = 0)，KP由小变大，使系统等幅振荡，记下此时的临界比例系数KPU和临界振荡周期TU。

(6) 查表3.4－1，选择控制度2.0，计算出采样周期T和KP、TI、TD。

(7) 将参数重新写入PID控制程序，运行程序并用示波器观测输入和输出，如果控制效果不太满意，可适当结合凑试法调整参数，直到满意为止。

五、实验代码

功能描述：利用此程序可以实现临界比例度法整定PID参数。


（源码见附件）


六、实验结果





项目4  扩充响应曲线法整定PID参数

一、实验目的

1．学习并掌握扩充响应曲线法整定PID参数。

二、实验设备

PC机一台，TD－ACC＋实验系统一套，i386EX系统板一块

三、实验原理及内容

1 实验原理

扩充响应曲线法是模拟调节器的响应曲线法的一种扩充，也是一种常用的工程整定方法。其参数整定步骤如下：

(1) 使数字调节器不接入系统，让系统处于手动操作状态，当系统稳定在某一值处后，给对象一个阶跃输入。

(2) 用仪表记录下被调量在阶跃输入下的整个响应曲线，见图3.4－3。

图3.4－3

图中“”表示对象的时间常数；“”表示对象的纯滞后时常

(4) 根据所得的、，查表3.4－2计算出采样周期T和KP、TI、TD

表3.4－2

控制度

T

KP

TI

TD

1.05

0.05

1.15

2.00

0.45

1.2

0.16

1.0

1.90

0.55

1.5

0.34

0.85

1.62

0.65

2.0

0.60

0.60

1.50

0.82


2) 实验设计

同样，图3.4－4也是一个PID闭环控制系统的实验电路原理及接线图，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。其相应的程序流程图和3.2节中的图3.2－3是一样的。本实验中，将针对该闭环系统应用扩充响应曲线法来整定PID参数。

图3.4－4中，控制计算机的“OUT1”表示386EX内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的7号中断，用作采样中断，“DIN0”表示386EX的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。

实验中，参考程序中的参数取值范围规定为：

参数名称

T

KP

TI

TD

取值范围

1～7FH

0～800H

1～1FFH

0～1FFH

实际量纲

10～1270ms

0～8倍

10ms～5110s

0ms～5110ms


图3.4－4

四、实验步骤

(1) 参照图3.4－5接线，调节器先不接入系统中。图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

图3.4－5

(2) 调节信号源使其“OUT”输出幅值为2V，周期12S的方波。

(3) 用示波器测量系统输出“C”，并记录下波形。在响应曲线最大斜率处作切线，用游标测量，作图求得滞后时间和对象时常。计算出/，查表3.4－2，控制度选择2.0时可求得数字调节器的KP、TI、TD以及采样周期T的初始值。

  • 按照图3.4－4接线，将数字调节器接入系统，将以上得到的参数KP、TI、TD和T重新写入程序中，然后编译、链接。

(5) 装载程序，将全局变量TK (采样周期)、EI (积分分离值)、KP (比例系数)、TI (积分系数)和TD (微分系数)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

(6) 运行程序，用示波器测量系统输出“C”，观察数字调节器在这组参数下的控制效果，若不理想，可适当调整参数，直到控制效果满意为止。

五、实验代码

功能描述：此程序可以作为扩充响应曲线法整定PID参数的验证程序，可把整定后的PID参数写入程序中。

（源码见附件）


六、实验结果分析




全部资料51hei下载地址：
计算机控制技术综合性实验指导书-电气（新设备）.docx (404.12 KB, 下载次数: 25)
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沙发
ID:335031 发表于 2018-11-28 20:08 | 只看该作者
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