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湊試法 擴充臨界比例度法 擴充響應曲線法整定PID參數單片機源程序 帶死區PID算法

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ID:275622 發表于 2018-1-13 17:19 | 只看該作者 回帖獎勵 |倒序瀏覽 |閱讀模式
學過的單片機實驗內容及程序
計算機控制技術綜合性實驗指導書-電氣（單片機實驗）
編寫：蒙志強
重慶交通大學機電與汽車工程學院
機電與自動化控制實驗室
2017年3月1日
目錄
項目一、湊試法整定PID參數
項目二、帶死區PID算法
項目三、擴充臨界比例度法PID參數
項目四、擴充響應曲線法整定PID參數

                                          項目1  湊試法整定PID參數
一、實驗目的
1．了解PID參數對系統性能的影響。
2．學習湊試法整定PID參數。
3．掌握積分分離法PID控制規律
二、實驗設備
PC機一臺，TD－ACC＋實驗系統一套，i386EX系統板一塊
三、實驗原理和內容

圖3.2－1

圖3.2－1是一個典型的PID閉環控制系統方框圖，其硬件電路原理及接線圖可設計如下，圖中畫“○”的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。

上圖中，控制計算機的“OUT1”表示386EX內部1＃定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期＝定時器時常，“IRQ7”表示386EX 內部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“DIN0”表示386EX的I/O管腳P1.0，在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。

這里，系統誤差信號E通過模數轉換單元“IN7”端輸入，控制機的定時器作為基準時鐘 (初始化為10ms)，定時采集“IN7”端的信號，并通過采樣中斷讀入信號E的數字量，并進行PID計算，得到相應的控制量，再把控制量送到數模轉換單元，由“OUT1”端輸出相應的模擬信號，來控制對象系統。

本實驗中，采用位置式PID算式。在一般的PID控制中，當有較大的擾動或大幅度改變給定值時，會有較大的誤差，以及系統有慣性和滯后，因此在積分項的作用下，往往會使系統超調變大、過渡時間變長。為此，可采用積分分離法PID控制算法，即：當誤差e ( k ) 較大時，取消積分作用；當誤差e ( k ) 較小時才將積分作用加入。

討論PID參數對系統性能的影響：

(1) 增大比例系數KP一般將加快系統的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數會使系統有較大的超調，并產生振蕩，使系統穩定性變壞。

(2) 增大積分時間參數TI有利于消除靜差、減小超調、減小振蕩，使系統更加穩定，但系統靜差的消除將隨之減慢。

(3) 增大微分時間參數TD有利于加快系統響應，使超調量減小，系統穩定性增加，但系統對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應。

在調整參數時，可以使用湊試法。參考以上參數對控制過程的影響趨勢，對參數實行“先比例，后積分，再微分”的步驟。

(1) 首先整定比例部分。將比例系數KP由小變大，并觀察相應的系統響應，直到響應曲線超調小、反應快。如果系統沒有靜差，或者靜差小到允許的范圍內，那么只需比例調節器即可。

(2) 如果在比例調節的基礎上系統的靜差不能滿足要求，則須加入積分作用。整定時首先置積分時間TI為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數KP縮小 (如80％)，然后減小積分時間，使靜差得到消除。如果動態性能 (過渡時間短) 也滿意，則需PI調節器即可。

(3) 若動態性能不好，則需加入微分作用。整定時，使微分時間TD從0變大，并相應的改變比例系數和積分時間，逐步湊試，直到滿意結果

由于PID三個參數有互補作用，減小一個往往可由幾個增大來補償，因此參數的整定值不唯一，不同的參數組合完全有可能得到同樣的效果。

四、實驗步驟

1．參考流程圖3.2－3編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接。

2．按照實驗線路圖3.2－2接線，檢查無誤后開啟設備電源。

3．調節信號源中的電位器及撥動開關，使信號源輸出幅值為2V，周期6S的方波。確定系統的采樣周期以及積分分離值。

4．裝載程序，將全局變量TK (采樣周期)、EI (積分分離值)、KP (比例系數)、TI (積分系數)和TD (微分系數) 加入變量監視，以便實驗過程中觀察和修改。

5．運行程序，將積分分離值設為最大值7FH (相當于沒有引入積分分離)，用示波器分別觀測輸入端R和輸出端C。

6．如果系統性能不滿意，用湊試法修改PID參數，直到響應曲線滿意，并記錄響應曲線的超調量和過渡時間。

7．修改積分分離值為20H，記錄此時響應曲線的超調量和過渡時間，并和未引入積分分離值時的響應曲線進行比較。

8．將6和7中的較滿意的響應曲線分別保存，在畫板、PHOTOSHOP中處理后粘貼到WORD中，方便形成實驗報告。

五、實驗代碼：

功能描述：實現數字PID調節器的功能。

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

  13. /*****************************************
  14. 全局變量定義
  15. *****************************************/
  16. sbit  str  = P1^7;                                                                      //定義A/D啟動信號
  17. sbit  DIN0 = P1^0;                                                                      //聲明同步信號
  18. uint  data time;                                                                      //聲明變量，用于定時
  19. uchar data t0_h,t0_l;                                                        //用于存儲定時器0的初值
  20. char TK=5;                                                                                                  //聲明采樣周期變量,//采樣周期＝TK*10ms
  21. char TC;                                                                                                  //TK的變量
  22. float kp=0.20;                                                                                    //比例系數
  23. char ti=30;                                                                                                  //積分系數
  24. char td=1;                                                                                                  //微分系數
  25. char IBAND=32;                                                                                    //積分分離值
  26. char EK;                                                                                                  //當前采樣的偏差值
  27. char EK_1;                                                                                                  //上一次采樣的偏差值
  28. char AEK;                                                                                                  //偏差的變化量
  29. char UK;                                                                                                  //當前時刻的D/A輸出
  30. int  ZEK;
  31. /*****************************************
  32. 主函數
  33. *****************************************/
  34. void main(void)
  35. {              
  36.               TMOD = 0x01;
  37.               time = 10;                                                                                                  //定時10ms
  38.               t0_h  = (65536-500*time)/256;                            //計算定時器0初值
  39.               t0_l  = (65536-500*time)%256;
  40.               t0_l = t0_l+20;                                                                                    //修正因初值重裝而引起的定時誤差
  41.               TH0  = t0_h;
  42.               TL0  = t0_l;
  43.               IT1  = 1;                                                                                                  //邊沿觸發中斷
  44.               EX1  = 1;                                                                                                  //開外部中斷1
  45.               ET0  = 1;                                                                                                  //開定時中斷0
  46.               TR0  = 1;                                                                                                  //啟動定時器

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

  54.               EA              = 1;                                                                                                  //開總中斷
  55.               while(1);
  56. }

  58. /**********************************************
  59. 函數名：INT1
  60. 功能  ：1號外部中斷服務程序
  61. 參數  ：無*
  62. 返回值：無 *
  63. ***********************************************/
  64. void int1() interrupt 2 using 2
  65. {              float P,D,I,TEMP;

  67.               DIN0 = 1;                                                                                                  //讀取輸入前，先輸出高電平
  68.   if(DIN0)                                                                                                                //判同步信號到否
  69.               {
  70.                   EK=EK_1=0;                                                                                    //變量清零
  71.                             UK=AEK=0;
  72.                   ZEK=0;
  73.                   DAC_1 =0x80;                                                                      //D/A輸出零
  74.                             TC=1;
  75.               }
  76.   else
  77.     {
  78.                             TC--;                                                                                                  //判采樣周期到否
  79.                   if(TC==0)
  80.                                {
  81.                                           EK  = ADC_7-128;                                          //采樣當前的偏差值，并計算偏差的變化量
  82.                                           AEK =EK-EK_1;
  83.                                           EK_1=EK;
  84.                                          
  85.                                          
  86.                                  if(abs(EK)> IBAND)  I=0;              //判積分分離值
  87.                                  else
  88. …………
  89. …………限于本文篇幅 余下代碼請從51黑下載附件…………

復制代碼

六、實驗結果及分析


項目2   帶死區PID控制

一、實驗目的

掌握帶死區的PID控制規律

二、實驗設備

PC機一臺，TD－ACC＋實驗系統一套，i386EX系統板一塊

三、實驗原理及內容

1．在計算機控制系統中，某些系統為了避免過于頻繁的控制動作，為了消除由于頻繁動作所引起的振蕩，通常采用帶死區的PID控制系統，該系統實際上是一個非線性控制系統。其基本思想是：可以按實際需要設置死區B,當誤差的絕對值B時，P (K)為0，U (K)也為常值，實際應用中，常值是由經驗值來確定的；當>B時，P (K)= , U (K)以PID運算的結果輸出。

圖3.3－1

2．圖3.3－1所示的方框圖，其硬件電路原理及接線圖見圖3.3－3。

圖3.3－3

四、實驗步驟

1．參照圖3.3－2的流程圖編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接。

2．按照實驗線路圖3.3－3接線，檢查無誤后開啟設備電源。調節信號源中的電位器和撥動開關，使信號源輸出幅值為4V，周期6S的方波。

3．裝載程序，將全局變量TK (采樣周期)、EI (積分分離值)、KP (比例系數)、TI (積分系數)、TD (微分系數)、PT(死區變量值) 和 CONST(常值)加入變量監視，以便實驗過程中觀察和修改。

4．運行程序，將死區寬度B (PT) 設為最小值00H (相當于沒有引入死區控制)，用示波器分別觀測控制量輸出端U (即數模轉換單元的“OUT1”端) 和對象輸出端C。

5．如果系統性能不滿意，用湊試法修改PID參數，直到響應曲線滿意。

6．修改死區寬度B (PT)為02H，用示波器分別觀測控制量輸出端U (即數模轉換單元的“OUT1”端) 和對象輸出端C，記錄并和積分分離時的響應曲線進行比較



五、實驗代碼
功能描述：實現死區PID數字調節器，死區寬度和常值可根據實際情況進行修改

（源碼見附件）

六、實驗結果分析



項目3  擴充臨界比例度法整定PID參數

一、實驗目的

1．學習并掌握擴充臨界比例度法整定PID參數。

二、實驗設備

PC機一臺，TD－ACC＋實驗系統一套，i386EX系統板一塊

三、實驗原理及內容

1、實驗原理

擴充臨界比例度法是對模擬調節器中的臨界比例度法的推廣，在工程實踐中最常用，其參數整定步驟如下：

(1) 選擇一個足夠小的采樣周期T，一般取系統純滯后時間的1/10以下。

(2) 使系統閉環工作，只用比例控制，增大比例系數KP直到系統等幅振蕩，記下此時的臨界比例系數KPU和臨界振蕩周期TU (見圖3.4－1)。

圖3.4－1

(3) 選擇控制度 (1.05~2.0)。控制度指數字調節器和模擬調節器控制效果之比。

(4) 根據控制度，查表3.4－1計算出采樣周期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) 實驗設計

圖3.4－2是一個PID閉環控制系統的實驗電路原理及接線圖，圖中畫“○”的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。其相應的程序流程圖和3.2節中的圖3.2－3是一樣的，實驗中的參數取值范圍規定為：

參數名稱

T

KP

TI

TD

取值范圍

1～FFH

0～FFFFH

1～7FFFH

0～7FFFH

實際量綱

10～2550ms

0～1倍

10ms～327.67s

0ms～327.67s


圖3.4－2

上圖中，控制計算機的“OUT1”表示386EX內部1＃定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期＝定時器時常，“IRQ7”表示386EX 內部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“DIN0”表示386EX的I/O管腳P1.0，在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。

本實驗中，將針對該閉環系統應用臨界比例度法來整定PID參數。

四、實驗步驟

(1) 編寫程序，檢查無誤后編譯、鏈接并裝載程序。

(2) 按照實驗線路圖3.4－2接線，調節信號源使其輸出幅值為3V，周期6S的方波。

(3) 由于模擬對象的慣性時常約為250ms，取采樣周期T=10ms。

(4) 裝載程序，將全局變量TK (采樣周期)、EI (積分分離值)、KP (比例系數)、TI (積分系數)和TD (微分系數)加入變量監視，以便實驗過程中觀察和修改。

(5) 運行程序且只用比例控制 (EI = 0，TD = 0)，KP由小變大，使系統等幅振蕩，記下此時的臨界比例系數KPU和臨界振蕩周期TU。

(6) 查表3.4－1，選擇控制度2.0，計算出采樣周期T和KP、TI、TD。

(7) 將參數重新寫入PID控制程序，運行程序并用示波器觀測輸入和輸出，如果控制效果不太滿意，可適當結合湊試法調整參數，直到滿意為止。

五、實驗代碼

功能描述：利用此程序可以實現臨界比例度法整定PID參數。


（源碼見附件）


六、實驗結果





項目4  擴充響應曲線法整定PID參數

一、實驗目的

1．學習并掌握擴充響應曲線法整定PID參數。

二、實驗設備

PC機一臺，TD－ACC＋實驗系統一套，i386EX系統板一塊

三、實驗原理及內容

1 實驗原理

擴充響應曲線法是模擬調節器的響應曲線法的一種擴充，也是一種常用的工程整定方法。其參數整定步驟如下：

(1) 使數字調節器不接入系統，讓系統處于手動操作狀態，當系統穩定在某一值處后，給對象一個階躍輸入。

(2) 用儀表記錄下被調量在階躍輸入下的整個響應曲線，見圖3.4－3。

圖3.4－3

圖中“”表示對象的時間常數；“”表示對象的純滯后時常

(4) 根據所得的、，查表3.4－2計算出采樣周期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) 實驗設計

同樣，圖3.4－4也是一個PID閉環控制系統的實驗電路原理及接線圖，圖中畫“○”的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。其相應的程序流程圖和3.2節中的圖3.2－3是一樣的。本實驗中，將針對該閉環系統應用擴充響應曲線法來整定PID參數。

圖3.4－4中，控制計算機的“OUT1”表示386EX內部1＃定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期＝定時器時常，“IRQ7”表示386EX 內部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“DIN0”表示386EX的I/O管腳P1.0，在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。

實驗中，參考程序中的參數取值范圍規定為：

參數名稱

T

KP

TI

TD

取值范圍

1～7FH

0～800H

1～1FFH

0～1FFH

實際量綱

10～1270ms

0～8倍

10ms～5110s

0ms～5110ms


圖3.4－4

四、實驗步驟

(1) 參照圖3.4－5接線，調節器先不接入系統中。圖中畫“○”的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。

圖3.4－5

(2) 調節信號源使其“OUT”輸出幅值為2V，周期12S的方波。

(3) 用示波器測量系統輸出“C”，并記錄下波形。在響應曲線最大斜率處作切線，用游標測量，作圖求得滯后時間和對象時常。計算出/，查表3.4－2，控制度選擇2.0時可求得數字調節器的KP、TI、TD以及采樣周期T的初始值。

  • 按照圖3.4－4接線，將數字調節器接入系統，將以上得到的參數KP、TI、TD和T重新寫入程序中，然后編譯、鏈接。

(5) 裝載程序，將全局變量TK (采樣周期)、EI (積分分離值)、KP (比例系數)、TI (積分系數)和TD (微分系數)加入變量監視，以便實驗過程中觀察和修改。

(6) 運行程序，用示波器測量系統輸出“C”，觀察數字調節器在這組參數下的控制效果，若不理想，可適當調整參數，直到控制效果滿意為止。

五、實驗代碼

功能描述：此程序可以作為擴充響應曲線法整定PID參數的驗證程序，可把整定后的PID參數寫入程序中。

（源碼見附件）


六、實驗結果分析




全部資料51hei下載地址：
計算機控制技術綜合性實驗指導書-電氣（新設備）.docx (404.12 KB, 下載次數: 25)
程序：
example51_c.rar (382.72 KB, 下載次數: 29)


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沙發
ID:335031 發表于 2018-11-28 20:08 | 只看該作者
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