控制装置与系统课程设计指导书(2011)

《控制装置与系统》课程设计指导书朱耀春编华北电力大学二O一年月前言1．课程设计总体目标在计算机控制系统课程学习的基础上，加强学生的实际动手能力，通过对DDC直接数字闭环控制的仿真加深对课程内容的理解。⒉适用专业自动化专业或测控专业⒊先修课程计算机控制技术与系统⒋设计课时分配一周⒌实验环境根据参加设计的学生人数分组，每组5-7人，每组实验设备要求：(1)微型计算机一台，系统软件Windows98或DOS(不能使用无直接I/O能力的NT或XP系统),内装TurboC2.0/3.0集成开发环境软件；(2)模拟计算机一台(XMN-1型)；(3)通用数据采集控制板一块（PCL-812PG型）。⒍设计总体要求每组设计多人合作完成DDC直接数字闭环控制的仿真设计，学会A/D、D/A转换摸板的使用、模拟计算机对象飞升特性的获得、数字PID控制器的设计与整定的方法。⒎设计的重点、难点及教学方法建议设计重点、难点包括：数字PID控制器的C语言编程实现、A/D转换功能的C语言编程实现。课程设计题目DDC单回路PID闭环控制系统的设计及实时仿真一、设计目的1.学习并了解用高级语言（C语言）实现数字PID控制算法模块程序的方法；2.比较验证理想微分PID和实际微分PID控制算法阶跃响应，加深对上述两种算法各自特点的认识；3.学习了解用模拟计算机使用方法；4.学习掌握A/D、D/A转换接口板的使用方法；5.了解一种微机中断定时的方法；6.学习掌握通过A/D、D/A转换用计算机获取被控对象动态特性的方法；7．通过实时仿真实验掌握DDC单回路控制程序编制及调试方法。二、设计类型（含验证型、设计型或综合型）综合性设计实验三、实验仪器(1)微型计算机一台，系统软件Windows98或DOS(不能使用无直接I/O能力的NT或XP系统),内装TurboC2.0/3.0集成开发环境软件；(2)模拟计算机一台(XMN-1型)；(3)通用数据采集控制板一块（PCL-812PG型）。四、设计内容和要求1.用C语言分别编写理想微分PID和实际微分PID控制算法模块，在微机中调试实现，并编写简单的计算机绘图程序，分别绘制并打印出上述两种算法的单位阶跃响应曲线；2.用模拟计算机搭接成一个二阶惯性环节，作为一个模拟仿真的被控对象；3.用C语言编写使用PCL-812PG进行定时采样、定时输出的接口程序，并在微机中调试实现；4.由D/A输出阶跃信号，同时由A/D采集模拟的被控对象的响应，绘制并打印出采集获得的飞升曲线，并初步计算出对象模型；5.由模拟计算机搭接的二阶惯性环节作为系统中的被控对象，用计算机作为DDC控制器，通过PCL-812PG接口板实现对模拟机的实时控制。仿真实验系统的框图如下：6．整定控制器的PID参数，在设定值阶跃情况下，打印控制量u和被控量y的曲线。五、设计步骤1．复习并加深连续传递函数的离散化方法，将理想微分PID算式sTsTKdip11和y-PIDD/A模拟机A/Dur+e-τs实际微分PID算式sTsTsTKdifp111离散化，写成差分方程的形式，便于用计算机实现；2．采用模块化的设计方法和归一化的形式（即输入输出均为0-100%的无量纲量，无论其实际的工程量单位如何，且采样周期取1，无论其实际的采样周期长短），用C语言分别编写上述两种PID算法的程序模块；3．在单位阶跃输入情况下，选择适当的PID参数（如取0.1pK，10iT，0.3dT和15fT），在屏幕绘制理想微分PID和实际微分PID控制算法的阶跃响应曲线，并打印之。4．学习PCL-812PG的使用方法，并用C语言编写A/D采集（用查询法）和D/A转换的接口程序模块（参见PCL-812PG通用数据采集控制板使用说明书及接线端子板使用说明书）；5．学习了解一种微机中断定时的方法，利用微机中提供的每秒中断18.2次的定时器中断，用C语言编写一个中断服务程序，供定时采样和定时输出时使用（参考附录提供的C程序）；6．学习使用模拟计算机，并用模拟计算机搭接成一个传递函数为2)1()(TsKsG的二阶惯性环节，仿真一个被控对象。要求利用模拟机上提供的运放、电阻和电容，尽可能使对象的惯性时间较大，而增益可取1.0左右，并计算求得其传递函数（参见《XMN-1型模拟计算机技术说明书》中的面板图和常用运算电路原理图）；7．由D/A输出一个1伏左右的信号输入模拟的被控对象，同时由A/D采集对象的输入信号及其响应，并保持10秒左右，建立一个稳态工作点。其次，D/A输出一个幅度为2伏左右的阶跃信号，同时采集输入输出信号。然后，D/A再反向在输出一个幅度为2伏左右负的阶跃信号，同时采集输入输出信号。最后，在屏幕绘制并打印出获得的仿真对象飞升特性曲线；8．根据获得的仿真对象飞升特性曲线，用面积法初步计算出对象的增益和用一阶等效的惯性时间，并与理论计算的模型进行比较；9．将前面编写实际微分PID控制算法模块、定时数据采集、输出模块软件以及用模拟计算机搭接成二阶惯性被控对象以适当方式连接起来，构成实现上图所示DDC控制实时仿真系统；10．在DDC控制程序处于手动状态下，由D/A输出一个1伏左右的信号到模拟被控对象，使系统建立一个稳态工作点，同时采集模拟对象的输入和输出，并使系统设定值为当前对象输出；11．用工程整定法整定PID控制参数，并使系统设定作一个幅度为2伏左右的阶跃，同时采集被控对象输入输出信号，并保持到过度过程结束。然后，系统设定再作反向一个幅度为2伏左右负的阶跃，同时采集输入输出信号；12．在屏幕绘制并打印出上述阶跃情况下，设定值r、控制量u和被控对象输出y的响应曲线。六、注意事项1．根据个人在设计小组中的分工，完成设计内容；2．分析实时仿真结果，每人完成设计报告。设计报告除C语言源程序及打印的结果曲线外，必须手写完成，不得使用打印稿；3．提交设计报告，参加设计答辩。七、思考题1．如何实现PID控制算法手动/自动的无扰切换？2．编写A/D转换程序时如何使计算机较快的运行速度与A/D转换模板相匹配？3．如何根据实验获得的飞升曲线求取4.如何整定PID控制器的参数？八、参考资料1．《XMN-1型模拟计算机技术说明书》2．《PCL-812PG通用数据采集控制板使用说明书》九、附录1．CRT显示的初始化例程序：voidInitial_Sys(void){/*SetsystemintoGraphicsmode*/intGraphDriver;/*TheGraphicsdevicedriver*/intGraphMode;/*TheGraphicsmodevalue*/detectgraph(&GraphDriver,&GraphMode);/*Requestauto-detection*/initgraph(&GraphDriver,&GraphMode,);}2．常用绘图函数：setcolor(int)参数：0-15line(x1,y1,x2,y2)参数：x1,y1起点坐标，x2,y2终点坐标3．采样程序例程(程序结构例)：#include……voidinterrupt(*fadd1C)();inttime_counter=0;intcj_counter=0;intQ_counter=?;/*采集步长*/intT=200;/*采样时间,以毫秒为单位*/voidinterruptINT_IC(void);voidmain(void){int……/*SetnewINT_1Candsaveold*/disable();faddr1C=getvect(0x1C);/*1C为定时器控制的软中断,平均一秒发生18.2次，即周期为55ms*/setvect(0x1C,INT_1C);enable();do{if(cj_counter*T(counter_time*1000/18.2)){……/*D/AProgram*/……/*A/DProgram*/……/*单点绘图程序*/cj_counter++;}}while(cj_counterQ_counter);disable();setvect(0x1C,faddr1C);enable();……/*其它绘图程序*/}voidinterruptINT_IC(void){counter_time++;outportb(0x20,0x20);/*复位中断控制器8259，向端口20h写一个20h*/};