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1、实验一普通PI控制方法的设计与实现一 、实验目的1. 掌握数字PI及其算法的实现2. 熟悉在在keil环境下进行单片机程序的设计3. 熟悉仿真软件protues的使用二 、实验设备及条件1. 计算机系统2. 编程软件keil4和仿真软件protues7.8三、实验原理及其实验步骤(1) PID 算法的数字化实现u(t) = KP在模拟系统中，PID算法的表达式为u(t)：调节器的输出信号；e(t)：调节器的偏差信号，它等于测量值与给定值之差Kp：调节器的比例系数；TI： TD：调节器的积分时间； 调节器的微分时间；式中e(t)+訂离散化的 PID 为：T k Tu(k) = Kp e(k) +
2、 下乂 e(j) + 卡(e(k) - e(k 一 1)I j=0At=T:采样周期，必须使T足够少，才能保证系统有一定的精度；E(k):第K次采样时的偏差值；E(k-1) :第 K-1 次采样时的偏差值；K：采样序号，K=0, 1, 2;P(k-1)：第K次采样时调节器的输出；上式计算复杂，经过化简为:u(k) = u(k 1) + Kp e(k) e(k 1) + K【e(k) + KD e(k) 2e(k 1) + e(k一 2) P I D式中：% = Kp工为积分系数TIKD = KpTD为微分系数要计算第K次输出值u(k)，只需要知道u(k_1), e(k), E(k_1), e(
3、k-2)即可。 上式也称为位置型 PID 的位置控制算法。在很多控制系统中,由于执行机构是采用布进电机进行控制,所以只要给一 个增量信号即可。因此得到增量型PID的位置控制算法。Au = Kpe(k) e(k 1) + Ke(k) + KD e(k) 2e(k 1) + e(k 2)(2) 控制系统的结构框图1(SCR)2 +3SCR+ 1其中：C=10uf, R=20K；带入上式后可得：1G(s)=0.04S2 + 0.6S + 1显然是一个二阶系统。(3) 控制系统的仿真实现在本次试验中,考虑到实际的需要,只采用了 PI 控制就完全可以实现很好 的控制效果，故为了简化就采用PI来控制，用5
4、1单片单片机来作为中央处理器， 在 protues 下搭建的控制系统框图如下：U1XTflLiR5TPUEAKI FD. Vtfrl PD 21*2 Pfl 31*3 PD.4/曲 PH.引曲 PD.DiiWPUEMPZ.OffiP2.1JA3巴.沁10I I ALJEP2.-4fli.12EAP2.-5WA13F2.7flfi.15F10BMPF1 1 P12F13 門4RSJJTJI.P3.3MT1 P3.-VKIF1P16F1.TF$.T面ATEfl.G5.1dsla!工丄丄J-士-. .:（E票殂厂L?CLKSCLkinCSHEFihbiHLOLTTTEHTTLCflflIS&UFC5
5、 WREF图2在protues下的控制系统结构图示波器A端口用来观察PI控制器输出的电压信号，示波器C端口用来观察 对象输出的信号变化，示波器的D端口用来观察参考信号变化。开关SW1用来 改变参考信号，开关SW2的关断用来模拟扰动的加入和消除，开关SW3用来改 变被控对象的结构参数。当SW1断开，SW2断开，SW3断开时，系统输出波形为:Charnel D&OUFCG BCDClieiFiinel B从上图中可以看出，对象的输出波形（最上层的波形曲线）基本达到期望输出 （即在2.5V和3.5V之间做周期变化）。当扰动加入后，即保持 SW1、SW3 断开， SW2 突然闭合（闭合时刻为 8.30
6、S）， 系统输出波形为:AiilDSourcc 5 C OI, 山HoriZOtul!SOLFCfiuiamiei cPositionhtiinel B严4:PostonAjCDGGHDDigital Oscilloscope从对象的输出波形可以看出，曲线经过极其微小的波动后又恢复到未加入扰动前 的形状。当继续保持SW1断开，SW2闭合，突然闭合SW3（即改变被控对象的结构参数），此时的系统波形图如下：Digital。予匚 il Io scopeLevelACDCGhDOFFOne-ShotCursor |Channel B2.13 5v| 母ClidimelCChamial D由上图可以知道
7、，当开关 SW3 闭合时，被控对象的输出波箱出现了很大扰动 但是很快系统又达到了预期输出波形，说明系统具备了良好的自调整能力。四、实验结论通过仿真测试，由仿真结构可以知道，用数字 PI 算法能够很好对给定的二 阶对象实现控制。当系统出现轻微扰动的时候，PI控制器能够实现非常好的控制, 当系统的结构参数发生改变的时候，对象的输出瞬时会出现大的扰动，这可能造 成系统的某些部件的损坏，但是在此 PI 控制器的作用下，系统又能很快的消除 扰动，又能很快的跟踪参考输入，这说明此系统的快速性非常好。从整体效果来 看，基本达到控制要求。上述控制方法的程序设计如下：#include #includemath.
8、h#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ulong unsigned longsbit ADAT=P2P;sbit ACLK=P2A6;sbit ACS =P2A7;float LTC1292(void)采集输出端的电压值uint i,x;float m;ACLK=0; ADAT=1; ACS=0;for(i=0;i14;i+)ACLK=1;x=1;if(ADAT=1) x+;ACLK=0;ACS=1;m=x&0xfff; m=m*5.0/4095;return (m); sbit DDAT = P3A4;sbi
9、t DCS = P3A3;sbit DCLK = P3A2;void TLC5615(float x) /输出一个电压值 uchar i;uint j;x=x*1023/5.0;j=x;DCLK=0; DCS=0;j=j6;for(i=0;i12;i+)j=j8; TL1=TIM&0XFF;y=LTC1292();e2=e1;e1=e0;e0=r-y; de=e0-e1;zk=e0-0.2*e1;x1=de;/误差的变化x2=r-y;/误差x3=e0-2*e1+e2;wkp_1=wkp_1+xite_p*zk*u1*x1;wki_1=wki_1+xite_i*zk*u1*x2;wkd_1=wk
10、d_1+xite_d*zk*u1*x3; wknum=fabs(wkp_1)+fabs(wki_1)+fabs(wkd_1);wp=wkp_1/wknum; /把权值变成 0 到 1 之间的数，按百分比分配 wi=wki_1/wknum;wd=wkd_1/wknum;u1=u1+k*(wp*x1+wi*x2+wd*x3);if(u15) u=5;if(u18; TL1=TIM&0xff;TR1=1;while(1)g=P36;switch(g)case 0: r=1.0; break;case 2: r=1.5; break;case 1: r=2.5; break;case 3: r=3.5
11、; break;实验二模糊PI控制算法的设计与实现一 、实验目的1. 掌握模糊 PI 算法及其算法的实现2. 熟悉在 keil4 环境下进行单片机程序的设计3. 熟悉仿真软件 protues7.8 的使用二 、实验设备及条件1. 计算机系统2. 编程软件 keil4 和仿真软件 protues7.8三、实验原理模糊控制器的输入为误差和误差变化率：误差e=r-y,误差变化率ec=de/dt, 其中r和y分别为液位的给定值和测量值。把误差和误差变化率的精确值进行模 糊化变成模糊量E和EC,从而得到误差E和误差变化率EC的模糊语言集合，然 后由E和EC模糊语言的的子集和模糊控制规则R (模糊关系矩阵
12、)根据合成推 理规则进行模糊决策，这样就可以得到模糊控制向量U,最后再把模糊量解模糊 转换为精确量u,再经D/A转换为模拟量去控制执行机构动作。模糊控制器组成 原理图如下所示：图 1 模糊控制器组成原理本次实验的控制对象和实验一控制的对象完全一样,控制要求也完全一样 被控对象的传递函数如下所示：1G(s)=0.04S2 + 0.6S + 1在protues环境下搭建的系统控制系统图如下所示:图2 protues下整个系统的控制仿真结构图模糊化处理:根据精确量实际变化范围a,b,合理选择模糊变量的论域卜n,n, 通过量化因子k =互，将其转换成若干个等级的离散论域，如7个等级为负大， b-a负中
13、，负小，零，正小，正中，正大，简写成NB,NM,NS,O,PS,PM,PB。确定模 糊子集的隶属度函数，一般采用三角形，梯形和正态分布曲线。然后由隶属曲线 得出模糊变量 E、EC、U 的赋值表。模糊控制规则:模糊控制规则是根据操作经验和专家知识总结的，是进行模 糊推理的依据。在设计模糊控制规则的时候，必须考虑控制规则的完备性、交叉 性和一致性。既保证对任意给定的输入，都有相应的控制规则起作用；控制器的 输出值总是由数条控制规则来决定；控制规则中不存在相互矛盾的规则。在总结 专家经验和过程知识的基础上，可以得出下表的控制规则。表1控制规则表NBNMNSOPSPMPBNBPSPSPSPSPMPBPBNMNSPSPSPSPMPMPBNSNMNSOOPSPMPMONBNMNSOPSPMPMPSNBNMNSOOPS
