变速积分PID控制系统设计.docx
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变速积分PID控制系统设计
变速积分PID控制系统设计
摘要
在一般的PID调节算法中，由于积分系数KI是常数，所以在整个调节过程中，积分增益不变。
而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，而在偏差较小时则应加强积分作用。
否则，积分系数取大了会产生超调，甚至出现积分饱和；取小了有迟迟不能消除静差。
因此，如何根据系统的偏差大小调整积分的速度，对于提高调节品质是至关重要的问题。
变速积分PID，较好地解决了这一问题。
变速积分PID的基本作法是设法改变积分项的累加速度，使其与偏差大小相对应。
偏差大时，积分累加速度慢，积分作用弱；反之，偏差小时，使积分累加速度加快，积分加强。
变速积分与积分分离控制方法很类似，积分分离对积分项采用“开关”控制，而变速积分则是根据误差的大小改变积分项速度，属线性控制。
因而，后者调节品质大为提高，是一种新型的PID控制。
关键词：
PID算法；控制；变速积分
DesignforPIDalgorithmwiththevariable-integratorControlSystem
Abstract
PIDregulationalgorithminGeneral,sincetheintegralcoefficientKIisconstant,sothroughouttheprocessofregulation,integralgainunchanged.Systemrequirementsforintegralis,whenthesystemoflargedeviation,weakenedandnointegralrole,andtheintegralroleshouldbestrengthenedwhendeviationssmaller.Otherwise,theintegralcoefficientlargerovershoot,evenintegralsaturation;max-mindelayineliminatingstaticerrors.Therefore,howtospeedofsystemdeviationsizeadjustmentbonuspoint,whichisessentialforimprovingthequalityofregulationissues.
PIDalgorithmwiththevariable-integrator,abettersolutiontothisproblem.PIDalgorithmwiththevariable-integrator'sbasicapproachistoattempttochangetheintegralsummationofthespeed,sothatitcorrespondstothesizeanddeviation.Largedeviations,pointsaddupslow,integralroleofweak,butdeviationshours,makethepointsaddupfast,integralstrengthening.
PIDalgorithmwiththevariable-integratorandintegral-separatedPIDmethodissimilartotheintegralseparationforintegralsusing"switch"control,variable-speedintegrationisbasedonerrorsofsizeandspeedchangeintegralarelinearcontrol.Thus,thelatterRegulationqualitygreatlyimproved,wasanewPIDcontrol.
KeyWords：
PIDalgorithm；variable-integrator;control
第1章前言
1.1PID算法简介
在模拟系统中，其过程控制方式就是将被测参数，如温度、压力、流量、成分、液位等，由传感器变换成统一的标准信号送入调节器。
在调节器中，与给定值进行比较，然后，把比较出的差值经PID运算后送到执行机构，改变进给量，以达到自动调节之目的。
在数字控制系统中，用数字调节器来模拟调节器。
起调节过程是首先把过程参数进行采样，并通过模拟量输入通道将模拟量变成数字量。
这些数字量由计算机按一定控制算法进行运算处理，运算结果由模拟量输出通道输出，并通过执行机构去控制生产，已达到给定值。
比例调节器（P）
比例调节器的微分方程为：
y=KPe（t）（4-1）
式中：
y为调节器输出；Kp为比例系数；e（t）为调节器输入偏差。
由上式可以看出，调节器的输出与输入偏差成正比。
因此，只要偏差出现，就能及时地产生与之成比例的调节作用，具有调节及时的特点。
积分作用：
指调节器的输出与输入偏差的积分成比例的作用。
积分方程为：
式中：
TI是积分时间常数，它表示积分速度的大小，TI越大，积分速度越慢，积分作用越弱。
若将比例和积分两种作用结合起来，就构成PI调节器，调节规律为：
微分作用：
比例微分调节器：
比例控制KP
KP加大，使系统的动作灵敏，速度加快；KP过大，振荡次数加多，调节时间加长；KP过大，使系统趋于不稳定；若KP过小，又会使系统动作缓慢。
加大KP在系统稳定的情况，可以减小稳态误差ess，提高控制精度，但加大KP却不能完全消除稳态误差。
积分控制TI
积分控制通常与比例或微分控制联合作用构成PI，PID积分控制参数TI通常使系统的稳定性下降；TI太小，系统将不稳定，振荡次数较多；TI太大，积分作用减少。
积分控制能消除系统的稳态误差，提高控制精度，但TI过大，积分作用太弱，以至不能减小ess。
微分控制TD
微分控制可以改善动态特性，减小超调量，缩短调节时间，但当TD偏大偏小，超调量大、调节时间较长，只有TD合适，才可以得到满意的过渡过程。
另外，微分对搞高频干扰不利。
为了进一步改善调节品质，往往把比例、积分、微分三种作用组合起来，形成PID调节器。
理想的PID微分方程为：
变换到S域为：
第2章变速积分PID控制原理及系统方案论证
2.1变速积分PID控制原理
2.1.1变速积分PID控制原理说明
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
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
累加部分当前偏差
累加部分当前偏差
与积分分离相比，很类似，但调节方式不同积分分离采用的为“开关”控制，而变速积分则是缓慢变化，能提高调节品质。
2.1.2实验程序流程图
2.2课程设计目的、要求及设计方案论证
2.2.1设计目的
控制对象传递函数为
，采用TDN-AC/ACS计算机控制技术实验箱为平台，完成变速积分PID控制系统设计。
2.2.2设计要求实现
仿真线路图
2.2.3设计方案论证
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章系统硬件电路设计
3.1单片机的选择
本次设计以CPU选用89C5l作为步进电机的控制芯片．89C51的结构简单并可以在编程器上实现闪烁式的电擦写达几万次以上．使用方便等优点，而且完全兼容MCS5l系列单片机的所有功能。
AT89C51是一种带4K字节闪烁可编程可擦除只读存储器（FPEROM—FAlshProgrAmmABleAndErAsABleReAdOnlyMemory）的低电压，高性能CMOS8位微处理器，俗称单片机。
该器件采用ATMEL高密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。
由于将多功能8位CPU和闪烁存储器组合在单个芯片中，ATMEL的AT89C51是一种高效微控制器，为很多嵌入式控制系统提供了一种灵活性高且价廉的方案
3.1.1单片机的引脚功能
（1）VCC（40）：
电源+5V。
（2）VSS（20）：
接地，也就是GND。
（3）XTL1（19）和XTL2（18）：
振荡电路。
单片机是一种时序电路，必须有脉冲信号才能工作，在它的内部有一个时钟产生电路，有两种振荡方式，一种是内部振荡方式，只要接上两个电容和一个晶振即可；另一种是外部振荡方式，采用外部振荡方式时，需在XTL2上加外部时钟信号。
（4）PSEN（29）：
片外ROM选通信号，低电平有效。
（5）ALE/PROG（30）：
地址锁存信号输出端/EPROM编程脉冲输入端。
（6）RST/VPD（9）：
复位信号输入端/备用电源输入端。
（7）EA/VPP（31）：
内/外部ROM选择端
（8）P0口（39-32）：
双向I/O口。
（9）P1口（1-8）：
准双向通用I/0口。
（10）P2口（21-28）：
准双向I/0口。
3.1.2主要特性
与MCS-51兼容4K字节可编程闪烁存储器寿命：
1000写/擦循环数据保留时间：
全静态工作：
0Hz-24Hz三级程序存储器锁定、128*8位内部RAM、32可编程I/O线、两个16位定时器/计数器、5个中断源、可编程串行通道、低功耗的闲置和掉电模式、片内振荡器和时钟电路
（1）振荡器特性：
XTAL1和XTAL2分别为反向放大器的输入和输出。
该反向放大器可以配置为片内振荡器。
石晶振荡和陶瓷振荡均可采用。
如采用外部时钟源驱动器件，XTAL2应不接。
有余输入至内部时钟信号要通过一个二分频触发器，因此对外部时钟信号的脉宽无任何要求，但必须保证脉冲的高低电平要求的宽度。
（2）芯片擦除：
整个PEROM阵列和三个锁定位的电擦除可通过正确的控制信号组合，并保持ALE管脚处于低电平10ms来完成。
在芯片擦操作中，代码阵列全被写“1”且在任何非空存储字节被重复编程以前，该操作必须被执行。
此外，AT89C51设有稳态逻辑，可以在低到零频率的条件下静态逻辑，支持两种软件可选的掉电模式。
在闲置模式下，CPU停止工作。
但RAM定时器，计数器，串口和中断系统仍在工作。
在掉电模式下，保存RAM的内容并且冻结振荡器，禁止所用其他芯片功能，直到下一个硬件复位为止。
3.2硬件电路连线图及仿真结果
仿真结果（上限70H，下限30H）：
（TK=1.5）PID=0.22860.09310.3048（TK0.7）PID=0.22860.09310.3048
（TK=0.5）PID=0.22860.09310.3048（TK=1.0）PID=0.22860.09310.3048
第4章系统软件程序设计
4.1积分分离程序
L1:
MOVBH,AL;偏差Ek给BH（保护）
MOVBL,EI;上限A+B给BL
SUBAL,BL;E-（A+B）
JGDD6;E>A+B,无积分环节
MOVBL,ED;下限B
MOVAL,BH；回复偏差
SUBAL,BL；E-B
JNGDD0;EMOVAL,BH；回复偏差
MOVAH,00H；AH清零
MOVBL,EI；上限A+B给BL
MOVBH,00H；BH清零
SUBBX,AX;EI-Ek（分子）
MOVAX,BX;分子给AL
MOVBH,00H;BH清零
SUBBL,ED;分母给BL
DIVBL；求系数
MOVAH,00H；AH清零
MOVKII2,AX；系数给KII2
MOVDX,KII2；系数给DX
JMPDDA；跳到执行积分
4.2总体程序
STACKSEGMENTSTACK
DW256DUP（?
）
STACKENDS
DATASEGMENT
TKDB11H
EIDB70H；上限
KPDB00H,22H,86H
KIDB00H,09H,31H
KDDB00H,30H,48H
EDDB30H；下限
EKBDB00H
EKKDW0000H
KPPDW0000H
KIIDW0000H
KDDDW0000H
KII2DW0000H
PEIEDW0000H
DE1DW0000H
DE2DW0000H
IEDW0000H
OUTPUTDW0000H
BA1DW1999H;十进制小数0.2转化后的
;16位二进制数
ALLKDW（?
）
XkDW（?
）
XXkDW（?
）
Xk_1DW（?
）
Xk_2DW（?
）
XK_3DW（?
）
ZZDB04H
DATAENDS
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
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
L1:
MOVBH,AL;偏差Ek
MOVBL,EI;上限A+B
SUBAL,BL;E-（A+B）
JGDD6;E>A+B,无积分环节
MOVBL,ED;下限B
MOVAL,BH
SUBAL,BL
JNGDD0;EMOVAL,BH
MOVAH,00H
MOVBL,EI
MOVBH,00H
SUBBX,AX;EI-Ek（分子）
MOVAX,BX;分子给AL
MOVBH,00H
SUBBL,ED;分母给BL
DIVBL
MOVAH,00H
MOVKII2,AX
MOVDX,KII2
JMPDDA
DD0:
MOVDX,KII
DDA:
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:
PUSHBX
PUSHCX
PUSHAX
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
MOVALLK,DX
DECCX
JNZLL1
RET
OUT_PUT:
MOVOUTPUT,DX
TESTDH,80H
JZL7
MOVBX,0F000H
SUBDX,BX
JGL8
MOVDX,0F000H
MOVAL,80H
OUT61H,AL
JMPL9
L7:
MOVBX,0FFFH
SUBDX,BX
JGL10
L8:
MOVDX,OUTPUT
JMPL11
L10:
MOVDX,0FFFH
MOVAL,80H
OUT61H,AL
L9:
MOVOUTPUT,DX
L11:
MOVCL,03H
SHLDX,CL
MOVAL,DH
ADDAL,80H
OUT00H,AL
L12:
RET
CHANGE:
DECSI
MOVCX,[SI]
INCSI
ANDAL,AL
MOVDX,0000H
MOVBL,10H
GO:
MOVAL,[SI]
ADDAL,AL
DAA
MOV[SI],AL
DECSI
MOVAL,[SI]
ADCAL,AL
DAA
RCLDX,0001H
MOV[SI],AL
INCSI
DECBL
JNZGO
DECSI
MOV[SI],CX
DECSI
TESTBYTEPTR[SI],01H
JNZQB1
FIN:
DECDI
MOV[DI],DX
DECSI
DECDI
DECBH
JNZCHANGE
RET
QB1:
NEGDX
JMPFIN
CODEENDS
ENDSTART
4.3MATLAB程序及仿真曲线
clearall;
closeall;
%%%%%BigtimedelayPlant
ts=20;
sys=tf（[1],[60,1],'inputdelay',80）;
dsys=c2d（sys,ts,'zoh'）;
[num,den]=tfdata（dsys,'v'）;
u_1=0;u_2=0;u_3=0;u_4=0;u_5=0;
y_1=0;y_2=0;y_3=0;
error_1=0;error_2=0;
ei=0;
fork=1:
1:
200
time（k）=k*ts;
rin（k）=1.0;%StepSignal
%%%%%Linearmodel
yout（k）=-den
（2）*y_1+num
（2）*u_5;
error（k）=rin（k）-yout（k）;
kp=0.45;kd=12;ki=0.0048;
A=0.4;B=0.6;
%Ttypeintegration
ei=ei+（error（k）+error_1）/2*ts;
M=1;
ifM==1%Changingintegrationrate
ifabs（error（k））<=B
f（k）=1;
elseifabs（error（k））>B&abs（error（k））<=A+B
f（k）=（A-abs（error（k））+B）/A;
else
f（k）=0;
end
elseifM==2%Notchangi
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