数字PID控制实验

一．实验要求

1.          了解和掌握连续控制系统的PID控制的原理。

2.          了解和掌握被控对象数学模型的建立。

3.          了解和掌握数字PID调节器控制参数的工程整定方法。

4.          观察和分析在标准PID控制系统中，P.I.D参数对系统性能的影响。

二．实验内容及步骤

⑴确立模型结构

  本实验采用二个惯性环节串接组成实验被控对象，T1=0.2S，T2=0.5S  Ko=2。

⑵被控对象参数的确认

被控对象参数的确认构成如图4-5-10所示。本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器，矩形波输出（OUT）施加于被测系统的输入端R，观察矩形波从0V阶跃到+2.5V时被控对象的响应曲线。

图4-5-10    被控对象参数的确认构成

实验步骤：注：将‘S ST’用‘短路套’短接!

① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。

② B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度>2秒（D1单元左显示）。

③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V左右（D1单元右显示）。

④ 构造模拟电路：按图4-5-10安置短路套及测孔联线，表如下。

（a）安置短路套                  （b）测孔联线

⑤ 运行、观察、记录：

A)先运行LABACT程序，选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”（Alt+W）项，弹出双迹示波器的界面，点击开始，用虚拟示波器观察系统输入信号。

图4-5-11    被控对象响应曲线

B) 在图4-5-112被控对象响应曲线上测得t1和t2。

通常取，要求从图中测得；

通常取，要求从图中测得。

计算和：

C) 求得数字PID调节器控制参数、、（工程整定法）

据上式计算数字PID调节器控制参数、、

⑶数字PID闭环控制系统实验

数字PID闭环控制系统实验构成见图4-5-12，观察和分析在标准PID控制系统中，P.I.D参数对系统性能的影响，分别改变P.I.D参数，观察输出特性，填入实验报告，

图4-5-12    数字PID闭环控制系统实验构成

实验步骤：注：将‘S ST’用‘短路套’短接!

① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。

② B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度≥2秒（D1单元左显示）。

③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V（D1单元右显示）。

④ 构造模拟电路：按图4-5-12安置短路套及测孔联线，表如下。

a）安置短路套                        （b）测孔联线

（3） 运行、观察、记录：

① 运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的数字PID控制实验下的标准PID控制选项，会弹出虚拟示波器的界面，设置采样周期T=0.05秒,然后点击开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。

② 在程序运行中，设置Kp=0.33，Ti=0.36，Td=0.055，然后点击发送。

③ 点击停止，观察实验结果。

⑷ 数字PID调节器控制参数的修正

采样周期保持T=0.05秒，为了使系统的响应速度加快，可增大比例调节的增益Kp（设Kp=2）；又为了使系统的超调不致于过大，牺牲一点稳态控制精度，增加点积分时间常数Ti=0.6，微分时间常数Td不变，观察实验结果（超调量Mp及上升时间tp）。

三．实验报告要求

⑴ 用LabACT实验箱获取被控对象参数To和τ。

⑵ 求取数字PID调节器控制参数Kp、Ti、Td（开环整定法）。

⑷ 画出数字PID闭环控制系统实验响应曲线

⑹ 记录数字PID闭环控制系统的超调量Mp及上升时间tp分别填入下表。

⑺ 比较修正前后数字PID闭环控制系统的超调量Mp及上升时间tp，从定性的角度写出PID调节器控制参数Kp、Ti、Td对系统性能的影响。

一．实验目的

1．了解和掌握PID控制系统中的积分饱和现象的产生原因及消除的方法。

2．观察和分析采用积分分离PID控制后，控制性能改善的程度及原因。

二、实验内容及步骤

在PID控制算法系统中，引进积分分离法，既保持了积分的作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。

当偏差值比较大时，即>时，PID控制算法系统中，取消积分控制，采用PD控制；当偏差值比较小时，即时，采用PID控制，算法可表示为：

积分分离阀值Eo，其数值范围为0~4.9V。

积分分离PID控制算法系统构成如图4-5-12所示（与标准PID控制实验构成相同）。

       分别观察标准PID控制与积分分离PID控制输出，分析控制性能改善的程度及原因。

实验步骤：同标准PID控制实验，注意，运行LABACT程序时，选择微分控制菜单下的数字PID控制实验下的积分分离PID控制选项。

标准PID控制：设置Kp=1，Ti=0.36，Td=0.055，设置积分分离阀值Eo=5V的。

积分分离PID控制：设置Kp=1，Ti=0.36，Td=0.055，设置积分分离阀值Eo=2V。

三．实验报告要求

1.分别记录标准PID控制和积分分离PID控制的超调量Mp及上升时间tp

2.分别观察标准PID控制与积分分离PID控制输出，分析控制性能改善的程度及原因。

实验六  数字PＩＤ控制

一、实验目的

1．了解PID控制器中P、I、D三种基本控制作用对控制系统性能的影响。

2．进行PID控制器参数工程整定技能训练。

二、实验原理

比例-积分-微分（PID）控制器是工业控制中常见的一种控制装置，它广泛用于化工、冶金、机械等工业过程控制系统中。PID有几个重要的功能：提供反馈控制；通过积分作用消除稳态误差；通过微分作用预测将来以减小动态偏差。PID控制器作为最常用的控制器，在控制系统中所处的位置如图6-1所示。

PID控制器的传递函数表达式为：

PID控制器的整定就是针对具体的控制对象和控制要求调整控制器参数，求取控制质量最好的控制器参数值。即确定最适合的比例系数、积分时间和微分时间。

1．PID控制器模型的建立

按图6-2组成PID控制器，其传递函数表达式为。对于实际的微分环节，可将分子、分母同除以，传递函数变为：，如果要改变PID的参数，只要改变模块的分子、分母多项式的系数即可。

图6-2中，GAIN模块的增益值对应于参数，积分环节和微分环节，可以通过传函模块来实现。在Transfer–Fcn模块中，令，可得微分控制器；在Transfer-Fcn1模块中，令，可得积分控制器。然后据参数调整要求，修改对应的值，对系统进行整定。

2．PID控制器的参数整定

采用根据经验公式和实践相结合的方法进行PID控制器的参数整定。

（1）衰减曲线经验公式法

在闭环控制系统中，先将控制器变为纯比例作用，并将比例度预置在较大的数值上。在达到稳定后，用改变给定值的方法加入阶跃干扰，观察被控变量曲线的衰减比，然后从大到小改变比例度，直至出现4:1衰减比为止，记下此时的比例度（称为4:1衰减比例度），从曲线上得到衰减周期。然后根据经验公式，求出控制器的参数整定值。

比例带系数              

积分时间               

微分时间              

（2）实践整定法

先用经验公式法初定PID参数，然后，微调各参数并观察系统响应变化，直至得到较理想的控制性能。

例：已知系统框图如图6-3所示，采用PID控制器，使得控制系统得性能达到最优。

解：（1）建模

首先建立加入PID控制器的系统模型，框图如图6-4所示，图中Transfer Fcn对应积分环节，Transfer Fcn1对应微分环节。在未加PID控制器的情况下，获取输出波形如图6-5所示。图中，系统的稳态误差较大，非理想状态。

（2）整定

根据衰减曲线经验公式法，首先令积分环节和微分环节模块不发生作用，如图6-4

所示，单独调节比例参数，大约在K=1.6时，出现了4:1的衰减比，此时，根据经验公式换算相关参数，直接设定积分和微分环节的参数，微调，直到达到最佳状态为止。整定好的PID控制系统如图6-6所示，示波器的输出波形如图6-7所示。

（3）结果分析

最后达到系统的稳态误差为0，超调量为4%左右，接近理想系统的输出状态。

三、实验内容

对如图6-8所示的系统，整定各PID参数，使得控制系统性能达到最优（即系统稳态误差最小、超调量小、调整时间短等）。

四、实验报告

1．写出控制得到的三组最优值，要求三个环节都用上，并画出对应的响应曲线。

2．指出这三种系统分别为几型系统。

3．分别画出P、I、D三种控制器单独作用下的输出波形图，并分析三种控制器对系统性能的影响。

4．结合实验中遇到的问题谈谈自己的心得和体会。

五、预习要求

1．PD和PI控制器各适用于什么场合？它们各有什么优、缺点？

2．PID控制器的优点？如何实现PID参数整定？

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