直流电机PID闭环数字控制器设计实验报告

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1、直流电机PID闭环数字控制器设计姓名：学院：实验内容：直流电机pid闭环数字控制器设计 2015年 4月12日实验地点：实验目的：1．巩固闭环控制系统的基本概念。2．了解闭环控制系统中反馈量的引入方法。3．掌握PID算法数字化的方法和编程及不同PID算法的优缺点。实验设备与软件：1.labACT实验台2.MATLAB软件3.labACT软件实验原理：1、PID控制原理按偏差的比例、积分、微分控制(简称PID控制)是过程控制中应用最广的一种控制规则。由PID控制规则构成的PID调节器是一种线性调节器。这种调节器将设定值U与实际输出值Y构成控制偏差(e=U—

2、Y)的比例(P)、微分(D)、积分(I)的线性组合作为输出的控制量进行控制(1)式中，——调节器的输出信号；——调节器的偏差信号；——调节器的比例系数；——调节器的积分时间常数；——调节器的微分时间常数。图1PID控制原理框图下面介绍比例、积分、微分各自的作用。比例调节作用：按比例反应系统的偏差，一旦出现了偏差，比例调节立即产生调节作用用以减少偏差。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统不稳定。积分调节作用：消除稳态误差。有误差，积分调节就进行，直至无差，积分调节停止，积分调节输出一常值。积分作用的强弱取决与

3、积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强；反之，Ti大则积分作用弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢，即积分作用使响应滞后。微分调节作用：6微分作用反映系统偏差信号的变化率，能预见偏差变化的趋势，能产生超前的控制作用。在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除。因此，可以改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化或变化非常缓慢时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用，需要与另外两种调节规律相结合，

4、组成PD或PID控制器。在实际应用中，根据对象特征和控制要求，控制器可以为P、PI、PD、PID。PID参数经验整定原则是在输出不振荡时，增大比例增益，减小积分时间常数，增大微分时间常数。基此，其经验整定口决为：参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大(即比例增益要变小)，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳(即比例增益要变大)，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4:1，一看二调多分析，调节

5、质量不会低。2、PID算法的数字实现与经验整定(1)标准PID算法由于本次实验采用的计算机控制系统是一种时间离散控制系统。因此，为了用计算机实现PID控制必须将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程(2)式中：—采样周期(本实验默认为5ms)；—第n次采样时计算机输出；—第n次采样时的偏差值；—第n-1次采样时的偏差值。令积分系数，微分系数，则PID位置控制算式表达式可写成(3)容易将上式转化成增量算式(4)(2)积分分离PID控制算法在控制过程中，只要系统存在偏差，积分的作用就会继续，当偏差较大或累加积分项太快时，就会出现积分饱和现象，

6、使系统产生超调，甚至引起振荡，这对某些生产过程是绝对不允许的。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。令积分分离法中的积分分离阀值为。当超过设定参考值偏差时（偏差值比较大时），采用PD控制；当超过设定参考值偏差时（偏差值比较小时），采用PID控制。积分分离法PID算法可表示为(5)式中，。(3)不完全微分PID算法6微分作用容易引起高频干扰，因此通常在典型PID后串接一个低通滤波器(一阶惯性环节)来抑制高频干扰，微分作用能在各个周期按照偏差变化趋势，均匀地输出，真正起到微分作用，改善系统性能。由此得到的PID算法称

7、为不完全微分PID算法，其表达式为(6)式中，，。3．直流电机的闭环调速原理直流电机的闭环调速原理框图如下图。本实验采用labACT平台上数/模转换器(B2)(DA0832)、直流电机模块(C2)(直流电机BY25及光电断续器测速)、定时器/中断单元(B9)(8253定时器、中断控制器8259中的输入IRQ6，IRQ7)、驱动电路、CPU8088及其接口。当给定直流电机转速(即在速度示波器的界面上设置‘目标值’)，与当前转速值(光电测速机构的脉冲数测出)相比较，其差值e(n)在计算机中进行PID计算，解算成y(n)，经数/模转换器(B2)转换驱动直流电机

8、，改变电机转速，实现直流电机闭环调速控制。下面分别详细介绍直流电机的驱动与调速和