数字控制技术实验指导书(浙江天煌).doc

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1、数字控制技术实验指导书(浙江天煌)　　实验一数字PID控制算法的研究一．实验目的1．学习并掌握常规数字PID及积分分离PID控制算法的原理和应用。　　2．学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。　　3．学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。　　二．实验内容1．利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。　　2．采用常规数字PID控制，并用扩充响应曲线法整定控制器的参数。　　3．采用积分分离PID控制，并整定控制器的参数。　　三．实验步骤1．设计并连接模拟二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的

2、设计和连接。　　利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。　　2．在上位机完成常规数字PID控制器的计算与实验结果显示、记录，并用扩充响应曲线法整定PID控制器的参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。　　3．在上位机完成积分分离PID控制器的计算与实验结果显示、记录，改变积分分离值，观察该参数变化对系统动态性能的影响。　　4．对实验结果进行分析，并完成实验报告。　　四．附录1．被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函数为52.5()　　(1)(0.51)Gsss=?++它可以用图4

3、.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图4.2所示，虚线框内部分由上位机和数据处理系统完成。　　InOm图4.1++R0R1-C1R2++C2R3-参数可以取为R0＝100k，R1＝500k，C1＝2u，R2＝200k，R3＝500k，C2＝1u。　　2．常规数字PID控制算法常规的PID控制律为01()()[()()]tpdidetutKetetdtTTdt=++?采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PID控制位置式算法1(){()()[()　　(1)]}kdpiiTTukKekeiekekTT==++???简记为1()()()[()　　(1)]kiukPekIeiDe

4、kek==++???这里P、I、D参数分别为pPK=,piTIKT=,dpTDKT=采用增量式形式有()　　(1)[()　　(1)]()[()2　　(1)　　(2)]ukukPekekIekDekekek=?+??++??+?3．积分分离PID控制算法设积分分离值为EI，则积分分离PID控制算法可表达为下式()()()

5、()

6、()()()

7、()

8、pIDpDukukukekEIukukukekEI++??其中()()PukPek=()　　(1)()IIukukIek=?+()[()　　(1)]DukDekek=??4．数字PID控制器的参数整定　　（1）按扩充阶跃响应曲线法整定PID

9、参数在模拟控制系统中，参数整定方法较多，常用的实验整定方法有临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。　　数字控制时也可采用类似方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法与试凑法等等。　　下面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。　　扩充阶跃响应曲线法只适用于含多惯性环节的自平衡系统。　　用扩充响应曲线法整定PID参数的步骤如下（a）数字控制器不接入控制系统，让系统处于开环工作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。　　图4..3阶跃输入响应曲线R(t)e(t)e(k)PIDG(s)图4.2Z.0.Hu(k)y(t)（b）记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线如图4.3所示。

10、　　（c）在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间τ，被控对象时间常数τT以及它们的比值ττ/T，查表4-1控制器的Kp，Ki，Kd及采样周期T。　　（d）在运行中，对上述参数作适当调整，以获得满意的性能。　　表4-1控制度控制律TKPTITD1.05PI0.1τ0.84/Tττ0.34τ－PID0.05τ1.15/Tττ2.0τ0.45τ1.2PI0.2τ0.78/Tττ3.6τ－PID0.16τ1.0/Tττ1.9τ0.55τ1.5PI0.5τ0.68/Tττ3.9τ－PID0.34τ0.85/Tττ1.62τ0.82τ扩充响应曲线法通过测取阶跃响应曲线的τ，Tτ参数获得一个初步的

11、PID控制参数，然后在此基础上通过部分参数的调节（试凑）获得满意的控制性能。　　参数对性能的影响参见　　（2）。　　（2）PID参数对性能的影响增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。　　但过大会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。　　增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。　　增大微分时间Td有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏