实验二 数字PID调节器算法地研究.doc

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1、实验二数字PID调节器算法的研究一、实验目的1．学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理；2．学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理；3．掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验内容和要求1．利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；2．采用常规的PI和PID调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能；3．对系统采用积分分离PID控制，并整定调节器的参数。二、实验主要仪器和材料1．THTJ-1型计算机控制技术实验箱2．THVLW-1型USB数据采集卡一块(含37芯通信

2、线、USB电缆线各1根)3．PC机1台(含上位机软件“THTJ-1”)四、实验方法、步骤及结果测试1、实验原理在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组合而成的控制规律。而数字PID控制器则是由模拟PID控制规律直接变换所得。在PID控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积分，往往使之产生过大的超调量，这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进的PID算法，如积分分离PID算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当控制量接近给定值时才将积分作用投入

3、，以消除静差，提高控制精度。这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。2、实验步骤1、实验接线1.1按图1和图2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；1.2该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1相连，电路的输入与数据采集卡的输出端DA1相连；1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处于“不锁零”状态。2、脚本程序运行2.1启动计算机，在桌面双击图标THTJ-1，运行实验软件；2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的“”按钮(脚本编程器)；2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法V

4、BS计算机控制技术基础算法数字PID调器算法”文件夹下选中“位置式PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲线；2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，利用扩充响应曲线法（参考本实验七附录4）整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响；2.6参考步骤2.4、2.4和2.5，用同样的方法分别运行增量式PID和积分分离P

5、ID脚本程序，并整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后观察参数的变化对系统动态性能的影响。另外在积分分离PID程序运行过程中，注意不同的分离阈值tem对系统动态性能的影响；2.7实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。五、实验报告要求1．绘出实验中二阶被控对象在各种不同的PID控制下的响应曲线。2．编写积分分离PID控制算法的脚本程序。3．分析常规PID控制算法与积分分离PID控制算法在实验中的控制效果。六、思考题1.该实验中被控对象是什么？有什么特点？2.试画出该实验中数字PID控制系统的方框图。3.试叙述带积分分离的PID控制算法

6、的特点和应用的场合。4.位置式PID算式与增量式算式有何区别？各有什么优缺点？5.数字PID调节器的参数Kp、Ti、Td和采样周期T对系统响应有何影响？参数的整定使用什么方法？七、附录1．被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成图1数-模混合控制系统的方框图图中信号的离散化通过数据采集卡的采样开关来实现。被控对象的传递函数为：它的模拟电路图如下图所示图2被控二阶对象的模拟电路图2．常规PID控制算法1)常规PID控制位置式算法为:对应的Z传递函数为：式中Kp---比例系数Ki=积分系数，T采样周期Kd＝微分系数其增量形式为：3．积分分离PID控制算法：系统中引

7、入的积分分离算法时，积分分离PID算法要设置分离阈E0：当│e(kT)│≤│E0│时，采用PID控制，以保持系统的控制精度。当│e(kT)│>│E0│时，采用PD控制，可使δp减小。积分分离PID控制算法为：式中Ke称为逻辑系数：当│e(k)│≤│E0│时，Ke=1当│e(k)│>│E0│时，Ke=0对应的控制方框图为图4-3上位机控制的方框图图中信号的离散化是由数据采集卡的采样开关来实现。4．数字PID控制器的参数整定在模拟控制系统中，参数整定的方法较多，常用的实验整定法有：临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数字控制器参数的整定也可采用类似的方法，如扩

8、充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法