发布时间 : 星期四 文章计算机控制实验指导书(LABVIEW)2016.1.22.更新完毕开始阅读9a4299f5185f312b3169a45177232f60ddcce7d3
计算机控制技术实验指导书 实验四 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 C1R1OmR0-++C2R3R2-++52.5G(s)??
(s?1)(0.5s?1)它可以用图4.1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。
In图4.1 13
计算机控制技术实验指导书 R(t)e(t)e(k)PIDu(k)Z.0.HG(s)y(t)图4.2 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 u(t)?Kp[e(t)?1Ti?t0e(t)dt?Tdde(t)] dt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 Tu(k)?Kp{e(k)?Ti?e(i)?i?1ki?1kTd[e(k)?e(k?1)]}T
简记为 u(k)?Pe(k)?I?e(i)?D[e(k)?e(k?1)]
TT, D?Kpd TiT这里P、I、D参数分别为 P?Kp, I?Kp采用增量式形式有：
u(k)?u(k?1)?P[e(k)?e(k?1)]?Ie(k)?D[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)]
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：
??up(k)?uI(k)?uD(k) |e(k)|?EIu(k)????up(k)?uD(k) |e(k)|?EI
其中 uP(k)?Pe(k)
uI(k)?uI(k?1)?Ie(k)
uD(k)?D[e(k)?e(k?1)]
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。
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图4..3 阶跃输入响应曲线 计算机控制技术实验指导书 （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。
（c）在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间?，被控对象时间常数T?以及它们的比值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 PI 1.05 PID PI 1.2 PID PI 1.5 PID 0.34? 0.85T?/? 1.62? 0.82? 0.16? 0.5? 1.0T?/? 0.68T?/? 1.9? 3.9? 0.55? － 0.05? T 0.1? KP 0.84T?/?1.15T?/? TI 0.34?2.0? TD － 0.45?－ 0.2? 0.78T?/? 3.6? 扩充响应曲线法通过测取阶跃响应曲线的?，T?参数获得一个初步的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，对扰动有较敏感的响应。
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