数字PID调节器算法的研究实验报告 本文关键词：调节器，算法，实验，数字，报告
数字PID调节器算法的研究实验报告 本文简介：实验四数字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、实验设备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
数字PID调节器算法的研究实验报告 本文内容：
实验四
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、实验设备
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
芯通信线、USB
电缆线各1
根)
3．PC
机1
台(含上位机软件“THTJ-1”)
三、实验内容
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。
四、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，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。
五、实验步骤
1、实验接线
1.1
按图4-1
和图4-2
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“开始采集”按钮和工具栏上的脚本编程器按钮；
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VBS/
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PID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、实验原理
1．被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成
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
2．常规PID控制算法
常规PID控制位置式算法为
对应的Z传递函数为
其增量形式为
3．积分分离PID控制算法
系统中引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，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法、试凑法等。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合于含多个惯性环节的自平衡系统。用扩充阶跃响应曲线法整定PID参数的步骤如下：
①
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。
②
记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程
③
在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ和被控对象时间常数Tx，以及它们的比值Tx/τ，然后查课本表确定控制器的KP、Ki、Kd及采样周期T。
扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的τ、Tx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）使系统获得满意的控制性能。
六、调试过程
去掉积分作用和微分作用，只保留比例作用，逐渐减小比例度，直到系统发生持续等幅振荡，如图所示
图
6-1
由图可得使系统发生振荡的临界比例度为1/2.314
系统的临界振荡周期为1.438
选取控制度为1.05进行参数整定：
根据1.05控制度计算得参数如下：
控制度
T
Kp
Ti
Td
1.05
0.02
0.272
0.705
0.201
a.
采用PID结构，根据参数计算得出参数有如下波形：
图
6-2
b.
对参数进行微调，保持其他值不变，将Ti都值变为2.0，有如下波形，可看出反应响应变慢，但是静差变小。
图
6-3
c.
继续不断微调各参数，得出如下图6-4与图6-5两个波形，最终结构选取了图6-5波形的参数，达到要求的结果，反应快，超调小，无静差。
图
6-4
图
6-5
d.
采用积分分离算法波形如
图6-6所示：
带积分分离的PID算法的特点是：偏差e(k)较大时，取消积分作用；当偏差e(k)较小时才将积分作用投入；其应用场合：当有较大的扰动或大幅度改变给定值采用积分分离措施。