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实验三 数字PID调节器算法的研究
实验项目名称:数字PID调节器算法的研究
实验项目性质:普通
所属课程名称:计算机控制技术
实验计划学时:2学时
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,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,打开电源开关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,如下图所示。
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
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