实验三、单容水箱制系统控制器算法的研究.doc

实验三 单容水箱控制系统控制器算法的研究 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DMC控制算法的原理； 3．掌握具有数字PID及DMC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．THBCC-1型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台 2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根) 3．PC机1台(含软件“THBCC-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DMC，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。 六、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DMC算法的脚本程序。 3．分析常规PID控制算法与DMC算法在实验中的控制效果。 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4-1 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4-2 被控二阶对象的模拟电路图 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 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．DMC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/τ，然后查下表确定控制器的KP、Ki、Kd及采样周期T。 控制度 控制律 T KP Ti Td 1.05 PI 0.1τ 0.84Tx/τ 0.34τ — PID 0.05τ 1.15Tx/τ 2.0τ 0.45τ 1.2 PI 0.2τ 0.78Tx/τ 3.6τ — PID 0.16τ 1.0Tx/τ 1.9τ 0.55τ 1.5 PI 0.5τ 0.68Tx/τ 3.9τ — PID 0.34τ 0.85Tx/τ 1.62τ 0.82τ 扩