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数字PID调节器算法的研究.
实验四 数字PID调节器算法的研究
一、实验目的
1.学习并掌握常规的数字PID控制算法的原理及其应用;
2.学习并掌握积分分离PID控制算法的原理及其应用;
3.掌握具有数字PID调节器控制系统的混合仿真实验和调节器参数整定的方法。
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.PC机1台(含上位机软件) 37针通信线1根 PCI数据采集卡1块
3.双踪低频慢扫描示波器1台
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,有时会产生过大的超调量,这对某些生产过程所不允许的,因此工业中常用改进了的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.电路组建与测试
按附录1的图4-1与图4-2,连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路,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。待检查电路接线无误后,接通实验平台的电源总开关,并开启±5V,±15V直流稳压电源。
2.程序运行及调试
1) 启动“THBCC-1”上位机软件,在软件的主界面上打开工具栏上的“通道选择”窗口,选中“单通道”后选择通道“1”,点击“开始采集”按钮。
2) 打开工具栏上“脚本编辑器”,在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮,在“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,然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮,用示波器观察图4-2输出端的响应曲线。
3) 在“脚本编辑器”窗口上点击“停止”按钮,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。
4) 在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮,在“数字PID调器算法”文件夹下选中“增量式PID”脚本程序并打开,阅读、理解该程序,然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮,用示波器观察图4-2输出端的响应曲线,并根据上一步整定PID控制器参数的方法,整定P、I、D及系统采样时间Ts等参数。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。
5) 在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮,在“数字PID调器算法”文件夹下选中“积分分离PID”脚本程序并打开,阅读、理解该程序,然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮,用示波器观察图4-2输出端的响应曲线。选择合适的分离阈值tem(具体可参考上位机脚本程序),并整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数。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。
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。
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 被控二阶对象的方框图
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.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
控制方框图为
图4-3 上位机控制的方框图
图中信号的离散化通过数据采集卡的采样
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