实验五数字PID控制实验

自动控制理论实验实验五 数字PID控制实验（北京理工大学 自动化学院 班级： 姓名： 学号：）摘要：本实验除了电路的搭接，最重要的就是计算机各种参数设定的调节，为了可以得到一个符合要求的响应曲线，需要对示波器上的各种参数进行调整。关键词：数字PID、参数设置、超调量、过渡过程时间一、 实验目的1. 了解数字PID的控制特点、控制方式。2. 了解和掌握连续控制系统的PID控制算法表达式（微分方程）。3. 了解和掌握被控对象数学模型的建立方法。4. 了解和掌握PID调节器控制参数的工程整定方法。5. 了解和掌握用实验箱进行数字PID控制过程。6. 观察和分析在标准PID控制系统中，P、I、D参数对系统性能的影响。二、 实验过程1. 数字PID控制 模拟PID控制框图如下：图1 PID控制框图写出传递函数形式为2. 数字PID调节器控制特性1）比例控制比例(P)控制是一种最简单的控制方式。其控制器的输出与输入误差信号成比例关系。当仅有比例控制时系统输出存在稳态误差。2）积分控制在积分(I)控制中，控制器的输出与输入误差信号的积分成正比关系。对一个自动控制系统，如果在进入稳态后存在稳态误差，则称这个控制系统是有稳态误差的或简称有差系统。为了消除稳态误差，在控制器中必须引入“积分项”。积分项对误差取决于时间的积分，随着时间的增加，积分项会增大。这样，即便误差很小，积分项也会随着时间的增加而加大，它推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此，比例+积分（PI）控制器，可以使系统在进入稳态后无稳态误差。3）微分（D）控制在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。解决的办法是使抑制误差的作用的变化“超前”，即在误差接近零时，抑制误差的作用就应该是零。这就是说，在控制器中仅引入“比例”项往往是不够的，比例项的作用仅是放大误差的幅值，而目前需要增加的是“微分项”，它能预测误差变化的趋势，这样，具有比例+微分的控制器，就能够提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而避免了被控量的严重超调。所以对有较大惯性或滞后的被控对象，比例+微分（PD）控制器能改善系统在调节过程中的动态特性。数字PID调节器控制参数，取采样周期T=0.05s。数字PID闭环控制系统实验构成如下图所示。图2闭环控制系统电路图 三、 实验结果图3图4 表1四、 思考题1. 分析思考P、I、D在工程整定中的作用及PID的实际应用。事先将差值信号进行放大，比例增益P就是用来设置差值信号的放大系数的。比例增益P越大，调节灵敏度越高，但由于传动系统和控制电路都有惯性，调节结果达到最佳值时不能立即停止，导致“超调”，然后反过来调整，再次超调，形成振荡。为此引入积分环节I，其效果是，使经过比例增益P放大后的差值信号在积分时间内逐渐增大(或减小)，从而减缓其变化速度，防止振荡。但积分时间I太长，又会当反馈信号急剧变化时，被控物理量难以迅速恢复。在微分控制中，控制器的输出与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。自动控制系统在克服误差的调节过程中可能会出现振荡甚至失稳。其原因是由于存在有较大惯性组件（环节）或有滞后组件，具有抑制误差的作用，其变化总是落后于误差的变化。2. 使用PID控制中，若增加是否需要改变和的值？不需要，一个环节的改变不会影响其他两个环节，但会影响系统的性能。3. 实际应用中，是否可以选择比较大？为 什么？不可以，当非常大时，微分环节增强，即超前环节过大，对噪声信号将产生放大作用，使系统失控。4. 对不同的被控对象，如何选择PID参数？有何规律？P、I、D参数的预置是相辅相成的，运行现场应根据实际情况进行如下细调：被控物理量在目标值附近振荡，首先加大积分时间I，如仍有振荡，可适当减小比例增益P。被控物理量在发生变化后难以恢复，首先加大比例增益P，如果恢复仍较缓慢，可适当减小积分时间I，还可加大微分时间D。五、结束语本实验除了电路的搭接，最重要的就是计算机各种参数设定的调节，为了可以得到一个符合要求的响应曲线，需要对示波器上的各种参数进行调整，参数