PID控制实验报告

1、实验二 数字 pid 控制 计算机控制是一种采样控制，它只能根据采样时刻的偏差值计算控制量。因此连续 pid 控制算法不能直接使用，需要采用离散化方法。在计算机 pid 控制中，使用的是数字 pid 控 制器。一、位置式 pid 控制算法按模拟 pid 控制算法， 以一系列的采样时刻点 kt 代表连续时间 t ，以矩形法数值积分近 似代替积分，以一阶后向差分近似代替微分，可得离散 pid 位置式表达式：?tu(k)?kp?e(k)?ti? k?e(j)?j?0k?td(e(k)?e(k?1)?t?e(k)?e(k?1)t ?kpe(k)?ki?e(j)t?kdj?0式中， ki?kpti ，

2、u 为控制 ,kd?kptd ， e 为误差信号(即 pid 控制器的输入) 信号(即控制器的输出) 。 在仿真过程中，可根据实际情况，对控制器的输出进行限幅。二、连续系统的数字 pid 控制仿真 连续系统的数字 pid 控制可实现 d/a 及 a/d 的功能，符合数字实时控制的真实情况，计 算机及 dsp 的实时 pid 控制都属于这种情况。1 ex3 设被控对象为一个电机模型传递函数 g(s)?1 ，式中 2js?bsj=0.0067,b=0.1 。输入信号为 0.5sin(2?t) ，采用 pd 控制，其中 kp?20,kd?0.5 。采用 ode45方法求解连续被控对象方程。d2ydy

3、y(s)1?,则?u,另y1?y,y2?y?2因为g(s)?,所以j2?bdtu(s)js?bsdt?yy?12 ，因此连续对象微分方程函数 ex3f.m 如下 ?y?2?(b/j)y?(1/j)*u?2?function dy = ex3f(t,y,flag,para) u=para;j=0.0067;b=0.1;dy=zeros(2,1);dy(1) = y(2);dy(2) = -(b/j)*y(2) + (1/j)*u;控制主程序 ex3.mclear all;close all;ts=0.001; % 采样周期xk=zeros(2,1);% 被控对象经a/d转换器的输出信号 y的初值

4、 e_1=0;% 误差 e(k-1) 初值 u_1=0;% 控制信号 u(k-1) 初值for k=1:1:2000 %k 为采样步数time(k) = k*ts; %time中存放着各采样时刻rin(k)=0.50*sin(1*2*pi*k*ts); %计算输入信号的采样值para=u_1;% d/atspan=0 ts;tt,xx=ode45(ex3f,tspan,xk,para); %ode45解系统微分方程%xx 有两列，第一列为tt时刻对应的y,第二列为tt时刻对应的y导数xk = xx(end,:);% a/d ， 提取 xx 中最 后一行的 值， 即当前 y 和 y 导数yout

5、(k)=xk(1); %xk(1) 即为当前系统输出采样值 y(k)e(k)=rin(k)-yout(k);% 计算当前误差de(k)=(e(k)-e_1)/ts; % u(k)=20.0*e(k)+0.50*de(k);% % 控制信号限幅 if u(k)>10.0 u(k)=10.0;endif u(k)<-10.0u(k)=-10.0;end% 更新 u(k-1) 和 e(k-1) u_1=u(k);e_1=e(k);end figure(1); plot(time,rin,r,time,yout,b);%计算 u(k) 中微分项输出 计算当前 u(k) 的输

6、出输入输出信号图xlabel(time(s),ylabel(rin,yout);figure(2);plot(time,rin-yout,r);xlabel(time(s),ylabel(error);%程序运行结果显示表 1 所示。误差表1 程序运行结果分析 : 输出跟随输入， pd 控制中，微分控制可以改善动态特性，调节时间缩短，允许加 大比例控制，使稳态误差减小，提高了控制精度 .2 ex4 被控对象是一个三阶传递函数523500，采用 simulink32s?87.35s?10470s与 m 文件相结合的形式， 利用 ode45 方法求解连续对象方程， 主程序由 simulink 模块

7、实 现，控制器由m文件实现。输入信号为一个采样周期1ms的正弦信号。采用 pid方法设计控制器，其中 kp?1.5,ki?2,kd?0.05。误差初始化由时钟功能实现，从而在m文件中实现了误差的积分和微分。控制主程序：ex4.mdl控制子程序： ex4f.mfunction u=ex4f(u1,u2)%u1为clock， u2为图2-1中sum模块输出的误差信号e的采样值persistent errori error_1if u1=0 % 当 clock=0 时，即初始时， e(k)=e(k-1)=0errori=0error_1=0endts=0.001;kp=1.5;ki=2.0;kd=0

8、.05;error=u2;errord=(error-error_1)/ts;% 一阶后向差分误差信号表示的误差微分 errori=errori+error*ts;% 累积矩形求和计算的误差的积分 u=kp*error+kd*errord+ki*errori;% 由 pid 算 式 得 出 的 当 前 控 制 信 号 u(k) error_1=error;% 误差信号更新图 2-1 simulink 仿真程序 其程序运行结果如表 2 所示。matlab 输出结果errori =error_1 =表 2 例 4程序运行结果三、离散系统的数字 pid 控制仿真1 . ex5设被控对象为 g(s)?

9、523500，采样时间为 1ms,对其s3?87.35s2?10470s进行离散化。 针对离散系统的阶跃信号、 正弦信号和方波信号的位置响应， 设计离散 pid 控制器。 其中 s 为信号选择变量, s=1 时是阶跃跟踪, s=2 时为方波跟踪, s=3 时为正弦跟踪。 求出 g(s) 对应的离散形式 g(z)?则可以得到其对应的差分表达式yout(k)?den(2)y(k?1)?den(3)y(k?2)?den(4)y(k?3) ?num(2)u(k?1)?num(3)u(k?2)?num(4)u(k?3)y(z) ,其中 y(z) 和 u(z) 是关于 z 的多项式, u(z)仿真程序：

10、ex5.m%pid controllerclear all;close all; 篇二：自动控制实验报告六 - 数字 pid 控制 实验六 数字 pid 控制一、实验目的1 研究 pid 控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。 2 研究采样周期 t 对系 统特性的影响。 3 研究 i 型系统及系统的稳定误差。 二、实验仪器1 el-at-iii 型自动控制系统实验箱一台 2 计算机一台 三、实验内容1 系统结构图如 6-1 图。图 6-1 系统结构图图中gc(s) =kp (1+ki/s+kds )gh( s)=( 1 e) /sgp1(s) =5/(0.5s+1 )(0.1s+1 )gp

11、2(s)=1/(s(0.1s+1 )-ts2开环系统(被控制对象) 的模拟电路图如图6-2 和图 6-3 ，其中图6-2对应 gp1( s) ,图 6-3 对应 gp2(s)。图 6-2 开环系统结构图 1图 6-3 开环系统结构图 23 .被控对象gp1 ( s)为“ 0型”系统，采用pi控制或pid控制，可使系统变为“ i型” 系统，被控对象gp2( s )为5型”系统，采用 pi控制或pid控制可使系统变成“ ii型” 系统。4 当 r ( t ) =1 ( t )时(实际是方波) ,研究其过渡过程。5 pi 调节器及 pid 调节器的增益gc( s) =kp( 1+k1/s )=kpk

12、1( ( 1/k1 ) s+1) /s=k(tis+1)/s 式中k=kpki , ti= (1/k1 )不难看出pi调节器的增益k=kpki，因此在改变ki时，同时改变了闭环增益k，如果不 想改变k,则应相应改变kp。采用pid调节器相同。6 “ ii 型”系统要注意稳定性。对于gp2( s), 若采用 pi 调节器控制，其开环传递函数为g(s) =gc ( s) gp2 (s)=k(tis+1 ) /s 1/s ( 0.1s+1 )为使用环系统稳定，应满足 ti>0.1 ，即 k1<107 pid 递推算法 如果 pid 调节器输入信号为 e( t )，其输送信

13、号为 u( t ), 则离散的 递推算法如下：u (k)=u(k-1 )+qOe(k)+q1e(k-1 )+q2e(k-2 )其中 qO=kp (1+kit+ ( kd/t ) q1 = kp(1+(2kd/t ) q2=kp (kd/t )t- 采样周期四、实验步骤1. 启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常 , 通信正常继续。 如通信不正常查找原因使通信正 常后才可以继续进行实验。3. 连接被测量典型环节的模拟电路 ( 图 6-2) 。电路的输入 u1 接 a/d 、d/a 卡的 da1 输出， 电路的输出 u2 接 a/d 、 d/

14、a 卡的 ad1 输入。检查无误后接通电源。 4. 在实验项目的下拉列 表中选择实验六 六、数字 pid 控制 , 鼠标单击按钮，弹出 实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等 待屏幕的显示区显示实验结果5. 输入参数 kp, ki, kd (参考值 kp=1, ki=0.02, kd=1 )。6. 参数设置完成点击确认后观察响应曲线。 若不满意， 改变 kp, ki, kd 的数值和与其 相对应的性能指标 ?p、ts 的数值。 7. 取满意的 kp,ki,kd 值，观查有无稳态误差。8. 断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路 (图 6-3) 。电路的输入

15、 u1 接 a/d、d/a 卡 的 da1 输出，电路的输出 u2 接 a/d 、d/a 卡的 ad1 输入，将纯积分电容两端连在模拟开关上。 检查无误后接通电源。 9. 重复 4-7 步骤。10. 计算 kp，ki ，kd 取不同的数值时对应的 ?p、ts 的数值，测量系统的阶跃响应曲线及 时域性能指标，记入表中： 五、实验报告1 画出所做实验的模拟电路图。0 型 1 型3 总结一种有效的选择 kp, ki, kd 方法，以最快的速度获得满意的参数。方法：在这三个参数中， kp 对系统性能的影响最大，所以要先确定下来 kp 的合理值； 然后再用试探的方法取到较好的 ki 和 kd 的值。kp

16、=1 ki=0.02kd=1图一 kp=1.5 ki=0.02kd=1:图二篇三：实验三 数字 pid 控制实验三 数字 pid 控制一、实验目的1 研究 pid 控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2 研究采样周期 t 对系统特性的影响。3 研究 i 型系统及系统的稳定误差。二、实验仪器1 el-at-iii 型计算机控制系统实验箱一台2 pc 计算机一台三、实验内容1 系统结构图如 3-1 图。图 3-1 系统结构图图中 gc(s)=kp( 1+ki/s+kds )gh ( s)=(1e-ts ) /sgp1 (s)=5/(0.5s+1 )( 0.1s+1 )gp2 ( s ) =1

17、/ ( s( 0.1s+1 )2 开环系统 (被控制对象) 的模拟电路图如图 3-2 和图 3-3 ，其中图 3-2 对应 gp1( s), 图 3-3 对应 gp2( s)。图 3-2 开环系统结构图 1 图 3-3 开环系统结构图 23 .被控对象gp1 (s)为“ 0型”系统，采用pi控制或pid控制，可系统变为“ i型” 系统，被控对象gp2 (s )为5型”系统，采用 pi控制或pid控制可使系统变成“ ii型” 系统。4 当r (t) =1( t )时(实际是方波)，研究其过渡过程。5 . pi 调节器及 pid 调节器的增益gc ( s) =kp( 1+k1/s )=kpk1(

18、( 1/k1 )=k(tis+1)/s式中k=kpki , ti=( 1/k1 )不难看出pi调节器的增益k=kpki，因此在改变ki时，同时改变了闭环增益k,如果不想改变k,则应相应改变kp。采用pid调节器相同。6 .“ ii 型”系统要注意稳定性。对于 gp2( s) , 若采用 pi 调节器控制,其开环传递函数 为g (s) =gc ( s) gp2 (s)=k (tis+1 ) /s 1/s (0.1s+1 )为使用环系统稳定,应满足 ti>0.1 ,即 k1<107 . pid递推算法 如果pid调节器输入信号为 e (t)，其输送信号为u (t),则离

19、散的 递推算法如下：u (k) =u(k-1 ) +q0e(k) +q1e(k-1) +q2e(k-2)其中 q0=kp (1+kit+ (kd/t )q1=kp( 1+(2kd/t )q2=kp ( kd/t )t-采样周期四、实验步骤1. 连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。电路的输入u1接a/d、d/a卡的dal输出，电路的输出 u2 接 a/d 、 d/a 卡的 ad1 输入。检查无误后接通电源。2. 启动计算机,双击桌面“计算机控制实验”快捷方式,运行软件。3. 测试计算机与实验箱的通信是否正常 , 通信正常继续。 如通信不正常查找原因使通信正 常后才可以继续进行实验。4. 在

20、实验项目的下拉列表中选择实验三 数字 pid 控制, 鼠标单击鼠标单击 弹出实验课题参数设置窗口。5. 输入参数 kp, ki, kd （参考值 kp=1, ki=0.02, kd=1 ）。6. 参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变 kp, ki, kd 的数值和 与 其相对应的性能指标 ?p 、ts 的数值。7. 取满意的 kp,ki,kd 值，观查有无稳态误差。8. 断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路 （ 图 3-3） 。电路的输入 u1 接 a/d 、 d/a 卡 的 da1 输出，电路的输出 u2 接 a/d 、 d/a 卡的 ad1 输入，将纯积分电容的两端连在模拟

21、开关 上。检查无误后接通电源。9. 重复 4-7 步骤。10. 计算 kp，ki ， kd 取不同的数值时对应的 ?p、ts 的数值，测量系统的阶跃响应曲线及 时域性能指标，记入表中： 按钮，1 0.02 1 1 0.01 11 0.01 2 1 0.02 22 0.02 4五、实验报告1 画出所做实验的模拟电路图。2 当被控对象为 gp1（ s 时）取过渡过程为最满意时的kp, ki, kd, 画出校正后的 bode图，查出相稳定裕量 ?和穿越频率 ?c。3 总结一种有效的选择 kp, ki, kd 方法，以最快的速度获得满意的参数。先通过改变kp的值，使kp满足要求，再改变ki ,最后是k

22、d,通过这样一次改变参数的 方法可以很快的达到满意的效果。参数整定（试凑法） 增大比例系数 kp ，一般加快系统响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的 比例系数会使系统有较大超调，并产生震荡，使稳定性变坏；增大积分时间 ti ，有利于减小超调，减小震荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将 随之减慢；增大微分时间 td ，亦有利于加快系统响应，使超调亮减小，稳定性增加，但对系统的扰 动抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应；另外，过大的微分系数也将使得系统的稳定性变 坏。篇四：基于 matlab 的模糊 pid 控制仿真实验报告自适应模糊 pid 控制仿真报告1. 自适应模糊控制的规则49

23、条专家控制规则：2. 系统仿真框图包括模糊控制器， pid 控制器两部分组成。3. 模糊控制器设计 确定为双输入，三输出结构 确定每个变量的论域，其中每个变量都有一个模糊子集来表示。 这个模糊子集中有 7 个语言变量，分别是： nb,nm,ns,zo,ps,pm,pb 在编辑界面中，确定好每一个语言变量的范围，以及隶属函数的类型。如下图所示：输入模糊控制规则：仿真结果pid 控制器 kp 参数在控制过程中的变化曲线：ki参数：篇五： pid 控制电机实验报告程设计pid 控制电机实验报告院 系： 年级专业： 姓 名： 学 号： 指导教师： 电气工程与自动化学院自动化 1 班2015 年 1月 10 日摘要以电机控制平台为对象，利用