数字PID调节器算法的研究

1、数字PID调节器算法的研究一、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、实验设备1THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验台。2THBXD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)。3PC机1台(含上位机软件“THBDC-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对系统采用积分分离PI

2、D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启动计算机，在桌面双

3、击图标THBDC-1，运行实验软件。2点击工具栏上的“通道设置”，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1”，并点击“开始采集”按钮。3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，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， 启动实验台的“电源开关”，并将锁零按钮处于“不锁零”状态。4点击工具栏上的“脚本编辑器”，在弹出的窗口中点击“打开”按钮。在“数字PID调节器算法”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。5

4、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。6在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮，在“数字PID调节器算法”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。7在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮，在“数字PID调节

5、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。8实验结束后，关闭“脚本编辑器”窗口，并顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏的“退出”按钮。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

6、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实验电路参考单元：U7、U102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p减小。积分分离PID控制算法

7、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： 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

8、节到给定值附近，并使之稳定下来。 记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程，如右图所示。 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间和被控对象时间常数Tx，以及它们的比值Tx/，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TKPTiTd1.05PI0.10.84Tx/0.34PID0.051.15Tx/2.00.451.2PI0.20.78Tx/3.6PID0.161.0Tx/1.90.551.5PI0.50.68Tx/3.9PID0.340.85Tx/1.620.82扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的、Tx参数获得一个初步的PID控制参数，然后在此基础上通过部分参数的调节（试凑）

9、使系统获得满意的控制性能。5位置式PID数字控制器程序的编写与调试示例dim pv,sv,ei,k,ti,td,q0,q1,q2,mx,pvx,op 变量定义sub inputdata () 输入接口程序 pv=myobject.inputdata1 AD1通道测量值end subsub main() 主程序 sv=1.5 给定值 k=0.5 比例系数P ti=20 积分时间常数I td=0 微分时间常数D ei=sv-pv 控制偏差 if k=0 and ti=0 and td=0 then q0=0 比例项 q1=0 积分项 q2=0 微分项 end ifif k<>0 and ti<>0 then q0=k*ei mx=k*0.1*ei/ti 积分增量 q2=k*td*(pvx-pv)/0.1 end ifif ti=0 then q0=K*ei q1=0 mx=0 q2=k*td*(pvx-pv)/0.1end ifif mx>5 then 积分增量限幅 mx=5end ifif mx<-5 then mx=-5end if q1=q1+mx pvx=pvop=q0+q1+q2 PID控制器的输出IF op <=-5 then op=-5end ifif op>=5