数字PID控制算法的研究

1、北华航天工业学院题目：数字PID控制算法的研究学生姓名：王黎鑫专业：测捽技术与仪器班级：B13241指导教师：李睦颖完成日期：2016/6/03实验四数字PID控制算法的研究一.实验目的1 .学习并掌握常规数字PID及积分分离PID控制算法的原理和应用。2 .学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。3 .学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。二.实验内容1 .利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。2 .采用常规数字PID控制，并用扩充响应曲线法整定控制器的参数。3 .采用积分分离PID控制，并整定控制器的参数。三.实验步骤1 .设计并连接模拟二阶被控对象的电路，

2、并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。2 .在上位机完成常规数字PID控制器的计算与实验结果显示、记录，并用扩充响应曲线法整定PID控制器的参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。3 .在上位机完成积分分离PID控制器的计算与实验结果显示、记录，改变积分分离值,观察该参数变化对系统动态性能的影响。4 .对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录图4.11 .被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成递函数为G(s)=2.

3、5(0.5s1)实验系统被控对象的传它可以用图4.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图4.2所示，虚线框内部分由上位机和数据处理系统完成。图4.2参数可以取为R0=100k,Ri=500k,Ci=2u,R2=200k,®=500k,C2=1u。2 .常规数字PID控制算法1tde(t)_常规的PID控制律为u(t)=Kp&t)+L&Ddt+TdT0dt采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PID控制位置式算法TkTdu(k)=Kpe(k)e(i)e(k)-e(k-1)T,iiTk简记为u(k)=pekr£ie)dekeki)i1这里P、I、D参数分

4、别为P=Kp,I=KpT,D=KpTdTipT采用增量式形式有：u(k)=u(k-1)Pe(k)-e(k-1)Ie(k)De(k)-2e(k-1)e(k-2)3积分分离PID控制算法设积分分离值为EI,则积分分离PID控制算法可表达为下式:up(k)uMk)uD(k)|e(k)卜:EIu(k)二up(k)uD(k)|e(k)|EI其中uP(k)=Pe(k)uI(k)-uI(k-1)Ie(k)uD(k)=De(k)-e(k-1)4.数字PID控制器的参数整定(1)按扩充阶跃响应曲线法整定PID参数在模拟控制系统中，参数整定方法较多，常用的实验整定方法有：临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数

5、字控制时也可采用类似方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶图4.3阶跃输入响应曲线跃响应曲线法与试凑法等等。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用于含多惯性环节的自平衡系统。用扩充响应曲线法整定PID参数的步骤如下：(a)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。(b)记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线如图4.3所示。(c)在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间七,被控对象时间常数t以及它们的比值T/t,查表4-1控制器的Kp,Ki,Kd及采样周期T。(d)在运行中，对上述参数作适当调整，以获得满意的性能。表4-1控制度控

6、制律TKpTiTd1.05PI0.1T0.84T/7V0.34T一PID0.05T1.15T/72.0T0.45T1.2PI0.2T0.78Tt/tV3.67一PID0.16T1.0Tt/t1.970.55T1.5PI0.5E0.68TJt3.97一PID0.34T0.85TJ工1.62T0.82T扩充响应曲线法通过测取阶跃响应曲线的JT参数获得一个初步的PID控制参数,V然后在此基础上通过部分参数的调节(试凑)获得满意的控制性能。参数对性能的影响参见。(2)PID参数对性能的影响增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系

7、统稳定性变坏。增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡，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有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。实验设计：1 .模拟电路如图4.1所示。2 .实验接线，O1接Om,In接I1。3 .锁零接-15V。4 .R0=100k,R1=500k,C1=2u,R2=100k,R3=100k,C2=1u。5 .打开LabVIEW软件参考程序实验四，数字PID控制器的参数整定，可以通过KP、TI、TD进行修改，观测对系统动态性能的影响。图4.2实验结论:1截图-一1.r-i1n-i/-J1匕实验总结：这次实验对于