实验二数字PID调节器算法研究报告.docx
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实验二数字PID调节器算法研究报告
实验二数字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、实验内容和要求
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。
二、实验主要仪器和材料
1.THTJ-1型计算机控制技术实验箱
2.THVLW-1型USB数据采集卡一块(含37芯通信线、USB电缆线各1根>
3.PC机1台(含上位机软件“THTJ-1”>
四、实验方法、步骤及结果测试
1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。
2、实验步骤
1、实验接线
1.1按图1和图2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路;
1.2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;
1.3待检查电路接线无误后,打开实验平台的电源总开关,并将锁零单元的锁零按钮处于“不锁零”状态。
2、脚本程序运行
2.1启动计算机,在桌面双击图标THTJ-1,运行实验软件;
2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“-IZ>二”按钮和工具栏上的“—”按钮
(脚本编程器>;
2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮,并在“计算机控制算法计算机控制技术基础算法数字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,然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”,将脚本算法的运行步长设为100ms;
2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”;用虚拟示波器观察图4-2输出端的响
应曲线;
2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”,利用扩充响应曲线法<参考本实验七附录
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;
2.6参考步骤2.4、2.4和2.5,用同样的方法分别运行增量式PID和积分分离PID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,然后观察参数的变化对系统动态性能的影响。
另外在积分分离PID程序运行过程中,注意不同的分离阈值tem对系
统动态性能的影响;
2.7实验结束后,关闭脚本编辑器窗口,退出实验软件。
五、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。
六、思考题
1.该实验中被控对象是什么?
有什么特点?
2.试画出该实验中数字PID控制系统的方框图。
3.试叙述带积分分离的PID控制算法的特点和应用的场合。
4.位置式PID算式与增量式算式有何区别?
各有什么优缺点?
5.数字PID调节器的参数Kp、Ti、Td和采样周期T对系统响应有何影响?
参数的整定使用什么方法?
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2被控二阶对象的模拟电路图
2.常规PID控制算法
1>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二上]积分系数,T采样周期
Kd=严|微分系数
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Eo:
当丨e(kT>|<|Eo|时,采用PID控制,以保持系统的控制精度。
当|e(kT>|>|Eo|时,采用PD控制,可使Sp减小。
积分分离PID控制算法为:
式中Ke称为逻辑系数:
当|e(k>|w|EO|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:
1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。
2记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程,如下图所示。
3在曲线最大斜率处作切线,求得滞后时间t和被控对象时间常数Tx,以及它们的
比值Tx/t,然后查下表确定控制器的Kp、Kj、Kd及采样周期T。
控制度
控制律
T
Kp
Ti
Td
1.05
PI
0.1T
0.84Tx/t
0.34t
一
PID
0.05T
1.15Tx/t
2.0t
0.45t
1.2
PI
0.2T
0.78Tx/t
3.6t
一
PID
0.16t
1.0Tx/t
1.9t
0.55t
1.5
PI
0.5T
0.68Tx/t
3.9t
一
PID
0.34t
0.85Tx/t
1.62t
0.82t
扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的t、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)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:
5.1参考程序
dimpv,sv,ei,K,Ti,Td,qO,q1,q2,mx,pvx,op变量定义
sublnitialize(arg>'初始化函数
WriteData0,1'给通道一写0
mx=0'给mx赋初值
pvx=0'给pvx赋初值
endsub'结束初始化子函数
ifq1>4.9then积分限幅,以防积分饱和
q仁4.9
endififq1<-4.9then
q仁-4.9
endif
pvx=pv'将当前输出值赋给pvx,为下一时刻做准备
op=q0+q1+q2'op为控制器当前输出值
ifop<=-4.9then'输出值限幅,op下限为-4.9
op=-4.9
endif
ifop>=4.9then'op上限为4.9
op=4.9
endif
WriteDataop,1'通道1写入op的值
endsub'结束算法运行子函数
subFinalize(arg>退出函数
WriteData0,1'给通道一写0
endsub'结束退出子函数
5.2位置式PID <如图3) 7IH 图3 6、积分分离PID控制算法的编程参考示例: 6.1程序 dimpv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op,ke,tem'变量定义 subInitialize(arg> WriteData0,1'给通道一写0mx=0'给mx赋初值pvx=0'给pvx赋初值 endsub结束初始化子函数 subTakeOneStep(arg>pv=ReadData(1> sv=2'sv为给定值 K=0.8'K为比例系数 Ti=5'Ti为积分时间常数 Td=0'Td为微分时间常数Ts=0.1'Ts为采集周期 ei=sv-pv'ei为当前偏差值 初始化函数 算法运行函数 'pv为当前测量值 tem=abs(ei> iftem>=0.8then Iei0.8时,ke=0;其中0.8为分离阈值 ke=0 else ke=1'丨ei丨<0.8时,ke=1 endif qO=K*ei'比例项 ifTi=0then mx=0 q1=0 else mx=ke*K*Ts*ei/Ti'当前积分项 endif q2=K*Td*(pvx-pv>/Ts'微分项 ifmx>4.9then'当前积分限幅,以防积分饱和 mx=4.9 endif ifmx<-4.9then mx=-4.9 endif q1=q1+mx'当前积分项 pvx=pv'将当前输出值赋给pvx,为下一时刻做准备 op=q0+q1+q2'当前输出值'op为控制器当前输出值 ifop<=-4.9then'输出值限幅,op下限为-4.9op=-4.9 endif ifop>=4.9then op=4.9'op上限为4.9 endif WriteDataop,1'通道1写入op的值 endsub结束算法运行子函数 subFinalize(arg>'退出函数 WriteData0,1'给通道一写0 endsub结束退出子函数6.2积分分离PID 7、增量式PID控制算法的编程参考示例: 7.1参考程序 dimpv,sv,ei,ex,ey,K,Ti,Td,qO,q1,q2,op'变量定义 subInitialize(arg>'初始化函数 WriteData0,1'给通道一写0 endsub结束初始化子函数 subTakeOneStep(arg>'算法运行函数 pv=ReadData(1>'pv为当前测量值 sv=2'sv为给定值 K=0.8'K为比例系数 Ti=5'Ti为积分时间常数 Td=0'Td为积分时间常数Ts=0.1'Ts为采集周期 ei=sv-pv'ei为当前偏差值 q0=k*(ei-ex>'比例项 ifTi=0then q1=0 else q仁K*Ts*ei/Ti'当前积分项 endif q2=k*td*(ei-2*ex+ey>/Ts'微分项 ey=ex'赋值,为下一时刻做准备 ex=ei ifq1>4.9then'当前积分限幅,以防积分饱和 q1=4.9endif ifq1<-4.9thenq1=-4.9 endif op=op+q0+q1+q2'op为控制器当前输出值 ifop<=-4.9then'输出值限幅,op下限为-4.9op=-4.9 endif ifop>=4.9then'op上限为4.9 op=4.9 endif WriteDataop,1'通道1写入op的值endsub结束算法运行子函数 subFinalize(arg>'退出函数 WriteData0,1'给通道一写0 endsub结束退出子函数 7.2增量式PID
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