数字PID调节器算法的研究实验报告.pdf

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实验四数字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
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”)
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PID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、实验接线
1.1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；
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“开始采集”按钮和工具栏上的脚本编程器按钮；
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

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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、实验原理
1．被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成

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

2．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

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E：
0

当│e(kT)│≤│E│时，采用PID控制，以保持系统的控制精度。
0

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当│e(kT)│>│E│时，采用PD控制，可使δp减小。积分分离PID控制算法为：
0

式中K称为逻辑系数：
e
当│e(k)│≤│E0│时，Ke=1
当│e(k)│>│E0│时，Ke=0
对应的控制方框图为

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
③在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ和被控对象时间常数Tx，以及它们的比值

Tx/τ，然后查课本表确定控制器的K、