数字pid调节器算法的研究.doc

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．THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验台。
2．THBXD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)。
3．PC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．启动计算机，在桌面双击图标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．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、U10
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

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δp减小。积分分离PID控制算法为：

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