实验三数字PID控制资料

1、实验三数字PID控制一、实验目的1. 研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2. 研究采样周期T对系统特性的影响。3. 研究I型系统及系统的稳定误差。二、实验仪器1. EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2. PC计算机一台三、实验内容1. 系统结构图如3T图。图3-1系统结构图图中Gc (s) =Kp (1+Ki/s+Kds)Gh (s ) = (I-eTS) /sGpl (s) =5/ (0. 5s+l) (0. ls+1)Gp2 (s) =1/ (s (0. ls+1)2.开环系统(被控制对象)的模拟电路图如图32和图3-3,其中图3-2对应GPl(s), 图 3-

2、3 对应 Gp2 (s)o图3-2开环系统结构图1图33开环系统结构图23.被控对象GP1 (s)为“0型”系统,采用PI控制或PID控制，可系统变为“I型系统，被控对象Gp2 (s)为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II型” 系统。4.当r (t) =1 (t)时(实际是方波)，研究其过渡过程。5. PI调节器及PID调节器的增益Gc (s) =Kp (1+Kl/s)=KpKl ( (1/kl) s+1) /s=K(Tis+l)/s式中K二KpKi , Ti= (1/K1)不难看出PI调节器的增益K二KpKi,因此在改变Ki时，同时改变了闭坏增益K,如果不 想改变K.则应

3、相应改变Kp。釆用PID调节器相同。6. “II型”系统要注意稳定性。对于Gp2 (s),若采用PI调节器控制，其开坏传递函 数为G (s) =Gc (s) Gp2 (s)=K (Tis+1) /s 1/s (0. ls+1)为使用环系统稳定，应满足Ti0. 1,即KK107. PID递推算法 如果PID调节器输入信号为e(t),其输送信号为u (t),则离散的 递推算法如F：u (k) =u (k-1) +qOe (k) +qle (kl) +q2e (k2)其中 qO=Kp (l+KiT+ (Kd/T)ql=-Kp (1+ (2Kd/T)q2=Kp (Kd/T)采样周期四、实验步骤1. 连

4、接被测量典型环节的模拟电路(图3-2) o电路的输入U1接A/D.D/A卡的DA1输出, 电路的输出U2接A/D、D/A R的AD1输入。检查无误后接通电源。2. 启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。3. 测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常資找原因使通信 正常后才可以继续进行实验。1. 在实验项目的卜拉列表中选择实验三数字PID控制,鼠标单击鼠标单击凹按钮, 弹出实验课题参数设置窗II。5. 输入参数 Kp, Ki, Kd (参考值 KP=1, Ki=C. 02, kd二1)。6. 参数设叠完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变Kp, Ki,

5、 Kd的数值和 与其相对应的性能指标6、ts的数值。7. 取满意的Kp, Ki, Kd值，观查有无稳态谋差。8. 断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图3-3)。电路的输入U1接A/D、D/A卡 的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容的两端连在模拟开关 上。检查无误后接通电源。9. 重复4-7步骤。10. 计算Kp, Ki, Kd取不同的数值时対应的op、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲线 及时域性能指标，记入表中：参数要结果6 %Ts阶跃响应曲线KpKiKd10. 02143.8%1.29910. 01125. 9%1. 11210. 01231.2%1

6、. 16810. 02240. 3%1. 95420. 02436.7%0. 9140 02 1 1 0.01 1001 21 0 02 22 0 024五、实验报告1. 画出所做实验的模拟电路图。2.当破控对象为Gpl （s时）取过渡过程为最满意时的Kp, Ki, Kd,画出校正后的Bodr图，查出相稳定裕量7和穿越频率36Kp=4 , KiR 05,Kd二 16.矫 正 后 Bode 图我二: X xnu YTm 的屯丘：1000IT.V今? ？ 1COO LC 24.0000.050O1QCO 2000 3QCO 4000300。 6CC0 78060009000 IOOOQ500040

7、003000200010CX)O 1000-20003000-400050001D9 工 5000 T2 =10000 | XI Xj| -995 ITl-Y2|=40553.总结一种有效的选择Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度获得满意的参数。先通过改变Kp的值，使Kp满足要求，再改变Ki,最后是Kd,通过这样-次改变参数 的方法町以很快的达到满意的效果。参数整定（试凑法）增人比例系数Kp, 般加快系统响应，在有静差的情况下有利于减小静差，但过大的比例系数会使系统冇较人超调，并产生震荡，使稳定性变坏；增人枳分时间Ti,有利于减小超调，减小震荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除 将随之减慢；

8、増大微分时间Td,亦有利于加快系统响应，使超调亮减小，稳定性增加，但对系统的 扰动抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应：另外，过人的微分系数也将使得系统的稳定性 变坏。实验六大林算法一、实验目的1. 掌握人林算法的特点及适用范|屈。2. 了解人林算法中时间常数T対系统的影响。实验仪器1. EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2. PC计算机一台三、实验内容1. 实验被控对象的构成：图6-1被控对象电路图(1) 惯性坏节的仿真电路及传递函数G(S)=-2/(Tl+l)T1=O. 2(2) 纯延时环节的构成与传递函数G(s)=e-NxT二采样周期N为正整数的纯由于纯延时坏节不易用电路实现,延

9、时个数在软件中由计算机实现。(3) 被控对象的开环传函为：G(S)=-2e-Nx/ (T1+1)2. 人林算法的闭坏传递函数:Go(s)=e-NT/(Ts+l)T 二大林时间常数3. 大林算法的数字控制器：D(Z)=(l-eT/T)(l-e-r/TlZ-l)/k(l-e-T/Tl)l-e-r/TZ-l-(l-e-r/T)Z-N-l设 kl=e-r/TK2二ep/TlT1=O. 2 T二人林常数 K=2 (K-Kk2)Uk=(lkl)ek-(l-kl)k2ekl+(kkk2)klUk-l+(kkk2)(l-kl)Uk-N-l四、实验步骤1. 启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软

10、件。2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信 正常后才町以继续进行实验。3.最对象的模拟电路(图6-1) o电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输2051 05出U2接A/D. D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。4. 在实验项口的I、拉列表中选择实验八六、人林算法,鼠标单击也按钮，弹出实 验课题参数设置对话框，在参数设置窗门设置延迟时间和人林常数点击确认在观察窗II观测系统响应曲线。测最系统响应时间Ts和超调：opc5.复步骤4,改变参数设置，将所测的波形进厅比较。并将测量结果记入下表中:指标 参数设孑阶跃响应曲线6 %Ts （秒

11、）Tp （秒）延迟时间大林常数20.501. 3422.31510.501.4432. 53440.501. 0231. 93410.801. 9233. 264 el4 0.5*WWW 2 0.8五、实验报告1. 分析开环系统卜的阶跃响应曲线。答：开坏系统卜的阶跃响应曲线会有较大的超调呈和持续的黑荡，使得系统的稳定性降低, 对控制系统的控制性能极为不利。2. 分析人林时间常数对系统稳定性的影响。答：随着人林常数的增人，系统响应的调节时间Ts和达到峰值的时间Tp都增人了，但是对 超调最影响不人，所以使得系统的稳定性减弱。六、大林算法软件流程图图中ek为误差,ekl为上一次的误差,uk是控制量，

12、ukl是上一次的控制量ukn是上N+1次的控制M：实验七炉温控制实月一、实验目的1. 了解温度控制系统的特点.2. 研究采样周期T对系统特性的影响。3. 研究人时间常数系统PID控制器的参数的整定方法。二、实验仪器1. EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2. PC计算机一台3. 炉温控制实验对象-台三、炉温控制的基本原理1.系统结构图示于图7-lo廿算机含A/D&D/A卡图7-1系统结构图图中Gc (s) =Kp (1+Ki/s+Kds)Gh (s) = (1-e-TS) /sGp (s) =1/ (Ts+1)2. 系统的基本工作原理整个炉温控制系统由两大部分组成，第一部分由计算机和

13、A/D&D/A卡组成，主要完 成温度采集、PID运算、产生控制町控硅的触发脉冲，第二部分由传感器信号放大，同步 脉冲形成，以及触发脉冲放人等组成。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改 变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压的对在0140V内变化。町控硅的导通角为0 5CH。温度传感是通过一只热敏电阻及其放人电路组成的，温度越高其输出电床越小。外部LED灯的亮灭表示町控硅的导通与闭合的占空比时间，如果炉温温度低于设定 值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。第二部分电路原理图见附录一。3. PID递推算法:如果PID调节器输入信号为e (t),其输送信号为u (

14、t),则离散的递推算法如卜：Uk=Kpek+Kiek2+Kd（ekek_l）,其中 ek2 是i吴差累枳和。四、实验内容：1. 设定炉子的温度在一恒定值。2. 调整P、I、D各参数观察对其有何影响。五、实验步骤1. 启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常査找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。3. 20芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检査无误后，接通实脸箱和炉温控 制的电源。闭环控制6. 在实验项目的卜拉列表中选择实验七七、炉温控制鼠标单击弋按钮，弹出实验 课题参数设置对话框，选择PID,在参数设置窗

15、I I设置炉温控制对象的给定温度以及Ki、Kp、 Kd值，点击确认在观察窗II观测系统响应曲线。测量系统响应时间Ts和超调量6。7. 重复步骤6,改变PID参数，观测波形的变化，记入卜表中：参数阶跃响应曲线6 %Tp （秒）Ts （秒）KpKiKd10. 02181%8152840. 02178%7937110. 02421%78180A.实验报告1. 记录过渡过程为敲满意时的Kp, Ki, Kd并画出其响应曲线。Kp=l； Ki=0. 02； Kd=42. 分析此情况下的超调量、响应时间及稳态误差。21%, 78s, 3. 2%Xltt-390 4900WBlTi-Tti BbU7T4DSX

16、i3i9rkT-00 T|-01 02 19器4 0.2 1tOo1 0 241 0 14七.温度控制软件流程图图中ek为误差，ekl为上一次的误差，ek2为误差的累枳和，uk是控制量，可控硅导通 角控制量oc=05bH, a=0导通角最人，a=5b导通角为冬。实验九 步进电机控制实验一、实验目的1. 了解步进电机的工作原理。2. 掌握步进电机的驱动及编程方法。二、实验仪器1. EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2. PC计算机一台3. 步进电机控制实验对彖一台三、步进电机的基本工作原理：步进电机多为永磁感应式，有两相、四相、六相等多种，实验所用电机为两相四拍式, 通过对每相线圈中的

17、电流的顺序切换来使电机作步进式旋转，驰动电路由脉冲信号来控制, 所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速：如图9一 1所示，每相电流为0.2A,相电压为5V,两相四拍B D顺ABCD01100101102001131001反方向旋转正方向旋转通电顺序如下：四、实验原理：步进电机是一种电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它 就驰动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的 角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。 通过设定脉冲数來使步进电机转过一定的角度，实验用步进电机是每脉冲对应1.8度。五

18、、实验内容：使步进电机按照设定的步数进行转动。六、实验步骤1. 启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通 信正常后才町以继续进行实验。3. 20芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对彖，检査无误后，接通实验箱电源。4. 在实验项目的下拉列表中选择实验九九、步进电机,鼠标单击刮按钮，弹出实 验课题参数设置对话框，在参数设置窗II设置设置起点坐标、终点坐标值。点击确认在观测 窗I I观测指针的旋转方向和旋转格数是否和设置值一致。5. 观测步进电机控制对象的指针旋转是否和软件的旋转一致。1. 步进电机设置的是100步，实际100步。2步进电机设置的是150步.实际149步。.ox rABtfl:-E -3步进电机设置的是120步,实际119步。O XAMi n 七、实验报告1. 说明步进电机的工作原理。工作原理：步进电机是一种电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就 驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度（称为“步距角”），它的旋转是以固定的角 度-步一步运行的。町以通过控制脉冲