1、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1THBDC-1 型控制理论计算机控制技术实验台。2THBXD 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)。3PC 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
2、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，
3、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，
4、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
5、 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
6、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：)15.0()2(10)( ssSG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、U102常规 PID 控制算法常规 PID 控制位置式算法为 )1()()()(1kidp keTeku对应的 Z 传递函数为 )()(D11
7、ZKzEzUdiP式中 Kp-比例系数Ki= 积分系数， T 采样周期ipKd 微分系数d其增量形式为 )2()1(2)()1()1() kekeKkeku dip3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)E 0时，采用 PID 控制，以保持系统的控制精度。当 e(kT)E 0时，采用 PD 控制，可使 p 减小。积分分离 PID 控制算法为：kjdiep keKTKku0)1()()(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
8、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： 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。 记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程，如右图所示。 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间 和被控对象时
9、间常数 Tx，以及它们的比值 Tx/，然后查下表确定控制器的 KP、K i、K d 及采样周期 T。控制度 控制律 T KP Ti TdPI 0.1 0.84Tx/ 0.34 1.05PID 0.05 1.15Tx/ 2.0 0.45PI 0.2 0.78Tx/ 3.6 1.2PID 0.16 1.0Tx/ 1.9 0.55PI 0.5 0.68Tx/ 3.9 1.5PID 0.34 0.85Tx/ 1.62 0.82扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的 、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
10、程序的编写与调试示例dim pv,sv,ei,k,ti,td,q0,q1,q2,mx,pvx,op 变量定义sub inputdata () 输入接口程序pv=myobject.inputdata1 AD1 通道测量值end subsub main() 主程序sv=1.5 给定值k=0.5 比例系数 Pti=20 积分时间常数 Itd=0 微分时间常数 Dei=sv-pv 控制偏差if k=0 and ti=0 and td=0 thenq0=0 比例项q1=0 积分项q2=0 微分项end ifif k0 then q0=k*ei mx=k*0.1*ei/ti 积分增量q2=k*td*(pvx-pv)/0.1 end ifif ti=0 then q0=K*eiq1=0mx=0q2=k*td*(pvx-pv)/0.1end ifif mx5 then 积分增量限幅mx=5end ifif mx=5 thenop=5end if 输出限幅end subsub outputdata() 输出接口程序myobject.outputdata1=op 输出值给 DA1 通道end sub位置式 PID、积分分离 PID 控制算法的编程请参考 THBDC-1 上位机安装目录下的“VBS 脚步程序 计算机控制技术”目录内参考示例程序。
