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1、实验十二 数字PID控制实验、实验目的1. 了解数字PID控制的特 点，控制方式2. 理解和掌握连续控制系统 的PID控制算法表达式（微分方程）。3. 了解和掌握被控对象数学 模型的建立方法。4. 了解和掌握数字PID调节 器控制参数的工程整定方 法。5. 了解和掌握用试验箱进行 数字PID控制过程。6. 观察和分析在标PID控制 系统中，P、I、D参数对 系统性能的影响。二、实验原理及说明1、数字PID控制一个控制系统中采用比 例积分和微分控制方式控 制，称之为PID控制。数字 PID控制器原理简单，使用 方便适应性强，可用于多种 工业控制，鲁棒性强。可以 用硬件实现，也可以用软件 实现，也
2、可以用如见硬件结 合的形式实现。PID控制常 见的是一种负反馈控制，在 反馈控制系统中，自动调节 器和被控对象构成一个闭合 回路。模拟PID控制框图如E图12-1模拟PID控制框图G (s) = K x0 0输出传递函数形式：D(s) = UL )= K + K - +1K sE(s)p i s d其中Kp为调节器的比例系数， Ti为调节器的积分常数，Td是调节 器的微分常数。2、被控对象数学模型的建立1) 建立模型结构在工程中遇到的实际对象大多 可以表示为带时延的一阶或二价惯 性环节，故PID整定的方法多从这样 的系统入手，考虑有时延的单容被控 过程，其传递函数为：G (s) = K x1
3、e-Ts00 TS+10这样的有时延的单容被控过程可 以用两个惯性环节串联组成的自平 衡双容被控过程来近似，本实验采用 该方式作为实验被控对象，如图 3-127所示。1 1x TS +1 TS+11 22) 被控对象参数的确认 对于这种用两个惯性环节串联组成 的自平衡双容被控过程的被控对象, 在工程中普遍采用单位阶跃输入实 验辨识的方法确认T和T，以达到转0换成有时延的单容被控过程的目的。3) 采样周期的选择采样周期选择0.05s。4、数字PID调节器控制参数的 工程整定方法虽然PID调节可全面、综合的考 虑系统的各项性能，但在工程实际 中，考虑到工程造价和调节器的易于 实现，长采用PID三个
4、参数来对系统 进行校正。等效有时延单容被控对象 的参数T和T,利用科恩库恩经验公0式，可求得比例，比例-积分，比例- 积分-微分的参数。K =丄1.35 / T )-1 + 0.27p K002.5(t / T) + 0.5(t / T )2T = T X00 -i 01 + 0.6(t / T)05、数字PID调节器控制特性1) 比例控制是一种最简单的控 制方式，其控制的输出与输入误差信 号成比例关系。当仅有比例控制时系 统输出存在稳态误差。如果系统是稳 定的，增大比例调节的增益，可以减 小系统的稳态误差。2) 积分控制中，控制器的输出 与输入误差信号的积分成比例关系。 对一个自动控制系统，
5、如果在进入稳 态后存在稳态误差，为了消除稳态误 差，在控制器中引入积分项。增大积 分系数，提高系统的稳态控制精度， 但太大会引起系统不稳定。3）微分控制中，控制器的输出 与输入误差信号的微分成正比关系。 当存在较大的惯性组件或有滞后组 件时，可能会出现震荡甚至不稳定。 加入微分具有克服积分调节作用缓 慢性，避免积分作用可能降低系统响 应速度的缺点。对变化落后于误差变 化的系统，需要增加微分性，它能预 测误差变化的趋势。（1）按照模拟电路图连接（二：=2）。（2）运行、观察、记录。经过不断地调整Kp、Ti、Td, 最终得到符合要求的波形。此时：Kp=1.3、Ti=0.8、Td=0.053最终调试
6、输出波形：三、实验内容及步骤敕权伶彳矽初上必煤就裁空电苇裟2习述道3邂躯m籾稻删:Toj恥li:图12-2 数字PID闭环控制系统实验模拟电路图应曲线就険詐蘇T H就啓駆0确d购数字PID闭环控制系统实验数字PID闭环控制系统的构成如 下图所示。此次实验将函数发生器作 信号发生器，矩形波输出施加于被测 系统的输入端匚，观察矩形波从0V 阶跃到+2.5V,时被测系统的PID控 制特性。实验步骤如下：Go（S）_ TS + 1XTS + 11 2ToTT耳Td叫21 2X 0.1S + 10.1S + 10.270.080.051.30.80.0532%0.6思考题：1. 分析思考P、I、D在工程
7、整定中的作 用及PID的实际应用。答：先将差值信号进行放大，比例增 益P就是用来设置差值信号的放大系 数的，比例增益P越大，调节灵敏度 越高，但由于传动系统的控制电路都 有惯性，调节结果达到最佳值时不能 立即停止，导致“超调”，然后反过 来调整，再次超调，形成振荡。为此 引入积分环节I,其效果是使经过比 例增益P放大后的差值信号在积分时 间内逐渐增大（或减小），从而减缓 其变化速度，防止振荡。但积分时间 I太长，又会当反馈信号急剧变化时， 被控物理量难以迅速恢复。在微分控 制中，控制器的输出与输入误差的微 分成正比关系。自动控制系统在克服 误差的调节过程中可能出现振荡甚 至失稳，其原因是由于存
8、在有较大惯 性组件或有滞后组件，具有抑制误差 的作用，其变化总是落后于误差的变 化。2. 使用PID控制中，若增加Ti是否需要改变Kp和Td的值？答：不需要，一个环节的改变不会影 响其他两个环节，但回想影响系统性 能。3. 实际应用中，是否可以选择Td比较 大？为什么？答：不可以，当Td比较大时，微分 环节增强，对噪声信号将产生放大作 用，使系统失控。4. 对不同的被控对象，如何选择PID参 数？有何规律？答：P、I、D参数的预置是相辅相成 的，运行时应根据实际情况进行如下 细调：被控物理量在目标值附近振 荡，首先加大积分时间I,如仍有振 荡，可适当减小比例增益P,被控物 理量在发生变化后难以恢复，首先加 大比例增益P,如果恢复仍较缓慢， 可适当减小积分时间I,还可加大微 分时间Do
自动控制理论实验报告四
