数字PID控制实验

数字PID控制实验

Ⅰ 标准PID 控制算法
一．实验要求
1. 了解和掌握连续控制系统的 PID 控制算法的模拟表达式（微分方程）。
2. 了解和掌握采用微分方程直接建立后向差分方程的方法。
3. 完成对各种 PID 控制系统的设计。
4. 观察和分析在标准 PID 控制系统中，P.I.D 参数对输出波形的影响。
5. 了解和掌握本实验机的 PID 控制算法中的特殊使用
二．实验原理及说明
在一个控制系统中，采用比例、积分和微分控制方式控制，称之谓 PID 控制。它对于
被控对象的传递函数G(S) 难以描述的情况，是一种.应用广泛，行之有效的控制方式。
数字PID 控制实验的原理方框图见图4-1 所示：

图4-1 数字PID 控制实验的原理方框图
三．实验内容及步骤
数字 PID 控制实验构成如图4-2 所示。
在实验中欲观测实验结果时，只要运行LABACT 程序，选择微机控制菜单下的数字
PID 控制实验项目，再选择开始实验，会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相
应源文件，运行实验程序。
在程序运行中，随时可修改控制系数PID，然后点击发送，无须点击停止；只有在需观
察实验结果时，才需点击停止。

图4-2 数字PID 控制实验构成

实验步骤：注：将‘S ST’用‘短路套’短接!

（1）将函数发生器（B5）单元的输出（OUT）作为系统输入R。(连续的正输出宽度足够大
的阶跃信号)
a．将该单元的S1 置‘阶跃’档（最顶端），S2‘0.2-6S’档。
b.调节调幅电位器使OUT 输出电压 < 2.5V，调节调宽电位器使OUT 正输出宽度 >2
秒。
（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：
（a）安置短路套 （b）测孔联线

（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1 接到A6 单元输出端OUT（C），CH1
选‘X1’档。
（4）运行、观察、记录：
该实验的显示界面中采样周期T（1~99）x 5mS，“控制系数”栏的比例系数Kp
（0.00~2.00）、调节器的积分时间常数Ti （1~199mS）、调节器的微分时间常数Td（0~200mS）；
均可由用户在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果。改变Kp 、Ti、Td 这些参数后，
只要再次点击“发送”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。
注：该实验的显示界面 “控制系数”栏的积分时间常数i T ，不能随意改成200ms，这
将取消积分控制，变为PD 控制。
运行程序，用示波器观察输出C，如果现象不明显则可以调节A7 单元中的可变电阻和
函数发生器（B5）中的调宽调幅。
记录Kp、Ti、Td、MP、ts、参数，在表4-1 中填入给此次的各参数与结果。

Ⅱ 积分分离PID 控制算法
一．实验要求
1．了解和掌握PID 控制系统中的积分饱和现象的产生原因及消除的方法。
2．观察和分析采用积分分离法实现PID 控制后，控制性能改善的程度及原因。
3．观察和分析在积分分离PID 控制系统中，积分分离法的分离阀值Eo 对输出波形的影响
二、实验原理及说明
在控制过程中，当偏差较大或累加积分项太快时，就会出现积分饱和现象，使系统产生
超调，甚至引起振荡。引进积分分离法，既保持了积分的作用，又减小了超调量，使得控制
性能有了较大的改善。
积分分离法要设置积分分离阀值Eo，其数值范围为0~5.0V。
当E(k) > 0 E 时（偏差值E(k) 比较大时），采用PD 控制；当0 E(k) ≤ E 时（偏差值
E(k) 比较小时），采用PID控制。积分分离法PID算法可表示为：

二、实验内容及步骤
积分分离PID 控制算法系统构成如图4-2 所示。（与标准PID 控制实验构成相同）
在实验中欲观测实验结果时，只要运行LABACT 程序，选择微机控制菜单下的数字
PID 控制实验下的积分分离PID 控制选项，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，
点击开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。在程序运行中，随时可修改控制系数
PID，然后点击发送，无须点击停止；只有在需观察实验结果时，才需点击停止。
实验步骤：增加一项积分分离阀值Eo 的设置（Eo=0.25V），其余同标准PID 控制实验。
试着在小范围内改变积分分离阈值，并改变比例积分微分常数，记录实验结果。

思考题：积分分离的作用是什么？在采用积分分离控制算法以后，系统的动态品质和稳态
品质有哪些改善？