數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究

1、數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)并熟悉常規(guī)的數(shù)字PID控制算法的原理。2學(xué)習(xí)并熟悉積分分離PID控制算法的原理。3掌握具有數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。2THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)。3PC機(jī)1臺(tái)(含上位機(jī)軟件“THBDC-1”) 。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1利用本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并構(gòu)成一個(gè)用于混合仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)；2采用常規(guī)的PI和PID調(diào)節(jié)器，構(gòu)成計(jì)算機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定，使之具有滿意的動(dòng)態(tài)性能；3對(duì)系統(tǒng)采用積分分離PI

2、D控制，并整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)原理在工業(yè)過程控制中，應(yīng)用最廣泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）組合而成的控制規(guī)律。而數(shù)字PID控制器則是由模擬PID控制規(guī)律直接變換所得。在PID控制規(guī)律中，引入積分的目的是為了消除靜差，提高控制精度，但系統(tǒng)中引入了積分，往往使之產(chǎn)生過大的超調(diào)量，這對(duì)某些生產(chǎn)過程是不允許的。因此在工業(yè)生產(chǎn)中常用改進(jìn)的PID算法，如積分分離PID算法，其思想是當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)取消積分控制；當(dāng)控制量接近給定值時(shí)才將積分作用投入，以消除靜差，提高控制精度。這樣，既保持了積分的作用，又減小了超調(diào)量。五、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙

3、擊圖標(biāo)THBDC-1，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件。2點(diǎn)擊工具欄上的“通道設(shè)置”，在彈出的對(duì)話框中選擇單通道采集、通道“1”，并點(diǎn)擊“開始采集”按鈕。3按圖4-1和圖4-2連接一個(gè)二階被控對(duì)象閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路，該電路的輸出與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端AD1相連，電路的輸入與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端DA1相連。待檢查電路接線無誤后， 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“電源開關(guān)”，并將鎖零按鈕處于“不鎖零”狀態(tài)。4點(diǎn)擊工具欄上的“腳本編輯器”，在彈出的窗口中點(diǎn)擊“打開”按鈕。在“數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法”文件夾下選中“位置式PID”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。然后在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，用示波器觀察圖4-2輸出端的響應(yīng)曲線。5

4、在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“停止”按鈕，利用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法（參考本實(shí)驗(yàn)附錄4）整定PID控制器的P、I、D及系統(tǒng)采樣時(shí)間Ts等參數(shù)，然后再運(yùn)行。在整定過程中注意觀察參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。6在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“打開”按鈕，在“數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法”文件夾下選中“增量式PID”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。然后在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，用示波器觀察圖4-2輸出端的響應(yīng)曲線，并根據(jù)上一步整定PID控制器參數(shù)的方法，整定P、I、D及系統(tǒng)采樣時(shí)間Ts等參數(shù)。在整定過程中注意觀察參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。7在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“打開”按鈕，在“數(shù)字PID調(diào)節(jié)

5、器算法”文件夾下選中“積分分離PID”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。然后在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，用示波器觀察圖4-2輸出端的響應(yīng)曲線。選擇合適的分離閾值tem(具體可參考上位機(jī)腳本程序)，并整定PID控制器的P、I、D及系統(tǒng)采樣時(shí)間Ts等參數(shù)。在整定過程中注意觀察參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。8實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉“腳本編輯器”窗口，并順序點(diǎn)擊對(duì)話框中的“停止采集”與工具欄的“退出”按鈕。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1繪出實(shí)驗(yàn)中二階被控對(duì)象在各種不同的PID控制下的響應(yīng)曲線。2編寫積分分離PID控制算法的腳本程序。3分析常規(guī)PID控制算法與積分分離PID控制算法在實(shí)驗(yàn)中的控制效果。七、附

6、錄1被控對(duì)象的模擬與計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖4-1 數(shù)-?；旌峡刂葡到y(tǒng)的方框圖圖中信號(hào)的離散化通過數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為： 它的模擬電路圖如下圖所示圖4-2 被控二階對(duì)象的模擬電路圖實(shí)驗(yàn)電路參考單元：U7、U102常規(guī)PID控制算法常規(guī)PID控制位置式算法為對(duì)應(yīng)的Z傳遞函數(shù)為式中Kp-比例系數(shù)Ki=積分系數(shù)，T采樣周期Kd微分系數(shù)其增量形式為 3積分分離PID控制算法系統(tǒng)中引入的積分分離算法時(shí)，積分分離PID算法要設(shè)置分離閾E0：當(dāng) e(kT)E0時(shí)，采用PID控制，以保持系統(tǒng)的控制精度。當(dāng) e(kT)>E0時(shí)，采用PD控制，可使p減小。積分分離PID控制算法

7、為：式中Ke稱為邏輯系數(shù)：當(dāng)e(k)E0時(shí)， Ke=1當(dāng)e(k)>E0時(shí)， Ke=0對(duì)應(yīng)的控制方框圖為圖4-3 上位機(jī)控制的方框圖圖中信號(hào)的離散化是由數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。4數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定在模擬控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定的方法較多，常用的實(shí)驗(yàn)整定法有：臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。數(shù)字控制器參數(shù)的整定也可采用類似的方法，如擴(kuò)充的臨界比例度法、擴(kuò)充的階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。下面簡要介紹擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法。擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法只適合于含多個(gè)慣性環(huán)節(jié)的自平衡系統(tǒng)。用擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟如下： 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于開環(huán)工作狀態(tài)下，將被調(diào)量調(diào)

8、節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來。 記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過程，如右圖所示。 在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間和被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)Tx，以及它們的比值Tx/，然后查下表確定控制器的KP、Ki、Kd及采樣周期T?？刂贫瓤刂坡蒚KPTiTdPIPIDPIPIDPIPID擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法通過測取響應(yīng)曲線的、Tx參數(shù)獲得一個(gè)初步的PID控制參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上通過部分參數(shù)的調(diào)節(jié)（試湊）使系統(tǒng)獲得滿意的控制性能。5位置式PID數(shù)字控制器程序的編寫與調(diào)試示例dim pv,sv,ei,k,ti,td,q0,q1,q2,mx,pvx,op 變量定義sub inputdata () 輸入接口程序 A

9、D1通道測量值end subsub main() 主程序 給定值 比例系數(shù)P ti=20 積分時(shí)間常數(shù)I td=0 微分時(shí)間常數(shù)D ei=sv-pv 控制偏差 if k=0 and ti=0 and td=0 then q0=0 比例項(xiàng) q1=0 積分項(xiàng) q2=0 微分項(xiàng) end ifif k<>0 and ti<>0 then q0=k*ei mx=k*0.1*ei/ti 積分增量 end ifif ti=0 then q0=K*ei q1=0 mx=0 end ifif mx>5 then 積分增量限幅 mx=5end ifif mx<-5 then mx=-5end if q1=q1+mx pvx=pvop=q0+q1+q2 PID控制器的輸出IF op <=-5 then op=-5end ifif op>=5 then op=5