實(shí)驗(yàn)三 數(shù)字PID控制

1、實(shí)驗(yàn)三 數(shù)字PID控制一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究PID控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及過(guò)渡過(guò)程的影響。2研究采樣周期T對(duì)系統(tǒng)特性的影響。3研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如3-1圖。圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+1） Gp2（s）=1/（s（0.1s+1）2開(kāi)環(huán)系統(tǒng)（被控制對(duì)象）的模擬電路圖如圖3-2和圖3-3，其中圖3-2對(duì)應(yīng)GP1（s）,圖3-3對(duì)應(yīng)Gp2（s）。 圖3-2 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 圖

2、3-3開(kāi)環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖23被控對(duì)象GP1（s）為“0型”系統(tǒng)，采用PI控制或PID控制，可系統(tǒng)變?yōu)椤癐型”系統(tǒng)，被控對(duì)象Gp2（s）為“I型”系統(tǒng)，采用PI控制或PID控制可使系統(tǒng)變成“II型”系統(tǒng)。 4當(dāng)r（t）=1（t）時(shí)（實(shí)際是方波），研究其過(guò)渡過(guò)程。 5PI調(diào)節(jié)器及PID調(diào)節(jié)器的增益 Gc（s）=Kp（1+K1/s） =KpK1(（1/k1）s+1) /s =K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=（1/K1）不難看出PI調(diào)節(jié)器的增益K=KpKi，因此在改變Ki時(shí)，同時(shí)改變了閉環(huán)增益K，如果不想改變K,則應(yīng)相應(yīng)改變Kp。采用PID調(diào)節(jié)器相同。6“II型”系統(tǒng)要注意穩(wěn)定性。對(duì)于G

3、p2（s）,若采用PI調(diào)節(jié)器控制，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 G（s）=Gc（s）·Gp2（s） =K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）為使用環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足Ti>0.1，即K1<107PID遞推算法 如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)為e（t），其輸送信號(hào)為u（t）,則離散的遞推算法如下： u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T） q1=Kp（1+（2Kd/T） q2=Kp（Kd/T）T-采樣周期四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-2)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸

4、出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無(wú)誤后接通電源。2.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。3.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)三數(shù)字PID控制, 鼠標(biāo)單擊鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置窗口。5.輸入?yún)?shù)Kp, Ki, Kd（參考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。6.參數(shù)設(shè)置完成點(diǎn)擊確認(rèn)后觀察響應(yīng)曲線。若不滿意，改變Kp, Ki, Kd的數(shù)值和與其相對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)sp、ts的數(shù)值。7.取滿意的Kp,Ki,Kd值，觀查有無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。8.斷開(kāi)

5、電源，連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-3)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容的兩端連在模擬開(kāi)關(guān)上。檢查無(wú)誤后接通電源。 9.重復(fù)4-7步驟。10.計(jì)算Kp，Ki，Kd取不同的數(shù)值時(shí)對(duì)應(yīng)的sp、ts的數(shù)值，測(cè)量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及時(shí)域性能指標(biāo)，記入表中：實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)%Ts階躍響應(yīng)曲線KpKiKd10.02143.8%1.29910.01125.9%1.11210.01231.2%1.16810.02240.3%1.95420.02 436.7%0.9141 0.02 1 1 0.01 11 0.01 2 1 0.02 2

6、2 0.02 4五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1畫(huà)出所做實(shí)驗(yàn)的模擬電路圖。2 當(dāng)被控對(duì)象為Gp1（s時(shí)）取過(guò)渡過(guò)程為最滿意時(shí)的Kp, Ki, Kd,畫(huà)出校正后的Bode圖，查出相穩(wěn)定裕量g和穿越頻率wc。 3總結(jié)一種有效的選擇Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度獲得滿意的參數(shù)。先通過(guò)改變Kp的值，使Kp滿足要求，再改變Ki，最后是Kd，通過(guò)這樣一次改變參數(shù)的方法可以很快的達(dá)到滿意的效果。參數(shù)整定（試湊法）增大比例系數(shù)Kp，一般加快系統(tǒng)響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但過(guò)大的比例系數(shù)會(huì)使系統(tǒng)有較大超調(diào)，并產(chǎn)生震蕩，使穩(wěn)定性變壞；增大積分時(shí)間Ti，有利于減小超調(diào)，減小震蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將

7、隨之減慢；增大微分時(shí)間Td，亦有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)亮減小，穩(wěn)定性增加，但對(duì)系統(tǒng)的擾動(dòng)抑制能力減弱，對(duì)擾動(dòng)有較敏感的響應(yīng)；另外，過(guò)大的微分系數(shù)也將使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。實(shí)驗(yàn)六 大林算法一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握大林算法的特點(diǎn)及適用范圍。2了解大林算法中時(shí)間常數(shù)T對(duì)系統(tǒng)的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1實(shí)驗(yàn)被控對(duì)象的構(gòu)成： （1）慣性環(huán)節(jié)的仿真電路及傳遞函數(shù) G(S)=-2/(T1+1) T1=0.2 （2）純延時(shí)環(huán)節(jié)的構(gòu)成與傳遞函數(shù) G(s)=e-Nt t=采樣周期 N為正整數(shù)的純延時(shí)個(gè)數(shù) 由于純延時(shí)環(huán)節(jié)不易用電路實(shí)現(xiàn)，在軟件中由計(jì)算機(jī)

8、實(shí)現(xiàn)。 圖61 被控對(duì)象電路圖 （3）被控對(duì)象的開(kāi)環(huán)傳函為： G(S)=-2e-Nt/(T1+1) 2大林算法的閉環(huán)傳遞函數(shù)： Go(s)=e-Nt/(Ts+1) T=大林時(shí)間常數(shù) 3大林算法的數(shù)字控制器：D(Z)=(1-et/T)(1-e-t/T1Z-1)/k(1-e-t/T1)1-e-t/TZ-1-(1-e-t/T)Z-N-1 設(shè)k1=e-t/T K2=e-t/T1 T1=0.2 T=大林常數(shù) K=2 (K-Kk2)Uk=(1-k1)ek-(1-k1)k2ek-1+(k-kk2)k1Uk-1+(k-kk2)(1-k1)Uk-N-1四、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式

9、，運(yùn)行軟件。2測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3量對(duì)象的模擬電路(圖6-1)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無(wú)誤后接通電源。4在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)六六、大林算法, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置延遲時(shí)間和大林常數(shù)，點(diǎn)擊確認(rèn)在觀察窗口觀測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)曲線。測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Ts和超調(diào)量sp。5 復(fù)步驟4，改變參數(shù)設(shè)置，將所測(cè)的波形進(jìn)行比較。并將測(cè)量結(jié)果記入下表中：性能指標(biāo)參數(shù)設(shè)置階躍響應(yīng)曲線%Ts（秒）Tp（秒）延遲時(shí)間大林常數(shù)2

10、0.501.3422.31510.501.4432.53440.501.0231.93410.801.9233.2642 0.5 1 0.5 4 0.5 2 0.8五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1分析開(kāi)環(huán)系統(tǒng)下的階躍響應(yīng)曲線。 答：開(kāi)環(huán)系統(tǒng)下的階躍響應(yīng)曲線會(huì)有較大的超調(diào)量和持續(xù)的震蕩，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，對(duì)控制系統(tǒng)的控制性能極為不利。  2分析大林時(shí)間常數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。 答：隨著大林常數(shù)的增大，系統(tǒng)響應(yīng)的調(diào)節(jié)時(shí)間Ts和達(dá)到峰值的時(shí)間Tp都增大了，但是對(duì)超調(diào)量影響不大，所以使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性減弱。六、大林算法軟件流程圖圖中ek為誤差，ek1為上一次的誤差，uk是控制量，uk1

11、是上一次的控制量ukn1是上N+1次的控制量畫(huà)希望值曲線初始化系統(tǒng)輸出希望值start初始化ek ,ek1,ek2,uk初始化控制步數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)Point求K1、K2、K3 使硬件被控對(duì)象初始化值輸出等于0采集硬件被控對(duì)象的輸出inputf inputf浮點(diǎn)化inputf延遲N步求ek=start-inputf（K-Kk2）Uk=(1-k1)ek-(1-k1)k2ek1+(k-kk2)k1Uk1+(k-kk2)(1-k1)Ukn1判uk是否超上下限 輸出uk ek1=ek Ukn1更新畫(huà)被控對(duì)象第J點(diǎn)輸出inputf J+1J<Point結(jié)束 實(shí)驗(yàn)七 爐溫控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解溫度

12、控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。 2研究采樣周期T對(duì)系統(tǒng)特性的影響。 3研究大時(shí)間常數(shù)系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)的整定方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)3爐溫控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象一臺(tái)三、爐溫控制的基本原理1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖71。圖71 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp（s）=1/（Ts+1） 2系統(tǒng)的基本工作原理 整個(gè)爐溫控制系統(tǒng)由兩大部分組成，第一部分由計(jì)算機(jī)和A/D&D/A卡組成，主要完成溫度采集、PID運(yùn)算、產(chǎn)生控制可控硅的觸發(fā)脈沖，第二部分由傳感器信號(hào)放大，同步脈沖形成，以及觸發(fā)脈沖放大等組成。

13、爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導(dǎo)通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓的可在0140V內(nèi)變化?？煽毓璧膶?dǎo)通角為05CH。溫度傳感是通過(guò)一只熱敏電阻及其放大電路組成的，溫度越高其輸出電壓越小。 外部LED燈的亮滅表示可控硅的導(dǎo)通與閉合的占空比時(shí)間，如果爐溫溫度低于設(shè)定值則可控硅導(dǎo)通，系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設(shè)定值。 第二部分電路原理圖見(jiàn)附錄一。 3PID遞推算法 ： 如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)為e（t），其輸送信號(hào)為u（t）,則離散的遞推算法如下： Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1),其中ek2是誤差累積和。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1設(shè)定爐子的溫度在一恒定值。

14、 2調(diào)整P、I、D各參數(shù)觀察對(duì)其有何影響。五、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。2 測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3 20芯的扁平電纜連接實(shí)驗(yàn)箱和爐溫控制對(duì)象，檢查無(wú)誤后，接通實(shí)驗(yàn)箱和爐溫控制的電源。閉環(huán)控制6. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)七七、爐溫控制 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，選擇PID，在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置爐溫控制對(duì)象的給定溫度以及Ki、Kp、Kd值，點(diǎn)擊確認(rèn)在觀察窗口觀測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)曲線。測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Ts和超調(diào)量sp。7.重復(fù)步驟6，改變PID參數(shù)，觀測(cè)波形的變化，

15、記入下表中：性能指標(biāo)參數(shù)階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd10.02181%8152840.02178%7937110.02421%78180六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1記錄過(guò)渡過(guò)程為最滿意時(shí)的Kp, Ki, Kd并畫(huà)出其響應(yīng)曲線。Kp=1；Ki=0.02；Kd=42分析此情況下的超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)態(tài)誤差。21%，78s，3.2% 1 0.2 14 0.2 11 0.2 41 0.1 4七、溫度控制軟件流程圖圖中ek為誤差，ek1為上一次的誤差，ek2為誤差的累積和，uk是控制量,可控硅導(dǎo)通角控制量a=05bH, a=0導(dǎo)通角最大，a=5b導(dǎo)通角為零。畫(huà)希望值曲線初始化系統(tǒng)輸出希望值start

16、初始化ek ,ek1,ek2,uk求q0,q1,q2初始化控制步數(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)Point采集硬件被控對(duì)象的輸出inputfinputf浮點(diǎn)化求ekstartinputfukpek+kiek2+kd(ek-ek1)uk=kpek+kd(ek-ek1)ek1=ek ek2ek2+ek判斷積分分離項(xiàng)判斷uk是否超上下限輸出ukJ+1J<point結(jié)束畫(huà)被控對(duì)象第J點(diǎn)輸出inputf實(shí)驗(yàn)九 步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理。2掌握步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)及編程方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)3步進(jìn)電機(jī)控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象一臺(tái)三、步進(jìn)電機(jī)的基本工作原

17、理： 步進(jìn)電機(jī)多為永磁感應(yīng)式，有兩相、四相、六相等多種，實(shí)驗(yàn)所用電機(jī)為兩相四拍式，通過(guò)對(duì)每相線圈中的電流的順序切換來(lái)使電機(jī)作步進(jìn)式旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動(dòng)電路由脈沖信號(hào)來(lái)控制，所以調(diào)節(jié)脈沖信號(hào)的頻率便可改變步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速： A 如圖91所示，每相電流為0.2A,相電壓為5V，兩相四拍 C通電順序如下： B D 相順序ABCD01100101102001131001反方向旋轉(zhuǎn) 正方向旋轉(zhuǎn)四、實(shí)驗(yàn)原理： 步進(jìn)電機(jī)是一種電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度(稱為“步距角”)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運(yùn)行的?？梢酝ㄟ^(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位

18、移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的。通過(guò)設(shè)定脈沖數(shù)來(lái)使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)一定的角度，實(shí)驗(yàn)用步進(jìn)電機(jī)是每脈沖對(duì)應(yīng)1.8度。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：使步進(jìn)電機(jī)按照設(shè)定的步數(shù)進(jìn)行轉(zhuǎn)動(dòng)。六、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。2 測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3 20芯的扁平電纜連接實(shí)驗(yàn)箱和爐溫控制對(duì)象，檢查無(wú)誤后，接通實(shí)驗(yàn)箱電源。4 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)九九、步進(jìn)電機(jī), 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置設(shè)置起點(diǎn)坐標(biāo)、終點(diǎn)坐標(biāo)值。點(diǎn)擊確認(rèn)在觀測(cè)窗口觀測(cè)指針的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)格數(shù)是否和設(shè)置值一致。5