數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究解讀

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1. THBDC-1型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)臺(tái)。2. THBXD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）。3. PC機(jī)1臺(tái)（含上位機(jī)軟件“THBDC-1”）o三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 .利用本實(shí)驗(yàn)平分，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)

2、系統(tǒng)采用積分分離PID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，引入枳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)取消枳分控制：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

3、 .啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(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)理”，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)采集標(biāo)的輸入端AD1相連，電路的愉入與數(shù)據(jù)采集標(biāo)的輸出端DA1相連。待檢查電路接線無誤后，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)辦的“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

4、，用示波器觀察圖1-2輸出端的響應(yīng)曲線。5 .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

5、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“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3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。&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控制穿法的腳本程序。3. 分析

6、常規(guī)PID控制克法與枳分分離PID控制算法在實(shí)驗(yàn)中的控制效果。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)成七、附錄1.圖4-1數(shù)一模混合控制系統(tǒng)的方框圖圖中信號(hào)的離散化通過數(shù)據(jù)采集十的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：10(s 1) (0. 5s 1)圖4-2被控二階對(duì)象的模擬電路圖”,sl)(s2)它的模擬電路圖如下圖所示實(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u(k)Z1kPe(k)T'e(i)Tde(k)-e(k-l)si=i'對(duì)應(yīng)的z傳遞函數(shù)為D(Z)二叱KpKi1iKd(l-ZJ)E(Z)l_z)式中即-比例系數(shù)K不了積分系數(shù)，

7、T采樣周期Kd=KJd微分系數(shù)PT其增量形式為u(k)=u(k-1)Kpe(k)-e(kT)Kie(k)Kde(k)2e(k7)e(k-2)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E.：當(dāng)Ie(kT)|<|&|時(shí)，采用PID控制，以保持系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)|e(kT)|>|Eo|時(shí)，采用PD控制，可使3P減小。積分分離PID控制算法為：u(k)Kpe(k)KeKFe(jT)Kae(k*e(k-1)式中Ke稱為邏輯系數(shù):當(dāng)|e(k) | w|E0 |時(shí)，Ke=l當(dāng)|e(k) | > | E0 |時(shí)，Ke=0對(duì)應(yīng)的控制方框圖為圖

8、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)。1.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，女口獷充的臨界比例度法、擴(kuò)充的階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。下面簡(jiǎn)要介紹擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法。擴(kuò)充階躍響應(yīng)加線法只適合于含多個(gè)慣性環(huán)節(jié)的白平衡系統(tǒng)。用擴(kuò)充階既響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟如下：附近，并使之穩(wěn)定下來。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)節(jié)到給定值記錄被調(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

9、滯后時(shí)間T和被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)控制度控制律TKPTiTd1.05PI0.1T0.84Tx/T0.34T*PID0.05T1.15Tx/T2.0T0.15T1.2PI0.2T0.78Tx/T3.6T*PID0.16T1.OTx/T1.9T0.55TKp、K；、Kd及采樣周期T。值Tx/T,然后查下表確定控制器的1.5PI0.5T0.68Tx/T3.9T-APID0.34T0.85Tx/T1.62T0.82T擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法通過測(cè)取響應(yīng)曲線的T、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

10、pv,sv,ei,k,ti,td,qO,ql,q2»mx,pvx,opsubinputdata()pv=myobject.inputdatalendsubsubmain()sv=l.5k=0.5ti=20td=Oei=sv-pvifk=0andti=0andtd=Othenq0=0ql=0q2=0endififk<>0andti<>0thenqO=k*eimx=k*0.l*ei/tiq2=k*td*(pvx-pv)/0.1endififti=0thenqO=K*eiql=0mx=0q2=k*td*(pvx-pv)/0.1endififmx>5thenmx=5endififmx<-5thenmx=-5'變量定義'輸入接口程序'AD1通道測(cè)量值'主程序'給定值'比例系數(shù)P'積分時(shí)間常數(shù)I'微分時(shí)間常數(shù)D'控制偏差'比例項(xiàng)'積分項(xiàng)'微分項(xiàng)'積分增量限幅endifql=ql-mxop=q0+qlq2'PID控制器的輸出IFop<=-5theno