數(shù)字PID控制實驗

Ⅰ 標準PID 控制算法
一．實驗要求
1. 了解和掌握連續(xù)控制系統(tǒng)的 PID 控制算法的模擬表達式（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. 完成對各種 PID 控制系統(tǒng)的設計。
4. 觀察和分析在標準 PID 控制系統(tǒng)中，P.I.D 參數(shù)對輸出波形的影響。
5. 了解和掌握本實驗機的 PID 控制算法中的特殊使用
二．實驗原理及說明
在一個控制系統(tǒng)中，采用比例、積分和微分控制方式控制，稱之謂 PID 控制。它對于
被控對象的傳遞函數(shù)G(S) 難以描述的情況，是一種.應用廣泛，行之有效的控制方式。
數(shù)字PID 控制實驗的原理方框圖見圖4-1 所示：

圖4-1 數(shù)字PID 控制實驗的原理方框圖
三．實驗內(nèi)容及步驟
數(shù)字 PID 控制實驗構(gòu)成如圖4-2 所示。
在實驗中欲觀測實驗結(jié)果時，只要運行LABACT 程序，選擇微機控制菜單下的數(shù)字
PID 控制實驗項目，再選擇開始實驗，會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相
應源文件，運行實驗程序。
在程序運行中，隨時可修改控制系數(shù)PID，然后點擊發(fā)送，無須點擊停止；只有在需觀
察實驗結(jié)果時，才需點擊停止。

圖4-2 數(shù)字PID 控制實驗構(gòu)成

實驗步驟：注：將‘S ST’用‘短路套’短接!

（1）將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的輸出（OUT）作為系統(tǒng)輸入R。(連續(xù)的正輸出寬度足夠大
的階躍信號)
a．將該單元的S1 置‘階躍’檔（最頂端），S2‘0.2-6S’檔。
b.調(diào)節(jié)調(diào)幅電位器使OUT 輸出電壓 < 2.5V，調(diào)節(jié)調(diào)寬電位器使OUT 正輸出寬度 >2
秒。
（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：
（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線

（3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：示波器輸入端CH1 接到A6 單元輸出端OUT（C），CH1
選‘X1’檔。
（4）運行、觀察、記錄：
該實驗的顯示界面中采樣周期T（1~99）x 5mS，“控制系數(shù)”欄的比例系數(shù)Kp
（0.00~2.00）、調(diào)節(jié)器的積分時間常數(shù)Ti （1~199mS）、調(diào)節(jié)器的微分時間常數(shù)Td（0~200mS）；
均可由用戶在界面上直接修改，以期獲得理想的實驗結(jié)果。改變Kp 、Ti、Td 這些參數(shù)后，
只要再次點擊“發(fā)送”鍵，即可使實驗機按照新的控制參數(shù)運行。
注：該實驗的顯示界面 “控制系數(shù)”欄的積分時間常數(shù)i T ，不能隨意改成200ms，這
將取消積分控制，變?yōu)镻D 控制。
運行程序，用示波器觀察輸出C，如果現(xiàn)象不明顯則可以調(diào)節(jié)A7 單元中的可變電阻和
函數(shù)發(fā)生器（B5）中的調(diào)寬調(diào)幅。
記錄Kp、Ti、Td、MP、ts、參數(shù)，在表4-1 中填入給此次的各參數(shù)與結(jié)果。

Ⅱ 積分分離PID 控制算法
一．實驗要求
1．了解和掌握PID 控制系統(tǒng)中的積分飽和現(xiàn)象的產(chǎn)生原因及消除的方法。
2．觀察和分析采用積分分離法實現(xiàn)PID 控制后，控制性能改善的程度及原因。
3．觀察和分析在積分分離PID 控制系統(tǒng)中，積分分離法的分離閥值Eo 對輸出波形的影響
二、實驗原理及說明
在控制過程中，當偏差較大或累加積分項太快時，就會出現(xiàn)積分飽和現(xiàn)象，使系統(tǒng)產(chǎn)生
超調(diào)，甚至引起振蕩。引進積分分離法，既保持了積分的作用，又減小了超調(diào)量，使得控制
性能有了較大的改善。
積分分離法要設置積分分離閥值Eo，其數(shù)值范圍為0~5.0V。
當E(k) > 0 E 時（偏差值E(k) 比較大時），采用PD 控制；當0 E(k) ≤ E 時（偏差值
E(k) 比較小時），采用PID控制。積分分離法PID算法可表示為：

二、實驗內(nèi)容及步驟
積分分離PID 控制算法系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-2 所示。（與標準PID 控制實驗構(gòu)成相同）
在實驗中欲觀測實驗結(jié)果時，只要運行LABACT 程序，選擇微機控制菜單下的數(shù)字
PID 控制實驗下的積分分離PID 控制選項，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，
點擊開始后將自動加載相應源文件，運行實驗程序。在程序運行中，隨時可修改控制系數(shù)
PID，然后點擊發(fā)送，無須點擊停止；只有在需觀察實驗結(jié)果時，才需點擊停止。
實驗步驟：增加一項積分分離閥值Eo 的設置（Eo=0.25V），其余同標準PID 控制實驗。
試著在小范圍內(nèi)改變積分分離閾值，并改變比例積分微分常數(shù)，記錄實驗結(jié)果。

思考題：積分分離的作用是什么？在采用積分分離控制算法以后，系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)和穩(wěn)態(tài)
品質(zhì)有哪些改善？