實驗三數(shù)字PID控制一、實驗目的1．研究PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響。2．研究采樣周期T對系統(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、實驗儀器1．EL-AT-III型計算機控制系統(tǒng)實驗箱一臺2．PC計算機一臺三、實驗內(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〕=〔1－e-TS〕/sGp1〔s〕=5/〔〔0.5s+1〕〔0.1s+1〕〕Gp2〔s〕=1/〔s〔0.1s+1〕〕2．開環(huán)系統(tǒng)〔被控制對象〕的模擬電路圖如圖3-2和圖3-3，其中圖3-2對應GP1〔s〕,圖3-3對應Gp2〔s〕。圖3-2開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1圖3-3開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖23．被控對象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r〔t〕=1〔t〕時〔實際是方波〕，研究其過渡過程。5．PI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，同時改變了閉環(huán)增益K，如果不想改變K,那么應相應改變Kp。采用PID調(diào)節(jié)器相同。6．“II型〞系統(tǒng)要注意穩(wěn)定性。對于Gp2〔s〕,假設(shè)采用PI調(diào)節(jié)器控制，其開環(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，應滿足Ti>0.1，即K1<107．PID遞推算法如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號為e〔t〕，其輸送信號為u〔t〕,那么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、實驗步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-2)。電路的輸入U1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。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗〞快捷方式，運行軟件。3.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,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)進行實驗。4.在實驗工程的下拉列表中選擇實驗三[數(shù)字PID控制],鼠標單擊鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數(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)置完成點擊確認后觀察響應曲線。假設(shè)不滿意，改變Kp,Ki,Kd的數(shù)值和與其相對應的性能指標p、ts的數(shù)值。7.取滿意的Kp,Ki,Kd值，觀查有無穩(wěn)態(tài)誤差。8.斷開電源，連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-3)。電路的輸入U1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關(guān)上。檢查無誤后接通電源。9.重復4-7步驟。10.計算Kp，Ki，Kd取不同的數(shù)值時對應的p、ts的數(shù)值，測量系統(tǒng)的階躍響應曲線及時域性能指標，記入表中：實驗結(jié)果參數(shù)δ%Ts階躍響應曲線KpKiKd10.02143.8%1.29910.01125.9%1.11210.01231.2%1.16810.02240.3%1.95420.02436.7%0.91410.02110.01110.01210.02220.024五、實驗報告1．畫出所做實驗的模擬電路圖。當被控對象為Gp1〔s時〕取過渡過程為最滿意時的Kp,Ki,Kd,畫出校正后的Bode圖，查出相穩(wěn)定裕量和穿越頻率c。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)。先通過改變Kp的值，使Kp滿足要求，再改變Ki，最后是Kd，通過這樣一次改變參數(shù)的方法可以很快的到達滿意的效果。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，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但過大的比例系數(shù)會使系統(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)靜差的消除將隨之減慢；增大微分時間Td，亦有利于加快系統(tǒng)響應，使超調(diào)亮減小，穩(wěn)定性增加，但對系統(tǒng)的擾動抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應；另外，過大的微分系數(shù)也將使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性變壞。實驗六大林算法一、實驗目的1．掌握大林算法的特點及適用范圍。2．了解大林算法中時間常數(shù)T對系統(tǒng)的影響。二、實驗儀器1．EL-AT-III型計算機控制系統(tǒng)實驗箱一臺2．PC計算機一臺三、實驗內(nèi)容1．實驗被控對象的構(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〕純延時環(huán)節(jié)的構(gòu)成與傳遞函數(shù)G(s)=e-N=采樣周期N為正整數(shù)的純延時個數(shù)由于純延時環(huán)節(jié)不易用電路實現(xiàn)，在軟件中由計算機實現(xiàn)。圖6－1被控對象電路圖〔3〕被控對象的開環(huán)傳函為：G(S)=-2e-N/(T1+1)2．大林算法的閉環(huán)傳遞函數(shù)：Go(s)=e-N/(Ts+1)T=大林時間常數(shù)3．大林算法的數(shù)字控制器：D(Z)=(1-e/T)(1-e-/T1Z-1)/[k(1-e-/T1)[1-e-/TZ-1-(1-e-/T)Z-N-1]]設(shè)k1=e-/TK2=e-/T1T1=0.2T=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、實驗步驟1．啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗〞快捷方式，運行軟件。2．測試計算機與實驗箱的通信是否正常,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)進行實驗。3．量對象的模擬電路(圖6-1)。電路的輸入U1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。檢查無誤后接通電源。4．在實驗工程的下拉列表中選擇實驗六[六、大林算法],鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框，在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置延遲時間和大林常數(shù)，點擊確認在觀察窗口觀測系統(tǒng)響應曲線。測量系統(tǒng)響應時間Ts和超調(diào)量p。復步驟4，改變參數(shù)設(shè)置，將所測的波形進行比擬。并將測量結(jié)果記入下表中：性能指標參數(shù)設(shè)置階躍響應曲線δ%Ts〔秒〕Tp〔秒〕延遲時間大林常數(shù)20.501.3422.31510.501.4432.53440.501.0231.93410.801.9233.26420.510.540.520.8五、實驗報告1．分析開環(huán)系統(tǒng)下的階躍響應曲線。答：開環(huán)系統(tǒng)下的階躍響應曲線會有較大的超調(diào)量和持續(xù)的震蕩，使得系統(tǒng)的穩(wěn)定性降低，對控制系統(tǒng)的控制性能極為不利。2．分析大林時間常數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。答：隨著大林常數(shù)的增大，系統(tǒng)響應的調(diào)節(jié)時間Ts和到達峰值的時間Tp都增大了，但是對超調(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是上一次的控制量ukn1是上N+1次的控制量畫希望值曲線畫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)、采樣點數(shù)Point求K1、K2、K3使硬件被控對象初始化值輸出等于0使硬件被控對象初始化值輸出等于0采集硬件被控對象的輸出inputfinputf浮點化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ukek1=ekUkn1更新畫被控對象第J點輸出inputfJ+1J<Point結(jié)束實驗七爐溫控制實驗一、實驗目的1．了解溫度控制系統(tǒng)的特點。2．研究采樣周期T對系統(tǒng)特性的影響。3．研究大時間常數(shù)系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)的整定方法。二、實驗儀器1．EL-AT-III型計算機控制系統(tǒng)實驗箱一臺2．PC計算機一臺3．爐溫控制實驗對象一臺三、爐溫控制的根本原理系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖7－1。圖7－1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中Gc〔s〕=Kp〔1+Ki/s+Kds〕Gh〔s〕=〔1－e-TS〕/sGp〔s〕=1/〔Ts+1〕2．系統(tǒng)的根本工作原理整個爐溫控制系統(tǒng)由兩大局部組成，第一局部由計算機和A/D&D/A卡組成，主要完成溫度采集、PID運算、產(chǎn)生控制可控硅的觸發(fā)脈沖，第二局部由傳感器信號放大，同步脈沖形成，以及觸發(fā)脈沖放大等組成。爐溫控制的根本原理是：改變可控硅的導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0～140V內(nèi)變化。可控硅的導通角為0～5CH。溫度傳感是通過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通與閉合的占空比時間，如果爐溫溫度低于設(shè)定值那么可控硅導通，系統(tǒng)加熱，否那么系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設(shè)定值。第二局部電路原理圖見附錄一。3．PID遞推算法：如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號為e〔t〕，其輸送信號為u〔t〕,那么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、實驗內(nèi)容：1．設(shè)定爐子的溫度在一恒定值。2．調(diào)整P、I、D各參數(shù)觀察對其有何影響。五、實驗步驟1．啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗〞快捷方式，運行軟件。2．測試計算機與實驗箱的通信是否正常,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)進行實驗。3．20芯的扁平電纜連接實驗箱和爐溫控制對象，檢查無誤后，接通實驗箱和爐溫控制的電源。閉環(huán)控制6.在實驗工程的下拉列表中選擇實驗七[七、爐溫控制]鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框，選擇PID，在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置爐溫控制對象的給定溫度以及Ki、Kp、Kd值，點擊確認在觀察窗口觀測系統(tǒng)響應曲線。測量系統(tǒng)響應時間Ts和超調(diào)量p。7.重復步驟6，改變PID參數(shù)，觀測波形的變化，記入下表中：性能指標參數(shù)階躍響應曲線δ%Tp〔秒〕Ts〔秒〕KpKiKd10.02181%8152840.02178%7937110.02421%78180六、實驗報告1．記錄過渡過程為最滿意時的Kp,Ki,Kd并畫出其響應曲線。Kp=1；Ki=0.02；Kd=42．分析此情況下的超調(diào)量、響應時間及穩(wěn)態(tài)誤差。21%，78s，3.2%10.2140.2110.2410.14七、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,可控硅導通角控制量=0～5bH,=0導通角最大，=5b導通角為零。畫希望值曲線畫希望值曲線初始化系統(tǒng)輸出希望值start初始化ek,ek1,ek2,uk求q0,q1,q2初始化控制步數(shù)、采樣點數(shù)Point采集硬件被控對象的輸出inputf采集硬件被控對象的輸出inputfinputf浮點化求ek＝start－inputfuk＝pek+kiek2+kd(ek-ek1)uk=kpek+kd(ek-ek1)ek1=ekek2＝ek2+ek判斷積分別離項判斷uk是否超上下限輸出ukJ+1J<point結(jié)束畫被控對象第J點輸出inputf實驗九步進電機控制實驗一、實驗目的1．了解步進電機的工作原理。2．掌握步進電機的驅(qū)動及編程方法。二、實驗儀器1．EL-AT-III型計算機控制系統(tǒng)實驗箱一臺2．PC計算機一臺3．步進電機控制實驗對象一臺三、步進電機的根本工作原理：步進電機多為永磁感應式，有兩相、四相、六相等多種，實驗所用電機為兩相四拍式，通過對每相線圈中的電流的順序切換來使電機作步進式旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動電路由脈沖信號來控制，所以調(diào)節(jié)脈沖信號的頻率便可改變步進電機的轉(zhuǎn)速：A如圖9－1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：BD相順序ABCD01100101102001131001反方向旋轉(zhuǎn)正方向旋轉(zhuǎn)四、實驗原理：步進電機是一種電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角〞)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而到達準確定位的目的。通過設(shè)定脈沖數(shù)來使步進電機轉(zhuǎn)過一定的角度，實驗用步進電機是每脈沖對應1.8度。五、實驗內(nèi)容：使步進電機按照設(shè)定的步數(shù)進行轉(zhuǎn)動。六、實驗步驟1．啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗〞快捷方式，運行軟件。2．測試計算機與實驗箱的通信是否正常,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)進行實驗。3．20芯的扁平電纜連接實驗箱和爐溫控制對象，檢查無誤后，接通實驗箱電源。4．在實驗工程的下拉列表中選擇實驗九[九、步進電機],鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框，在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置設(shè)置起點坐標、終點坐標值。點擊確認在觀測窗口觀測指針的旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)格數(shù)是否和設(shè)置值一致。5．觀測步進電機控制對象的指針旋轉(zhuǎn)是否和軟件的旋轉(zhuǎn)一致。1.步進電機設(shè)置的是100步，實際100步。2.步進電機設(shè)置的是150步，實際149步。3.步進電機設(shè)置的是120步，實際119步。七、實驗報告1．說明步進電機的工作原理。工作原理：步進電機是一種電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的執(zhí)行機構(gòu)。當步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度(稱為“步距角〞)，它的旋轉(zhuǎn)是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而到達準確定位的目的。通過設(shè)定脈沖數(shù)來使步進電機轉(zhuǎn)過一定的角度2.分析實際轉(zhuǎn)動的步數(shù)出現(xiàn)誤差的原因。1.電機在帶動物體運動的時候如果機構(gòu)運動不順暢、發(fā)滯，使載荷過大，就會出現(xiàn)丟步的現(xiàn)象從而產(chǎn)生誤差。2.步進電機有的誤差在齒輪箱上，因為齒輪箱上的齒輪間的配合是