實驗三數字PID控制一、實驗目的1．研究PID控制器的參數對系統穩定性及過渡過程的影響。2．研究采樣周期T對系統特性的影響。3．研究I型系統及系統的穩定誤差。二、實驗儀器1．EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺2．PC計算機一臺三、實驗內容1．系統結構圖如3-1圖。圖3-1系統結構圖圖中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．開環系統〔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開環系統結構圖1圖3-3開環系統結構圖23．被控對象GP1〔s〕為“0型〞系統，采用PI控制或PID控制，可系統變為“I型〞系統，被控對象Gp2〔s〕為“I型〞系統，采用PI控制或PID控制可使系統變成“II型〞系統。4．當r〔t〕=1〔t〕時〔實際是方波〕，研究其過渡過程。5．PI調節器及PID調節器的增益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調節器的增益K=KpKi，因此在改變Ki時，同時改變了閉環增益K，如果不想改變K,那么應相應改變Kp。采用PID調節器相同。6．“II型〞系統要注意穩定性。對于Gp2〔s〕,假設采用PI調節器控制，其開環傳遞函數為G〔s〕=Gc〔s〕·Gp2〔s〕=K〔Tis+1〕/s·1/s〔0.1s+1〕為使用環系統穩定，應滿足Ti>0.1，即K1<107．PID遞推算法如果PID調節器輸入信號為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.連接被測量典型環節的模擬電路(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。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續進行實驗。4.在實驗工程的下拉列表中選擇實驗三[數字PID控制],鼠標單擊鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數設置窗口。5.輸入參數Kp,Ki,Kd〔參考值Kp=1,Ki=0.02,kd=1〕。6.參數設置完成點擊確認后觀察響應曲線。假設不滿意，改變Kp,Ki,Kd的數值和與其相對應的性能指標p、ts的數值。7.取滿意的Kp,Ki,Kd值，觀查有無穩態誤差。8.斷開電源，連接被測量典型環節的模擬電路(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取不同的數值時對應的p、ts的數值，測量系統的階躍響應曲線及時域性能指標，記入表中：實驗結果參數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，查出相穩定裕量和穿越頻率c。3．總結一種有效的選擇Kp,Ki,Kd方法，以最快的速度獲得滿意的參數。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的方法可以很快的到達滿意的效果。參數整定〔試湊法〕增大比例系數Kp，一般加快系統響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差，但過大的比例系數會使系統有較大超調，并產生震蕩，使穩定性變壞；增大積分時間Ti，有利于減小超調，減小震蕩，使系統更加穩定，但系統靜差的消除將隨之減慢；增大微分時間Td，亦有利于加快系統響應，使超調亮減小，穩定性增加，但對系統的擾動抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應；另外，過大的微分系數也將使得系統的穩定性變壞。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T對系統的影響。二、實驗儀器1．EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺2．PC計算機一臺三、實驗內容1．實驗被控對象的構成：〔1〕慣性環節的仿真電路及傳遞函數G(S)=-2/(T1+1)T1=0.2〔2〕純延時環節的構成與傳遞函數G(s)=e-N=采樣周期N為正整數的純延時個數由于純延時環節不易用電路實現，在軟件中由計算機實現。圖6－1被控對象電路圖〔3〕被控對象的開環傳函為：G(S)=-2e-N/(T1+1)2．大林算法的閉環傳遞函數：Go(s)=e-N/(Ts+1)T=大林時間常數3．大林算法的數字控制器：D(Z)=(1-e/T)(1-e-/T1Z-1)/[k(1-e-/T1)[1-e-/TZ-1-(1-e-/T)Z-N-1]]設k1=e-/TK2=e-/T1T1=0.2T=大林常數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。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續進行實驗。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，彈出實驗課題參數設置對話框，在參數設置窗口設置延遲時間和大林常數，點擊確認在觀察窗口觀測系統響應曲線。測量系統響應時間Ts和超調量p。復步驟4，改變參數設置，將所測的波形進行比擬。并將測量結果記入下表中：性能指標參數設置階躍響應曲線δ%Ts〔秒〕Tp〔秒〕延遲時間大林常數20.501.3422.31510.501.4432.53440.501.0231.93410.801.9233.26420.510.540.520.8五、實驗報告1．分析開環系統下的階躍響應曲線。答：開環系統下的階躍響應曲線會有較大的超調量和持續的震蕩，使得系統的穩定性降低，對控制系統的控制性能極為不利。2．分析大林時間常數對系統穩定性的影響。答：隨著大林常數的增大，系統響應的調節時間Ts和到達峰值的時間Tp都增大了，但是對超調量影響不大，所以使得系統的穩定性減弱。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輸出希望值start初始化ek,ek1,ek2,uk初始化控制步數、采樣點數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結束實驗七爐溫控制實驗一、實驗目的1．了解溫度控制系統的特點。2．研究采樣周期T對系統特性的影響。3．研究大時間常數系統PID控制器的參數的整定方法。二、實驗儀器1．EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺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結構圖示于圖7－1。圖7－1系統結構圖圖中Gc〔s〕=Kp〔1+Ki/s+Kds〕Gh〔s〕=〔1－e-TS〕/sGp〔s〕=1/〔Ts+1〕2．系統的根本工作原理整個爐溫控制系統由兩大局部組成，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、產生控制可控硅的觸發脈沖，第二局部由傳感器信號放大，同步脈沖形成，以及觸發脈沖放大等組成。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定值那么可控硅導通，系統加熱，否那么系統停止加熱，爐溫自然冷卻到設定值。第二局部電路原理圖見附錄一。3．PID遞推算法：如果PID調節器輸入信號為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、實驗內容：1．設定爐子的溫度在一恒定值。2．調整P、I、D各參數觀察對其有何影響。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。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續進行實驗。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，彈出實驗課題參數設置對話框，選擇PID，在參數設置窗口設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響應曲線。測量系統響應時間Ts和超調量p。7.重復步驟6，改變PID參數，觀測波形的變化，記入下表中：性能指標參數階躍響應曲線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量、響應時間及穩態誤差。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輸出希望值start初始化ek,ek1,ek2,uk求q0,q1,q2初始化控制步數、采樣點數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．掌握步進電機的驅動及編程方法。二、實驗儀器1．EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺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，驅動電路由脈沖信號來控制，所以調節脈沖信號的頻率便可改變步進電機的轉速：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反方向旋轉正方向旋轉四、實驗原理：步進電機是一種電脈沖轉化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角〞)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。可以通過控制脈沖個數來控制角位移量，從而到達準確定位的目的。通過設定脈沖數來使步進電機轉過一定的角度，實驗用步進電機是每脈沖對應1.8度。五、實驗內容：使步進電機按照設定的步數進行轉動。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。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續進行實驗。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，彈出實驗課題參數設置對話框，在參數設置窗口設置設置起點坐標、終點坐標值。點擊確認在觀測窗口觀測指針的旋轉方向和旋轉格數是否和設置值一致。5．觀測步進電機控制對象的指針旋轉是否和軟件的旋轉一致。1.步進電機設置的是100步，實際100步。2.步進電機設置的是150步，實際149步。3.步進電機設置的是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化為角位移的執行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號，它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度(稱為“步距角〞)，它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數來控制角位移量，從而到達準確定位的目的。通過設定脈沖數來使步進電機轉過一定的角度2.分析實際轉動的步數出現誤差的原因。1.電機在帶動物體運動的時候如果機構運動不順暢、發滯，使載荷過大，就會出現丟步的現象從而產生誤差。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