实验  数字PID调节器算法的研究

1. 实验目的

1)学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理;

2)学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理;

3)掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。

2. 实验设备

计算机、matlab 仿真软件、Proteus仿真软件Keil编程软件

3. 实验原理

在工业过程控制中,应用最广泛的控制器是PID控制器,它是按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)组合而成的控制规律。而数字PID控制器则是由模拟PID控制规律直接变换所得。

PID控制规律中,引入积分的目的是为了消除静差,提高控制精度,但系统中引入了积分,往往使之产生过大的超调量,这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进的PID算法,如积分分离PID算法,其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制;当控制量接近给定值时才将积分作用投入,以消除静差,提高控制精度。这样,既保持了积分的作用,又减小了超调量。

1被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成

 

3-1  -模混合控制系统的方框图

被控对象的传递函数为:

   

它的模拟电路图如下图所示

 

3-2  被控二阶对象的模拟电路图

2常规PID控制算法

常规PID控制位置式算法为

对应的Z传递函数为

式中Kp---比例系数

Ki=积分系数,T采样周期

Kd微分系数

其增量形式为

   

3积分分离PID控制算法

系统中引入的积分分离算法时,积分分离PID算法要设置分离阈E0

│e(kT)│≤│E0时,采用PID控制,以保持系统的控制精度。

│e(kT)│>│E0时,采用PD控制,可使δp减小。积分分离PID控制算法为:

式中Ke称为逻辑系数:

│e(k)│≤│E0│时, Ke=1

│e(k)│>│E0│时,  Ke=0

对应的控制方框图为

 

3-3  单片机控制的方框图

4. 实验操作

1)数字PID控制器测试

proteus中绘制被控对象电路图,使用单片机及接口电路构成的数字控制器(参考实验二电路图)进行控制,输入信号及图表设置方法与实验二相同

编写单片机程序并运行,调整PID参数直到响应曲线满足控制要求,将参数记录到表3-2,并绘出响应曲线;

修改程序,实现积分分离PID控制算法绘出响应曲线,比较积分分离PID与常规PID在性能上的区别。

3-2 实验数据记录

实验项目

控制器参数

响应曲线参数

Kp

Ki

Kd

超调量σ%

调节时间Ts

纯比例P

 

 

 

 

 

比例积分PI

 

 

 

 

 

比例积分微分PID

 

 

 

 

 

积分分离PID