过控实验指导书
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4．数字 PID 控制器的参数整定 在模拟控制系统中，参数整定的方法较多，常用的实验整定法有：临界比例度法、阶跃响 应曲线法、试凑法等。数字控制器参数的整定也可采用类似的方法，如扩充的临界比例度法、 扩充的阶跃响应曲线法、试凑法等。下面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。 扩充阶跃响应曲线法只适合于含多个惯性环节的自平衡系统。用扩充阶跃响应曲线法整定 PID 参数的步骤如下： ① 数字控制器不接入控制系统， 让系统处于开环工作状态下， 将被调量调节到给定值附近， 并使之稳定下来。 ② 记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程，如右图所示。
1
1．记录实验步骤和实验数据。 序号 SV K Ti Td Ts Max 曲 线
2．绘出实验中二阶被控对象在各种不同的 PID 控制下的响应曲线。 3．分析不同 PID 参数对系统的影响。 七、附录 1．被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成
图 1-1 数-模混合控制系统的方框图 图中信号的离散化通过数据采集卡的采样开关来实现。 被控对象的传递函数为：
3
'初始化函数
'算法运行函数 '当前测量值 '设定值 0~10
K=0.8 Ti=5 Td=0 Ts=0.1 ei=sv-pv q0=K*ei if Ti=0 mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts q1=q1+mx if q1>4.9 then q1=4.9 end if if q1<-4.9 then q1=-4.9 end if pvx=pv op=q0+q1+q2 if op<=-4.9 then op=-4.9 end if if op>=4.9 then op=4.9 end if WriteData op ,1 end sub sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub
4
'采集周期 '比例项
then
'当前积分项 '微分项 '积分项
'当前积分限幅，以防积分饱和
'当前输出值 '输出值限幅
'退出函数
实验二 单闭环 PID 直流调速系统
一、实验目的 1．掌握用 PID 控制规律的直流调速系统的调试方法。 2．了解 PWM 调制、直流电机驱动电路的工作原理。 二、实验设备 1．THBDC-1 型控制理论·计算机控制技术实验台。 2．THBXD 数据采集卡一块(含 37 芯通信线、16 芯排线和 USB 电缆线各 1 根)。 3．PC 机 1 台(含上位机软件“THBDC-1”)。 三、实验原理 直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢控制驱 动：即控制加在电枢电压信号，以控制电机的转速与方向。 功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去 的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅（晶闸管） 。现在基本上采用晶体管功率放 大器。PWM 功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的 静摩擦等优点。 PWM 调制与晶体管功率放大器的工作原理： 1．PWM 的工作原理
扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的τ、 Tx 参数获得一个初步的 PID 控制参数， 然后 在此基础上通过部分参数的调节（试凑）使系统获得满意的控制性能。 5．位置式 PID 数字控制器程序的编写与调试示例 dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op sub Initialize(arg) WriteData 0 ,1 mx=0 pvx=0 end sub sub TakeOneStep (arg) pv = ReadData(1) sv=2
'算法运行函数 '当前测量值
'采集周期 50ms
'比例项
'当前积分项 '微分项
'当前积分限幅， 以防积分饱
'当前输出值
7
if op<=1 then op=1 end if if op>=3.5 then op=3.5 end if WriteData op ,1 TTRACE "op=%f", op end sub sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub
i 1
k
Td
对应的 Z 传递函数为 U ( z) 1 D(Z) K P Ki K d (1 Z 1 ) E (Z ) 1 z 1 式中 Kp---比例系数 Ki= K p T 积分系数，T 采样周期 Ti
2
Kd＝ K p
Td 微分系数 T
其增量形式为
u ( k ) u ( k 1) K p [e( k ) e( k 1)] K i e( k ) K d [e( k ) 2e( k 1) e( k 2)]
5
图 2-2 SG3525 内部结构
4．直流电机控制系统如图 2-3 所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采 集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律（通常为 PID）运 算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。
图 2-3 直流电机控制系统
③ 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ和被控对象时间常数 Tx，以及它们的比值 Tx/τ，然后查下表确定控制器的 KP、Ki、Kd 及采样周期 T。 控制度 1.05 1.2 1.5 控制律 PI PID PI PID PI PID T 0.1τ 0.05τ 0.2τ 0.16τ 0.5τ 0.34τ KP 0.84Tx/τ 1.15Tx/τ 0.78Tx/τ 1.0Tx/τ 0.68Tx/τ 0.85Tx/τ Ti 0.34τ 2.0τ 3.6τ 1.9τ 3.9τ 1.62τ Td — 0.45τ — 0.55τ — 0.82τ
6
2．分析 P、I、D 控制参数对直流电机运行的影响。 六、参考程序 dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op sub Initialize(arg) WriteData 0 ,1 mx=0 pvx=0 end sub sub TakeOneStep (arg) pv = GetFS TTTRACE "转速=%f",pv sv=35 K=2 Ti=2 Td=0 Ts=0.05 ei=(sv-pv )/20 TTRACE "ei=%f", ei q0=K*ei if Ti=0 then mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts q1=q1+mx if q1>3.5 then q1=3.5 end if if q1<-3.5 then 和 q1=-3.5 end if pvx=pv op=q0+q1+q2 '初始化函数
过程控制实验指导书
实验一 基本 PID 调节器参数整定
一、实验目的 1．学习并熟悉常规的数字 PID 控制算法的原理。 2．掌握具有数字 PID 调节器参数的整定方法。 二、实验设备 1．THBDC-1 型控制理论·计算机控制技术实验台。 2．THBXD 数据采集卡一块(含 37 芯通信线、16 芯排线和 USB 电缆线各 1 根)。 3．PC 机 1 台(含上位机软件“THBDC-1”) 。 三、实验内容 1．利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统； 2．采用常规的 PI 和 PID 调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使 之具有满意的动态性能； 3．对系统采用积分分离 PID 控制，并整定调节器的参数。 四、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。 五、实验步骤 1．启动计算机，在桌面双击图标 THBDC-1，运行实验软件。 2．点击工具栏上的“通道设置” ，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1” ，并点击 “开始采集”按钮。 3．按图 1-1 和图 1-2 连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路，该电路的输出与数据采 集卡的输入端 AD1 相连，电路的输入与数据采集卡的输出端 DA1 相连。待检查电路接线无误 后， 启动实验台的“电源开关” ，并将锁零按钮处于“不锁零”状态。 4．点击工具栏上的“脚本编辑器” ，在弹出的窗口中点击“打开”按钮。在“数字 PID 调 节器算法”文件夹下选中“位置式 PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。然后在“脚本 编辑器”窗口上点击“运行”按钮，用示波器观察图 1-2 输出端的响应曲线。 5．在“脚本编辑器”窗口上点击“停止”按钮，调整 PID 控制器的 P、I、D 及系统采样 时间 Ts 等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响。 6．实验结束后，关闭“脚本编辑器”窗口，并顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏 的“退出”按钮。 六、实验报告要求
G(S )
10 5 ( s 1)( s 2) ( s 1)(0.5s 1)
它的模拟电路图如下图所示
图 1-2 实验电路参考单元：U9、U10 2．常规 PID 控制算法 常规 PID 控制位置式算法为
被控二阶对象的模拟电路图
u (k ) k p {e(k )
T Ti
e(i) T [e(k ) e(k 1)]}
四、实验步骤 1．启动计算机，在桌面双击图标 THBDC-1，运行实验软件。 2．点击工具栏上的“通道设置” ，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1” ，并点击 “开始采集”按钮。 3．将数据采集卡的 DA1 的输出端接到直流电机单元的标有“控制信号输入”端，将数据 采集卡的 AD1 接到直流电机单元的“霍耳输出”端。并将“输出”端的“+” 、 “-”分别与直流 电机的“+” 、 “-”端相连。检查接线无误后，打开“电源开关” 。 4．打开工具栏上“脚本编辑器” ，在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮，在“计算 机控制算法”文件夹下选中“直流电机”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后在“脚本 编辑器”窗口上点击“运行”按钮，观察直流电机的运行情况。 5．在“脚本编辑器”窗口上点击“停止”按钮，适量改变控制器 P、I、D 值的大小，再 点击“运行”按钮。再观察直流电机的运行情况。 6．实验结束后，关闭“脚本编辑器”窗口，并顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏 的“退出”按钮。 五、实验报告要求 1．画出直流电机控制系统的方框图。
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1．记录实验步骤和实验数据。 序号 SV K Ti Td Ts Max 曲 线
2．绘出实验中二阶被控对象在各种不同的 PID 控制下的响应曲线。 3．分析不同 PID 参数对系统的影响。 七、附录 1．被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成
图 1-1 数-模混合控制系统的方框图 图中信号的离散化通过数据采集卡的采样开关来实现。 被控对象的传递函数为：
3
'初始化函数
'算法运行函数 '当前测量值 '设定值 0~10
K=0.8 Ti=5 Td=0 Ts=0.1 ei=sv-pv q0=K*ei if Ti=0 mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts q1=q1+mx if q1>4.9 then q1=4.9 end if if q1<-4.9 then q1=-4.9 end if pvx=pv op=q0+q1+q2 if op<=-4.9 then op=-4.9 end if if op>=4.9 then op=4.9 end if WriteData op ,1 end sub sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub
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'采集周期 '比例项
then
'当前积分项 '微分项 '积分项
'当前积分限幅，以防积分饱和
'当前输出值 '输出值限幅
'退出函数
实验二 单闭环 PID 直流调速系统
一、实验目的 1．掌握用 PID 控制规律的直流调速系统的调试方法。 2．了解 PWM 调制、直流电机驱动电路的工作原理。 二、实验设备 1．THBDC-1 型控制理论·计算机控制技术实验台。 2．THBXD 数据采集卡一块(含 37 芯通信线、16 芯排线和 USB 电缆线各 1 根)。 3．PC 机 1 台(含上位机软件“THBDC-1”)。 三、实验原理 直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢控制驱 动：即控制加在电枢电压信号，以控制电机的转速与方向。 功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去 的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅（晶闸管） 。现在基本上采用晶体管功率放 大器。PWM 功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的 静摩擦等优点。 PWM 调制与晶体管功率放大器的工作原理： 1．PWM 的工作原理
扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的τ、 Tx 参数获得一个初步的 PID 控制参数， 然后 在此基础上通过部分参数的调节（试凑）使系统获得满意的控制性能。 5．位置式 PID 数字控制器程序的编写与调试示例 dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op sub Initialize(arg) WriteData 0 ,1 mx=0 pvx=0 end sub sub TakeOneStep (arg) pv = ReadData(1) sv=2
'算法运行函数 '当前测量值
'采集周期 50ms
'比例项
'当前积分项 '微分项
'当前积分限幅， 以防积分饱
'当前输出值
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if op<=1 then op=1 end if if op>=3.5 then op=3.5 end if WriteData op ,1 TTRACE "op=%f", op end sub sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub
i 1
k
Td
对应的 Z 传递函数为 U ( z) 1 D(Z) K P Ki K d (1 Z 1 ) E (Z ) 1 z 1 式中 Kp---比例系数 Ki= K p T 积分系数，T 采样周期 Ti
2
Kd＝ K p
Td 微分系数 T
其增量形式为
u ( k ) u ( k 1) K p [e( k ) e( k 1)] K i e( k ) K d [e( k ) 2e( k 1) e( k 2)]
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图 2-2 SG3525 内部结构
4．直流电机控制系统如图 2-3 所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采 集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律（通常为 PID）运 算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。
图 2-3 直流电机控制系统
③ 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ和被控对象时间常数 Tx，以及它们的比值 Tx/τ，然后查下表确定控制器的 KP、Ki、Kd 及采样周期 T。 控制度 1.05 1.2 1.5 控制律 PI PID PI PID PI PID T 0.1τ 0.05τ 0.2τ 0.16τ 0.5τ 0.34τ KP 0.84Tx/τ 1.15Tx/τ 0.78Tx/τ 1.0Tx/τ 0.68Tx/τ 0.85Tx/τ Ti 0.34τ 2.0τ 3.6τ 1.9τ 3.9τ 1.62τ Td — 0.45τ — 0.55τ — 0.82τ
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2．分析 P、I、D 控制参数对直流电机运行的影响。 六、参考程序 dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op sub Initialize(arg) WriteData 0 ,1 mx=0 pvx=0 end sub sub TakeOneStep (arg) pv = GetFS TTTRACE "转速=%f",pv sv=35 K=2 Ti=2 Td=0 Ts=0.05 ei=(sv-pv )/20 TTRACE "ei=%f", ei q0=K*ei if Ti=0 then mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts q1=q1+mx if q1>3.5 then q1=3.5 end if if q1<-3.5 then 和 q1=-3.5 end if pvx=pv op=q0+q1+q2 '初始化函数
过程控制实验指导书
实验一 基本 PID 调节器参数整定
一、实验目的 1．学习并熟悉常规的数字 PID 控制算法的原理。 2．掌握具有数字 PID 调节器参数的整定方法。 二、实验设备 1．THBDC-1 型控制理论·计算机控制技术实验台。 2．THBXD 数据采集卡一块(含 37 芯通信线、16 芯排线和 USB 电缆线各 1 根)。 3．PC 机 1 台(含上位机软件“THBDC-1”) 。 三、实验内容 1．利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统； 2．采用常规的 PI 和 PID 调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使 之具有满意的动态性能； 3．对系统采用积分分离 PID 控制，并整定调节器的参数。 四、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。 五、实验步骤 1．启动计算机，在桌面双击图标 THBDC-1，运行实验软件。 2．点击工具栏上的“通道设置” ，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1” ，并点击 “开始采集”按钮。 3．按图 1-1 和图 1-2 连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路，该电路的输出与数据采 集卡的输入端 AD1 相连，电路的输入与数据采集卡的输出端 DA1 相连。待检查电路接线无误 后， 启动实验台的“电源开关” ，并将锁零按钮处于“不锁零”状态。 4．点击工具栏上的“脚本编辑器” ，在弹出的窗口中点击“打开”按钮。在“数字 PID 调 节器算法”文件夹下选中“位置式 PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。然后在“脚本 编辑器”窗口上点击“运行”按钮，用示波器观察图 1-2 输出端的响应曲线。 5．在“脚本编辑器”窗口上点击“停止”按钮，调整 PID 控制器的 P、I、D 及系统采样 时间 Ts 等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响。 6．实验结束后，关闭“脚本编辑器”窗口，并顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏 的“退出”按钮。 六、实验报告要求
G(S )
10 5 ( s 1)( s 2) ( s 1)(0.5s 1)
它的模拟电路图如下图所示
图 1-2 实验电路参考单元：U9、U10 2．常规 PID 控制算法 常规 PID 控制位置式算法为
被控二阶对象的模拟电路图
u (k ) k p {e(k )
T Ti
e(i) T [e(k ) e(k 1)]}
四、实验步骤 1．启动计算机，在桌面双击图标 THBDC-1，运行实验软件。 2．点击工具栏上的“通道设置” ，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1” ，并点击 “开始采集”按钮。 3．将数据采集卡的 DA1 的输出端接到直流电机单元的标有“控制信号输入”端，将数据 采集卡的 AD1 接到直流电机单元的“霍耳输出”端。并将“输出”端的“+” 、 “-”分别与直流 电机的“+” 、 “-”端相连。检查接线无误后，打开“电源开关” 。 4．打开工具栏上“脚本编辑器” ，在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮，在“计算 机控制算法”文件夹下选中“直流电机”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后在“脚本 编辑器”窗口上点击“运行”按钮，观察直流电机的运行情况。 5．在“脚本编辑器”窗口上点击“停止”按钮，适量改变控制器 P、I、D 值的大小，再 点击“运行”按钮。再观察直流电机的运行情况。 6．实验结束后，关闭“脚本编辑器”窗口，并顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏 的“退出”按钮。 五、实验报告要求 1．画出直流电机控制系统的方框图。
