实验八 系统的数字PID控制

数字pid控制算法的研究实验报告数字PID控制算法是一种常用的控制系统算法,能够通过对比例、积分和微分三个参数进行调整来控制系统的稳定性和精度。

本文将对数字PID控制算法的研究实验进行详细的描述。

实验设计本次实验采用一个控制器,其输出为闭环信号,被用于控制一个加速变量,以实现一个平稳的控制过程。

实验的具体步骤如下:1. 确定控制器的输出参数根据控制系统的实际需求,确定控制器的比例参数、积分参数和微分参数。

2. 建立实验模型将实验系统建模为阻尼比为1,反馈系数为0.8的系统。

其中,加速变量的幅值为0.1,根据实验结果,调整PID参数后可以使系统达到稳定的输出状态。

3. 进行实验将实验模型连接到控制器上,通过输入信号控制加速变量的幅值,实现控制系统的平稳输出。

通过仿真软件对实验过程进行模拟,记录实验的增益、响应时间和精度等指标。

4. 分析实验结果根据实验结果,对PID控制器的输出参数进行调整,以获得更好的控制效果。

同时,对不同参数组合的增益、响应时间和精度等指标进行分析,探究不同参数组合对控制效果的影响规律。

实验结果通过本次实验,得到以下实验结果:- 比例参数对控制效果的影响规律为:当比例参数增大时,控制增益增大,但响应时间变慢;当比例参数减小时,控制增益减小,但响应时间变快。

- 积分参数对控制效果的影响规律为:当积分参数增大时,控制增益减小,但控制稳定性好;当积分参数减小时,控制增益增大,但控制稳定性差。

- 微分参数对控制效果的影响规律为:当微分参数增大时,控制增益增大,但控制稳定性好;当微分参数减小时,控制增益减小,但控制稳定性差。

结论通过本次实验,可知数字PID控制算法在平稳控制过程中具有较好的效果,不同的参数组合可以影响控制效果的稳定性和精度,可以根据实际应用的需要调整PID控制器的参数,以实现更好的控制效果。

实验五 系统 PID 控制器设计及其参数整定一、实验目的（1） 掌握 PID 控制规律及控制器实现。

（2） 对给定系统合理地设计 PID 控制器。

（3） 掌握对给定控制系统进行 PID 控制器参数在线实验工程整定的方法。

二、实验原理在串联校正中，比例控制可提高系统开环增益，减小系统稳态误差，提高系统的控制 精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成系统闭环系统不稳定；积分控制可以提 高系统的型别（无差度），有利于提高系统稳态性能，但积分控制增加了一个位于原点的 开环极点。

使信号产生 90°的相位滞后，于系统的稳定不利，故不宜采用单一的积分控制 器；微分控制规律能反映输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的 阻尼程度，从而改善系统的稳定性，但微分控制增加了一个-1/τ 的开环零点，使系统的相 角裕度提高，因此有助于系统稳态性能的改善。

在串联校正中，PI 控制器增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于 s 左半平面的开环零点。

位于原点的开环极点可以提高系统的型别（无差度），减小稳态误 差，有利于提高系统稳态性能；负的开环零点可以减小系统的阻尼，缓和 PI 极点对系统产 生的不利影响。

只要积分时间常数 T i 足够大，PI 控制器对系统的不利影响可大为减小。

PI 控制器主要用来改善控制系统的稳态性能。

在串联校正中，PID 控制器增加了一个位于原点的开环极点，和两个位于 s 左半平面 的开环零点。

除了具有 PI 控制器的优点外，还多了一个负实零点，动态性能比 PI 更具有 优越性。

通常应使积分发生在低频段，以提高系统的稳态性能，而使微分发生在中频段， 以改善系统的动态性能。

PID 控制器传递函数为 G e （s ）=K p （1+1/T i s +T d s ），注意工程 PID 控制器仪表中比 例参数整定常用比例度 δ%，δ% =1/K p *100%.三、实验内容（1）Ziegler-Nichols ——反应曲线法反应曲线法适用于对象传递函数可以近似为 e -Ls的场合。

《计算机控制技术》数字PID控制器设计与仿真实验报告课程名称：计算机控制技术实验实验类型：设计型实验项目名称：数字PID控制器设计与仿真一、实验目的和要求1. 学习并掌握数字PID以及积分分离PID控制算法的设计原理及应用。

2. 学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。

二、实验内容和原理图3-1图3-1是一个典型的 PID 闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如图1-2所示。

图3-2中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在模拟实验平台上的运放单元搭接。

图3-2上图中，ADC1为模拟输入，DAC1为模拟输出，“DIN0”是C8051F管脚 P1.4，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。

这里，系统误差信号E通过模数转换“ADC1”端输入，控制机的定时器作为基准时钟(初始化为10ms)，定时采集“ADC1”端的信号，得到信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到控制计算机及其接口单元，由“DAC1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。

本实验中，采用位置式PID算式。

在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。

为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：当误差e(k)较大时，取消积分作用；当误差e(k)较小时才将积分作用加入。

图3-3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。

图3-3三、主要仪器设备计算机、模拟电气实验箱四、操作方法与实验步骤1.按照图3-2搭建实验仿真平台。

2.确定系统的采样周期以及积分分离值。

3.参考给出的流程图编写实验程序，将积分分离值设为最大值0x7F，编译、链接。

4.点击，使系统进入调试模式，点击，使系统开始运行，用示波器分别观测输入端R以及输出端C。

5.如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，再重复步骤3和4，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。

PID 温度控制实验PID(ProportionalIntegralDerivative)控制是最早发展起来的控制策略之一，它根据系统的误差，利用比例、积分、微分计算出控制量对系统进行控制。

当我们不彻底了解一个系统和被控对象，或者不能通过有效的测量手段来获得系统参数时，最适合用 PID 控制技术。

由于其算法简单、鲁棒性好和可靠性高，被广泛应用于工业过程控制。

PID 调节控制是一个传统控制方法，它合用于温度、压力、流量、液位等几乎所有现场，不同的现场，仅仅是 PID 参数应设置不同，只要参数设置得当均可以达到很好的效果。

本实验以 PID 温度控制为例，通过此实验可以加深对检测技术、自动控制技术、过程控制等专业知识的理解。

2、掌握正校实验的方法，并用正交实验法来确定最佳 P、I、D 参数3、会求根据温度变化曲线求出相应的超调量、稳态误差和调节时间的方法二、仪器与用具加热装置、加热控制模块、单片机控制及显示模块、配套软件、电脑。

三、实验原理1、数字 PID 控制原理数字 PID 算法是用差分方程近似实现的,用微分方程表示的 PID 调节规律的理想算式为:1de(t)u(t)KP[e(t)e(t)dtTD] (1)TI0dt 单片机只能处理数字信号，上式可等价于:tTUnKP[enTIeii0nTD(enen1)] (2) TTTenD(en2en1en2)] (3) TIT (2) 式为位置式 PID 算法公式。

也可把(2)式写成增量式 PID 算法形式: UnUnUn1KP[enen1 其中,en 为第 n 次采样的偏差量； en-1 为第 n-1 次采样的偏差量； T 为采样周期； TI 为积分时间；TD 为微分时间； KP 为比例系数。

2、PID 温度控制的框图设定温度(SV)温度偏差(EV)(EV=SV-PV)PID 调节器按周期调节脉冲宽度输出加热装置实际温度(PV)图 1PID 温度控制的框图温度 PID 控制是一个反馈调节的过程:比较实际温度(PV)和设定温度(SV)的偏差,偏差值经过 PID 调节器运算来获得控制信号,由该信号控制加热丝的加热时间,达到控制加热功率的目的,从而实现对系统的温度控制。

学生实验报告开课学院及实验室：学院机电年级、专业、班姓名学号实验课程名称计算机控制技术成绩实验项目名称实验5 球杆系统的数字PID控制实验指导教师一、实验目的1．熟悉Matlab\simulink软件；2．通过试凑法确定球杆系统的PID参数；3．在球杆系统上验证PID参数的控制效果。

二、使用仪器、材料1．球杆系统装置。

2．装有matlab2012b的计算机。

三、实验步骤1．现场实验前先用Matlab\simulink软件进行仿真。

给出球杆装置的理想传递函数(1)用Simulink设计出该系统的模型。

输入信号为阶跃信号，控制器选择PID。

(2)用试凑法确定出合适的PID参数。

(3)比较设置不同参数时系统的响应特性。

2．进行现场实验。

测试好现场装置后，试着将仿真后得出的几个PID参数输入到控制系统中，观察球杆装置的运行情况。

在现场调整参数使系统取得良好的控制效果。

(1）打开球杆系统电控箱上的电源按钮，在MATLAB/Current Folder 中打开文件系统自带程序“PID_ Control_Modify.slx”，会弹出如图所示的实时控制界面(2）双击“PID Controller”模块，设置Kp、Ki、Kd的参数，参数为仿真过程得出的参数。

双击“Step”模块，设置阶跃信号参数：step time=0，initial value=0，final value=0.25。

(3) 点击编译程序，待编译成功后，点击连接程序，点击运行程序，观察球杆和小球的运动现象。

待小球静止后，点击停止程序，打开示波器scope观察响应曲线的超调量，调节时间。

若能达到理想的控制效果，说明所设置的PID参数合理。

否则，根据波形呈现的超调量，调节时间，以及最终稳定后呈现的静差，调整PID参数，继续调试系统，最终达到理想的控制效果。

四、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等）1．Simulink仿真程序框图如下：系统输入为阶跃信号，阶跃时间为0，初始值为0，终值定为1,采样时间为0.1。

4.5.1数字PID 控制实验 1 标准PID 控制算法1. 一. 实验要求2. 了解和掌握连续控制系统的PID 控制的原理。

3. 了解和掌握被控对象数学模型的建立。

4. 了解和掌握数字PID 调节器控制参数的工程整定方法。

观察和分析在标准PID 控制系统中, P.I.D 参数对系统性能的影响。

二. 实验内容及步骤 ⑴ 确立模型结构本实验采用二个惯性环节串接组成实验被控对象, T1=0.2S, T2=0.5S Ko=2。

S e T K s G τ-+⨯≈+⨯+=1S 110.2S 21S 5.01)(000⑵ 被控对象参数的确认被控对象参数的确认构成如图4-5-10所示。

本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器, 矩形波输出（OUT ）施加于被测系统的输入端R, 观察矩形波从0V 阶跃到+2.5V 时被控对象的响应曲线。

图4-5-10 被控对象参数的确认构成实验步骤: 注: 将‘S ST ’用‘短路套’短接!① 在显示与功能选择（D1）单元中, 通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。

② B5的量程选择开关S2置下档, 调节“设定电位器1”, 使之矩形波宽度>2秒（D1单元左显示）。

③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V 左右（D1单元右显示）。

④ 构造模拟电路: 按图4-5-10安置短路套及测孔联线, 表如下。

（a ）安置短路套 （b ）测孔联线⑤ 运行、观察、记录:A)先运行LABACT 程序, 选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”（Alt+W ）项, 弹出双迹示波器的界面, 点击开始, 用虚拟示波器观察系统输入信号。

图4-5-11 被控对象响应曲线B) 在图4-5-112被控对象响应曲线上测得t1和t2。

通常取 , 要求从图中测得 ； 通常取 , 要求从图中测得 。

计算 和 : 0.84730.3567t -1.204t )]t (y 1[ln -)]t (y 1[ln )]t (y 1[ln t )]t (y 1[n t 0.8473t t )]t (y 1[ln -)]t (y 1[ln t t T 212010201102122010120==-----=-=---=τC) 求得数字PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T （工程整定法）)/0.2(1)/0.37()/0.6(1)/0.5()/2.5(]27.0)/(35.1[10000200000T T T T T T T T T T K K D I P ττττττ+⨯=++⨯=+=据上式计算数字PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T⑶ 数字PID 闭环控制系统实验数字PID 闭环控制系统实验构成见图4-5-12, 观察和分析在标准PID 控制系统中, P.I.D 参数对系统性能的影响, 分别改变P.I.D 参数, 观察输出特性, 填入实验报告,模块号 跨接座号 1 A5 S5, S7, S102 A7 S2, S7, S9, P3 B5‘S-ST ’1 输入信号R B5（OUT ）→A5（H1）2 运放级联 A5A （OUTA ）→A7（H1）3 示波器联接 ×1档B5（OUT ）→B3（CH1） 4A7A （OUTA ）→B3（CH2）图4-5-12 数字PID 闭环控制系统实验构成实验步骤: 注: 将‘S ST ’用‘短路套’短接!① 在显示与功能选择（D1）单元中, 通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。

pid的控制作用实验报告一、实验目的本次实验的主要目的是深入研究和理解 PID（比例积分微分）控制器在控制系统中的作用，并通过实际实验观察和分析其对系统性能的影响。

二、实验原理PID 控制器是一种常见的反馈控制算法，它由比例（P）、积分（I）和微分（D）三个部分组成。

比例控制部分根据误差的大小成比例地调整控制输出，其作用是快速减少误差，但不能完全消除稳态误差。

积分控制部分则对误差进行积分，随着时间的积累，积分项可以消除稳态误差，但可能会导致系统响应变慢。

微分控制部分根据误差的变化率来调整控制输出，它能够预测误差的变化趋势，提前进行调整，从而改善系统的动态性能，减少超调量和调节时间。

PID 控制器的输出为这三个部分的总和：＄u(t) ＝ K_p e(t) ＋ K_i＼int_{0}＾｛t} e(＼tau) d\tau ＋ K_d ＼frac{de(t)｝｛dt}＄其中，＄u(t)＄是控制器的输出，＄e(t)＄是设定值与实际值之间的误差，＄K_p$ 是比例系数，＄K_i$ 是积分系数，＄K_d$ 是微分系数。

三、实验设备与环境1、实验设备控制器：采用可编程逻辑控制器（PLC）或微控制器作为 PID 控制器。

执行机构：例如电机、阀门等。

传感器：用于测量系统的输出，如温度传感器、压力传感器等。

数据采集卡：用于采集传感器的数据并传输给计算机。

计算机：用于运行控制算法和数据分析软件。

2、实验环境温度：室温（约 25℃）湿度：50% 70%四、实验步骤1、系统建模首先，对实验对象进行建模，确定其传递函数或状态空间模型。

通过实验测量或理论分析，获取系统的参数，如时间常数、增益等。

2、参数整定采用试凑法或 ZieglerNichols 等整定方法，初步确定 PID 控制器的参数＄K_p$、＄K_i$ 和＄K_d$。

观察系统的响应，根据性能指标（如超调量、调节时间、稳态误差等）对参数进行调整，直到获得满意的控制效果。