实验5 球杆系统的数字PID控制实验

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。

倒立摆PID控制实验1．实验目的：学习实验系统建模；PID控制作用机理及实现2．实验步骤（一）倒立摆数控平台PID位置控制实验部分1．实验原理图1 实验平台系统组成图2 实验方案此部分实验平台系统是由X平台机械本体、交流伺服电机、智能控制器和上位机（PC 机）组成。

我们以“工作台的移动位置”为控制对象，在位置环闭环控制回路中，为了取得良好的跟踪效果，通过调整该环PID参数，实现系统良好的位置响应特性。

2．实验步骤（1）确认系统连线正确，打开电控箱电源；（2）将XTable Experiment 文件夹拷贝到Matlab的work文件夹下，打开matlab，将当前路径改为“。

\Program Files\MA TLAB\work\XTable Experiment”；（3）在命令窗口输入TimeRe，按回车键确定，打开时间响应实验的的主界面；（4）在界面中的“输入类型”中，点击下拉菜单，显示“无”、“Go2Center”、“Control”、“Step”、“Impulse”等选项。

其中“Go2Center”或“Control”选项用于设置平台的初始位置。

其中“Go2Center”为自动控制工作台到中央一个设定的位置。

“Control”为手动设置工作台位置。

（5）完成上一步后，可依次选择打开StepIn，Impulse等文件。

例如打开StepIn，双击“Double click”模块，设置PC机与控制器的通信端口，并可修改控制卡位置控制回路的PID参数。

程序运行时将此PID参数下载至智能控制其，此时上位机不再作为控制器。

建议在修改PID参数前将最初的参数记录下来，以免遗忘丢失。

（6）点击运行按钮，双击scope可以查看工作台的单位阶跃响应曲线。

（7）单击获取性能参数值，可获取单位阶跃响应的超调量，调整时间，稳态误差，以便更清楚系统的性能。

单击“获取坐标值”便可读取时间响应曲线上任意点的坐标值。

（8）单击“响应误差曲线”按钮，便可得系统时间相应的误差曲线。

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。

球杆定位控制系统实验指导书实验指导书深圳市鸥鹏科技有限有限公司二○○五年十月目录目录 (2)一、球杆定位控制系统认知实验 (5)实验目的 (5)实验内容 (5)实验步骤 (5)实验报告 (7)二、系统建模分析 (8)1、机械建模分析 (8)2 电机建模分析 (8)三、球杆定位控制系统控制实验 (11)实验目的 (11)实验内容 (11)1、P控制器设计 (11)2、PD控制器设计 (12)2、PID控制器设计 (12)实验步骤 (12)实验报告 (20)四、球杆定位控制系统扩展控制实验 (21)4. 1 根轨迹算法设计 (21)4.2. 频率响应法设计 (21)前言球杆定位控制系统是为自动化，机械电子，电气工程等专业的基础控制课程教学实验而设计的实验设备。

通过对球杆系统进行分析和实验，学生可以学习对物理系统的建模和控制系统的设计，熟悉PID控制的设计和调节，以及利用别的控制理论和算法进行实验。

一、球杆定位控制系统认知实验实验目的认知球杆定位控制系统的结构和工作原理，熟悉系统的工作流程，并检验系统各通道的工作状况是否正常。

实验内容球杆定位控制系统结构如下图，有连杆机构及相应的电气驱动，传感部分组成，其工作流程为通过电机驱动，带动连杆运动，改变钢球所在滑道的倾斜角度，使钢球在重力作用下沿滑道运动。

本实验内容是要详细了解系统的结构，关键部件，并联机测试各部件工作是否正常。

实验步骤1、认真观察球杆定位控制系统，指出系统的各个部分，打开后盖，认知相关的电气控制部分及机械传动部分，并做好记录。

2、安装好后盖，将电源线，通讯线与电源箱，电脑正常连接。

3、接通电源，打开测试软件：1)在matlab下打开QGTEST.MDL进入测试界面：2)点击运行：3)设置运动位置POS，观察球杆运动情况，4)切换伺服开关，运动，停止开关，测试硬件响应5)改变运动速度，加速度及位置，观察运动情况6)打开各个示波器7)用手轻拨钢球，让钢球在滑道上缓慢滚动，观察采集到钢球的位置数据8)停止实时仿真，观察各示波器数据，并保存到相应的文件实验报告1写出球杆定位控制器通的主要组成，并描述各模块的功能与实现。

《建模仿真与相似原理》課程实验报告第一章简化模型的建立和稳定性分析一、实验目的1.了解机理法建模的基本步骤；2.会用机理法建立球杆系统的简化数学模型；3.掌握控制系统稳定性分析的基本方法；二、实验要求1.采用机理法建立球杆系统的数学模型；2.分析的稳定性，并在 matlab 中仿真验证；三、实验设备1.球杆系统；2.计算机 matlab 平台；四、实验分析及思考题Simulink模型：Matlab仿真结果：思考题：1.根据建模的过程，总结机理法建模的基本步骤：1)根据系统运动的物理规律建立方程；2)化简为微分方程；3)根据小偏差线性化的理论化简为线性系统的传递函数；2.实验结果分析、讨论和建议。

答：影响系统稳定的因素是闭环系统的极点位置，闭环极点为[i，-i]，在虚轴上，所以其阻尼为0，则系统震荡。

测量系统稳定性的方法之一是加入大小合适的阶跃信号，根据其输出的阶跃响应分析系统的稳定性和其他性能。

第二章仿真及实物模拟仿真实验2.1 PID仿真及实物模拟仿真实验一、实验目的1.会用 PID 法设计球杆系统控制器；2.设计并验证校正环节；二、实验要求1.根据给定的性能指标，采用凑试法设计 PID 校正环节，校正球杆系统，并验证之。

2.设球杆系统的开环传递函数为：设计 PID 校正环节，使系统的性能指标达到： St ≤10s，δ≤30%。

三、实验设备1.球杆系统；2.计算机 matlab 平台；四、实验过程1.未校正系统仿真Simulink模型及仿真结果如第一章所示；2.PID校正法仿真Simulink模型：Matlab仿真结果：参数设定：Kp=10 Ki=0 Kd=103.PID实时控制Simulink模型：实时控制结果：Step参数设定：Step time=1 Final value=0.25PID参数设定：P=3 I=1 D=1.54.实验记录五、实验分析1.怎样确定PID 控制器的参数？答：由于ID 控制器各校正环节的作用如下：比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e（t）,偏差一旦产生，控制器立即产生作用，以减少偏差；积分环节：主要用于消除稳态误差，提高系统的型别。

数字pid控制实验报告doc数字pid控制实验报告篇一：实验三数字PID控制实验三数字PID控制一、实验目的1．研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。

2．研究采样周期T对系统特性的影响。

3．研究I型系统及系统的稳定误差。

二、实验仪器1．EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2．PC计算机一台三、实验内容1．系统结构图如3-1图。

图3-1 系统结构图图中 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．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应GP1（s）,图3-3对应Gp2（s）。

图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图23．被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可系统变为“I型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II 型”系统。

4．当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。

5．PI调节器及PID调节器的增益Gc（s）=Kp（1+K1/s）=KpK1(（1/k1）s+1) /s=K(Tis+1)/s式中 K=KpKi ,Ti=（1/K1）不难看出PI调节器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。

采用PID调节器相同。

6．“II型”系统要注意稳定性。

对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为G（s）=Gc（s）·Gp2（s）=K（Tis+1）/s·(本文来自：/doc/a1e402b1c081e53a580216fc700abb 68a882ad33.html 小草范文网:数字pid控制实验报告)1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1 7．PID 递推算法如果PID 调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：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--采样周期四、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。

球杆系统控制器设计实验报告学院：自动化学院组号：5成员：球杆系统控制器设计实验一、实验目的和要求1.1 实验目的（1）通过本设计实验，加强对经典控制方法（PID控制器）和智能控制方法（神经网络、模糊控制、遗传算法等）在实际控制系统中的应用研究。

（2）提高学生有关控制系统控制器的程序设计、仿真和实际运行能力.（3）熟悉MATLAB语言以及在控制系统设计中的应用。

1.2 实验要求（1）每两人一组，完成球杆系统的开环系统仿真、控制器的设计与仿真以及实际运行结果；（2）认真理解设计内容，独立完成实验报告，实验报告要求：设计题目，设计的具体内容及实验运行结果，实验结果分析、个人收获和不足，参考资料。

程序清单文件。

二、实验内容本设计实验的主要内容是设计一个稳定的控制系统，其核心是设计控制器，并在MATLAB/SIMULINK环境下进行仿真实验，并在球杆实验平台上实际验证。

算法实现：设计模糊控制器控制球杆系统，达到要求目标。

三、实验原理3.1 球杆系统的特点球杆系统是一个典型的非线性系统，理论上而言，它是一个真正意义上的非线性系统，其执行机构还具有很多非线性特性，包括：死区，直流马达和带轮的传动非线性，位置测量的不连续性，导轨表面不是严格的光滑表面，产生非线性阻力，这些非线性因素对于传统意义上的测量和建模造成很大的影响，并对系统的控制性能造成非常大的影响，怎样去设计一个鲁棒的控制系统，是现代控制理论的一个重要问题。

因为系统机械结构的特点，球杆系统具有一个最重要的特性——不稳定性，对于传统的实验方法，存在一些实验的难处，不稳定的系统容易对实验人员产生危险或是不可预料的伤害，球杆系统相对而言，机械比较简单，结构比较紧凑，安全性也比较高，是一个可以避免这些危险和伤害的实验设备。

3.2 球杆系统的数学模型对小球在导轨上滚动的动态过程的完整描述是非常复杂的，设计者的目的是对于该控制系统给出一个相对简单的模型，如图3.1所示为实验使用球杆系统简化图。

球杆系统实验实验一小球位置的数据采集处理一、实验目的：学会用Simulink仿真与硬件连接并获得小球位置。

二、实验任务：1、在MatLab Simulink中通过添加功能模块完成球杆系统模型的建立；2、正确获得小球位置数据；三、实验原理：小球的位置通过电位计的输出电压来检测，它和IPM100的AD转换通道AD5相连，AD5(16位)的范围为0－65535，对应的电压为0－5V，相应的小球位置为0－400mm。

MatLab Simulink环境下的数据采集处理工具箱提供了强大的功能。

可以编写扩展名为mdl的图形文件，采集小球的位置信号，并进行数字滤波。

四、实验设备及仪器：1、球杆系统；2、计算机MATLAB平台；五、实验步骤：将MatLab主窗口的Current Directory文本框设置为球杆控制程序的系统文件夹；在MatLab主窗口点击进入Simulink Library Brower窗口，打开工具箱Googol Education Products\4. Ball & Beam\A. Data Collection and Filter Design，运行Data Collection and Filter Design程序，确认串行口COM Port为1后，双击Start Real Control模块，打开数据采集处理程序界面；已有的模块不需再编辑设置，其中Noise Filter1模块是专门设计的滤波器，用来抑制扰动。

请参考以下步骤完成剩余部分：1、添加、设置模块：添加User-Defined Functions组中的S-Function模块，双击图标，设置name为AD5；parameters为20.添加Math Operations组中的Gain模块，双击图标，设置Gain为0.4/65535.0.添加Sinks组中的Scope模块，双击图标，打开窗口，点击(Parameters)，设置General 页中的Number of axes为2，Time Range为20000，点击OK退出，示波器屏成双；分别右击双屏，选Axes properties，设置Y-min为0，Y-max为0.4.2、连接模块：顺序连接AD5、Gain、Noise Filter1、Scope模块，完成后的程序界面如图所示：图1.1.1 完成后的数据采集处理程序界面点击运行程序，双击Scope模块，显示滤波前后的小球位置-时间图，拨动小球在横杆上往返滚动，可得如下实验结果：图1.1.2 小球位置的数据采集处理六、实验总结通过这个实验、我学会了球杆系统模型的建立以及小球位置的获取。