數字PID控制實驗

Ⅰ 標準PID 控制算法
一．實驗要求
1. 了解和掌握連續控制系統的 PID 控制算法的模擬表達式（微分方程）。
2. 了解和掌握采用微分方程直接建立后向差分方程的方法。
3. 完成對各種 PID 控制系統的設計。
4. 觀察和分析在標準 PID 控制系統中，P.I.D 參數對輸出波形的影響。
5. 了解和掌握本實驗機的 PID 控制算法中的特殊使用
二．實驗原理及說明
在一個控制系統中，采用比例、積分和微分控制方式控制，稱之謂 PID 控制。它對于
被控對象的傳遞函數G(S) 難以描述的情況，是一種.應用廣泛，行之有效的控制方式。
數字PID 控制實驗的原理方框圖見圖4-1 所示：

圖4-1 數字PID 控制實驗的原理方框圖
三．實驗內容及步驟
數字 PID 控制實驗構成如圖4-2 所示。
在實驗中欲觀測實驗結果時，只要運行LABACT 程序，選擇微機控制菜單下的數字
PID 控制實驗項目，再選擇開始實驗，會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相
應源文件，運行實驗程序。
在程序運行中，隨時可修改控制系數PID，然后點擊發送，無須點擊停止；只有在需觀
察實驗結果時，才需點擊停止。

圖4-2 數字PID 控制實驗構成

實驗步驟：注：將‘S ST’用‘短路套’短接!

（1）將函數發生器（B5）單元的輸出（OUT）作為系統輸入R。(連續的正輸出寬度足夠大
的階躍信號)
a．將該單元的S1 置‘階躍’檔（最頂端），S2‘0.2-6S’檔。
b.調節調幅電位器使OUT 輸出電壓 < 2.5V，調節調寬電位器使OUT 正輸出寬度 >2
秒。
（2）安置短路套、聯線，構造模擬電路：
（a）安置短路套 （b）測孔聯線

（3）虛擬示波器（B3）的聯接：示波器輸入端CH1 接到A6 單元輸出端OUT（C），CH1
選‘X1’檔。
（4）運行、觀察、記錄：
該實驗的顯示界面中采樣周期T（1~99）x 5mS，“控制系數”欄的比例系數Kp
（0.00~2.00）、調節器的積分時間常數Ti （1~199mS）、調節器的微分時間常數Td（0~200mS）；
均可由用戶在界面上直接修改，以期獲得理想的實驗結果。改變Kp 、Ti、Td 這些參數后，
只要再次點擊“發送”鍵，即可使實驗機按照新的控制參數運行。
注：該實驗的顯示界面 “控制系數”欄的積分時間常數i T ，不能隨意改成200ms，這
將取消積分控制，變為PD 控制。
運行程序，用示波器觀察輸出C，如果現象不明顯則可以調節A7 單元中的可變電阻和
函數發生器（B5）中的調寬調幅。
記錄Kp、Ti、Td、MP、ts、參數，在表4-1 中填入給此次的各參數與結果。

Ⅱ 積分分離PID 控制算法
一．實驗要求
1．了解和掌握PID 控制系統中的積分飽和現象的產生原因及消除的方法。
2．觀察和分析采用積分分離法實現PID 控制后，控制性能改善的程度及原因。
3．觀察和分析在積分分離PID 控制系統中，積分分離法的分離閥值Eo 對輸出波形的影響
二、實驗原理及說明
在控制過程中，當偏差較大或累加積分項太快時，就會出現積分飽和現象，使系統產生
超調，甚至引起振蕩。引進積分分離法，既保持了積分的作用，又減小了超調量，使得控制
性能有了較大的改善。
積分分離法要設置積分分離閥值Eo，其數值范圍為0~5.0V。
當E(k) > 0 E 時（偏差值E(k) 比較大時），采用PD 控制；當0 E(k) ≤ E 時（偏差值
E(k) 比較小時），采用PID控制。積分分離法PID算法可表示為：

二、實驗內容及步驟
積分分離PID 控制算法系統構成如圖4-2 所示。（與標準PID 控制實驗構成相同）
在實驗中欲觀測實驗結果時，只要運行LABACT 程序，選擇微機控制菜單下的數字
PID 控制實驗下的積分分離PID 控制選項，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，
點擊開始后將自動加載相應源文件，運行實驗程序。在程序運行中，隨時可修改控制系數
PID，然后點擊發送，無須點擊停止；只有在需觀察實驗結果時，才需點擊停止。
實驗步驟：增加一項積分分離閥值Eo 的設置（Eo=0.25V），其余同標準PID 控制實驗。
試著在小范圍內改變積分分離閾值，并改變比例積分微分常數，記錄實驗結果。

思考題：積分分離的作用是什么？在采用積分分離控制算法以后，系統的動態品質和穩態
品質有哪些改善？