实验二标准PID控制算法.docx
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常州大学硬件实验报告
常州大学信息数理学院
计算机控制系统实验报告
第二次实验
实验名称标准PID控制算法
专业自动化142
实验组别姓名徐亮学号14417228
同实验者李国梁、王凯翔记录
实验时间2017年06月11日
成绩审阅教师
一、实验目的
（1）了解和掌握连续控制系统的PID控制算法的模拟表达式（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）完成对各种PID控制系统的设计。
（4）观察和分析在标准PID控制系统中，P.I.D参数对输出波形的影响。
（5）了解和掌握本实验机的PID控制算法中的特殊使用。
二、实验原理及说明
在一个控制系统中，采用比例、积分和微分控制方式控制，称之谓PID控制。
它对于被控对象的传递函数G（S）难以描述的情况，是一种.应用广泛，行之有效的控制方式。
数字PID控制器是基于连续系统的计算机数字模拟设计技术，它把输入信号离散化，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，对它进行处理和控制。
差分方程是一种描述离散系统各变量之间动态关系的数学表达式，它只能表示连续时间函数在采样时刻的值。
通常，都是用后向差分方程进行描述的。
此时，该离散系统在k刻的输出信号P（k），不但与k时刻的输入r（k）有关，而且与k时刻以前输入r（k-1），r（k-2），有关，同时还与k时刻以前的输出c（k-1），（k-2），有关。
由微分方程直接建立差分方程，首先须对微分方程离散化，即是用差分方程去逼近微分方程的变化规律，其具体内容包括导数、微分、积分、函数和时间t等参数的离散化。
差分方程和微分方程不仅形式上相似，且微分、积分与差分、求和在含义上对应，并在一定的条件下，可以相互转化。
设采样周期T足够小，远小于时间常数τ，当t=kT时，可将微分方程中的导数可用差分项代替，积分项用求和式代替，函数用序列表示，时间t变成离散量kT，即：
用式（4-5-1）就可以把微分方程直接变为差分方程。
差分方程的求解有经典法、迭代法和Z变换法。
本实验机的数字PID控制实验，它对被控对象不作明确要求，但如果要得到输出的解析解，还須求助于拉氏变换的Z变换进行。
数字PID控制实验的原理方框图见图所示：
三、实验内容及步骤
（1）只要运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的数字PID控制实验项目，再选择开始实验，会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。
在程序运行中，随时可修改控制系数PID，然后点击发送，无须点击停止；只有在需观察实验结果时，才需点击停止。
数字PID控制实验构成
（2）将函数发生器（B5）单元的输出（OUT）作为系统输入R。
（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号）a．将该单元的S1置‘阶跃’档（最顶端），S2‘0.2-6S’档。
b.调节调幅电位器使OUT输出电压<2.5V，调节调宽电位器使OUT正输出宽度>2秒。
（3）安置短路套、联线，构造模拟电路：
（4）虚拟示波器（B3）的联接：
示波器输入端CH1接到A6单元输出端OUT（C），CH1选‘X1’档。
（5）运行、观察、记录：
该实验的显示界面中采样周期T（1~99）x5mS，“控制系数”栏的比例系数Kp（0.00~2.00）、调节器的积分时间常数Ti（1~199mS）、调节器的微分时间常数Td（0~200mS）；均可由用户在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果。
改变Kp、Ti、Td这些参数后，只要再次点击“发送”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。
注：
该实验的显示界面“控制系数”栏的积分时间常数Ti，不能随意改成200ms，这将取消积分控制，变为PD控制。
（详见PID控制算法特殊使用）该实验的显示界面中已设定采样周期T=4*5mS=20mS，“控制系数”栏的Kp、Ki、Kd已设定：
Kp=0.60，Ti=100mS，Td=30mS
运行程序，用示波器观察输出C，如果现象不明显则可以调节A7单元中的可变电阻和函数发生器（B5）中的调宽调幅。
记录Kp、Ti、Td、MP、ts、参数，在表中填入给此次的各参数与结果。
四、实验结果及截图
Kp
Ti
Td
Mp
Ts
1
0.8
100
25
0.63
1.62
2
0.6
100
30
0.47
2.82
五、实验结果分析及感悟
本次标准PID控制算法实验，刚开始我们在调整曲线时遇到了麻烦，多次调整没有调出理想的曲线，通过对每次调整曲线时曲线的变化观察，我们找到了调整方法，慢慢地调节各参数，最终调出了相对理想的曲线。
通过本次实验，我明白了实验的过程及原理，也学会了实验的操作，相对来说，PID控制算法对于我们专业可是很重要，而本次实验让我们对PID控制算法进一步了解与掌握，为今后的学习打下了更坚固的基础。
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