东南大学计算机控制技术实验报告二

东南大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制技术第二次实验实验名称：数字PID调节器算法的研究院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号：同组人员：实验时间：2017年3月24日评定成绩：审阅教师：2目录一．实验目的······························································3二．实验设备······························································3三．实验原理······························································3四．实验步骤及结果························································5五．实验报告要求··························································5六．分析讨论······························································83一、实验目的1、通过编程熟悉VC++的Win32ConsoleApplication的编程环境；2、通过编程熟悉PCI-1711数据采集卡的数据输入输出；3、掌握PID控制器的编程方法；4、了解闭环控制系统的概念与控制方法；5、熟悉定时器及显示界面的使用方法；二、实验设备1．THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台2．PCI-1711数据采集卡一块3．PC机1台(安装软件“VC++”及“THJK_Server”)三、实验原理1．被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成图2.1计算机控制系统原理框图图中信号的离散化通过PCI-1711数据采集卡的采样开关来实现。2．常规PID控制算法常规PID控制位置式算法为})]1()([)()({)(1kidipkekeTTieTTkekku，当计算机等外部环境发生变化时，U（k）会产生大幅度的变化，这对很多执行对象来说，这种冲击是不能接受的。所以，工程上常用增量式控制算法。其增量形式为：)]2()1(2)([)()]1()([)1()(kekekeKkeKkekeKkukudip式中Kp---比例系数Ki=ipTTK积分系数，T采样周期PID二阶对象+-计算机DA1AD1R（t）Y（t）4Kd＝TTKdp微分系数本实验就是采用的PID增量式算法。根据被控对象和环境等不同，还可以采用积分分离PID算法，智能PID算法，微分先行等多种形式的PID控制算法。图中信号的离散化是由数据采集卡的采样开关来实现。3．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。我们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。针对本实验的二阶线性系统对象，建议用衰减曲线法：《自动控制原理》田玉平二版316页。4．程序流程图：开始初始化数据采集卡，与显示软件进行通信，从键盘输入有关输入参数按下“e”和“enter”键否？A/D采样，PID控制控制量限幅，D/A输出控制量在显示软件上画出阶跃响应曲线定时器时间到？等待关闭设备，结束NNYY5四、实验步骤1、仔细阅读“PCI-1711数据采集卡驱动函数说明.doc”和“THJK-Server软件使用说明.doc”文档，掌握PCI-1711数据采集卡的数据输入输出方法和THJK-Server软件（及相关函数）的使用方法。2、模拟电路接线图如下所示：图2.2二阶被控对象与计算机连接图图中R1=510K，R2=510K，R3=100K，R4=200K，C1=1uF，C2=10uF。DA1,AD1,AD2,是PCI-1711实验面板的接口3、用导线将二阶模拟系统的输入端连接到PCI-1711数据采集卡的“DA1”输出端，系统的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连；4、用导线将+5V直流电源输出端连接到PCI-1711数据采集卡的“AD2”输入端，作为阶跃触发使用，阶跃幅度由软件设定。初始时，+5V电源开关处于“关”状态；5、打开数字PID实验文件夹下．dsw工程文件，源程序中缺少PID算法程序。请同学用增量式算法编写PID控制程序。6、源程序编译通过后，先启动“THJK_Server”图形显示软件，再执行程序代码，在显示界面出现的曲线并稳定后（初始化后），把+5V电源打到“开”状态，观测系统的阶跃响应曲线。在实验结束后，在键盘上按下“e”和“Enter（回车键）”键，程序退出。7、用衰减曲线法反复调试PID参数，选择适当的PID参数后，重复第5步骤，直到得到满意的阶跃响应曲线为止并截图。6五、实验报告要求1．绘出二阶被控对象单位反馈（无PID调节）时的阶跃响应曲线。图1无PID调节时的阶跃响应曲线此时设定P=1，I=0，D=0，传递函数为：G(s)=10.51s+1∙22s+1，可以看到无PID调节时，阶跃响应的响应时间较长，且有较大的稳态误差2．编写PID数字控制器的C++程序（增量式算法）。//PID算法函数：pid[0]=P;pid[1]=I;pid[2]=DdoublePID(doubleei,double∗pid,doubleTs){staticdoubleex=0,ey=0;staticdoubleq0=0;staticdoubleq1=0;staticdoubleq2=0;staticdoubleop=0;q0=pid[0]∗(ei−ex);//比例项if(pid[1]==0)q1=0;elseq1=pid[0]∗Ts∗ei/pid[1];//当前积分项q2=pid[0]∗pid[2]∗(ei−2∗ex+ey)/Ts;//微分项ey=ex;ex=ei;op=op+q0+q1+q2;returnop;}3．绘出二阶被控对象在采用数字控制器后参数较好的响应曲线。（1）利用“衰减曲线法”，先采用比例控制，使K从0逐渐增加K46789衰减振荡比8.506.754.254.002.627直到系统出现如图所示4：1的衰减振荡：记录此时的Kr=8，并测出此时的振荡周期Pr=1.502。（2）将其代入公式：Kp=1.25Kr=10，Ti=0.3Pr=0.4506，Td=0.1Pr=0.15，得到的PID控制的阶跃响应曲线：4.分析采样周期Ts的减小或增大对系统阶跃响应的影响。（1）Ts=50ms时，系统阶跃响应如下（2）Ts=100ms时，系统阶跃响应如下8（3）Ts=200ms时，系统阶跃响应如下分析：采样周期的大小会影响系统响应，与Ts=100ms相比，适当减小或增大采样周期，调节时间会增大，但是系统有稳定输出。采样周期过大，不满足香农定理，会使系统动态响应特性变差，甚至会使系统震荡或不稳定。六、分析讨论1、简述PID控制的基本原理。2、论述积分参数Ki和微分参数Kd的作用。