PID控制器的动态特性

1/6实验报告学院：工学院年级：15机电实验室室温：姓名：董东启实验时间：2017.05指导教师：实验三、PID控制器的动态特性一、实验目的1、熟悉PI、PD和PID三种控制器的结构形式。2、通过实验，深入了解PI、PD和PID三种控制器的阶跃响应特性和相关参数对它们性能的影响。二、实验设备1、TKKL-1控制理论实验箱1台2、TDS1001B数字存储示波器1台3、万用表1只。三、实验原理PI、PD和PID三种控制器在工业控制系统中有广泛的应用（以下各实验内容的有关参数也可根据需要自己设定）。(1)PD控制器电路如图2所示，其传递函数为：G（s）=-KP(TDS+1),其中Kp=R2/R1，TD=R1C(建议把R1设为100K,R2设为200K,C设为0.1U或1U参照图2，也可自由选取。R1=100KC=1UR2=200KUA741UiU0图1PD控制器原理图(2)PI控制器PI控制器电路如图3所示，其传递函数为：G（s）=-KP(1+1/TIS)，其中Kp=R2/R1，TI=R2C。(建议把R1设为200K，R2设为200K)，也可自由选取。R1=100KC=1UR2=200KUA741U0Ui图2PI控制器原理图2/6实验报告学院：工学院年级：15机电实验室室温：姓名：董东启实验时间：2017.05指导教师：（3）PID控制器如图4所示，其传递函数为：G（s）=-KP(1+1/TIS+TDS)，其中，，Ti=R1C2，Kp=（）/Ti，，TD=（）/（）R1C2R2UA741U0UiC1图3PID控制器原理图四、实验内容1、按其原理图连线，令Ur=1V，C=1uF，用示波器分别测试R1=100K和R2为200K时（或R1=200K和R2为200K时）的PD控制器的输出波形（PD控制器的有关参数也可根据实验条件自己选择合适的参数）。2、令Ur=1V，C=1uF，用示波器分别测试R1=100K和R2=200K时（或R1=200K和R2=200K时）的PI控制器的输出波形（PI控制器的有关参数也可根据实验条件自己选择合适的参数）。3、令Ur=1V，设计PID控制器的有关参数，并用示波器测试PID控制器的输出波形。（参考值R1=100K，C1=1uF，R2=200K，C2=2Uf），（PI控制器的有关参数也可根据实验条件自己选择合适的参数）。五、数据处理1、PI控制器电路如图所示，其传递函数为：G（s）=-KP(1+1/TIS)，其中Kp=R2/R1,TI=R2C,R2=200KΩ，R1=100KΩ,C=1uF3/6实验报告学院：工学院年级：15机电实验室室温：姓名：董东启实验时间：2017.05指导教师：阶跃响应曲线理想输出波形：G（s）=-0.2s-22、PI控制器PI控制器电路如图2所示，其传递函数为：G（s）=-KP(1+1/TIS)，其中Kp=R2/R1,TI=R2C,R2=200KΩ，R1=100KΩ,C=1uF4/6实验报告学院：工学院年级：15机电实验室室温：姓名：董东启实验时间：2017.05指导教师：阶跃响应曲线理想输出波形：3、PID控制器如图3所示，为PID控制器的电路图，其传递函数为：G（s）=-KP(1+1/TIS+TDS)，其中1=R1C1，2=R2C2，Ti=R1C2，Kp=（1+2）/TI，TI=1+2，TD=（12）/（1+2）,C1=2uF,C1=1uF,R1=100KΩ,R2=200KΩ5/6实验报告学院：工学院年级：15机电实验室室温：姓名：董东启实验时间：2017.05指导教师：阶跃响应曲线：理想输出波形：分析有关参数对三种控制器性能的影响。(1)比例系数比例系数Kp对系统性能的影响1、对系统的动态性能影响：Kp加大将使系统响应速度加快。Kp偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长。Kp太小又会使系统的响应速度缓慢。Kp的选择以输出响应产生4:1衰减过程为宜。2、对系统的稳态性能影响：在系统稳定的前提下，加大Kp可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。因此Kp的整定主要依据系统的动态性能。(2)积分时间TI对系统性能的影响1、对系统的动态性能影响：积分控制通常影响系统的稳定性。TI太小，系统可能不稳定，6/6实验报告学院：工学院年级：15机电实验室室温：姓名：董东启实验时间：2017.05指导教师：且振荡次数较多。TI太大，对系统的影响将削弱。当TI较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。2、对系统的稳态性能影响：积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度。但若TI太大，积分作用太弱，则不能减少余差。(3)微分时间TD对系统性能的影响1，对系统的动态性能影响：微分时间TD的增加即微分作用的增加可以改善系统的制精度。但TD值偏大或偏小都会适得其反。另外微分作用有可能放大系统的噪声，降低系统的抗干扰能力。2、对系统的稳态性能影响：微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。在工业过程控制中，通常要保证闭环系统稳定。对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。在不同干扰下输出应能保持在给定值附近，控制量尽可能地小。在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。一般来说，要同时满足这些要求是很难做到的。必须根据系统的具体情况，满足主要的性能指标。同时兼顾其它方面的要求。在选择采样周期T时，通常都选择T远远小于系统的时间常数。因此，PID参数的整定可以按模拟控制器的方法来进行。六、思考题实验得到的PD和PID输出波形与它们的理想波形是否一致？产生不一致的原因是什么？答：两种波形不一致。这是因为PD控制器只有微分和比例环节，存在稳态误差；而PID经过积分环节，不存在稳态误差，并且积分环节有惯性作用，相当于低通滤波器，输出波形高频噪声相对较小。七、心得体会1、本次实验的电路不是很复杂，关键是接线时要接的准确，在本次实验中，我对示波器的使用进一步熟悉了。2、实验测得的波形与理想波形有一点不一样，这是PD控制器存在的稳态误差等造成的，这加深了我对控制器的熟悉。