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自动控制实验指导书 32.
实验六 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-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验内容
1．系统结构图如6-1图。
图6-1 系统结构图
图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1－e）/s
Gp1（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6-2和图6-3，其中图6-2对应GP1（s）,图6-3对应Gp2（s）。
-TS
图6-2 开环系统结构图1 图6-3开环系统结构图2
3．被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“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。
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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调结器的增益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·1/s（0.1s+1） 为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1<10
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.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。
2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。
3.连接被测量典型环节的模拟电路(图6-2)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。 4. 在实验项目的下拉列表中选择实验六[六、数字PID控制], 鼠标单击
按钮，弹
出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果
5.输入参数Kp, Ki, Kd（参考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。
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6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变Kp, Ki, Kd的数值和与
其相对应的性能指标?p、ts的数值。 7.取满意的Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误差。
8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图6-3)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。 9.重复4-7步骤。
10.计算Kp，Ki，Kd取不同的数值时对应的?p、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲线
及时域性能指标，记入表中： 实验结果 参数 Kp Ki Kd δ% Tp 阶跃响应曲线 五、实验报告
1．画出所做实验的模拟电路图。
2．当被控对象为Gp1（s时）取过渡过程为最满意时的Kp, Ki, Kd,画出校正后的Bode
图，查出相稳定裕量?和穿越频率?c。
3．总结一种有效的选择Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度获得满意的参数。 六、预习要求
1. 熟悉PID控制器系统的组成。
2. 熟悉PID控制器的参数对系统稳定性的影响。
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实验七 状态反馈与状态观测器
一、实验目的
1．掌握状态反馈极点配置的设计方法。 2．研究不同极点配置对系统动态性能的影响。 3．掌握全维观测器的构成及设计方法。 4．研究观测器在状态反馈极点配置中的应用。 二、实验仪器
1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验内容
1． 被控对象模拟电路图如图7-1。
图7-1 被控对象模拟电路
2．系统数学模型 （1）被控对象传递函数为
Gp（s）=Y（s）/U（s）=100/(s+3.928s+103.57) （2）被控对象状态方程 X=Ax+Bu Y=Cx
2
01??0?A??B???1??100 0? C=??103.57?3.928???
式中 ?
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