自動控制实验3.docx

实验三 PID控制器的动态特性姓名：吴顺友 学号：2013124076 年级专业：13机电实验目的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、实验仪器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。4、U盘1只（学生自备）。三、实验原理 PI、PD和PID三种控制器原理图。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=R1C1,R1=100KΩ,R2=200KΩ,C=0.1uF图1 PD控制器原理图(2)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=1uF 图2 PI控制器原理图（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=（12）/（1+2）,C1=2uF,C1=1uF,R1=100KΩ,R2=200KΩ图3 PID控制器原理图四、实验内容1、按其原理图连线，令Ui=1.06V，C=1uF，用示波器测试R1=100KΩ和R2为200KΩ时的PD控制器的输出波形。 2、令Ui=1.06V，C=1uF，用示波器测试R1=100KΩ和R2=200KΩ时的PI控制器的输出波形。3、令Ui=1.06V，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。其中R1=100KΩ，C1=2uF，R2=200KΩ，C2=1uF。五、实验报告要求1、画出PD、PI和PID三种控制器的实验线路图，并注明具体的参数值。 2、根据三种控制器的传递函数，画出它们在单位阶跃信号作用下的理想输出波形。3、根据实验，画出三种控制器的单位阶跃响应曲线，并与理想输出波形作分析比较。控制器电路图实验输出波形图PDPIPID注：电路图用的是OPAMP_3T_VIRTUAL运算放大器，实验中用的是UA741。实验数据记录如下表：控制器单位阶跃响应曲线PDPIPID由实验和曲线和理论曲线可以得知，由于系统存在稳定误差，波形有一点点变化，但是和理论波形差别不大。4、分析有关参数对三种控制器性能的影响。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。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，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。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动态特性。如减少超调量，缩短调节时间等。适当加大比例控制，可以减少稳态误差提高控制精度。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：不一致。原因是：1、PD没有积分环节，必然存在稳态误差。 2、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