直流电机 PID 闭环数字控制器设计

之实验 直流电机PID闭环数字控制器设计一个完整的数字控制系统广西大学电气工程学院自动化专业信号与控制课群教学团队

实验基本属性 • 实验类型：设计 • 难度系数：0.7 • 实验性质：必做 • 课内学时：4 • 课外学时：2 • 开课方式：课外利用MATLAB/Simulink仿真并编写PID相关的C语言代码，课内做实验。 • 人数：3人 • 实验目的： • 巩固闭环控制系统的基本概念。 • 了解闭环控制系统中反馈量的引入方法。 • 掌握PID算法数字化的方法和编程及不同PID算法的优缺点 • 实验设备与软件 • labACT实验台 MATLAB/Simulink软件 labACT软件

实验原理 • PID控制原理 • PID调节的原则与经验 • PID算法的数字实现 • 直流电机的闭环调速原理 • 被模拟对象模型描述 • 8088主程序流程图与程序 • 实验操作说明特别提醒

PID控制原理 • PID调节原理 • 比例调节作用：按比例反应系统的偏差产生调节作用。比例作用大，可以加快调节，减少误差，但是过大的比例，使系统的稳定性下降，甚至造成系统不稳定。 • 积分调节作用：消除稳态误差。积分作用的强弱取决与积分时间常数Ti，Ti越小，积分作用就越强；反之，Ti大则积分作用弱。加入积分调节可使系统稳定性下降，动态响应变慢，即积分作用使响应滞后。 • 微分调节作用：微分作用反映系统偏差信号的变化率，产生超前的控制作用。在偏差还没有形成之前，已被微分调节作用消除，改善系统的动态性能。在微分时间选择合适情况下，可以减少超调，减少调节时间。微分作用对噪声干扰有放大作用，因此过强的加微分调节，对系统抗干扰不利。此外，微分反应的是变化率，而当输入没有变化或变化非常缓慢时，微分作用输出为零。微分作用不能单独使用。 • 控制器可以为P、PI、PD、PID

PID调节的原则与经验 • PID参数经验整定原则 • 在输出不振荡时，增大比例增益，减小积分时间常数，增大微分时间常数。 • 经验整定口决为 • 参数整定找最佳，从小到大顺序查， • 先是比例后积分，最后再把微分加， • 曲线振荡很频繁，比例度盘要放大(即比例增益要变小)， • 曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳(即比例增益要变大)， • 曲线偏离回复慢，积分时间往下降， • 曲线波动周期长，积分时间再加长， • 曲线振荡频率快，先把微分降下来， • 动差大来波动慢，微分时间应加长， • 理想曲线两个波，前高后低4:1， • 一看二调多分析，调节质量不会低。

PID算法的数字实现 • 标准PID算法 • 积分分离PID控制算法----数字积分抗饱和 • 不完全微分PID算法

直流电机的闭环调速原理 • 直流电机闭环调速系统原理 • 对象：直流电机 • 测量单元：光电断续器测速+信号采集与调理电路 • 执行单元：数/模转换器+放大电路 • 控制单元：CPU8088+程序

直流电机的闭环调速原理 • 直流电机的驱动调速电路原理图

直流电机的闭环调速原理 • 直流电机的测速----测速电路原理电机转速(转/分钟)= 脉冲频率(/秒)× 60 ÷12

被模拟对象模型描述 • 对象模型注：由于各实验箱的电机特性不同，不同的实验箱测得的电机模型也不相同。

8088主程序流程图与程序 主程序入口赋段地址各参数变量初始化 8253初始化 8259初始化设置中断入口地址开中断循环运行 • 程序流程 PID部分程序(见main.c) intpid(intP,intI,intD,int E) //P---比例系数KP // I---积分时间常数Ti（单位ms） // D---微分时间常数Td(单位ms) // E---本次速度偏差e(n) //已定义全局变量 II---上次积分累计和 //E0--上次速度偏差e(n-1) //E1---更上次速度偏差e(n-2) //U0---上次控制器输出U(n-1) //采样周期为5ms //返回PID控制器输出 { //请同学自行填写PID程序 }

实验操作特别提醒 • 实验连线 • 请认真阅读理解实验指导书上的相关内容后，进行连线 • 编译连接程序 • 将下载的main.c中PID程序部分补充(课外完成)后,在实验室编译连接 • 加载运行、观察、记录 • 认真阅读实验指导中的”加载运行、观察、记录”部分

实验内容与提示 • 建立直流电机闭环调速仿真,并分析 • 按图在MATLAB/Simulink环境中建立仿真模型(可以基于标准PID,也可以所有形式的PID均试一试) • 获得一系列PID的某个参数变化,其他参数变化情况下的仿真曲线 • 比较分析P、I、D参数对系统的影响

实验内容与提示 • 编制标准PID算法实现直流电机闭环调速 • 画PID算法(可以是增量式，也可以是绝对式)流程图 • 按main.c中给出的函数入口与出口编制PID程序，注意并不是所有的已引入变量均用上，这要看是哪一种PID算法 • 观察波形并记录曲线，并分析 • 按指导中给出的表格记录数据 • 分析曲线

实验内容与提示 • 实验拓展 • 在原标准PID控制算法基础上将其修改成积分分离PID控制算法、不完全微分PID控制算法、积分分离PID与不完全微分PID相结合的算法 • 按指导中给出的表格记录数据 • 分析比较各种方法

实验报告要求 • 实验报告要求简要的说明实验原理(少于400字)； • 简明扼要的总结实验内容；写出具体实验方法；按要求完成实验内容，设计必要的数据记录表格，必要的数据、表格(记录具有对比性的数据)、图形、程序需给出，并结合实验分析中给出的分析内容适时给出分析； • 给出本实验的结论，并简明扼要地对实验进行总结；另可提出实验设计或实验的新思路。报告格式请按实验报告模板编写。 • 说明通过本实验，你获得了哪些以前不知道的东西。

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