STAR ACT自控、计控使用说明

苏州科技大学
计算机控制技术实验
题目：模拟信号采样与保持班级：电气F1611
姓名：秦珍勇
学号：16200144107
学院：电子信息与工程学院
2019年12月28 日
1.1 采样与保持
一．实验目的
了解模拟信号到计算机控制的离散信号的转换—采样过程。

二．实验原理及说明
对模拟信号采样首先要确定采样间隔。

采样频率越高，采样点数越密，所得离散信号就越逼近于原信号。

采样频率过低，采样点间隔过远，则离散信号不足以反映原有信号波形特征，无法使信号复原。

计算机编程实现以不同采样周期对正弦波采样，观察不同采样周期下输出波形与输入波形相比的复原程度（或失真度）。

三、实验内容及步骤
采样实验框图如下图所示。

计算机通过模/数转换模块以一定的采样周期对信号源（B1）产生的正弦波信号采样，并通过上位机显示。

在不同采样周期下，观察比较输入及输出的波形（失真程度）。

实验步骤：
（2）运行、观察、记录：
选择采样与保持／采样实验，点击工具条上“设置”，分别改变采样周期分为0.01秒、0.1秒，点击工具条上“启动虚拟示波器”，实验运行，响应曲线见图4-1-1-2.。

图4-1-1-2 不同采样周期（0.01秒和0.1秒）下的输出波形
四．实验报告要求
按下表记录下各种频率的采样周期下的输出波形。

4.1.2 采样控制
一．实验目的
1．了解判断采样控制系统稳定性的充要条件，及采样周期T 对系统的稳定性的影响 2．掌握临界稳定时采样周期值的计算。

3．观察和分析采样控制系统在不同采样周期T 时的瞬态响应曲线。

二．实验原理及说明
1．判断采样控制系统稳定性的充要条件 临界稳定的采样周期T
线性连续系统的稳定性的分析是根据闭环系统特征方程的根在S 平面上的位置来进行的。

如果系统特征方程的根都在左半S 平面，即特征根都具有负实部，则系统稳定。

采样控制系统的稳定性分析是建立在Z 变换的基础之上，因此必须在Z 平面上分析。

S 平面和Z 平面之间的关系是：S 平面左半平面将映射到Z 平面上以原点为圆心的单位圆内，S 平面的右半平面将映射到Z 平面上以原点为圆心的单位圆外。

所以采样控制系统稳定的充要条件是：系统特征方程的根必须在Z 平面的单位圆内，只要其中有一个特征根在单位圆外，系统就不稳定；当有一个根在Z 平面的单位圆上而其他根在单位圆内时，系统就处于临界稳定。

即只要特征根的模均小于1，则系统稳定；若有一个特征根的模大于1，则系统不稳定。

2． 采样周期T 对系统的稳定性的影响及临界值的计算
图4-1-2-1 闭环采样系统构成
闭环采样系统构成电路如图4-1-2-1所示，其中被控对象的各环节参数及系统的传递函数： 积分环节（A1模块）的积分时间常数Ti=R 1*C 1=0.2S ，
惯性环节（A2模块）的惯性时间常数 T=R 2*C 2=0.5S ，增益K=R 2／R 3=5。

被控对象的开环传递函数： 1
1)(+⨯=Ts s T K s G i （4-1-1）
各环节参数代入式（4-1-1），得：)
2(50)15.0(2.05)(+=
+=
s s s s s G （4-1-2） G(z)为包括零阶保持器在内的广义对象的脉冲传递函数：
()()⎥
⎦⎤⎢⎣⎡+⨯-=-2501s s s
e Z z G Ts （4-1-3）
经Z 变换后： )
)(1()]21()12[(5.12)(2222e
e
e
e T
T
T
T z z T z T z G --------++-= （4-1-4）
闭环脉冲传递函数：)
255.115.12()5.115.1325()]
21()12[(5.12)(2222
222e
e e
e
e
e T
T
T
T
T
T
T z T z T z T z --------++-+--++-⨯=
φ (4-1-5）
闭环采样系统的特征方程式为：
0)255.115.12()5.115.1325(2222=--++-+---e e e T
T T T z T z （4-1-6） 采样控制系统稳定的充要条件是：系统特征方程的根必须在Z 平面的单位圆内。

根据式（4-1-6）可知，特征方程式的根与采样周期T 有关，只要特征根的模均小于1，则系统稳定。

若要求特征根的模小于1，须：1255.115.1222<----e e T T T （4-1-7） 从式（4-1-7）得： 采样周期T<0.0823秒。

三、实验内容及步骤
1．闭环采样系统构成电路如图4-1-2-1所示。

了解采样周期T 对系统的稳定性的影响及临界值的计算，观察和分析采样控制系统在不同采样周期T 时的瞬态响应曲线。

2. 改变采样控制系统的被控对象，计算和测量系统的临界稳定采样周期T ，填入实验报告。

实验步骤：
（2） 运行、观察、记录：
选择采样与保持／采样控制，点击工具条上“设置”，分别改变采样周期分为0.015秒、0.03秒和 0.09秒，点击工具条上“启动虚拟示波器”，实验运行，响应曲线见图4-1-2-2。

观察相应实验现象，并判断其稳定性。

图4-1-2-2 在不同采样周期（0.015秒、0.03秒和 0.09秒）下的输出波形．
四．实验报告要求
改变采样控制系统的被控对象，计算和测量系统的临界稳定采样周期T ，填入实验报告。

4.2 微分与数字滤波
4.2.1 一阶微分反馈控制
一．实验目的
1．了解微分反馈的原理及对被控对象的影响。

2．掌握微机控制系统实现微分反馈的方法。

3．观察和分析一阶微分反馈控制中的采样周期T 与微分系数T d 对系统阶跃响应性能的影响。

二．实验原理及说明
微分与平滑结构图如下图所示。

R 为阶跃输入信号，C 为系统输出。

图4-2-1-1 微分与平滑结构图
微分是正反馈，当取合适的微分系数时，会使系统响应加快，用于被控对象为惯性环节的系统，特别是惯性时间常数较大的系统，有明显的校正作用。

微分算法采用一阶差分代替：（T d 为微分系数，T 为采样周期， T
T K d
D =
为反馈系数） )()(11---=-=
K K d K d K d D C C T
T
C T T C T T k U （4-2-1） K C ：当前输出值，1-K C ：第K-1次输出值，)(k U D
：调节器输出。

其中反馈系数D K 的取值不能过大，微分噪音幅度会太大，即每个采样周期中D(Z)输出的变化值会太大，一般选取D K ＜10。

采样周期T 根据实验要求而定（与被控对象的惯性时间常数To 有关），如规定反馈系数
D K =10，采样周期T 不能太大，则会影响系统稳定性；T 过小将使计算机控制环节控制作用过小，一般选取T≤0.08To。

计算机编程实现以5ms 为基本单位，即ms n T 50⨯=，n 范围为1～
99。

微分系数T d 为根据实验要求而定，当采样周期T 确定后，加大微分系数T d ，即加大反馈系数D K ，也会影响系统稳定性。

微分系数T d 取值范围：0.001~10.00S 。

按式（4-2-1）可以计算出各个采样时刻的数字调节器D(Z)输出数值序列。

三．实验内容及步骤
一阶微分反馈控制构成如下图所示，
改变图中被控对象的惯性时间常数，设置微分系数T d 和反馈系数K D 和采样周期T ，观察输出端（C ）波形，测量时域特性，填入实验报告。

图4-2-1-2 一阶微分反馈控制构成
实验步骤：
选择微分与数字滤波／一阶微分反馈控制，点击工具条上“启动虚拟示波器”，实验运行，响应曲线见下图。

分别改变微分系数Td 和采样周期，观察相应实验现象，并判断其稳定性。

由于受微分正反馈的影响，其响应速度将加快，可适当调整T d为微分系数，T为采样周期，使系统输出达到要求，绘制出输出曲线。

图4-2-1-3 不加微分反馈输出曲线（只需把Td设置为0即可）
图4-2-1-4 加微分反馈输出曲线
实验报告要求：
1．图4-2-1-2中被控对象的惯性时间常数为To=1S，采样周期T=80ms，按下表改变微分系数T d D
2．图4-2-2中被控对象的惯性时间常数改为To=0.2S，采样周期T=15ms，按下表改变微分系数T d D
注：反馈系数T
T K d D 大，每个采样周期中数字调节器D(Z)输出的变化值（微分噪音幅度）也
会大。

4.2.2 四点微分均值反馈控制
一．实验目的
1．了解微分反馈的原理及对被控对象的影响。

2．掌握微机控制系统实现微分反馈的方法。

3．观察和分析四点微分均值反馈控制中的采样周期T 与微分系数T d 对系统阶跃响应性能的影响。

二．实验原理及说明
微分与平滑结构图同4-2-1-1一阶微分反馈控制。

微分是正反馈，当取合适的微分系数时，会使系统响应加快，用于被控对象为惯性环节的系统，特别是惯性时间常数较大的系统，有明显的校正作用。

微分平滑算法采用四点微分均值法：（T d 为微分系数，T 为采样周期，T
T K d D
=为反馈系数）
32162 26)(-----+=
K d K d K d K d D C T
T
C T T C T T C T T k U （4-2-2） K C ：当前输出值，1-K C ：第K-1次输出值…，)(k U
D ：调节器输出。

其中反馈系数D K 的取值不能过大，微分噪音幅度会太大，即每个采样周期中D(Z)输出的变化值会太大，一般选取D K ＜10。

采样周期T 根据实验要求而定（与被控对象的惯性时间常数To 有关），如规定反馈系数
D K =10，采样周期T 不能太大，则会影响系统稳定性；T 过小将使计算机控制环节控制作用过小，一般选取T≤0.08To。

计算机编程实现以5ms 为基本单位，即ms n T 50⨯=，n 范围为1～
99。

微分系数T d 为根据实验要求而定，当采样周期T 确定后，加大微分系数T d ，即加大反馈系数D K ，也会影响系统稳定性。

微分系数T d 取值范围：0.001~10.00S 。

按式（4-2-2）可以计算出各个采样时刻的数字调节器D(Z)输出数值序列。

三．实验内容及步骤
模拟电路同4-2-1-2一阶微分反馈控制。

选择微分与数字滤波／四点微分均值反馈控制，点击工具条上“启动虚拟示波器”，实验运行。

改变图4-2-1-2中被控对象的惯性时间常数，设置微分系数T d 和反馈系数K D 和采样周期T ，观察输出端（C ）波形，测量时域特性，填入实验报告。

与微分实验输出曲线相比较，数字调节器D(Z)的输出变化相对要小些。

微分平滑算法实验结果见下图。

图4-2-2-1 微分平滑实验结果
实验报告要求：
1．图4-2-1-2中被控对象的惯性时间常数为To=1S ，采样周期T=80ms ，按下表改变微分系数T d 和反馈系数K D ，观察输出端（C ）波形，填入实验报告
2．图按下表改变微分系数T d D
注：反馈系数T
K d
D 大，每个采样周期中数字调节器D(Z)输出的变化值（微分噪音幅度）也会大。

4.2.3 模拟一阶惯性数字滤波
一、实验目的
1．了解和掌握数字滤波原理及方法。

2．观察和分析各种数字滤波的滤波效果。

二、实验原理及说明
关于数字滤波：一个计算机数据采集系统在生产过程中会受到各种干扰，从而降低了有用信号的真实性。

虽然在输入通道上接入一个RC 低通滤波器来抑制工频及其以上频率的干扰，但对频率很低的干扰却由于制作上的难度而难以实现。

采用数字形式来模拟RC 低通滤波器的输入输出数学关系，可以得到较好的效果。

常用数字滤波的方法有多种，如限幅滤波、限速滤波、算术平均滤波、中值滤波及本实验使用的惯性滤波、四点加权平均滤波等。

应该根据实际情况来选择合适的滤波方法。

本实验用于观察和分析在离散系统中数字滤波对系统性能的影响。

要求设计一个相当于1/τS+1的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式：
100)1()(--+=K K D E K E K k U
)(k U D ：控制器输出，K E ：本次采样输入，1-K E ：上次采样输入出，τ/0T K =（T=采样
周期）。

控制系数K 0的取值范围：0.01～1.00，数字滤波实验构成如图4-2-3-1所示。

图4-2-3-1 数字滤波构成
实验步骤：
（2） 运行、观察、记录
选择微分与数字滤波／模拟一阶惯性数字滤波，点击工具条上“启动虚拟示波器”，实
验运行，响应曲线见图4-2-3-2.。

★注意：该实验由于微分脉冲干扰信号的时间太短，为了减少误差，建议用Tek示波器观察。

用示波器分别观察D5区微分脉冲输出（图4-2-3-2-a），观察B3（xOUT1）正弦波输出（图4-2-3-2-b），观察D1（OUT）滤波前输出（图4-2-3-2-c），观察B3（xOUT2）滤波后输出（见图4-2-3-2-d），比较滤波前与滤波后的波形，分析滤波效果，并应记下干扰衰减比。

改变Ko、T，重复以上各步，直至得到满意结果。

图4-2-3-2 -a 图4-2-3-2-b 图4-2-3-2-c 图4-2-3-2-d 图4-2-3-2 数字滤波实验各点的波形（用TEKTRONX示波器观察的结果）
4.2.4 四点加权平均数字滤波
一、实验目的
1．了解和掌握数字滤波原理及方法。

2．观察和分析各种数字滤波的滤波效果。

二、实验原理及说明
关于数字滤波：一个计算机数据采集系统在生产过程中会受到各种干扰，从而降低了有用信号的真实性。

虽然在输入通道上接入一个RC 低通滤波器来抑制工频及其以上频率的干扰，但对频率很低的干扰却由于制作上的难度而难以实现。

采用数字形式来模拟RC 低通滤波器的输入输出数学关系，可以得到较好的效果。

常用数字滤波的方法有多种，如限幅滤波、限速滤波、算术平均滤波、中值滤波及本实验使用的惯性滤波、四点加权平均滤波等。

应该根据实际情况来选择合适的滤波方法。

本实验用于观察和分析在离散系统中数字滤波对系统性能的影响。

四点加权平均滤波算法是对各次采样输入值取不同的比例后再相加。

一般，次数愈靠后，控制系数（比例）取愈大，这样，最近一次采样输入值影响愈大。

该算法适用于纯延迟较大的对象。

3322110)(---+++=K K K K D E K E K E K E K k U (式中∑==3
01i Ki )
其中K E ：输入，)(k U D ：输出。

K0+K1+K2+K3=1
其中各控制系数K 0、K 1、K 2、K 3的取值范围：0.01+～0.99
数字滤波实验构成如图4-2-4-1所示。

图4-2-4-1 数字滤波构成
三．实验内容及步骤 同4.2.3 模拟一阶惯性数字滤波。

选择微分与数字滤波／四点加权平均数字滤波，点点击工具条上“启动虚拟示波器”，实
验运行。

4.3 数字PID 控制
一． 实验目的
1、 了解和掌握被控对象数学模型的建立。

2、 了解和掌握连续控制系统的PID 控制算法的模拟表达式（微分方程）。

3、 了解和掌握采用微分方程直接建立后向差分方程的方法。

4、 了解和掌握离散增量型PID 控制表达式和离散位置型PID 控制表达式。

5、 了解和掌握0型系统和Ⅰ型系统的数字PID 调节器控制参数工程整定方法。

6、 了解和掌握在PID 控制系统中，P.I.D 参数对系统性能的影响。

7、 了解和掌握各种PID 控制系统
8、 掌握在PID 控制系统中，加扰动的方法。

二．实验原理及说明
1. 数字PID 控制
在一个控制系统中，采用比例、积分和微分控制方式控制，称之谓PID 控制。

它对于被控对象的传递函数G(S)难以描述的情况，是一种应用广泛、行之有效的控制方式。

数字PID 调节器是基于连续系统的计算机数字模拟设计技术，它把输入信号离散化，用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程，对它进行处理和控制。

差分方程是一种描述离散系统各变量之间动态关系的数学表达式，它只能表示连续时间函数在采样时刻的值。

通常，都是用后向差分方程进行描述的。

此时，该离散系统在k 刻的输出信号P(k)，不但与k 时刻的输入r(k)有关，而且与k 时刻以前输入r(k-1)，r(k-2)，…有关，同时还与k 时刻以前的输出c(k-1)，c(k-2)，…有关。

本实验机的数字PID 控制实验采用微分方程直接建立差分方程，由微分方程直接建立差分方程，首先须对微分方程离散化，即是用差分方程去逼近微分方程的变化规律，其具体内容包括导数、微分、积分、函数和时间t 等参数的离散化。

差分方程和微分方程不仅形式上相似，且微分、积分与差分、求和在含义上对应，并在一定的条件下，可以相互转化。

设采样周期T 足够小，远小于时间常数τ，当t=kT 时，可将微分方程中的导数可用差分项代替，积分项用求和式代替，函数用序列表示，时间t 变成离散量kT ，即：
⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧*=--=∆∆===⎰∑-=t k n T n C dt t C T k c k c t c dt t dC k C t C kT t 0
10)()()1()()()()( （4-3-1） 用式（4-3-1）就可以把微分方程直接变为差分方程。

差分方程的求解有经典法、迭代法和Z 变换法。

数字PID 控制实验系统框图见下图所示：
图4-3-0-1 数字PID 控制实验系统框图
PID 控制算法的微分方程表达式是：
⎥⎦
⎤⎢⎣⎡++=⎰t d i p dt t de T dt t e T t e K t P 0)()(1)()( （4-3-2）
式中，P t ()——调节器的输出信号；e t ()——调节器的偏差信号；K P ——调节器的比例系数；
i T ——调节器的积分时间常数； d T ——调节器的微分时间常数；
用式（3- 1）就可以把连续系统的微分方程直接代替用数字形式的差分方程：
[]⎭
⎬⎫⎩⎨⎧--++=∑=n j d i P n e n e T T j e T T n e K n P 0)1()()()()( （4-3-3）
式中：T —采样周期； n ——采样序号，n=0，1，2，…； P n ()—第n 次采样时计算机输出；
e n ()—第n 次采样时的偏差值； e n ()-1—第n-1次采样时的偏差值；
设： 微分系数积分系数比例系数
--==
--==--=T T K T K D T T K T K I K P d P d i
P i P 1 （4-3-4） ● 离散增量型PID 控制表达式：
)1()]1(2)2()([)()]1()([-+---++
+--=k u k e k e k e T K k Te K k e k e K u d i P k )1()]1(2)2()([)()]1()([-+---++⨯+--=k u k e k e k e D k e I k e k e P u k
式中：)(k e 为本次误差值，)1(-k e 为上次误差值，)2(-k e 为上上次误差值，
)1(-k u 为上次输出值。

● 离散位置型PID 控制表达式：
)]1()([)()()(0--+
+=∑=k e k e T
K j e K k e K k p d k
j i P )]1()([)()()(0
--++=∑=k e k e D j e I k Pe k p k j
式中：)(k e 为本次误差值，)1(-k e 为上次误差值。

2. 被控对象数学模型的建立
在工程中对被控对象数学模型的建立，普遍采用阶跃输入被控对象实验辨识的方法确认0T 和τ，转换成有时延的单容被控过程。

其传递函数：S e T K s G τ-+⨯=1
S 1)(00'0 （4-3-6） 3. 二点法确定被控对象参数
阶跃输入被控对象实验辨识系统框图如下图所示：
图4-3-0-2 阶跃输入被控对象实验辨识系统框图
实验辨识后，可得其响应曲线。

2100(K K K Y ⨯==∞）
通常取）∞=(3.0)(010Y t Y ，从图中可测得t1
通常取）∞=(7.0)(020Y t Y ，从图中可测得t2
按下式计算，求得其被控对象的参数To 及τ。

0.8473
0.3567t -1.204t )]t (y 1[ln -)]t (y 1[ln )]t (y 1[ln t )]t (y 1[n t 0.8473t t )]t (y 1[ln -)]t (y 1[ln t t T 21201020110212
2010120==-----=-=---=τ （4-3-7）
4. 采样周期的选择
如果采样周期T 与被控对象的时间常数能符合下式，则将可获得良好的PID 调节效果。

τ⨯≤1.0T （4-3-8）
並且采样周期T 必须是延迟时间整数分子一，即τ=LT ，L 为整数。

5. PID 调节器控制参数的工程整定方法
⑴ 开环整定法—反应曲线法（动态特性参数法）
采用二点法确定被控对象参数，用式（4-3-7）求得其被控对象的参数To 及τ，把To 和τ代入下式，求得PID 控制参数P K 、I T 、D T
)
/0.2(1)
/0.37()
/0.6(1)/0.5()/2.5(]27.0)/(35.1[100002000100
T T T T T T T T T T K K D I P ττττττ+⨯=++⨯=+=- （4-3-9）
这种整定方法多用于被控对象由惯性环节组成的控制系统（0型系统）。

⑵ 闭环整定法—衰减曲线法
对于含积分环节串联组成的非自平衡被控过程的被控对象，无法使用开环整定法，就只能采用闭环整定法。

工程中普遍采用阶跃输入，闭环整定法—衰减曲线法，即以瞬态响应的衰减率9.075.0及=ψ（对应衰减比为4∶1及10∶1）时获得比例带S δ值及响应上升时间τT 值（或
衰减振荡周期S T 值），按经验公式求取PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T ，系统框图见图4-3-0-3
所示。

图4-3-0-3 闭环整定法系统框图
)(s G C 模块为比例调节器，P 先填入1，逐步增加P 值，直至系统运行后，使之系统出现的衰减振荡响应曲线，如得到的响应曲线如图4-3-0-4所示，其衰减比为10∶1，记录下此时的比例带S δ值及响应上升时间τT 值。

图4-3-0-4 衰减比为10∶1的闭环响应曲线
按衰减率9.0=ψ时的经验公式，如式（4-3-10）所示，求取PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T δδδδ/14.02.18.0K /1C =⨯=⨯=⨯==P D I S S K T T T T ττ （4-3-10） 响应曲线如图4-3-0-5所示，其衰减比为4∶1，记录下此时的比例带S δ值及衰减振荡周期S T 值。

图4-3-0-5 衰减比为4∶1的闭环响应曲线
按衰减率75.0=ψ时的经验公式（4-3-11），求取PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T δδδδ/11.03.08.0K /1C =⨯=⨯=⨯==P S D S
I S S K T T T T （4-3-11） ⑶ 闭环整定法—临界比例度法 这种整定方法是在闭环控制系统上，以等幅振荡时获得临界比例带K δ值及等幅振荡周期
K T 值，按经验公式求取PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T ，结构图仍见图4-3-0-3所示。

)(s G C 模块为比例调节器，P 先填入1，逐步增加P 值，直至系统运行后，使之系统出现等幅振荡响应曲线如图4-3-0-6所示，记录下此时的临界比例带K δ值及振荡周期K T 值。

图4-3-0-6 等幅振荡的闭环响应曲线
按临界比例度法的经验公式，如式（4-3-12）所示，求取PID 调节器控制参数P K 、I T 、D T
δδδδ/1125.05.07.1K /1C =⨯=⨯=⨯==P K D K I K
S K T T T T （4-3-12）
注：闭环整定法较难获得准确的τT （或S T ），一般不采用，但被控对象中含有积分环节时（Ⅰ型系统），是非自平衡被控过程，则无法使用开环整定法，就只能采用闭环整定法了。

6. 求取数字PID 调节器工程参数
把P K 、I T 、D T 及采样周期T 代入式（4-3-4），求得数字PID 调节器工程参数P.I.D 。

7. 信号参数与控制参数设置范围
信号参数：给定值幅度为0.1~5.0V ，实验时间（宽度）为0.1~12.0S ；手控阶跃信号幅度为±（0.1~5.0V ）；正弦波振幅为0.1~5.0V ，频率为0.1~10.0赫。

注：由于受到PC 机与实验机通讯的速度的限制，正弦波频率大于10赫时，显示将为严重失真。

控制参数：T 采样周期0.002~10.000S ，
P 参数：0.01~10.00，I 参数：0.001~5.000，D ：参数0.01~100.00，
系数K ： 0.01~50.00，微分参数Td ：0.001S~10.00S ，惯性常数Ta ：0.001S~10.00S ，
位式控制△1：－4.90V~＋4.90V △2：－4.90V~＋4.90V
死区宽度a ：±0.01~4.90V ，斜率K ：0.01~10.00，延迟时间τ：0.01~2.50S 。

积分分离阀值Eo ：±0.01~4.90V 。

8. PID 控制框图
本实验机规定其控制器均由B3模块承担，控制器输出为xOUT1和xOUT2，采样输入由B3模块承担，采样输入为CH1~CH4。

PID 控制框图基本模式见图4-3-0-7（二阶位置型PID 控制框图）。

图4-3-0-7 二阶位置型PID控制框图
9.在P ID控制系统中，对实验系统加扰动的方法
本实验机的数字PID控制实验可对实验系统加扰动，在全部数字PID控制实验项目的设置信号发生器对话框中都有“幅值”填写框，手控阶跃幅度设置范围为－5.0V~5.0V。

如用户要求在实验中对实验系统加扰动，则用户应把信号参数中的矩形波宽度设置值加大一倍，本实验机的最大设置值为12秒，手控阶跃幅度设置为实验要求值。

点击《下载》键后，还应把X比例扩大一倍。

如果PID控制系统需要一个控制器输出，信号源B3的xOUT2输出控制器信号，B3的xOUT1插孔连线到所加扰动模块，输出扰动信号。

实验运行后，在输出响应曲线达到稳态后，推上手控阶跃开关，将在信号源B3的xOUT1插孔按阶跃幅度设置值输出阶跃信号，可观察到实验系统加扰动的响应曲线。

10.数字PID调节器控制参数的修正
⑴比例控制P对系统性能的影响
①对稳态特性的影响
增大比例调节的增益P，如系统是稳定的，则可减小系统稳态误差。

②对动态特性的影响
增大比例调节的增益P使系统的响应速度加快；P偏大，振荡次数加多，系统的稳定性下降，调节时间增大；P太大，系统将不稳定。

⑵积分控制（积分系数I）对系统性能的影响
①对稳态特性的影响
在积分控制中，调节器的输出会不断地随时间积分而增大，只有当误差为零时，调节器才会停止积分。

此时调节器的输出就会维持在一个数值上不变，这说明积分调节是一个无差调节。

这就意味着，当被控系统在负载扰动下的调节过程结束后，系统的静差已不存在，调节阀停留在新的开度上不变。

增大积分控制I，提高系统的稳态控制精度，I太大，系统将不稳定。

②对动态特性的影响
采用积分调节时，增大积分控制（积分系数I），会加强动态积分效果，但是，系统的动态开环增益增大，会使系统的稳定性降低。

这从直观上也不难理解，因为增大积分控制I，就相应增大了同一时刻的调节器输出控制力度。

使调节阀的动作加快，动作幅度增大，这势必容易引起和加剧系统振荡。

从频率特性的角度看，积分的加入使系统的相频特性增加了90°的相位滞后，因而使系统的动态品质变差。

无论从哪一个角度分析，积分调节都是牺牲了动态品质来换取稳态性能的改善的。

将积分调节和比例调节二者结合起来，组成所谓的PI控制。

在起始阶段，比例发挥作用，迅速反应输入的变化。

之后积分也发挥作用，两者共同作用，达到最终消除静差的目的。

因此，PI将比例的快速反应与积分的消除静差功能结合起来，收到比较好的控制效果。

但是，毕竟PI 调节总体上给系统还是增加了一些相位滞后，因此，与P调节相比PI调节的稳定效果还是要差一些。

此外，积分调节器还有一个重要缺点，即积分饱和现象。

这是因为，只要偏差不为零，调节器就会不停的积分使输出增加（或减少）。

如果由于某种原因误差一时消除不了，调节器就
要不断的积分下去，直到调节器输出进入深度饱和，致使调节器失去调节作用，这在工程中是很危险的。

因此。

采用积分规律的调节器一定防止积分饱和现象的发生。

至于如何防止或消除积分饱和现象，请参阅有关文献资料，限于篇幅这里就不多叙了。

⑶微分控制（微分系数D）对系统性能的影响
比例和积分调节都是根据系统被调量的偏差值进行调节的，这种“等事态发生了才去处理”的控制策略并不是完善的控制策略。

完善的控制策略应该具备预测事态的变化趋势，并加以预防的功能，微分调节就是如此。

微分调节的控制输出与当前系统被调量偏差的变化速率成正比。

由于变化速率（包括大小和方向）可以反应当前及稍后一段时间系统被调量的变化趋势，因此，微分调节并不是等被调量已经出现较大偏差之后才动作，而是提前动作。

这相当于赋予了调节器以某种程度的“预见性”，这对于防止系统被调量出现较大动态偏差是有利的。

微分调节作用可以克服积分调节作用缓慢性，避免积分作用可能降低系统响应速度的缺点。

另外，微分调节的加入有助于减小超调、克服振荡，改善系统的动态性能。