计算机控制系统实验数据和思考题

实验一采样与保持实验

[实验1.2] 采样/保持器实验

对采样实验，按下表记录下各种频率的采样周期下的输出波形。

思考题

1.采样周期T应该如何取对信号恢复有利？（提示：当中涉及到A/D转换时间和计算

机对信息处理所用的时间）

2.系统无零阶保持器时，系统的输出波形会出现什么情况？为什么？

实验二数字PID控制实验

[实验2.1]标准PID控制算法

记录Kp、Ti、Td、M P、ts、参数，在表2-1中填入给定的各参数与测试结果。

[实验2.2]积分分离PID控制算法

记录Kp、Ti、Td、M P、ts、Eo参数，在表2-2中填入给定的各参数与测试结果。

[实验2.3]非线性PID控制算法

记录Kp、Ti、Td、M P、ts、Po参数，在表2-3中填入给定的各参数与测试结果。

表2-3

[实验2.4]积分分离—砰砰复式PID控制算法

记录Kp、Ti、Td、M P、ts、Po、Eo参数，在表2-3中填入给定的各参数与测试结果。

实验报告要求

1.填写并完成表2-1至2-4各项。

2.绘制表中对应参数的波形图。

思考题

1、积分分离值的大小对系统性能有何影响？

2、P．I．D各个参数对系统性能的影响是什么？

3、Po和Eo的大小，对系统控制性能的影响是什么？

4、采样周期过大和过小的影响是什么？

实验三直流电机闭环调速实验

实验原理

图3.1 直流电机闭环调速系统原理框图

直流电机闭环调速系统原理框图见图3-1。

当给定直流电机转速U(R)接入后（即在速度示波器的界面上设置‘目标值’），与当前转速值U（t）（光电测速机构的脉冲数）相比较，其差值e（t）在计算机中进行PID计算，解算成P（t），经数/模转换器（B2）驱动直流电机，改变电机转速，达到直流电机闭环调

速控制。 1．基础知识

自动控制有两种最基本的形式：开环控制和闭环控制。开环控制系统的精度取决于元器件的精度和特性调整的精度。当内外干扰影响不大，并且控制精度要求不高时，可采用开环控制方式。前面我们所进行的实验，就是一些开环控制的简单实例。闭环控制又称为反馈控制，其实质是利用负反馈来减小系统的误差。闭环控制具有自动修正被控量偏离给定值的作用，因而可以抑制内部干扰和外部干扰引起的误差，达到自动控制的目的。

按偏差的比例、积分、微分控制（简称PID 控制）是过程控制中应用最广的一种控制规则。由PID 控制规则构成的PID 调节器是一种线性调节器。这种调节器是将设定值U 与实际输出值Y 构成控制偏差：e=U —Y

按比例（P ）、积分（I ）、微分（D ）通过线性组合构成控制量。PID 控制算法的模拟表达式是： P t K e t T e t dt T de t dt p I

D t

()()()()=+

+⎡⎣

⎢⎤

⎦

⎥⎰1

0 （3-1）

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； T I ——调节器的积分时间常数；

T D ——调节器的微分时间常数；

在实际应用中，根据对象特征和控制要求，也可灵活改变其结构，取其一部分构成控制，例

如：比例（P ）调节器、比例积分（PI ）调节器、比例微分调节器（PD ）等 2．PID 算法的数字实现

由于DDC （Direct Digital Control ）系统是一种时间离散控制系统。因此，为了用计算机实现式（3-1）必须将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程：

[]⎭

⎬⎫⎩⎨⎧--++

=∑=n

j D

I

P n e n e T T j e T T

n e K n P 0)1()()()()( （3-2） 式中：T —采样周期（100mS ）；

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；

n ——采样序号，n=0，1，2，…。

离散化的PID 位置控制算式表达式为：

P （k ）)]1()([)()(0

--++=

∑=k E k E K j e K k E K D k

j I P （3-3）

式中：微分系数。积分系数；--=--=

P D D P I I K T

T K K T T

K 实验数据表格 已设定：Kp= , T I = , T D = . 选取三组参数，观测电机调速的控制效果，完成表3-1。

思考题

1. 如何用试凑法整定PID 参数？

2. 如何用扩充临界比例度法整定PID 参数？

实验四 模拟/数字温度闭环综合控制实验

实验报告要求

画出温度闭环控制曲线，计算超调和稳定时间 思考题

在用计算机控制系统进行恒温控制时，应解决和注意哪些问题？