机电系统设计实验指导书
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- 机电系统设计实验指导书一、实验目的
1、了解FESTO电气伺服实验台的结构和工作原理。
2、熟悉示波器使用的方法。
3、熟悉用实验凑试法整定PID控制器参数的方法。
4、加深理解PID控制器。
二、实验内容
PID控制是在工程上最常用的自动调节器，它是基于经典控制理论，对以P、I、D及其组合作为控制规律而构成的控制器的统称，在实际工程中多是选择P或PI、PID、PD的不同组合构成控制器，几乎没有单独的D调节器，单独的I调节器是有应用的，但也很少。它们都是通过对误差e进行比例P、积分I、微分D 处理和计算，独立形成控制器的各自输出项，并进一步形成完整的控制变量，再去控制执行器的动作。 对于不同的控制对象具有不同的控制特性，工程上对于各种对象尽量做线性化等简化处理，降低传递函数的阶次，简化数学模型，最终多是按照二阶系统假设来控制的。现在就是在此假设基础上，分别谈下不同的P、I、D参数对控制系统动、静态响应的影响：
一、比例作用：比例作用P可以是以比例增益的现实体现，但在仪表自动化中多是以比例度的形式出现（对于单元组合二次仪表或现在的DCS系统来说比例度相当于比例增益的倒数），比例控制的作用是抑制误差，比例作用的输出与输入误差信号成比例关系，比例增益越大（即比例度越小），从静态来讲，系统稳态误差将越发减小，对于系统动态来说，此时系统的响应速度越快。但比例项的作用仅是放大误差的幅值，增强比例作用将使系统趋于产生超调和振荡甚至导致系统不稳定，因此比例增益不能取的过大（即比例度不能过小）；而如果比例增益取值较小，会增大稳态误差，也使动态响应速度变缓慢，从而延长调节时间，使系统动、静态响应品质都变差。
二、积分作用： 积分控制作用也是可能以积分时间常数或积分增益两种形式体现，两者也是互为倒数关系。积分作用对控制器输出的贡献表现为与输入误差信号对时间的的积分成正比关系。控制系统引入积分作用的目的，简单讲就是有消除稳态误差的作用，引入的“积分项”会因误差量随着时间的增加而增大，这样推动控制器的输出增大使稳态误差进一步减小，直到等于零。因此积分作用，可以使系统稳态无误差。 积分增益越大（即积分时间越小）控制系统响应速度越快，系统静差消除越快，但过大了会在响应的过渡过程中会产生积分饱和现象，从而引起响应过程出现较大的超调，使动态性能变差；但如果积分增益过小，使积分作用变弱，使系统的静差难以迅速消除，调整过程时间加长，不能较快的达到稳定状态，影响系统的控制精度和动态特性；
三、微分作用：微分作用对控制器的输出贡献项是与输入误差信号的微分（即误差的变化率）成正比关系。 控制系统在克服误差的过程中可能会出现振荡甚至失稳，这是因为存在的惯性环节或有滞后可抑制误差，但其变化总是落后于误差的变化，微分的作用在于解决误差变化总是“超前”的问题，也就是能预测误差变化的趋势，提前使抑制误差的控制作用等于零，甚至为负值，从而在对惯性或滞后较大的过程对象的控制时，可以避免被控量的严重超调，改善控制对象的动态特性。所以，引入微分作用主要是着眼于改善系统的动态特性。 微分作用体现为微分增益（或微分时间常数），它与误差的变化率成正比，并同样参与形成控制器的输出项。微分时间常数整定不可过大，否则会使响应过程过分提前制动，从而拖长调节时间，而且系统的抗干扰性较差。
四、PID控制器的参数整定 ：基于以上对三种作用的认识，在PID控制器的参数整定时，可以有针对性的根据被控过程的特性分别确定PID控制器的比例增益（比例度）、积分时间（积分增益）和微分时间（微分增益）的大小。PID控制器参数整定的方法概括起来有两大类：一类是理论计算整定法。它需要依据系统的数学模型，经过理论计算确定控制器参数。这种方法一般不便于直接应用在工程上。另一类是工程整定方法，它主要依赖工程经验，直接在控制系统的试验中进行，方法简单、直观、易于掌握，在工程实际中被广泛采用。工程整定方法又可具体分为临界比例度法、飞升曲线法和最优衰减比法等。三种方法各有其特点，其共同点都是通过对过程施加不同类型得的给定或干扰作用，通过观察作用后被控对象的响应特性，按照工程经验（尤其是基于P、I、D作用对典型一、二阶系统响应特性影响的认识，虽然还只是停留在定性认识层面上的，但对于工程调试中大方向的判断把握是很有指导意义的）对控制器参数进行整定。无论采用哪一种方法所得到的控制器参数，都需要在实际运行中进行最后调整与完善。临界比例度法整定步骤如下：(1)首先预选择一个足够短的采样周期让系统工作﹔(2)仅加入比例控制环节，直到系统对输入的阶跃响应出现临界振荡，记下这时的比例增益δk和临界振荡周期Tk﹔(3)在一定的控制度下通过下表的经验公式计算得到PID控制器的参数。 表中经验公式的参数系数是参考一些专业书籍，也可以个人经验积累确定
PID控制器控制参数的选择，可按连续-时间PID参数整定方法进行。
1）首先应该确定控制器结构。对允许有静差（或稳态误差）的系统，可以适当选择P或PD控制器，使稳态误差在允许的范围内。对必须消除稳态误差的系统，应选择包含积分控制的PI或PID控制器。
2） 控制器结构确定后，即可开始选择参数。参数的选择，要根据受控对象的具体特性和对控制系统的性能要求进行。工程上，一般要求整个闭环系统是稳定的，对给定量的变化能迅速响应并平滑跟踪，超调量小；在不同干扰作用下，能保证被控量在给定值；当环境参数发生变化时，整个系统能保持稳定，等等。
3）整定方法：一般采用实验凑试法：它是通过闭环运行或模拟，观察系统的响应曲线，然后根据各参数对系统的影响，反复凑试参数，直至出现满意的响应，从而确定PID控制参数。
4）整定步骤：实验凑试法的整定步骤为"先比例，再积分，最后微分"。a)整定比例控制 ：将比例控制作用由小变到大，观察各次响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。b)整定积分环节：若在比例控制下稳态误差不能满足要求，需加入积分控制。c） 可以先将选择的比例系数减小为原来的50～80％，再将积分时间置一个较大值，观测响应曲线。然后减小积分时间，加大积分作用，并相应调整比例系数，反复试凑至得到较满意的响应，确定比例和积分的...
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