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1、实验三 PID 控制器的动态特性姓名：朱仁平 学号：2011124100 年级专业：11 机电一、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。(1)PD控制器电路如图2所示，其传递函数为：G (s) =-KP(TDS+1)，其中图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) =
2、-KP(1+ 1/TIS)，其中Kp=R2/R1,T=R2C, R2=200KQ, R1=100KQ,C=1uFZflDkQ3U1廿OPAMP_；3r RflSJC.All : VW:：1：0Dk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/TS+ TDS)，其中t1=R1C1,t2=R2C2,Ti=R1C2, Kp= Ct1+t2)/TI , TI=t1+t2,TD= Ct1t2)/ Ct1+t2),C1=2uF,C1=1uF,R1=100KQ,R2=200KQU1UiUa-VA-1：0DkGR2 :-VA-：200
3、kfiHH2uFC2 卄 1uF图 3 PID 控制器原理图 OPAMP；3TBASIC四、实验内容1、按其原理图连线，令Ui=1.06V, C=luF,用示波器测试Rl=100KQ和R2为200KQ 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=100KQ和R2=200KQ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 R=1OOKq, C=2uF, R2=200Kq, C2=1uF。五、实验报告要求iUi：R2 ： VvV-：2ODk01、画出 PD、 PI 和 PID 三种控
4、制器的实验线路图,并注明具体的参数值。OPAMP3TBiA5F:PD控制器AAArViJJc:R2 :-VAZWkQ： . . F.PI控制器a ORAUPjT_aASICUc根据三种控制器的传递函数,2、-PID控制器画出它们在单位阶跃信号作用下的理想输出波形。PD 控制器 G(s)=0.2s+2PI 控制器 G(s)= 10/s+2PID 控制器 G(s)=3+10/s+s/53、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。标2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
5、。 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
6、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
7、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。因为：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。
