实验5--球杆系统的数字PID控制实验
数字pid控制算法的研究实验报告
数字pid控制算法的研究实验报告数字PID控制算法是一种常用的控制系统算法,能够通过对比例、积分和微分三个参数进行调整来控制系统的稳定性和精度。
本文将对数字PID控制算法的研究实验进行详细的描述。
实验设计本次实验采用一个控制器,其输出为闭环信号,被用于控制一个加速变量,以实现一个平稳的控制过程。
实验的具体步骤如下:1. 确定控制器的输出参数根据控制系统的实际需求,确定控制器的比例参数、积分参数和微分参数。
2. 建立实验模型将实验系统建模为阻尼比为1,反馈系数为0.8的系统。
其中,加速变量的幅值为0.1,根据实验结果,调整PID参数后可以使系统达到稳定的输出状态。
3. 进行实验将实验模型连接到控制器上,通过输入信号控制加速变量的幅值,实现控制系统的平稳输出。
通过仿真软件对实验过程进行模拟,记录实验的增益、响应时间和精度等指标。
4. 分析实验结果根据实验结果,对PID控制器的输出参数进行调整,以获得更好的控制效果。
同时,对不同参数组合的增益、响应时间和精度等指标进行分析,探究不同参数组合对控制效果的影响规律。
实验结果通过本次实验,得到以下实验结果:- 比例参数对控制效果的影响规律为:当比例参数增大时,控制增益增大,但响应时间变慢;当比例参数减小时,控制增益减小,但响应时间变快。
- 积分参数对控制效果的影响规律为:当积分参数增大时,控制增益减小,但控制稳定性好;当积分参数减小时,控制增益增大,但控制稳定性差。
- 微分参数对控制效果的影响规律为:当微分参数增大时,控制增益增大,但控制稳定性好;当微分参数减小时,控制增益减小,但控制稳定性差。
结论通过本次实验,可知数字PID控制算法在平稳控制过程中具有较好的效果,不同的参数组合可以影响控制效果的稳定性和精度,可以根据实际应用的需要调整PID控制器的参数,以实现更好的控制效果。
控制工程基础仿真实验报告
本科生课程论文控制工程基础仿真实验报告实验一一阶系统的单位阶跃响应一、实验目的1、学会使用ATLABM编程绘制控制系统的单位阶跃响应曲线；2、掌握准确读取动态特征指标的方法；3、研究时间常数T对系统性能的影响；4、掌握一阶系统11Ts+时间响应分析的一般方法；5、通过仿真实验，直观了解各典型环节的时间响应和频率响应，巩固课程中所学的基本概念和基本原理；二、实验要求1、输入3个不同的时间常数T，观察一阶系统11Ts+的单位阶跃响应曲线的变化，绘制响应曲线图，并分析时间常数T对系统性能的影响。
2、若通过实验已测得一阶系统11Ts+的单位阶跃响应曲线，试说明如何通过该曲线确定系统的时间常数T。
三、实验内容（一）实验设备计算机；WINDOWS操作系统，并安装Matlab语言编程环境。
（二）实验原理通过对各种典型环节的仿真实验，可以直观的看到各种环节的时间响应和频率响应的图像。
通过对所得图像的分析可以得出各种参数如何影响系统的性能。
四、实验过程在Matlab平台对一阶系统11Ts+的单位阶跃响应进行仿真。
（1）输入3个不同的时间常数T，观察一阶系统单位阶跃响应曲线的变化，绘制响应曲线图，并分析时间常数T对系统性能的影响。
在Matlab中进行操作，其代码如下：1.num=1;2.den=[11];3.g=tf(num,den)4.5.g =6.7.18. -----9. s + 110.11.Continuous-time transfer function.12.13.>> step(g)14.hold on15.>> step(tf(1,[21]))16.>> step(tf(1,[41]))17.>> legend('T=1','T=2','T=4');（2）对于已测得的一阶系统的单位阶跃响应曲线，分析通过该曲线确定系统的时间常数T的方法。
基于球杆的控制系统分 析与设计实验教程
实验一 实验二 实验三 实验四 实验五 小 结
第三章
球杆控制系统分析设计提高 ................................. 32
实验一 实验二 实验三 实验四 实验五
1
前
言
自动控制理论是自动控制及相关专业的必修专业基础课， 自动控制理论实验是学习和掌 握控制系统分析和设计方法最有效的途径之一。 机电控制系统分析设计是机电类相关专业学生的培养目标， 如何从机电系统总体设计的 角度出发，以性能指标为依据，深入分析机械结构、电气部分、控制算法对机电系统性能指 标影响的情况，是机电类控制系统分析设计的主要内容之一。 控制系统分析的标准是仿真与实际测试的性能指标满足误差范围。 控制系统设计的标准是通过分析机械结构、 电气部分的特性， 选择控制算法达到系统最 好的性能指标。并为改进机械、电气、控制算法提出依据。 球杆系统是典型的单输入单输出的机电类控制系统， 通过改变平衡杆与水平方向的夹角， 而控制平衡杆上的滚动的小球位置。球杆系统实验现象直观、明显，不仅可以表现出很多控 制系统的基本概念如：跟随特性，鲁棒性等，而且很吸引学生注意力，是不可多得的实验平 台。 本实验教程根据球杆系统的数学模型， 以性能指标为依据， 通过比较控制系统仿真与实 现的现象不同，分析影响球杆控制系统性能指标的机械、电气因素，并改进以提高系统性能 指标。使学生了解和掌握机电控制系统分析、设计的基本原理和基本方法。 通过若干次的反复实践， 学生可以深入理解机电类控制系统分析、 设计的基本过程和概 念。 本教程不仅是一个关于自动控制的实验教程， 还是一个机电系统设计的实验教程， 主要 包含以下内容： 第一章，介绍机电控制系统的几个基本概念理解，在长期的教学中，控制系统概念主要 是不理解因而不会用。这几个概念会在后面的设计中用到。 第二章，球杆控制系统分析设计入门，从推导简化模型入手，设计控制器。通过分析实 际测试的性能指标和仿真的不同，引申出影响系统性能的因素。 第三章，通过深入分析影响球杆控制系统性能的因素，加入到仿真模型中，在和实际控 制系统模型比较后，设计出性能优异的控制系统。 本实验教程实验项目包括：系统建模和稳定性分析、PID 校正、根轨迹校正、频域法校 正、状态反馈共五个实验。 其中综合性实验 1 个，为 PID 校正；设计性实验 3 个，为根轨迹校正、频域法校正、 状态反馈；验证性实验 1 个，为系统建模和稳定性分析。综合性、设计性试验占全部实验的 比例为 80%。 经典控制理论实验为 4 个，系统建模和稳定性分析、PID 校正、根轨迹校正、频域法校 正。综合型设计性实验比例为 75%.现代控制理论实验为 1 个，状态反馈, 综合型设计性实 验比例为 100%。 本实验教材适用于机电类控制专业的本科学习自动控制理论应用和机电控制系统分析 设计课程，以及非机电类控制专业的研究生学习自动控制理论之用。
PID校正
2
闭环系统系统震荡，必须设计控制器使系统稳定。 2.PID校正法仿真 最终控制程序如下图所示。
设置Kp=1.5，Ki=0.3，Kd=1.5 最终得到的系统仿真曲线：
从图上读得超调量20% ，调节时间3.15秒，满足系统要求。 3、 PID实时控制 实时控制界面
3
设置Kp=1.5，Ki=0.3，Kd=1.5 位移响应曲线
4
2、 为什么系统仿真的结果和实时控制的结果相差很大？为什么当PID参数取某 些值的时候（如Kp=10，Ki=0，Kd=10），仿真结果很好，但实时控制时系统 却震荡不稳定？ 答： 系统仿真建立的模型是对实时系统的简化， 忽略了许多线性或非线性的因素， 但这些因素对结果是有影响的，这些因素包括：运动副的摩擦，测量装置的 误差，电机控制系统误差，信号采集系统的延时等。 当PID参数取某些值的时候，对于所建模型而言，校正效果是好的，但由于模型 是一种简化， 模型与实际系统之间还存在偏差，这些值对于实际系统还不是 有效参数，所以实时系统会震荡不稳定。 3、为什么工业中PID控制能有广泛的应用？ 答：首先，PID 应用范围广。虽然很多工业过程是非线性或时变的，但通过对其 简化可以变成基本线性和动态特性不随时间变化的系统， 这样 PID 就可控制 了。其次，PID 参数较易整定。也就是，PID 参数 Kp，Ki 和 Kd 可以根据过 程的动态特性及时整定。 如果过程的动态特性变化，例如可能由负载的变化 引起系统动态特性变化，PID 参数就可以重新整定。 第三，PID 控制器在实践中也不断的得到改进。
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，设计PID校正环节，使系统的
三、实验设备
1. 球杆系统； 2.计算机，Matlab平台。
四、实验原理
1.PID控制器各校正环节的作用： A.比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立 即产生控制作用，以减少偏差。 B.积分环节：主要用于消除稳态误差，提高系统的型别。积分作用的强弱取决于 积分时间常数 TI ， TI 越大，积分作用越弱，反之则越强。 C.微分环节：反映偏差信号的变化趋势，并能在偏差信号值变得太大之前，在系 统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。 2.凑试法整定PID参数 已知未校正的球杆系统结构图、闭环仿真曲线如下图示：
实验五--PID控制实验
倒立摆PID控制实验1．实验目的：学习实验系统建模；PID控制作用机理及实现2．实验步骤（一）倒立摆数控平台PID位置控制实验部分1．实验原理图1 实验平台系统组成图2 实验方案此部分实验平台系统是由X平台机械本体、交流伺服电机、智能控制器和上位机（PC 机）组成。
我们以“工作台的移动位置”为控制对象，在位置环闭环控制回路中，为了取得良好的跟踪效果，通过调整该环PID参数，实现系统良好的位置响应特性。
2．实验步骤（1）确认系统连线正确，打开电控箱电源；（2）将XTable Experiment 文件夹拷贝到Matlab的work文件夹下，打开matlab，将当前路径改为“。
\Program Files\MA TLAB\work\XTable Experiment”；（3）在命令窗口输入TimeRe，按回车键确定，打开时间响应实验的的主界面；（4）在界面中的“输入类型”中，点击下拉菜单，显示“无”、“Go2Center”、“Control”、“Step”、“Impulse”等选项。
其中“Go2Center”或“Control”选项用于设置平台的初始位置。
其中“Go2Center”为自动控制工作台到中央一个设定的位置。
“Control”为手动设置工作台位置。
（5）完成上一步后，可依次选择打开StepIn，Impulse等文件。
例如打开StepIn，双击“Double click”模块，设置PC机与控制器的通信端口，并可修改控制卡位置控制回路的PID参数。
程序运行时将此PID参数下载至智能控制其，此时上位机不再作为控制器。
建议在修改PID参数前将最初的参数记录下来，以免遗忘丢失。
（6）点击运行按钮，双击scope可以查看工作台的单位阶跃响应曲线。
（7）单击获取性能参数值，可获取单位阶跃响应的超调量，调整时间，稳态误差，以便更清楚系统的性能。
单击“获取坐标值”便可读取时间响应曲线上任意点的坐标值。
（8）单击“响应误差曲线”按钮，便可得系统时间相应的误差曲线。
实验5--球杆系统的数字PID控制实验
学生实验报告开课学院及实验室：学院机电年级、专业、班姓名学号实验课程名称计算机控制技术成绩实验项目名称实验5 球杆系统的数字PID控制实验指导教师一、实验目的1．熟悉Matlab\simulink软件；2．通过试凑法确定球杆系统的PID参数；3．在球杆系统上验证PID参数的控制效果。
二、使用仪器、材料1．球杆系统装置。
2．装有matlab2012b的计算机。
三、实验步骤1．现场实验前先用Matlab\simulink软件进行仿真。
给出球杆装置的理想传递函数(1)用Simulink设计出该系统的模型。
输入信号为阶跃信号，控制器选择PID。
(2)用试凑法确定出合适的PID参数。
(3)比较设置不同参数时系统的响应特性。
2．进行现场实验。
测试好现场装置后，试着将仿真后得出的几个PID参数输入到控制系统中，观察球杆装置的运行情况。
在现场调整参数使系统取得良好的控制效果。
(1）打开球杆系统电控箱上的电源按钮，在MATLAB/Current Folder 中打开文件系统自带程序“PID_ Control_Modify.slx”，会弹出如图所示的实时控制界面(2）双击“PID Controller”模块，设置Kp、Ki、Kd的参数，参数为仿真过程得出的参数。
双击“Step”模块，设置阶跃信号参数：step time=0，initial value=0，final value=0.25。
(3) 点击编译程序，待编译成功后，点击连接程序，点击运行程序，观察球杆和小球的运动现象。
待小球静止后，点击停止程序，打开示波器scope观察响应曲线的超调量，调节时间。
若能达到理想的控制效果，说明所设置的PID参数合理。
否则，根据波形呈现的超调量，调节时间，以及最终稳定后呈现的静差，调整PID参数，继续调试系统，最终达到理想的控制效果。
四、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等）1．Simulink仿真程序框图如下：系统输入为阶跃信号，阶跃时间为0，初始值为0，终值定为1,采样时间为0.1。
球杆定位控制系统实验指导书
球杆定位控制系统实验指导书实验指导书深圳市鸥鹏科技有限有限公司二○○五年十月目录目录 (2)一、球杆定位控制系统认知实验 (5)实验目的 (5)实验内容 (5)实验步骤 (5)实验报告 (7)二、系统建模分析 (8)1、机械建模分析 (8)2 电机建模分析 (8)三、球杆定位控制系统控制实验 (11)实验目的 (11)实验内容 (11)1、P控制器设计 (11)2、PD控制器设计 (12)2、PID控制器设计 (12)实验步骤 (12)实验报告 (20)四、球杆定位控制系统扩展控制实验 (21)4. 1 根轨迹算法设计 (21)4.2. 频率响应法设计 (21)前言球杆定位控制系统是为自动化，机械电子，电气工程等专业的基础控制课程教学实验而设计的实验设备。
通过对球杆系统进行分析和实验，学生可以学习对物理系统的建模和控制系统的设计，熟悉PID控制的设计和调节，以及利用别的控制理论和算法进行实验。
一、球杆定位控制系统认知实验实验目的认知球杆定位控制系统的结构和工作原理，熟悉系统的工作流程，并检验系统各通道的工作状况是否正常。
实验内容球杆定位控制系统结构如下图，有连杆机构及相应的电气驱动，传感部分组成，其工作流程为通过电机驱动，带动连杆运动，改变钢球所在滑道的倾斜角度，使钢球在重力作用下沿滑道运动。
本实验内容是要详细了解系统的结构，关键部件，并联机测试各部件工作是否正常。
实验步骤1、认真观察球杆定位控制系统，指出系统的各个部分，打开后盖，认知相关的电气控制部分及机械传动部分，并做好记录。
2、安装好后盖，将电源线，通讯线与电源箱，电脑正常连接。
3、接通电源，打开测试软件：1)在matlab下打开QGTEST.MDL进入测试界面：2)点击运行：3)设置运动位置POS，观察球杆运动情况，4)切换伺服开关，运动，停止开关，测试硬件响应5)改变运动速度，加速度及位置，观察运动情况6)打开各个示波器7)用手轻拨钢球，让钢球在滑道上缓慢滚动，观察采集到钢球的位置数据8)停止实时仿真，观察各示波器数据，并保存到相应的文件实验报告1写出球杆定位控制器通的主要组成，并描述各模块的功能与实现。
自动控制原理实验报告
实验课程名称 实验项目名称实验报告内容包含：实验目的、实验仪器、实验原理，实验内容、实验步骤、实验数据整理 与归纳（数据、图表、计算等）、实验结果分析、实验思考题、实验心得。
【实验目的】1、 会用PID 法设计球杆系统控制器;2、 设计并验证校正环节；【实验仪器】1、 球杆系统；2、 计算机，Matlab 平台；【实验原理】1、PID 简介PID 的控制算法有很多，不同的算法各有其针对性。
图 2.2.1，图2.2.2，图2.2.3给 出了三种不同的算法。
在模拟控制系统中，控制器最常用的控制规律是 PID 控制。
模拟PID控制系统原理框图如图3.2.1所示。
学生实验报告自动控制原理 实验二PID 校正系统由模拟PID 控制器和被控对象组成技世列口理N 慕笛甩用扭用期 m 雀莎先行pm 控制也尉mK 2JJ 蚀 HD (MUMPID 控制器是一种线性控制器，它根据给定值 rt 与实际输出值yt 构成控制偏差etet 二rt -y t ( 2.2.1)将偏差的比例P 、积分I 和微分D 通过线性组合构成控制量，对被控对象进行控制, 故称PID 控制器。
其控制规律为或写成传递函数的形式=K p 1+丄 +T D S (2.2.3)I T i S 丿式中：K p ——比例系数；T |——积分时间常数；T D ——微分时间常数 在控制系统设计和仿真中，也将传递函数写成式中：K P ——比例系数；K |——积分系数；K D ——微分系数。
上式从根轨迹角度看， 相当于给系统增加了一个位于原点的极点和两个位置可变的零点。
简单说来，PID 控制器各校正环节的作用如下：A 、 比例环节：成比例地反映控制系统的偏差信号 et ，偏差一旦产生，控制器立即产生 控制作用，以减少偏差。
B 、 积分环节：主要用于消除稳态误差，提高系统的型别。
积分作用的强弱取决于积分时间常数T |，T |越大，积分作用越弱，反之则越强。
C 、 微分环节：反映偏差信号的变化趋势（变化速率），并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。
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学生实验报告开课学院及实验室：
学院机电年级、专
业、班
姓名学号
实验课程名称计算机控制技术成绩
实验项目名称实验5 球杆系统的数字PID控制实验指导教师
一、实验目的
1．熟悉Matlab\simulink软件；
2．通过试凑法确定球杆系统的PID参数；
3．在球杆系统上验证PID参数的控制效果。
二、使用仪器、材料
1．球杆系统装置。
2．装有matlab2012b的计算机。
三、实验步骤
1．现场实验前先用Matlab\simulink软件进行仿真。
给出球杆装置的理想传递函数
(1)用Simulink设计出该系统的模型。
输入信号为阶跃信号，控制器选择PID。
(2)用试凑法确定出合适的PID参数。
(3)比较设置不同参数时系统的响应特性。
2．进行现场实验。
测试好现场装置后，试着将仿真后得出的几个PID参数输入到控制系统中，观察球杆装置的运行情况。
在现场调整参数使系统取得良好的控制效果。
(1）打开球杆系统电控箱上的电源按钮，在MATLAB/Current Folder 中打开文件系统自带程序“PID_ Control_Modify.slx”，会弹出如图所示的实时控制界面
(2）双击“PID Controller”模块，设置Kp、Ki、Kd的参数，参数为仿真过程得出的参数。
双击
“Step”模块，设置阶跃信号参数：step time=0，initial value=0，final value=0.25。
(3) 点击编译程序，待编译成功后，点击连接程序，点击运行程序，观察球杆和小球的运动现象。
待小球静止后，点击停止程序，打开示波器scope观察响应曲线的超调量，调节时间。
若能达到理想的控制效果，说明所设置的PID参数合理。
否则，根据波形呈现的超调量，调节时间，以及最终稳定后呈现的静差，调整PID参数，继续调试系统，最终达到理想的控制效果。
四、实验过程原始记录（程序、数据、图表、计算等）
1．Simulink仿真程序框图如下：
系统输入为阶跃信号，阶跃时间为0，初始值为0，终值定为1,采样时间为0.1。
用试凑法设置的PID参数如下：
(1)首先设置比例系数(P):
运行仿真程序，得到的输出响应波形如下图所示：
观察波形可知，静态误差太大，故加入积分环节消除静态误差。
（2）根据比例环节设置积分环节参数（I）：
运行之后的波形如下图所示：
可见加入积分环节之后，虽然减小了静态误差，可同时也降低了系统反应时间，甚至出现振荡现象，故需加入微分环节调节，使系统稳定。
（3）根据比例积分环节加入微分环节（D）：
运行之后的波形如下图所示：
从波形图可知，超调量减小，调节时间减小，振荡消失，系统稳定。
2．将以上通过试凑法整定的PID参数（4,0.2，8）输入到现场球杆系统的PID控制器中，
运行系统，观察系统的输出波形：
由于设备误差，系统输出波形一开始无法稳定，小球位置不能准确停在球杆上，但从后半段波形可知，系统在稳定之前存在很大误差，需要调节积分参数，从而减小误差，将参数I调整为0.4，再次运行：
可以看到，输出波形比之前更加稳定，误差减小，从而证明积分参数有助于减小误差，但系统还存在振荡现象，调节微分环节消除振荡。
继续调整参数，比较控制效果：
设定Kp=1.5，Ki=0.42，Kd=1.65，运行和观察：
从波形图可知，调节微分环节有助于减小振荡和超调量，此时系统稳定性较好。
五、实验结果及总结
理论数据输入到实际球杆系统中时，波形效果比理论效果相比差很多，可见仿真只是理论参考而已，需与实际结合才能得出最佳参数；而且实验仪器也会存在很多未知误差，从波形图可知，系统一开始会出现严重振荡，之后逐渐趋于稳定，可能是电机误差，也可能是传感器误差，所以都需要现场调试才能设法消除这些误差。
通过试凑法得出的参数并非适用于实际系统，仍需通过比例积分微分三者之间的协调关系来调整系统输出波形，主要是比例环节加快系统响应时间，积分环节减小误差，微分环节减小振荡和超调量，需要根据输出波形不断调整三者参数。