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PID调节器参数整定分析

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3

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《计算机控制技术》实验指导书
（软件部分）

编写：唐红雨 黄海峰

镇江高等专科学校电子信息系
2007年3月
目 录

实验一 PID调节器参数整定分析 2
实验二 采样控制系统分析 4
实验三 程序判断滤波 5
实验四 中值滤波 6
实验五 平均值滤波 8
实验一 PID调节器参数整定分析
一、实验目的
设计MATLAB的M文件,用来实现PID调节器的功能，分析Kp、Kd、Ki三个参数对系统性能的影响。

二、实验步骤
开机执行程序，用鼠标双击图标进入MATLAB命令窗口:Command Windows
新建M-file，然后,输入设计好的程序.
调试，检查错误，然后运行。
观察系统对不同参数的相应曲线，分析其原因。

三、实验要求
1、实验之前,查阅有关资料，编写好相应的程序。
2、认真做好仿真记录

四、实验报告要求
叙述Kp、Kd、Ki三个参数对系统性能的影响。
附程序：

1 % 比例控制
G=tf(10，［1 6 11 6］）；P=[0。1：0.1:1］；％传递函数,Kp变化范围
for i=1：length(P)
G_c=feedback（P(i）*G，1); ％系统反馈
step(G_c)，hold on %单位阶跃输入
end

2 % 比例积分控制
G=tf（10，[1 6 11 6]) ％系统传递函数
Kp=1;Ti=[0。8：0.2：1.6］； ％Kp一定，不同Ti的输入
for i=1:length（Ti)
Gc=tf(Kp*［1，1/Ti（i）]，［1,0］)； %分别计算不同Ti的系统参数
G_c=feedback（G＊Gc，1）；
step(G_c)，hold on ％阶跃响应曲线

3 % 比例、积分、微分控制
G=tf(10，[1 6 11 6］） %系统传递函数
Kp=1;Ti=0．6；Td=[0.1：0。2:2]； ％Kp、Ti一定,不同Td的输入
for i=1：length（Td)
Gc=tf（Kp*[Ti*Td（i)，Ti,1]/Ti，[1,0］)； ％分别计算不同Td的系统参数
G_c=feedback(G*Gc，1)；step（G_c），hold on %阶跃响应曲线
end

4 %P、PI、PID三种控制策略
G=tf（10，[1 10 35 50 24]）； ％系统传递函数
［Kc，pp，wg，wp]=margin(G)；Tc=2＊pi/wg； ％计算系统开环增益和剪切频率
[Gc1，Kp1］=ziegler(1,［Kc，Tc，10])；Gc1 ％调用自定义ziegler函数，P控制
[Gc2，Kp2，Ti2]=ziegler(2，［Kc，Tc，10］);Gc2 ％PI控制
[Gc3,Kp3,Ti3，Td3]=ziegler(3，［Kc，Tc,10］);Gc3 ％PID控制
G_c1=feedback（G＊Gc1,1)；step(G_c1);hold on % P控制,阶跃响应曲线
G_c2=feedback(G*Gc2，1）；step（G_c2)； ％PI控制，阶跃响应曲线
G_c3=feedback（G＊Gc3,1)；step(G_c3）;

其中ziegler（ ）函数如下：
function ［Gc,Kp，Ti，Td,H]=ziegler（key，vars)
Ti=[ ]； Td=［ ]; H=[ ］；
if length（vars)==4，
K=vars（1)； L=vars(2）；
T=vars(3）; N=vars（4)； a=K*L/T；
if key==1, Kp=1/a； %P控制器
elseif key==2, Kp=0.9/a； Ti=3.33*L; ％PI控制器
elseif key==3 %PID控制器
Kp=1。2/a； Ti=2*L; Td=L/2;
end
elseif length（vars)==3,
K=vars(1); Tc=vars(2）; N=vars（3）；
if key==1， Kp=0.5＊K;
elseif key==2, Kp=0。4*K； Ti=0.8＊Tc;
elseif key==3
Kp=0.6＊K; Ti=0。5*Tc； Td=0.12＊Tc;
end
elseif length（vars）==5，
K=vars（1)； Tc=vars（2)；
rb=vars（3）； pb=pi*vars（4)/180;
N=vars（5); Kp=K*rb＊cos(pb）；
if key==2，
Ti=—Tc/（2＊pi*tan(pb）);
elseif key==3
Ti=Tc*（1+sin（pb)）/（pi＊cos（pb））；
Td=Ti/4；
end
end
switch key
case 1， Gc=Kp;
case 2, Gc=tf(Kp*[Ti，1］,[Ti，0]);
case 3
nn=［Kp*Ti*Td*(N+1）/N, Kp＊(Ti+Td/N）， Kp];
dd=Ti＊［Td/N，1，0]； Gc=tf（nn，dd）;
end
实验二 采样控制系统分析
一、实验目的
考察连续时间系统的采样控制中，零阶保持器的作用与采样时间间隔对Ts对系统稳定性的影响

二、实验步骤
开机执行程序，用鼠标双击图标，进入MATLAB命令窗口:Command Windows
在Command Windows窗口中输入:simulink，进入仿真界面，并新建Model文件
在Model界面中构造连续时间系统的结构图。作时域仿真并确定系统时域性能指标.

带零阶保持器的采样控制系统如下图所示。作时域仿真，调整采样间隔时间Ts，观察对系统稳定性的影响.

三、实验要求
(1)按照结构图程序设计好模型图,完成时域仿真的结构图
（2）认真做好时域仿真记录

四、实验报告要求
(1）叙述零阶保持器的作用
（2）讨论采样时间间隔Ts对系统的影响。

附：step模块在sources库中
sum模块在math operations库中
scope模块在sinks库中
transfer fcn模块在continuous库中
zero-order hold模块在discrete库中
实验三 程序判断滤波
一、实验目的
1、 掌握数字滤波中程序判断滤波的设计思路和单片机程序实现方法；
2、 学会使用51汇编集成开发环境调试程序判断滤波；
3、 学会使用保护现场、恢复现场的方法。

二、实验内容
采样的信号如果因传感器不稳定而引起严重失真时，可以采用程序判断滤波。方法是:根据经验确定两次采样允许的最大偏差△y，若两次采样信号的差值大于△y，表明输入的是干扰信号,应该去掉，用上次采样值作为本次采样值.若小于或等于△y，则表明没有受到干扰，本次采样值有效。
例如,当前采样值存30H，上次采样值存31H，结果存32H.△y根据经验确定，本例设为03H,程序框图如图1所示.
程序清单：
ORG 0050H
PUSH ACC ;保护现场
PUSH PSW

MOV 30H，#33H
MOV 31H，#31H
MOV A，30H ;Yn→A
CLR C
SUBB A，31H ；求Yn－Yn—1
JNC LP0 ；Yn－Yn-1≥0吗？
CPL A
ADD A,＃01H
LP0：CLR C
CJNE A,＃01H，LP2；Yn－Yn—1＞△y?
LP1：MOV 32H，30H;等于△y，本次采样值有效
AJMP LP3
LP2：JC LP1 ；小于△y，转本采样值有效
MOV 32H，31H ；大于△y, Yn-1→32H
LP3：POP PSW ；恢复现场
POP ACC
只有当本次采样值小于上次采样值才进行求补,保证本次采样值有效。
在调试过程中,分别对30H、31H置入数值,让两者差值分别大于、等于、小于△y，注意观察32H中数值的变化，以及程序的跳转情况.
实验四 中值滤波
一、实验目的
1、掌握数字滤波中中值滤波的设计思路和单片机程序实现方法；
2、学会使用51汇编集成开发环境调试中值滤波；
3、学会使用保护现场、恢复现场的方法。

二、实验内容
中值滤波就是连续输入3个检测信号，从中选择一个中间值作为有效信号。本例第一次采集的数据存R1，第二次采集的数据存R2，第三次采集的数据存R3，中间值存R0。程序清单如下：
ORG 0050H
MOV R1，#11H
MOV R2,＃12H
MOV R3，＃13H
PUSH PSW ；保护PSW、A
PUSH A
MOV A，R1 ；第1次采集的数据送A
CLR C
SUBB A，R2；
JNC LOB01 ；第1次采集数大于第2次采集数？
MOV A，R1
XCH A,R2 ；第1、2次采集数互换
MOV R1,A
LOB01： MOV A，R3
CLR C
SUBB A，R1
JNC LOB03 ;第3次采集数大于第1次采集数？
MOV A，R3
CLR C
SUBB A，R2
JNC LOB04 ；第3次采集数大于第2次采集数则转
MOV 32H，A
LOB02： POP A ；恢复现场
POP PSW
RET
LOB03： MOV A，R1
MOV 32H，A
AJMP LOB02
LOB04： MOV A，R3
MOV 32H，A
AJMP LOB02
END
调试过程中，首先分别对R1、R2、R3三个寄存器赋值，例如（R1)=24H，(R2)=30H，（R3)=2CH，程序运行结束后，（R0）=

重新对R1、R2、R3三个寄存器赋值,观察R0中数值的变化.
（R0)=
注:带下划线的数据可以自行改变。
实验五 平均值滤波
一、实验目的
1、掌握数字滤波中均值滤波的设计思路和单片机程序实现方法；
2、学会使用51汇编集成开发环境调试中值滤波；
3、学会使用保护现场、恢复现场的方法.

二、实验内容
均值滤波就是连续监测8个数据，分别放在30H—37H中,首先求出8个数的和，放在R6中，在求出平均值时,采用的方法是移位法,即对和向右移动3次，得到均值。此种方法适用于采样个数为2的幂次方，最后求出的均值放在38H单元.程序清单如下:
ORG 0050H
MOV A, #88H
MOV 30H， #12H
MOV 31H， #22H
MOV 32H， #42H
MOV 33H, ＃52H
MOV 34H， ＃11H
MOV 35H， #21H
MOV 36H, #32H
MOV 37H, ＃04H
PUSH PSW ;现场保护
PUSH A
MOV 7FH， ＃00H ;进位位清零，7FH单元存放进位
MOV R0, ＃30H ;设置数据存储区首址
MOV R7， #08H ;设置采样数据个数
CLR A ；清累加器
LOOP: ADD A，@R0 ;两数相加
JNC NEXT ；无进位，转NEXT
INC 7FH ；有进位，进位位加1
NEXT： INC R0 ；数据指针加1
DJNZ R7， LOOP ；未加完，继续加
MOV R7, #03H ；设置循环次数
DIVIDE： MOV R6， A ；保存累加器中的内容，R6暂存数据
MOV A， 7FH ；累加结果除2
CLR C
RRC A
MOV 7FH， A
MOV A， R6
RRC A
DJNZ R7, DIVIDE ；未结束,继续执行
MOV 38H, A ；保存结果至38H中
POP A ；恢复现场
POP PSW
RET
END
注：带下划线的数据可以自行改变.

调试过程中，首先分别对30H-37H 单元赋值，具体数值见程序,程序运行结束后，（R6）= (38H）= （7FH）=

重新对30H—37H 单元赋值,观察（R6)= ，(38H）= ，（7FH）=
数值的变化.
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