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数字控制技术实验指导书(浙江天煌) 实验一数字PID控制算法的研究一实验目的1学习并掌握常规数字PID及积分分离PID控制算法的原理和应用。 2学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。 3学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。 二实验内容1利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。 2采用常规数字PID控制，并用扩充响应曲线法整定控制器的参数。 3采用积分分离PID控制，并整定控制器的参数。 三实验步骤1设计并连接模拟二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。 利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。 2在上位机完成常规数字PID控制器的计算与实验结果显示、记录，并用扩充响应曲线法整定PID控制器的参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。 3在上位机完成积分分离PID控制器的计算与实验结果显示、记录，改变积分分离值，观察该参数变化对系统动态性能的影响。 4对实验结果进行分析，并完成实验报告。 四附录1被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函数为52.5() (1)(0.51)G sss=?+它可以用图4.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图4.2所示，虚线框内部分由上位机和数据处理系统完成。 InOm图4.1+R0R1-C1R2+C2R3-参数可以取为R0100k，R1500k，C12u，R2200k，R3500k，C21u。 2常规数字PID控制算法常规的PID控制律为01()()()()tp didetu tK et et dtTT dt=+?采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PID控制位置式算法1()()()() (1)kdpiiT Tu k K e k e ie k e kT T=+?简记为1()()()() (1)kiu kPe kI ei D e k e k=+?这里P、I、D参数分别为pP K=,piTI KT=,dpTD KT=采用增量式形式有() (1)() (1)()()2 (1) (2)u k u kP e k e k Ie k De k ekek=?+?+?+?3积分分离PID控制算法设积分分离值为EI，则积分分离PID控制算法可表达为下式()()()|()|()()()|()|p IDp Du k u k ukek EIuku kukekEI+?其中()()Pu kPe k=() (1)()I Iukuk Iek=?+()() (1)DukDekek=?4数字PID控制器的参数整定 （1）按扩充阶跃响应曲线法整定PID参数在模拟控制系统中，参数整定方法较多，常用的实验整定方法有临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。 数字控制时也可采用类似方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法与试凑法等等。 下面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。 扩充阶跃响应曲线法只适用于含多惯性环节的自平衡系统。 用扩充响应曲线法整定PID参数的步骤如下（a）数字控制器不接入控制系统，让系统处于开环工作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。 图4.3阶跃输入响应曲线R(t)e(t)e(k)PIDG(s)图4.2Z.0.Hu(k)y(t)（b）记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线如图4.3所示。 （c）在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间，被控对象时间常数T以及它们的比值/T，查表4-1控制器的Kp，Ki，Kd及采样周期T。 （d）在运行中，对上述参数作适当调整，以获得满意的性能。 表4-1控制度控制律T KP TI TD1.05PI0.10.84/T0.34PID0.051.15/T2.00.451.2PI0.20.78/T3.6PID0.161.0/T1.90.551.5PI0.50.68/T3.9PID0.340.85/T1.620.82扩充响应曲线法通过测取阶跃响应曲线的，T参数获得一个初步的PID控制参数，然后在此基础上通过部分参数的调节（试凑）获得满意的控制性能。 参数对性能的影响参见 （2）。 （2）PID参数对性能的影响增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。 但过大会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。 增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。 增大微分时间Td有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。 实验二具有纯滞后系统的大林控制一实验目的通过混合仿真实验，学习并掌握用于具有纯滞后系统的大林控制算法的设计及其实现。 二实验内容针对一个具有纯滞后的被控对象，设计并实现大林控制，并通过混合仿真实验观察振铃现象。 三实验步骤1设计并连接模拟具有一个惯性环节的被控对象的电路，利用C8051F060构成的数据处理系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接，利用上位机模拟被控对象的纯滞后。 利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。 2编制程序并运行，完成所设计的大林算法的控制计算，观察系统输出中的振铃现象。 3对实验结果进行分析，并写出实验报告。 四附录1被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函数为011()11ssKe KGs eTs Ts?=?+（81）上式中，滞后环节se?由上位机软件模拟，为滞后时间，这里取nT=，T为采样周期。 对象传递函数的其余部分可以用图8.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图8.2所示，这里10K=，11T=，1n=。 InOm图8.1+R0R1-C1R+-R2大林算法根据被控对象的S传递函数式（81），大林算法选定0()1sesT s?=+nT=（82）0T按控制要求选择。 作为闭环控制的综合目标，与()s相对应的00/1/11 (1)()()1T T Ts nT Te e zz Zss e z?=?=?（83）而包含零阶保持器被控对象的S传递函数为0111()()1Ts Tsse eKeG sG sssTs?=?=?+离散化后得到11/1/1 (1)()()1T TnT TKe zGz ZG sez?=?（84）于是可以得到大林算法控制器的Z传递函数01001/1/11 (1) (1)() (1)1 (1)T T T TT TTTTT nee zDzK eezez?=?（85）由此得到大林算法0000111/() (1) (1) (1) (1) (1)() (1) (1) (1)TTT TT TTTTTTTT Tuke ukeuk nee eekekK eKe?=?+?+?（86）e(k)e(t)r(t)D(z)T1s+1图8.2Z.0.Hke-nTsy(t)实验三A/D与D/A转换一实验目的1通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。 2通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。 二实验内容1利用实验系统完成测试信号的产生2测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。 3设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。 三实验步骤1了解并熟悉实验设备，掌握以C8051F060为核心的数据处理系统的模拟量通道设计方法，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法；2利用实验设备产生05V的斜坡信号，输入到一路模拟量输入通道，在上位机软件的界面上测取该模拟量输入通道当A/D转换数为4位时的模数转换量化特性；3利用实验箱设计并连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路，分别输入两路模拟量输入通道，在上位机界面的界面上测取它们的模数转换结果，然后将该转换结果的数字量，通过数模转换变为模拟量和输入信号作比较；4编写程序实现各种典型测试信号的产生，熟悉并掌握程序设计方法；5对实验结果进行分析，并完成实验报告。 四附录1C8051F060概述C8051F060是一个高性能数据采集芯片。 芯片内集成了 （1）与8051兼容的内核额定工作频率25MHz，流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期。 5个通用16位定时器计数器，59条可编程的I/O线，22个中断源（2个优先级）。 （2）模拟I/OC8051F060的ADC子系统包括两个1Msps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA接口；两个12位电压输出DAC转换器，用于产生无抖动的波形。 内部电压基准，精确的VDD监视器和欠压监测器。 （3）存贮器64KB片内闪速/电擦除程序存贮器（EEPROM）,4KB片内数据存贮器（SRAM）。 （4）片内其它外围2个UART串行I/O,SPI串行I/O，专用的看门狗定时器，电源监视器，温度传感器，内部可编程振荡器324.5MHz或外接震荡器。 （5）供电电压2.7V3.6V，多中节电和停机方式。 2实验设备中的模拟量输入通道 （1）主要功能允许10V10V信号输入，而至C8051F060引脚ADC的信号则被限制在要求的0V3V（芯片基准电压为3.0V）。 （2）模拟量输入通道基本电路见图1.1由一个偏移电路环节（3V）与放大器电路环节组成。 （3）模拟量输入通道输入端口实验箱面板上，有模拟量输入通道输入端口I1I8。 3实验设备中的模拟量输出通道 （1）主要功能变C8051F060引脚DAC的单极性输出（0V10V）为双极性输出（10V10V）。 （2）模拟量输出通道基本电路见图1.2。 由一个偏移电路环节（2.5V）与放大器电路环节组成。 （3）模拟量输出通道输出端口实验箱面板上，有模拟量输出通道输出端口O1，O2。 4C8051F060与上位机的关系与分工C8051F060与上位机之间，通过USB2.0口完成数据通讯。 以C8051F060为核心构成的数据采集系统主要完成模拟量采集、模数转换、数模转换和模拟量输出（零阶保持器）等功能。 而数据处理与显示，包括有关信号发生、数字滤波、数字控制与虚拟仪器等功能则通过上位机实现。 系统通过A/D变换器对模拟信号进行A/D转换，转换后的值通过USB2.0口通讯传至上位机，由上位机软件显示；将欲转换的数字量送至D/A变换器还原成模拟量。 本系统中16位A/D，D/A为12位，可以通过LabVIEW程序编程设置取得其他较低的转换精度以达到实验目的。 有关C8051F060与上位机构成系统的具体使用方法，特别是有关上位机用户界面上的操作，请参阅“计算机控制上位机程序使用说明书”。 5两路互为倒相的周期斜坡信号的产生利用实验设备产生两路相位互差180的斜坡信号的电路见图1.3，其中R0R1=R2，R3R2R1+u iR0-图11+R3-R5+R40R6ADCx(C8051F060)+3v+3vR2R1-2.5v+DACx R0-+R3-R5+R4OutR6图1.2R4。 在上位机界面上，选择测试信号为周期斜坡，在O1端得到周期斜坡信号，如图1.4.a所示，在I2和I1端分别得到如图1.4.b、1.4.c所示互为倒相的周期信号。 6软件编程实现测试信号发生在上位机软件留给用户的编程接口中，编程实现典型信号的发生如正弦信号，周期方波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号。 （1）正弦信号sin()y A t?=+，2T= （2）方波 （3）锯齿波 （4）抛物线图1.41100AtTyT tT 通过数字PID控制器来控制直流电机在给定一定的情况下，电机的转速按给定的转速稳定运转。 三实验设备1ACCC-I型自动控制理论及计算机控制技术实验装置；2数字式万用表。 四实验内容和步骤计算机控制闭环系统除了实际物理模型外，其它的控制部分由上位机的软件和数据处理器来实现。 1将ACCT-II面板和ACCT-III面板上的船形开关拨到“OFF”状态；2如图1.2所示，将ACCT-II面板上U3单元A/D、D/A转换器的D/A输出O1接到ACCT-III面板上低压直流电动机调速中功率转换电路的输入，同时将转速测量电路的输出接到A/D输入I1，由于功率转换电路和转速测量电路不共地，所以将输入和输出的负极短接后接到ACCT-II面板上的任一地线；3检查线路后，再将两块面板上的船形开关拨到“ON”状态；4打开LabVIEW计算机控制技术实验软件的界面(实验四数字PID控制器)，系统连接上后，运行界面程序，采用试凑法，调节程序中的PID参数使得系统稳定，达到无静差。 5改变给定信号的幅值，观测系统的动态特性。 计算机控制实验注意事项 1、硬件接线如下O1接环节输入，中间环节输出接I1，如果两路AD和DA同时使用，接线按照实验指导书，中间环节电路中的锁零同时使用，接线按照实验指导书，中间环节电路中的锁零G接到-15V。 2、按下“启动暂停”按键程序开始运行,再次按下该按键程序暂停。 3、测试信号设置选项框中可以设置发出的波形的种类、幅值、频率、占空比、采样开关T、采样时间。 4、深度选项可以设定图形显示控件存储历史数据的深度。 5、下端的参数设置可以设置实验的响应参数。 6、按下退出按键程序退出。 字实验一数字PID控制算法的研究1模拟电路如图4.1所示。 2实验接线，O1接Om，In接I1。 3锁零接-15V。 4R0100k，R1500k，C12u，R2100k，R3100k，C21u。 5打开LabVIEW软件参考程序实验四，数字PID控制器的参数整定，可以通过KP、TI、TD进行修改，观测对系统动态性能