THTJ-1实验指导书

1、第一章 THTJ-1计算机控制技术实验箱简介THTJ-1型计算机控制技术实验箱主要是针对高校“计算机控制技术”这门课程而设计的。该实验箱既考虑了学校理论教学的需要，又考虑了产品的开放性、扩展性、实用性。如产品在信号采集部分并不是采用价格低廉的单片机系统，而是采用实验室或工业上常用的USB数据采集卡，在实验的设计上除了用运放来模拟各种受控对象的数学模型外，还针对性的设置了温度加热器、步进电机、直流电机三个实际被控对象，以便通过上位机来实现对它们输出量的自动控制。在实验电路的设计上，除了完成实验的通用单元外，还增加了非线性单元，和一些自由布线区，这样可以在受控对象中引入非线性单元或其它电路单元，以

2、增加算法研究的深度与广度。另外还增加了实验中经常使用到的低频信号发生器，便于实验室其它地方的使用。一、硬件部分1直流稳压电源直流稳压电源采用通用开关电源，输出为±5V、±15V及+12V。2低频信号发生器见实验箱的U1单元。低频信号发生器由单片集成函数信号发生器ICL8038及外围电路组合而成，主要输出有正弦信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为T1、T2、T3、T4为四档。其中正弦信号的范围为：0.1Hz600Hz，Vp-p值为25V，而方波信号输出幅度的Vp-p值为15V。使用时可根据需要调节“调频”、“调幅一”和“调幅二”三个电位器即可调节输出信号的频率和

3、幅值。3实验通用单元电路见实验箱的U2U9及U12、U13单元。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象的数学模型。其中U9单元还包含了通用单元电路的锁零部分。另外通用单元电路中还有U9和U10单元，其中U9为非线性单元，U10为尖脉冲单元。4实物及相关电路见实验箱的U14、U15及U16单元。实物由温度加热器(带风机)、直流电机、步进电机组成，它们与各自的驱动电路和测量电路组成温度闭环控制，直流电机闭环调速控制、步进电机转速控制实验。5USB数据采集卡及接口单元数据采集卡采用THBXD，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼

4、容的计算机内，其采样频率为250K；有16路单端A/D模拟量输入，4路D/A模拟量输出，A/D与D/A转换精度均为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。接口单元则放于实验箱内，用于实验箱与PC上位机的连接与通讯。数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中列出AI有6路，AO有2路，DI/DO各8路。二、上位机软件上位机软件集虚拟示波器、VBScript脚本编程器、实验指导书等于一身。其中虚拟示波器用于显示实验波形，并具有图形和数据存储、打印功能；VBScript脚本编程器则提供了一个开放的编程环境，用户可编写各种算法及控制程序。详细请查阅

5、第二章“软件安装及使用说明”部分。三、实验项目1计算机控制技术基础实验 A/D与D/A转换数字滤波器D(S)离散化方法的研究数字PID控制算法的研究串级控制算法的研究解耦控制算法的研究最少拍控制算法的研究具有纯滞后系统的大林控制线性离散系统的全状态反馈控制二次型状态调节器二维模糊控制器单神经元控制器2计算机控制技术应用实验单闭环直流调速系统步进电机转速控制单闭环温度恒值控制第二章 THTJ-1软件安装及使用说明第一节 THTJ-1软件安装说明一、运行环境项目描述CPUP4(2.2G)以上内存256M以上硬盘不限USB支持USB1.1 最好USB2.0操作系统Windows2000 最好WinX

6、P显示设备17寸 显卡要求64M以上二、软件安装首先从提供的光盘上安装USB驱动程序及应用软件，USB驱动程序安装和普通USB驱动安装没有分别（这里不做详细说明）。安装本软件双击setup.exe即进行安装。出现如下画面：（图1）（图2）（图3）（图4）（图5）安装过程中尽量采用默认安装，安装完成之后，系统如果提示需要重新启动电脑，请保存好各类文档，然后重新启动。第二节 THTJ-1软件的使用说明一、THTJ-1软件 从开始菜单处打开软件界面"THTJ-1"，打开之后软件界面如图1所示状态区示波器窗口菜单参数与操作区（图1）如果USB采集卡驱动没有装好或者usb线没有连接，

7、启动时都会弹出警告对话框如下图。用户最好关闭连接好后，再重新启动。（图2）点击放大（图1），图中，最上面是各类菜单，其下是工具快捷方式。左边栏是示波器显示窗口，右面是参数和操作区，下面是状态显示窗口，用户可以通过菜单，工具快捷按钮，操作区按钮，完成对虚拟示波器的控制。初步了解了软件界面的情况之后，我们就可以开始实验操作了。1、数据采集从菜单的"系统"下面找到"开始采集"界面如图3：（图3）开始采集前如想设置AD采用频率等参数，可以在控制区操作。AD数据缓存设置，可以在“系统”下找到“缓存设置”，弹出如下对话框：(图4）Urb数据长度USB每次请求包的长度

8、（最小64，最大2048，要求必须是64的整数倍）。（默认值是1024）一般不需要设置，在采用频率很低时，该值可以调低到512，256等合适的值，注意：只有系统停止采集状态时才允许缓存设置。缓存数据长度每次送入示波器的数据长度（必须大于等于Urb数据长度，最大819200，要求是偶数）。缓存数据长度将影响示波器的数据刷新快慢，即缓存越长示波器刷新的越慢，反之亦然。默认值是4096，可以适当设置。通道选择 选择AD采集的通道（通道1为 USB采集卡的1通道，通道12为USB采集卡的1和2通道，此时双通道采集，每个通道的实际采样频率为设置采样频率的一半）。采样频率设置采集卡的采样频率（注要：单位是

9、K，即最小为1000Hz，最大可以达到250KHz）。采集卡的默认增益系数为1。分频系数波形在Chart模式时，可以任意调节采样频率。该原理是等间隔均匀丢弃数据点。也即相当于降低了采样频率，该功能特点是不需要停止采集，随着滑动按钮的调节，可以马上看到调节结果。主要用在实验时对象信号频率很低，而实验又需要显示整个实验波形过程，这时通过滑动按钮可以调到合理的波形。（值1对应无分频，值20对应每缓存长度数据只显示1点）。窗口长度调节Chart模式时的波形历史数据长度。基准平移可以逻辑设置幅值的平移增量。双通道采集时可以用来分段显示波形。基准增益可以逻辑设置幅值的比例系数。状态栏第一格为系统运行状况信

10、息栏，第二栏为当前波形实时分析的频率值（注要：双通道时，是指第一通道波形的频率），第三栏第四栏为十字跟踪时，跟踪线X1与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值。第五栏和第六栏为十字跟踪时，跟踪线X2与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值。第七栏第八栏为跟踪线X2与跟踪线X1的坐标值差，第九栏为|X2-X1|坐标值差的倒数。当X1X2刚好对应一个波形时，该倒数即为该波形的频率。开始采集之后，界面如下图，我们就可以对示波器进行操作：(图5)2、幅值自动选择：调整示波器窗口始终随着波形的幅值满屏显示。取消：取消自动调整，同时弹出对话框，设置最大，最小显示幅值。3、时基自动选择：调整示波器窗口始终随着波形的

11、时间满屏显示。取消：取消自动调整。暂停显示选择：暂停显示。取消：取消自动调整。4、波形同步选择：同步显示波形（注要：只有波形模式在 Plot X，Plot(X1,X2),Plot(X1+X2)三种模式下有效，其它模式不起作用）。取消：取消同步显示。5、波形模式Chart X 单通道采集时，连续左移方式显示波形；Plot X 单通道采集时，连续一屏一屏从左到有刷新显示波形，此时波形显示长度就是缓存数据长度；单通道同步显示必须在此模式下；Chart(X1,X2)双通道时，分别显示。显示原理同 Chart X ；Plot(X1,X2)双通道时，分别显示。显示原理同 PlotX ；Chart(X1X2

12、)双通道时，两波形叠加显示。显示原理同 Chart X ；Plot(X1X2)双通道时，两波形叠加显示。显示原理同 PlotX ；Plot(X1，X2)双通道时，X1数值为时间轴，X2为幅值轴。显示原理同 PlotX ；6、波形操作XY轴放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的矩形波形窗口到满屏。X轴放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的时间轴区域波形到满屏。Y轴放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的幅值轴区域波形到满屏。十字跟踪 在此操作模式下，示波器会弹出两跟踪线。用户可以用鼠标拖动跟踪线到指定的位置，状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置。线型/点型 改变波形的形状

13、。即线型时连线显示，点型时，点式显示。7、缩放复位复位放大缩小后的波形到原始状态。8、基准复位复位控制区里的水平，基准按钮到初始状态。9、波形清除 清除波形。10、波形复制波形拷贝到粘贴板。第二节 THTJ-1软件的使用说明1、X-t的使用1.1 采用实验台上的通用实验单元，组建一个惯性环节，如下图8所示：（图8）电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，Ro=200K，C=1uF；将Ui端连接到阶跃信号输出端，Uo端连接到数据采集口单元的AD1，且阶跃信号的输出幅值为2V；1.2 从开始菜单处打开软件界面“THTJ-1”，打开后软件界面如图9：（图9）1.3 将窗口长度的指针移向大，点

14、击开始采集按钮，并按下阶跃按钮，输出2V的阶跃信号，即可记录如下图10所示：（图10）注意：在X-t视图下，也可以采用双通道观察，具体操作步骤和单通道观察实验波形一致。2、X-Y的使用2.1 按照下图所示，连接实验电路：将r(t)连接到数据采集接口的AD1和低频函数信号发生器的正弦波输出端，c(t)端连接到数据采集接口的AD2。2.2 打开THTJ-1软件，将AD参数设置为：通道选择：通道(1-2)，采样频率：50；点击开始采集按钮，并选择菜单中的示波器选项波形模式Chart XY；即可得到如下图所示：2.3 打开函数信号发生器的开关，输出正弦波，即可得到X-Y图：四、编程器的使用1. 运行T

15、HTJ-1软件，并选择菜单中的系统脚本编辑，即可打开脚本编程器，如下图所示：2. 使用导线，连接数据采集接口的AD1和DA1；并使用脚本编程器打开计算机控制算法VBS基本波形中的正弦波脚本；且在脚本编程器的菜单语言选择VBScript。3. 将AD参数设置为：通道1，1KHz，并开始采集数据；打开脚本编程器的调试菜单的启动菜单，运行脚本。即THTJ-1虚拟示波器上观察到输出的正弦波。4. 波形采集完成后，可选择脚本编程器调试菜单中的停止菜单，停止脚本输出。注意：脚本编程器可通过修改调试菜单中的步长设置，修改单步步长；本脚本编程器支持VBScript和JScript，其中JScript的操作步骤

16、和VBScript相似。五、VBScript函数说明1. 初始化函数：Initialize(arg)调用方法：sub Initialize(arg)2. 算法运行函数：TakeOneStep (arg)调用方法：sub TakeOneStep (arg)3. 退出函数：Finalize (arg)调用方法：sub Finalize (arg)4. 模拟量输出函数：WriteData voltage , channels调用方法：WriteData 0 ,1；此函数表明模拟量输出通道DA1输出0V。5. 模拟量测量函数：ReadData(channels)调用方法：ReadData(1)；此函数

17、表明模拟量采集通道为AD1。6. 数字量输出函数：SetDO sign , channels调用方法：SetDO TURE，1；此函数表明数字量输出DO1为1；sign的状态有TURE和FALSE。7. 转速测量函数：GetFS调用方法：GetFS；此函数用于测量第一通道的输入信号频率。六、JScript函数说明1. 初始化函数：Initialize(arg)调用方法：sub Initialize(arg)2. 算法运行函数：TakeOneStep (arg)调用方法：sub TakeOneStep (arg)3. 退出函数：Finalize (arg)调用方法：sub Finalize (a

18、rg)4. 模拟量输出函数：WriteData voltage , channels调用方法：WriteData 0 ,1；此函数表明模拟量输出通道DA1输出0V。5. 模拟量测量函数：ReadData(channels)调用方法：ReadData(1)；此函数表明模拟量采集通道为AD1。6. 数字量输出函数：SetDO sign , channels调用方法：SetDO TURE，1；此函数表明数字量输出DO1为1；sign的状态有TURE和FALSE。7. 转速测量函数：GetFS调用方法：GetFS；此函数用于测量第一通道的输入信号频率。七、脚本编程流程图结束Initialize(arg

19、)TakeOneStep (arg)控制算法循环判断Finalize (arg)YY开始第三章 计算机控制技术基础实验实验一 A/D与D/A转换一、实验目的1通过实验了解实验系统的结构与使用方法；2通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二、实验设备1THTJ-1型计算机控制技术实验箱2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台(含上位机软件“THTJ-1”)三、实验内容1输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；2在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换实验。四、实验步骤1. 启动实验台的“电源总开关”，打开±5、

20、±15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“数据采集接口单元“的“AD1”通道,同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；2、将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V；3. 启动计算机，在桌面双击图标“THTJ-1”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；4. 点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始/停止”按钮，观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为1V时应为0000001100011101(其中后几位将处于实时刷新状态)。调节阶跃信号的大小，然后继续观AD转换器的转换结果，并与理论值(详见本实验

21、附录)进行比较；5. 根据DA转换器的转换规律(详见本实验附录)，在DA部分的编辑框中输入一个10进制或16进制数据，然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小；6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。五、附 录1数据采集卡本实验台采用了THBXD数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为±10V、输出量程均为±5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其主要特点有：1) 支持USB1.1协议，真正实现即插即用 2) 400KHz14位A/D转换器，

22、通过率为350K，12位D/A转换器，建立时间10s3) 4通道模拟量输入和2通道模拟量输出4) 8k深度的FIFO保证数据的完整性5) 8路开关量输入，8路开关量输出2. AD/DA转换原理数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-1010V对应为016383(A/D转换为14位)。其中0V为8192。其主要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入)： 输入AD原始码(二进制)AD原始码(十六进制)求补后的码(十进制)正满度01 1111 1111 11111FFF16383正满度1LSB01 1111 1111 11101FFE1638

23、2中间值（零点）00 0000 0000 000000008192负满度+1LSB10 0000 0000 000120011负满度10 0000 0000 000020000 而DA转换时的数据转换关系为：-55V对应为04095(D/A转换为12位)，其数据格式(双极性电压输出时)为： 输入D/A数据编码正满度1111 1111 1111正满度1LSB1111 1111 1110中间值（零点）1000 0000 0000负满度+1LSB 0000 0000 0001负满度0000 0000 00003编程实现测试信号的产生利用上位机的“脚本编程器”可编程实现各种典型信号的产生，如正弦信号，

24、方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。其函数表达式分别为：1) 正弦信号 ，2) 方波 3) 斜坡信号 ，a为常量4) 抛物线信号，a为常量这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下：dim tx,op,a 初始化函数sub Initialize(arg) 初始化函数 WriteData 0 ,1 对采集卡的输出端口DA1进行初始化tx=0 对变量初始化end subsub TakeOneStep (arg) 算法运行函数 a=1op=0.5*a*tx*tx 0.1为时间步长tx=tx+0.1if op>3 then 波形限幅 tx=0 end ifWriteData op ,1 数据从采

25、集卡的DA1端口输出end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1 end sub通过改变变量tx、a的值可改变抛物线的上升斜率。其它典型信号的编程请参考THTJ-1上位机安装目录下的“VBS脚本程序计算机控制技术”目录内参考示例程序。 实验二 数字滤波器一、实验目的1通过实验熟悉数字滤波器的实现方法；2研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。二、实验设备1THTJ-1型计算机控制技术实验箱2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台(含上位机软件“THTJ-1”)三、实验内容1设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰

26、信号和正弦信号输入的模拟加法电路；2设计并调试一阶数字滤波器；3设计并调试高阶数字滤波器。四、实验原理1在许多信息处理过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。数字滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。一般可以用两种方法来实现：一种是用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。一个数字滤波器，它所表达的运算可用差分方程来表示：2一阶数字滤波器及其数字化一阶数字滤波器的传递函数为 利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法： 其中TS为采样周期，为滤波器的时间常数。TS和

27、应根据信号的频谱来选择。3高阶数字滤波器高阶数字滤波器算法很多，这里只给出一种加权平均算法：其中权系数满足：。同样，也根据信号的频谱来选择。五、实验步骤1、实验接线及准备1.1启动计算机，在桌面双击图标THTJ-1，运行实验软件；1.2启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将低频函数信号发生器单元输出端连接到采集卡的“AD1”通道,并选择方波输出。在虚拟示波器观测方波信号的频率和幅值，然后调节信号发生器中的“频率调节”和“幅度调节”电位器，使方波信号的频率和幅值分别为4Hz，2V。然后断开与采集卡的连接，将低频函数信号发生器单元输出端连接到“脉冲产生电路”单元

28、输入端，产生一个尖脉冲信号Uo；1.3按图2-2连接电路，其中正弦信号来自数据采集卡的“DA1”输出端，尖脉冲信号来自U1单元的输出端。图2-2的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连，同时将数据采集卡的“DA2”输出端与“AD2”输入端相连；2、脚本程序运行2.1点击软件工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)，打开脚本编辑器窗口；2.2在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“数字滤波”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为10ms；2.3点击脚本编辑器窗口

29、的调试菜单下“启动”，用双踪示波器分别观察图2-2的输出端和数据采集卡输出端“DA2”的波形。调节信号发生器中的“频率调节”电位器，改变方波信号的频率(即尖脉冲干扰信号的频率)。观察数据滤波器的滤波效果；2.4点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，修改算法程序中的参数Ts(注：修改Ts时要同步修改算法的运行步长)、Ti两个参数，然后再运行该程序，在示波器上再次观察参数变化对滤波效果的影响；2.5对于高阶数字滤波器的算法编程实验，请参考本实验步骤2.2、 2.3和2.4。不同的是打开的脚本程序文件名为“数字滤波（高阶）”，实验时程序可修改的参数为a1、a2、a3和采样时间Ts。2.6 实验结束后，

30、关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验报告要求1画出尖脉冲干扰信号的产生电路图。2编写一阶数字滤波器的脚本程序。3绘制加数字滤波器前、后的输出波形，并分析程序中参数的变化对其滤波效果的影响。七、附 录1尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图图2-1 尖脉冲产生电路通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。2实验电路的信号的产生把图2-1产生的尖脉冲信号视为干扰信号，与一低频正弦信号（由上位机的“脚本编辑器”编程输出）输入到图2-2所示的两个输入端。 图2-2 测试信号的产生电路图3一阶数字滤波器的程序编写与调试示例dim pv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti 变量定义sub Ini

31、tialize(arg) 初始化函数WriteData 0 ,1 opx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法运行函数pv = ReadData(1) 采集卡通道1的测量值op1=2*sin(x) 正弦信号的产生x=x+0.1 Ti=0.02Ts=0.01 采样时间10msop2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx 一阶数字滤波器的输出opx=op2if op2>=4.9 then op2=4.9end ifif op2<=-4.9 then op2=-4.9end ifWriteData op1 ,1 正弦信号从DA1端口输出WriteDat

32、a op2 ,2 滤波后的信号从DA2端口输出end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2end sub高阶数字滤波器的编程请参考THTJ-1上位机安装目录下的“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”目录内参考示例程序。实验三 离散化方法研究一、实验目的1学习并掌握数字控制器的设计方法；2熟悉将模拟控制器D(S)离散为数字控制器的原理与方法；3通过数模混合实验，对D(S)的多种离散化方法作比较研究，并对D(S)离散化前后闭环系统的性能进行比较，以加深对计算机控制系统的理解。二、实验设备1THTJ-1型计算机控制技术实

33、验箱2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台(含上位机软件“THTJ-1”)三、实验内容1按连续系统的要求，照图3-1的方案设计一个与被控对象串联的模拟控制器D(S)，并用示波器观测系统的动态特性。2利用实验平台，设计一个数模混合仿真的计算机控制系统，并利用D(S)离散化后所编写的程序对系统进行控制。3研究采样周期TS变化时，不同离散化的方法对闭环控制系统性能的影响。4对上述连续系统和计算机控制系统的动态性能作比较研究。四、实验原理由于计算机的发展，计算机及其相应的信号变换装置（A/D和D/A）取代了常规的模拟控制。在对原有的连续控制系统进行改造

34、时，最方便的办法是将原来的模拟控制器离散化，其实质是将数字控制部分（A/D、计算机和D/A）看成一个整体，它的输入与输出都是模拟量，因而可等效于一个连续的传递函数D(S)。这样，计算机控制系统可近似地视为以D(S)为控制器的连续控制系统。下面以一个具体的二阶系统来说明D(S)控制器的离散化方法。1、二阶系统的原理框图如图3-1所示。图3-1 二阶对象的方框图图3-2 二阶对象的模拟电路图2、系统性能指标要求系统的速度误差系数 1/s ，超调量，系统的调整时间s据Kv要求可得： ， 令，则校正后的开环传递函数为由上式得 ，取，则 所以校正后系统的模拟电路图如下图所示。图3-3 校正后二阶系统的模

35、拟电路图，为使校正后的，要求对象K由5增至10。，3、的离散化算法图3-4 数模混合控制的方框图图3-3中的离散化可通过数据采集卡的采样开关来实现。传递函数与Z传递函数间的相互转换，可视为模拟滤波器与数字滤波器之间的转换。常用的转换方法有：a) 阶跃响应不变法（或用脉冲响应法）b) 后向差分法c) 双线性变换1) 阶跃跃响应不变法 数字滤波器在阶跃作用下输出响应的模拟滤波器在阶跃作用下输出响应的采样值， 据此得 即 2) 后向差分法令 ， 后向差分S与Z之间关系为，代入D(S)表达式中得于是得3) 双线性变换 由泰勒级数得 ， ，代入D(s)得 即 五、实验步骤1、实验接线及准备1.1 按图3

36、-2连接一个二阶被控对象的模拟电路；1.2，用导线将该电路的输入端连接到数据采集卡的“DA1”输出端，电路的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连；1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态；2、脚本程序运行2.1启动计算机，在桌面双击图标THTJ-1，运行实验软件；2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)；2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法D(S)离散化方法研究”文件夹下选中“阶跃响应不变法”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑

37、器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；弹起锁零按钮使其处于“不锁零”状态，用虚拟示波器观察图3-2输出端的响应曲线。结束本次实验后按下锁零按钮使其处于“锁零”状态； 2.4参考步骤2.3，用同样的方法分别运行后向差分法和双线性变换脚本程序，用虚拟示波器观察图3-2输出端的响应曲线；2.5将采样周期Ts减小或增大，重复步骤2.3和2.4，用虚拟示波器观测采样周期Ts的减小或增大对系统阶跃响应的影响。如系统出现不稳定情况，记下此时的采样周期Ts和所采用的离散化方法；2.6按图3-3连接二阶被控对象在加入模拟控制器（PID校正装置

38、）后的模拟电路，并用上位机输出一个阶跃信号，观察其响应曲线，并与前面2.3和2.4步骤中采用数字控制器的实验曲线相比较；2.7 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验报告要求1绘出实验中二阶被控对象在加入模拟控制器（PID校正装置）前后的响应曲线。2编写数字控制器（阶跃响应不变法）的脚本程序。3绘出二阶被控对象在采用数字控制器后的响应曲线，并分析采样周期Ts的减小或增大对系统阶跃响应的影响。七、附 录3数字控制器（阶跃响应不变法）的程序编写与调试示例dim pv,sv,ei,eix,op,opx,Ts 变量定义sub Initialize(arg) 初始化函数WriteData

39、 0 ,1eix=0opx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法运行函数pv = ReadData(1) 采集卡通道AD1的测量值 sv=2 给定值 Ts=0.1 采样周期 ei=sv-pv 控制偏差 op=exp(-4.54*Ts)*opx+(2.27*ei-(1.27+exp(-4.54*Ts)*eix)*0.45 控制器输出值 eix=ei eix为控制偏差的前项 opx=op opx为控制输出的前项 if op<=-4.9 then 输出值限幅 op=-4.9 end if if op>=4.9 then op=4.9 end if WriteD

40、ata op ,1 控制信号从DA1端口输出end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1end sub双线性变换法、后向差分变换法对D(S)离散化后的编程请参考THTJ-1上位机安装目录下的“VBS脚步程序计算机控制技术”目录内参考示例程序。实验四 数字PID调节器算法的研究一、实验目的1学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理；2学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理；3掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验设备1THTJ-1型计算机控制技术实验箱2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各

41、1根)3PC机1台(含上位机软件“THTJ-1”) 三、实验内容1利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；2采用常规的PI和PID调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能；3对系统采用积分分离PID控制，并整定调节器的参数。四、实验原理在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组合而成的控制规律。而数字PID控制器则是由模拟PID控制规律直接变换所得。在PID控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积分，往往使之产生过大的超调量，这对某些生产

42、过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进的PID算法，如积分分离PID算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当控制量接近给定值时才将积分作用投入，以消除静差，提高控制精度。这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。五、实验步骤1、实验接线1.1按图4-1和图4-2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；1.2该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1相连，电路的输入与数据采集卡的输出端DA1相连；1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处于“不锁零”状态。2、脚本程序运行2.1启动计算机，在桌面双击图标THTJ-1，运行实验软件；2.2顺序点击虚

43、拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)；2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法数字PID调器算法”文件夹下选中“位置式PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms； 2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲线；2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，利用扩充响应曲线法（参考本实验附录4）整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系

44、统动态性能的影响；2.6 参考步骤2.4、2.4和2.5，用同样的方法分别运行增量式PID和积分分离PID脚本程序，并整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后观察参数的变化对系统动态性能的影响。另外在积分分离PID程序运行过程中，注意不同的分离阈值tem对系统动态性能的影响；2.7 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验报告要求1绘出实验中二阶被控对象在各种不同的PID控制下的响应曲线。2编写积分分离PID控制算法的脚本程序。3分析常规PID控制算法与积分分离PID控制算法在实验中的控制效果。七、附录1被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成图4-1 数-模混

45、合控制系统的方框图图中信号的离散化通过数据采集卡的采样开关来实现。被控对象的传递函数为： 它的模拟电路图如下图所示图4-2 被控二阶对象的模拟电路图2常规PID控制算法常规PID控制位置式算法为对应的Z传递函数为式中Kp-比例系数Ki=积分系数，T采样周期Kd微分系数其增量形式为 3积分分离PID控制算法系统中引入的积分分离算法时，积分分离PID算法要设置分离阈E0：当 e(kT)E0时，采用PID控制，以保持系统的控制精度。当 e(kT)>E0时，采用PD控制，可使p减小。积分分离PID控制算法为：式中Ke称为逻辑系数：当 e(k)E0时， Ke=1当 e(k)>E0时， Ke=0对应的控制方框图为图4-3 上位机控制的方框图图中信号的离散化是由数据采集卡的采样开关来实现。4数字PID控制器的参数整定在模拟控制系统中，参数整定的方法较多，常用的实验整定法有：临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数字控制器参数的整定也可采用类似的方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法、试凑法等。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合于含多个惯