计算机控制技术指导书.doc

1、计算机控制技术实验指导书辽宁科技大学电信学院目 录实验一、D（S）离散化方法的研究.。.2实验二、数字PID算法的研究.。8实验三、数字滤波器。15实验一、D（S）离散化方法的研究一、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D(S）离散为数字控制器的原理和方法；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得性能进行比较,以加深对计算机控制系统的理解。二、实验设备1THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验台；2THBXD数据采集卡一块；3PC机1台。三、实验内容1按连续系统的要求，照图1。1的方案设计一个与被控对象串联的

2、模拟控制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

3、地视为以D（S）为控制器的连续控制系统。1。 系统性能指标要求：系统的速度误差系数，超调量,系统的调节时间据要求可得： ， 令 ，则校正后的开环传递函数为由上式得 ，,取，则 2。 的离散化算法图2.1 数模混合控制的方框图图2.1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) 双线性变换五、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标THBDC-1，运行实验软件。2点击工具栏上的“通道设置”，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1”，并点击“开始采集”

4、按钮。实验系统的原理框图如图2.2所示。图2.2 二阶对象的方框图3按图2。3连接一个二阶被控对象的模拟电路，其中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。然后启动实验台的“电源开关”,并按下锁零按钮使其处于“锁零"状态。图2.3 二阶对象的模拟电路图4点击工具栏上的“脚本编辑器”，在弹出的窗口中点击“打开”按钮。在“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。在选定采样周期Ts的值(100ms）后，弹起锁零按钮使其处于“不锁零”状态。运行该程序，用示波器观察图1。2输出端的响应曲线。结束本次实

5、验后按下锁零按钮使其处于“锁零”状态。5参考上一步的操作，在“D(S)离散化方法研究"文件夹下选中“后向差分法”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。在选定采样周期Ts的值（100ms）后,弹起锁零按钮使其处于“不锁零”状态。运行该程序,用示波器观察图1。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。6参考上一步的操作，在“D(S）离散化方法研究”文件夹下选中“双线性变换”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。在选定采样周期Ts的值（100ms)后，弹起锁零按钮使其处于“不锁零”状态。运行该程序，用示波器观察图1.2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“

6、锁零”状态.7将采周期Ts减小或增大，重复步骤4、5、6,用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。8学生自行设计校正后系统的模拟电路图，并求出相应的参数。然后按图连接二阶被控对象在加入模拟控制器(PID校正装置)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4、5、6步骤中采用数字控制器的实验曲线相比较。图2.4 校正后二阶系统的模拟电路图，9实验结束后，关闭“脚本编辑器”窗口，并顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏的“退出”按钮.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（

7、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、程序示例数字控制器（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 inputdata(） 输入接口程序 pv=myobject.inputdata1 AD1通道的采样值end subsub main（） 主程序 sv=1.5 设定值 Ts=0。1 ei=sv-pv 控制偏差 op=exp（4。54*Ts）opx+(2.27ei-(1。27+exp（4.54

8、Ts）eix)0。45 eix=ei eix为控制偏差的前项 opx=op opx为控制输出的前项 if op<=5 then op=5 end if if op>=4.8 then op=4.8 end if 输出限幅end subsub outputdata() 输出接口程序 myobject。outputdata1=op 控制器的输出end sub实验二、数字PID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调解器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验设备1THBDC1型控制理论

9、83;计算机控制技术实验台;2THBXD数据采集卡一块；3PC机1台。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控制规律直接变换得到.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

10、调量，这对某些生产过程是不允许的.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。1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：-比例系数 -采样周期 -积分系数 -积分系数其增量形式为2积分分离PID控制算法系统中引入了积分分离算法时，积分分离PID算法要设置分离阈；当时，采用PID控制，以保持系统的控制精度.当时，采用PD控制，可使减小。积分分离PID控制算法为：式中称为逻辑系数：当时,=1当时，=0

11、3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性环节的自平衡系统.用扩充阶跃响应曲线法整定PID参数的步骤如下：（1）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.（2）记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程，如下图所示。(3)在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间和被控对象时间常数,以及它们的比值，然后查下表确定

12、控制器的、及采样周期.控制度控制律TKpTiTd1.05PI0.10.840。34-PID0.051。152。00。451.2PI0.20。783.6PID0.161。01。90。551。5PI0.50.683.9-PID0.340。851。620.82扩充响应曲线法通过测取响应曲线的参数、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）使系统获得满意的控制性能.五、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标THBDC1，运行实验软件.2点击工具栏上的“通道设置”，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1",并点击“开始采集"按钮.3按图3。1连接一个二阶被

13、控对象闭环控制系统的电路，该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1相连,该电路的输入与数据采集卡的输出端DA1相连.待检查电路接线无误后，启动实验台的“电源开关”，按下锁零按钮使其处于“不锁零”状态。被控对象的传递函数为：被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成图3.1 数-模混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。图3。2 二阶对象的模拟电路图4点击工具栏上的“脚本编辑器”，在弹出的窗口中点击“打开”按钮.在“数字PID调节器算法”文件夹下选中“位置式PID"脚本程序并打开，阅读、理解该程序。然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮，用示波器观察图3。2

14、输出端的响应曲线.5在“脚本编辑器”窗口上点击“停止”按钮，利用扩充响应曲线法整定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统动态性能的影响.6在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮，在“数字PID调节器算法"文件夹下选中“增量式PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮，用示波器观察图3.2输出端的响应曲线.并根据上一步整定PID控制器参数的方法，整定P、I、D及系统采样时间Ts等参数。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响。7在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮，在“数字

15、PID调节器算法"文件夹下选中“积分分离式PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮，用示波器观察图3.2输出端的响应曲线。选择合适的分离阈值tem,并整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响。8实验结束后,关闭“脚本编辑器”窗口，并顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏的“退出”按钮。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、程序示例

16、位置式PID数字控制器程序的编写与调试示例dim pv,sv,ei，k，ti，td，q0，q1,q2,mx，pvx，op 变量定义sub inputdata（) 输入接口程序 pv=myobject.inputdata1 AD1通道的测量值end subsub main（) 主程序 sv=1.5 设定值 k=0。5 比例系数P ti=20 积分时间常数I td=0 微分时间常数D ei=svpv 控制偏差 if k=0 and ti=0 and td=0 then q0=0 比例项 q1=0 积分项 q2=0 微分项 end if if k<>0 and ti0 then q0=k

17、*ei mx=k0.1ei/ti 积分增量 q2=ktd*（pvxpv)/0.1 end if if ti=0 then q0=kei q1=0 mx=0 q2=k*td*（pvx-pv)/0。1 end if if mx5 then mx=5 end if if mx5 then mx=5 end if 积分增量限幅 q1=q1+mx pvx=pv op=q0+q1+q2 PID控制器的输出if op5 then op=5 end if if op<-5 then op=5 end ifend subsub outputdata（) 输出接口程序 myobject。outputdata

18、1=op 控制器的输出给DA1通道end sub实验三 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1THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台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(含软件“THBCC1”)三、实验内容1设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰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

19、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THBCC-

20、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”单元输入端，产生一个尖脉冲信号Uo;1.3按图22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

21、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，关闭脚本编辑器窗口，退出实