计算机控制技术实验指导书

1、. 精品 计计算算机机控控制制技技术术 实实验验指指导导书书 （第第 2 2 版版） 于于军军琪琪 郭郭春春燕燕 郑郑普普亮亮 编编写写 西西安安建建筑筑科科技技大大学学信信控控学学院院 信信息息技技术术实实验验中中心心 2 20 00 09 9 年年 3 3 月月 . 精品 目目 录录 1 课课程程简简介介、实实验验项项目目及及学学时时安安排排.1 1.1 课程简介 .1 1.2 实验项目及学时安排 .1 2 实实验验仪仪器器仪仪表表设设备备简简介介 .2 2.1 自动控制原理实验箱 .2 2.2 其它实验设备 .3 3 计计算算机机控控制制技技术术课课程程实实验验 .4 3.1 实验 1

2、采样与保持实验 .4 3.2 实验 2 数字 pid 控制实验 .8 3.3 实验 3 直流电机闭环调速实验 .14 3.4 实验 4 模拟/数字温度闭环综合控制实验.19 3.5 实验 5 工控机组态实验 .23 3.6 实验 6 模/数、数 /模转换试验 .30 . 精品 1 1 课课程程简简介介、实实验验项项目目及及学学时时安安排排 1.11.1 课程简介课程简介 本课程是自动化专业的主干专业课程，是以应用为主的工程技术类课程。本课程的目的在于培养及 提高学生对微机原理与接口技术的知识，了解掌握数字 pid 控制器的程序实现方法，为掌握计算机综合 应用能力打好基础。通过对计算机控制技术课

3、程内容的学习与教学实验仪器的结合，上机实践汇编语言 文件的建立、汇编链接和调试，计算机控制系统搭建方法的学习，使学生达到以下要求： 1. 掌握汇编语言常用指令 ，熟悉汇编语言和 c 语言混合编程 ； 2. 掌握计算机的接口技术； 3.掌握数字 pid 控制器的程序实现方法。 1.21.2 实验项目及学时安排实验项目及学时安排 计算机控制技术实验课是以认识和熟悉微机原理与接口技术 和模拟验证所学理论为基础，在此基础 上开展自行设计系统、确定实验方案和实验线路，进行自主实验，学习系统分析和系统设计的思维方法， 培养研究系统的能力。所安排了验证性和综合性不同属性的实验项目。 实 验 性 质 序号实

4、验 项 目学时 验证综合设计 1 采样与保持实验 2 2 数字 pid 控制实验 4 3 直流电机闭环调速实验 2 4 模拟/数字温度闭环综合控制实验 2 5 工控机组态实验 2 6 数/模、模/数转换实验 2 注：实验项目的多少，根据当时的教学计划安排进行取舍 . 精品 2 2 实实验验仪仪器器仪仪表表设设备备简简介介 2.12.1 自动控制原理实验箱自动控制原理实验箱 自控/计控原理实验机由以下七个模块组成： 1.自动控制原理实验模块 2.计算机控制原理实验模块 3.信号源模块 4.控制对象模块 5.虚拟示波器模块 6.控制对象输入显示模块 7.cpu 控制模块 各模块相互交联关系框图如图

5、2.1 所示： rs232 接口 图图 2 2. .1 1 各各模模块块相相互互交交联联关关系系框框图图 自动控制原理实验模块由六个模拟运算单元及元器件库组成，这些模拟运算单元的输入回路和 反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。 例如构成 比例环节、惯性环节、积分环节、比例微分环节，pid 环节和典型的二阶、三阶系统等。利用本 实验机所提供的多种信号源输入到模拟运算单元中去，再使用本实验机提供的虚拟示波器界面可观 察和分析各种自动控制、计算机控制原理实验的响应曲线。利用本实验平台及虚拟示波器还可以用 相轨迹法和相平面法观察和分析非线性系统的瞬间响应和稳态误差

6、等。 信 号 源 自动控制原理实验模块 计算机控制原理实验模 块 虚 拟 示 波 器 控制对象模 块 控制对象输出显示 模块 cpu 控制模 块 上位机 . 精品 本实验机的元器件库中还提供了直读式的可变电阻和可变电容，使实验可更方便、简捷地进行。 由于本实验机除了提供了丰富的元器件库，并且在a1-a6 模拟运算单元的输入回路和反馈回 路中还预留了多个可由实验人员自行接续的电阻/电容位置，将方便地扩展各种实验。预留位置在 实验机中用 res表示。 本实验箱采用模块式造出各种形式和阶次的模拟环节和控制系统。被控实验对象构建方便，含 有 9 个放大器和一个比较器， 0999.9k 的直读式可变电阻

7、和 00.7uf 的直读式可变电容。标准 实验部分只需使用短路套连接即可，直观且简化了实验操作和设备管理。扩充环节可以灵活搭建多 种不同参数的系统。 2.22.2 其它实验设备其它实验设备 微型计算机 aspire t135、数字万用表 。 . 精品 3 3 计计算算机机控控制制技技术术课课程程实实验验 3 3. .1 1 实实验验 1 1 采采样样与与保保持持 实实验验 一一、实实验验目目的的 1、加深理解采样与保持器的工作原理与作用。 2、加深理解采样周期大小对原信号 进行采样 失真状况的影响程度，即加深对香农定理的理解。 3、理解掌握采样周期对系统稳定 性影响情况。 二二、实实验验原原理

8、理 、内内容容及及步步骤骤 实实验验原原理理 实实验验1 1. .1 1 采采样样实实验验 采样实验框图如图 1-1 所示。计算机通过 模/数转换模块以一定的采样周期对b9 单元产生的 正弦波信号采样，并通过上位机显示。 在不同采样周期下，观察比较输入及输出的波形（失真程度）。 计算机编程实现以不同采样周期对正弦波采样，调节信号发生器（b5）单元的调宽旋钮，并 以此作为 a/d 采样周期 t。改变 t 的值，观察不同采样周期下输出波形与输入波形相比的复原程 度（或失真度）。 对模拟信号采样首先要确定采样间隔。采样频率越高，采样点数越密，所得离散信号就越逼近于 原信号。采样频率过低，采样点间隔过

9、远，则离散信号不足以反映原有信号波形特征，无法使信号 复原。 合理的采样间隔应该是即不会造成信号混淆又不过度增加计算机的工作量。采样时，首先要保证 能反映信号的全貌，对瞬态信号应包括整个瞬态过程；信号采样要有足够的长度，这不但是为了保 证信号的完整，而且是为了保证有较好的频率分辨率。 在信号分析中，采样点数 n一般选为 2的m次幂，使用较多的有 512、1024、2048、4096等。 实实验验1 1. .2 2 采采样样/ /保保持持器器实实验验 1 1 判判断断采采样样 / /保保持持控控制制系系统统稳稳定定 性性的的充充要要条条件件 线性连续 系统的稳定 性的分析是根据 闭环系统特征方程

10、的根在 s 平面上的位置来进行的。如 果特征方程的根都在左半s 平面，即特征根都具有负实部，则系统稳定。 图 1.1 采样实验框图 . 精品 采样/保持控制系统的稳定 性分析是建立在 z 变换的基础之上，因此必须在z 平面上分析。 s 平面和 z 平面之间的关系是： s 平面左半平面将映射到 z 平面上以原点为圆心的单位圆内， s 平面的右半平面将映射到z 平面上以原点为圆心的单位圆外。 所以采样 /保持控制系统稳定的充要条件是：系统特征方程的根必须在z 平面的单位圆内。 只要其中有一个特征根在单位圆外，系统就不稳定；当有一个根在z 平面的单位圆 上上而其他根 在单位圆 内内时，系统就处于临界

11、稳定。也就是说，只要特征根的模均小于1，则系统稳定；若 有一个特征根的模大于 1，则系统不稳定。 2 2 采采样样周周期期 t t 对对系系统统的的稳稳定定 性性的的影影响响 闭环采样 /保持控制系统原理方块图如图1.2 所示： 图 1.2 闭环采样 /保持控制系统原理方块图 从采样实验中知道采样输出仅在采样点上有值，而在采样点之间无值。如其输出以前一时刻的 采样值为参考基值进行外推，即可使两个采样点之间为连续信号过度。可以完成上述功能的装置或 者器件就称为保持器。因为数 /模转换器（ d/a）具有两极输出锁存能力，所以具有零阶保持器的 作用。 使用了采样保持器后，采样点间的信号是外推而得的，

12、实际上已含有失真的成份，因此，采样 周期信号频率过低将会影响系统的稳定性。采样周期t 可由用户在界面上直接修改，在不同采样 周期下，观察、比较输出的波形。 闭环采样 /保持控制系统实验构成电路如图1.3 所示，闭环采样系统实验中被控对象由积分环节 （a3 单元）与惯性环节（ a5 单元）构成。 图 1.3 闭环采样 /保持控制系统实验构成电路 采样控制系统稳定的充要条件是：系统特征方程的根必须在z 平面的单位圆内，只要其中有 一个特征根在单位圆外，系统就不稳定；当有一个根在z 平面的单位圆上而其他根在单位圆内时， 系统就处于临界稳定。根据 图 1.3 计算出临近稳定 的采样周期。 实实验验内内

13、容容 1、研究采样周期不同时采样输出波形。 2、研究采用零阶保持器取不同采样周期时系统的输出波形以及系统的稳定情况。 . 精品 实实验验步步骤骤 实实验验1 1. .1 1 采采样样实实验验 在实验中欲观测实验结果时，只要运行l la ab ba ac ct t 程序，选择 微微机机控控制制 菜单下的 采采样样和和保保持持 菜单下选择 采采样样实验项目 ，再选择开开始始实实验验 ，就会弹出虚拟示波器的界面，点击 开开始始后将自动加 载相应源文件，即可选用本实 验配套的虚拟示波器（ b3）单元的 ch1 测孔测量波形。 实实验验步步骤骤： （1）将正弦波信号发生器单元（ b6）中开关置于 0.1

14、1hz 档，输出正弦波为 sin 测孔，调 节正弦波信号发生器 b6 单元的调频和调幅电位器（正弦波的幅度为2v，频率为 0.5hz） 。 （2）函数信号发生器单元（ b5）的 s1 置阶跃档（最顶端），s2 置到260ms档，调节 函数信号发生器（ b5）单元中的调宽电位器使采样周期信号频率达到最大（约78hz） 。 （3）测孔联线 1 正弦波信号输入b6 输出（sin）b3（虚拟示波器） ch1（选 x1 档） 2 采样周期信号b5 输出(s)b9 输入（irq7） （3）运行、观察、记录： 调节函数信号发生器（ b5）单元中的调宽电位器使采样周期信号频率达到最大（约78hz） ，然后 慢

15、慢降低 ,虚拟示波器显示的正弦波严重失真，记录下此时的采样周期。 实实验验1 1. .2 2 采采样样/ /保保持持器器实实验验 闭环采样 /保持控制系统实验构成电路如图1.3 所示。 实验中欲观测实验结果时，只要运行 labactlabact 程序，选择微机控制微机控制菜单下的采样和保持采样和保持菜单下选择 采样/保持实验项目，再选择开始实验开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始开始后将自动加载相应源文件， 即可使用本实验机配套的虚拟示波器（b3）单元的 ch1 测孔测量波形。 实验步骤：注：实验步骤：注：ss stst用用短路套短路套短接短接! ! （1）将函数发生器（ b5）单元的

16、输出（ out）作为系统输入 r。 a 将 b5 单元的 s1 置阶跃档（最顶端），s20.2-6s档。 b调节 b5 单元的调幅电位器使 out 输出电压为 2.5v，调节调宽电位器使 out 正输出宽 度6 秒。 （2）安置短路套、联线，构造模拟电路： （3） 中断请求 线 b5 （s）b9（irq6） （4）虚拟示波器（ b3）的联接：示波器输入端ch1（选x1档）接到 a5 单元输出端 out（c） 。 （5）运行、观察、记录： a 该实验的显示界面的 采采样样周周期期 t t（界界面面右右上上角角） 可由用户在界面上直接修改，以期获得理 想的实验结果，改变这些参数后，只要再次点击“开

17、开始始”键，即可使实验机按照新的控制 参数运行。 b采样周期 t 设定为 10ms 、30ms 和 50ms ，使用虚拟示波器 ch1 通道观察 a5 单元输出 out（c）的波形。观察相应实验现象 ，记录波形，并判断其稳定性，在表1-1 中填入给 此次的各参数与结果。 表 1-1 采样周期 t(ms)波形稳定性 10ms 30ms 50 ms . 精品 三三、实验仪器设备及实验注意事项、实验仪器设备及实验注意事项 1.实验设备： 计算机控制技术实验箱 、计算机、数字万用表等。 2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格； 3.实验开始前先检查仪器设备是否完好，并仔细观察熟悉实验箱

18、面板布置； 4.接好线后首先组内相互检查无误后，再经指导教师确认无误后方可合闸送电进行实验； 5.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象） ，应立即切断电源，并报告指导 教师，仔细查找原因，问题解决后，方可继续进行实验； 6.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。 四四、实验报告要求、实验报告要求 4. 画出实验 1.1 中采用不同采样周期时，输出波形（至少取2 个值）。 5. 完成表 1.1。 6. 讨论、分析实验中出现的各种现象。 五五、预习要求及思考题、预习要求及思考题 预预习习要要求求 1. 阅读计算机控制技术教材中有关采样保持器的内容，弄清其工

19、作原理。 2. 阅读本教材中的附录，熟悉掌握aedk labact 系统本实验用到的单元电路的线路原理和调 试界面下的主要命令。 3. 掌握典型环节用模拟电路单元实现的方法。 4. 计算临界稳定的采样周期。 思思考考题题 1. 采样周期 t 应该如何取对信号恢复有利？ （提示：当中涉及到 a/d 转换时间和计算机对 信息处理所用的时间） 2. 系统无零阶保持器时 ，系统的输出波形 会出现什么情况？为什么？ . 精品 3 3. .2 2 实实验验2 2 数数字字p pi id d控控制制实实验验 一、实验目的一、实验目的 1. 了解和掌握连续控制系统的pid 控制算法的模拟表达式（微分方程）。

20、2. 了解和掌握采用微分方程直接建立后向差分方程的方法。 3. 完成对各种 pid 控制系统的设计。 4. 观察和分析在标准 pid 控制系统中， p.i.d 参数对输出波形的影响。 5. 了解和掌握本实验机的 pid 控制算法中的特殊使用 。 6. 掌握积分分离 pid 控制系统的工作原理。 7. 掌握用临界比例带法整定调节参数与系统开环增益的方法。 8. 掌握非线性 pid 控制控制算法 。 9. 掌握积分分离 -砰砰复式 pid 控制算法。 二二、实实验验原原理理 、内内容容及及步步骤骤 实验原理实验原理 实验实验 2.12.1标准标准 pidpid 控制算法控制算法 在一个控制系统中，

21、采用比例、积分和微分控制方式控制，称之谓pid 控制。它对于被控对 象的传递函数 g(s) 难以描述 的情况，是一种 .应用广泛，行之有效的控制方式。数字pid 控制 器是基于连续系统的计算机数字模拟设计技术，它把输入信号离散化，用数字形式的差分方程代替 连续系统的微分方程，对它进行处理和控制。 差分方程是一种描述离散系统各变量之间动态关系的数学表达式，它只能表示连续时间函数在 采样时刻的值。通常，都是用后向差分方程进行描述的。此时，该 离散系统在 k 刻的输出信号 p(k)，不但与 k 时刻的输入 r(k)有关，而且与 k 时刻以前输入 r(k-1)，r(k-2)，有关，同时还与 k 时刻以

22、前的输出 c(k-1)，c(k-2)，有关。 本实验机的数字 pid 控制实验采用微分方程直接建立差分方程 。由微分方程直接建立差分方 程，首先须对微分方程离散化，即是用差分方程去逼近微分方程的变化规律，其具体内容包括导数、 微分、积分、函数和时间t 等参数的离散化。差分方程和微分方程不仅形式上相似，且微分、积分 与差分、求和在含义上对应，并在一定的条件下，可以相互转化。 设采样周期 t 足够小，远小于时间常数，当 t=kt 时，可将微分方程中的导数可用差分项代 替，积分项用求和式代替，函数用序列表示，时间t 变成离散量 kt，即： （3- t k n tncdttc t kckc t c d

23、t tdc kctc ktt 0 1 0 )()( )() 1()( )()( 1） 用式（3-1）就可以把微分方程直接变为差分方程。差分方程的求解有经典法、迭代法和z 变换法。 . 精品 本实验机的数字 pid 控制实验，它对被控对象不作明确要求，但如果要得到输出的解析解，还 須求助于拉氏变换的 z 变换进行。 数字 pid 控制实验的原理方框图见图3.1 所示： 图 3.1 数字 pid 控制实验的原理方框图 求取按比例（ p） 、积分（ i） 、微分（ d）通过线性组合构成的控制量。 pid 控制算法的微分方程表达式是： （3- t d i p dt tde tdtte t tektp

24、0 )( )( 1 )()( 2） 式中，调节器的输出信号； p t ( ) 调节器的偏差信号；e t ( ) 调节器的比例系数；kp 调节器的积分时间常数； i t 调节器的微分时间常数； d t 用式（3.1）就可以把连续系统的微分方程直接代替用数字形式的差分方程： （3- n j d i p nene t t je t t neknp 0 ) 1()()()()( 3） 式中：采样周期；t 采样序号， n=0，1，2，； n 第 n 次采样时计算机输出； p n( ) 第 n 次采样时的偏差值；e n( ) 第 n-1 次采样时的偏差值； e n()1 离散化的 pid 位置控制算式表达

25、式为： （3- )1()()()()( 0 keke t t kje t t kkekkp d p k j i pp 4） 式中：积分系数； p i i k t t k 微分系数。 p d d k t t k kp 系数不可过小，因为这会使计算机控制输出也较小，从而使系统量化误差变大，甚至有时控 制器根本无输出而形成死区。这时可将模拟电路开环增益适当减小，而使kp 系数变大。 . 精品 实验实验 2.22.2积分分离积分分离 pidpid 控制算法控制算法 在控制过程中，只要系统存在偏差，积分的作用就会继续，当偏差较大或累加积分项太快时， 就会出现积分饱和现象，使系统产生超调，甚至引起振荡，这

26、对某些生产过程是绝对不允许的。引 进积分分离法，既保持了积分的作用，又减小了超调量，使得控制性能有了较大的改善。 积分分离法要设置积分分离阀值eo，其数值范围为 05.0v。 当时（偏差值比较大时） ，采用 pd 控制；当时（偏差值比)(ke 0 e)(ke 0 )(eke)(ke 较小时） ，采用 pid 控制。积分分离法 pid 算法可表示为： （3-)1()()()()( 0 keke t t kje t t kkekkp d p k j i pp 5） 式中 i pi i i t t kk ekek eke k 0 0 )( )(, 0 ， 实验实验 2.32.3非线性非线性 pidp

27、id 控制算法控制算法 某些系统控制为了避免控制动作过于频繁而引起的振荡，有时采用非线性pid 控制（带砰砰 的 pid 控制） ，其算法可表示为： （3- )1()()()()( 0 keke t t kje t t kkekkp d p k j i pp 6） 式中 0 00 )()( )(, )( pkpkp pkpp kp ， 式中，po 为输出阀值，其数值范围为05.0v。pid 控制输出值 p(k)大于或等于阀值时，输 出值恒等于阀值 po；pid 控制输出值小于阀值时，输出值等于标准pid 输出值。 实验实验 2.42.4积分分离积分分离砰砰复式砰砰复式 pidpid 控制算法控

28、制算法 积分分离-砰砰复式 pid 控制算法可表示为 （3- )1()()()()( 0 keke t t kje t t kkekkp d p k j i pp 7） 式中 0 0 )( )(, 0 ekek eke k i i ， i pi t t kk 0 00 )()( )(, )( pkpkp pkpp kp ， 式中，po 为输出阀值，其数值范围为05.0v。pid 控制输出值 p(k)大于或等于阀值时， 输出值恒等于阀值 po；pid 控制输出值小于阀值时，输出值等于标准pid 输出值。 . 精品 式中，eo 为积分分离阀值，其数值范围为05.0v。pid 控制输出值，当时，也即

29、)(ke 0 e 偏差值比较大时，采用 pd 控制；当时，也即偏差值比较小时，采用标)(ke 0 )(eke)(ke 准 pid 控制。 实实验验内内容容 1、观察和分析在标准 pid控制系统中， p.i.d参数对输出波形的影响。 2、研究积分分离 分离阀值 eo大小对系统性能的影响。 3、研究输出阀值 po大小对系统性能的影响。 实实验验步步骤骤 : :注注：将将s s s st t用用短短路路套套短短接接! ! 数字pid控制算法系统构成如图 3.2所示。 图 3.2 pid 控制实验 原理图 （1）将函数发生器（ b5）单元的输出（ out）作为系统输入 r。(连续的正输出宽度足够大的阶

30、 跃信号) a将该单元的 s1 置阶跃档（最顶端），s20.2-6s档。 b.调节调幅电位器使 out 输出电压 2 秒。 （2）按图 3.2 安置短路套、联线，构造模拟电路。 （3）虚拟示波器（ b3）的联接：示波器输入端ch1 接到 a6 单元输出端 out（c） ，ch1 均选 x1档。 实验实验 2.12.1标准标准 pidpid 控制算法控制算法 选择微微机机控控制制 菜单下的 数数字字 p pi id d 控控制制实验下的 标标准准 p pi id d 控控制制选项，再选择开开始始实实验验 ，就会 弹出虚拟示波器的界面，点击 开开始始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。在程序运行

31、中，随时 可修改控制系数 pid，然后点击 发发送送，无须点击停停止止；只有在需观察实验结果时，才需点击停停止止。 该实验的显示界面中采样周期t（199）x 5ms， “控制系数 ”栏的比例系数 kp（0.002.00） 、调节器的积分时间常数ti（1199ms） 、调节器的微分时间常数td（0200ms） ； 均可由用户在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果。改变k kp p 、t ti i、t td d 这些参数后，只要 再次点击 “发送”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。 注：该实验的显示界面 “控制系数 ”栏的积分时间常数，不能随意改成 200ms，这将取 i t 消积分控制，变

32、为 pd 控制。 （详见 pid 控制算法特殊使用） . 精品 该实验的显示界面中已设定采样周期t=4*5ms=20ms ， “控制系系数”栏的 kp、ki、kd 已设定： kp=0.60 ，ti =100ms ，td=30ms 运行程序，用示波器观察输出c，如果现象不明显则可以调节a7 单元中的可变电阻和函数 发生器（ b5）中的调宽调幅。 记录 kp、ti、td、mp、ts、参数，在表 2-1 中填入给 定的各参数与 测试结果。 表 2-1 kptitdmpts 1 2 p pi id d 控控制制算算法法特特殊殊使使用用： 1)pd 控制算法：在积分时间常数栏中，被设定为 200 ms

33、时，离散化的 pid 位置 i t i t 控制算式表达式中项被置为零，该实验即变为pd 控制算法。 k j i p je t t k 0 )( 2)pi 控制算法：在微分时间常数栏中，被设定为 0 ms 时，离散化的 pid 位置控 d t d t 制算式表达式中项为零，该实验即变为 pi 控制算法。)1()(keke t t k d p 3)p 控制算法：设定积分时间常数为 200 ms，微分时间常数为 0 ms 时，该实验即 i t d t 变为 p 控制算法。 实验实验 2.22.2积分分离积分分离 pidpid 控制算法控制算法 选择微机控制微机控制菜单下的数字数字 pidpid 控

34、制控制实验下的积分分离积分分离 pidpid 控制控制选项，再选择开始实验开始实验，就会弹出 虚拟示波器的界面，点击开始开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。 增加一项积分分离阀值 eo 的设置（eo=0.25v） ，其余同标准 pid 控制实验。 记录 kp、ti、td、mp、ts、eo 参数，在表 2-2 中填入给定的各参数与测试结果。 表 2-2 kptitdeompts 1 2 实验实验 2.32.3非线性非线性 pidpid 控制算法控制算法 选择微机控制微机控制菜单下的数字数字 pidpid 控制控制实验下的非线性非线性 pidpid 控制控制选项，再选择开始实验开始实验，就会

35、弹出虚拟示 波器的界面，点击开始开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。 增加一项输出阀值 po 的设置（po=0.5v） ， （增加示波器的输入端 ch2 连到 b2 单元输出端 out2） ，其余 同标准 pid 控制实验。 记录 kp、ti、td、mp、ts、po 参数，在表 2-3 中填入给定的各参数与测试结果。 表 2-3 . 精品 kptitdpompts 1 2 实验实验 2.42.4积分分离积分分离砰砰复式砰砰复式 pidpid 控制算法控制算法 选择微机控制微机控制菜单下的数字数字 pidpid 控制控制实验下的复式复式 pidpid 控制控制选项，再选择开始实验开始实验，

36、就会弹出虚拟 示波器的界面，点击开始开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。 增加积分分离阀值 eo（eo=0.25v）和输出阀值 po（po=0.5v）的设置， （增加示波器的输入端 ch2 连到 b2 单元输出端 out2） ，其余同标准 pid 控制实验。 记录 kp、ti、td、mp、ts、po、eo 参数，在表 2-3 中填入给定的各参数与测试结果。 表 2-4 kptitdpoeompts 1 2 三三、实验仪器设备及实验注意事项、实验仪器设备及实验注意事项 1.实验设备： 计算机控制技术实验箱 、计算机、数字万用表等。 2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格；

37、3.实验开始前先检查仪器设备是否完好，并仔细观察熟悉实验箱面板布置； 4.接好线后首先组内相互检查无误后，再经指导教师确认无误后方可合闸送电进行实验； 5.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象） ，应立即切断电源，并报告指导 教师，仔细查找原因，问题解决后，方可继续进行实验； 6.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。 四四、实验报告要求、实验报告要求 1. 填写并完成表 2-1 至 2-4 各项。 2. 绘制表中对应参数的波形图。 3. 讨论、分析实验中出现的各种现象。 4. 实验中存在的问题及其如何处理； 5. 收获和体会。 五五、预习要求及思考题

38、、预习要求及思考题 预预习习要要求求 1、复习有关 pid算法的相关内容，熟记理解各参数的控制作用。 思思考考题题 1、积分分离值的大小对系统性能有何影响？ 2、pid各个参数对系统性能的影响是什么？ 3、po和eo的大小，对系统控制性能的影响是什么？ 4、采样周期过大和过小的影响是什么？ . 精品 3 3. .3 3 实实验验3 3 直直流流电电机机闭闭环环调调速速实实验验 一一、实实验验目目的的 掌握采用 pid 算法对直流电机进行闭环调速的工作原理以及比例、积分和微分各系数的控 制作用。 二二、实实验验原原理理 、实实验验内内容容和和步步骤骤 实实验验原原理理 图 3.1 直流电机闭环调

39、速系统原理框图 直流电机闭环调速 系统原理框图见图 3-1。 当给定直流电机转速 u(r)接入后（即在 速度示波器的界面上设置 目标值 ） ，与当前转速值 u（t） （光电测速机构的脉冲 数）相比较，其差值 e（t）在计算机中进行 pid 计算，解算成 p（t） ，经数/模转换器（b2）驱动直流电机，改变电机转速，达到直流电机闭环调速控制。 1 1基基础础知知识识 自动控制有两种最基本的形式：开环控制和闭环控制。开环控制系统的精度取决于元器件的精 度和特性调整的精度。当内外干扰影响不大，并且控制精度要求不高时，可采用开环控制方式。前 面我们所进行的实验，就是一些开环控制的简单实例。闭环控制又称

40、为反馈控制，其实质是利用负 反馈来减小系统的误差。闭环控制具有自动修正被控量偏离给定值的作用，因而可以抑制内部干扰 和外部干扰引起的误差，达到自动控制的目的。 按偏差的比例、积分、微分控制（简称pid 控制）是过程控制中应用最广的一种控制规则。由 pid 控制规则构成的 pid 调节器是一种线性调节器。这种调节器是将设定值u 与实际输出值 y 构成控制偏差： e=uy 按比例（ p） 、积分（ i） 、微分（ d）通过线性组合构成控制量。 pid 控制算法的模拟表达式 是： （3-1） p tke t t e t dtt de t dt p i d t ( )( )( ) ( ) 1 0 式中

41、，调节器的输出信号； p t ( ) 调节器的偏差信号； e t ( ) 调节器的比例系数； kp 调节器的积分时间常数； ti 调节器的微分时间常数；td . 精品 在实际应用中，根据对象特征和控制要求，也可灵活改变其结构，取其一部分构成控制，例如： 比例（p）调节器、比例积分（ pi）调节器、比例微分调节器（ pd）等。 比比例例调调节节器器 是一种最简单的调节器。它具有反应快、无滞后的特点，抗干扰，使被控参数稳定 在给定值附近。但是，对于具有自平衡系统（即系统阶跃响应为一有限值）的被控对象存在静差。 对于某一给定系统，当负荷变化时，静差大小与比例作用的强弱有关。加大比例系数可以减小静差，

42、 但 kp过大时，会使动态质量变差，引起控制量振荡甚至导致闭死不稳定。 比比例例积积分分调调节节器器 是在比例调节器的基础上增加积分调节规律。积分调节规律的实质是调节器输 出的变化速度与输入偏差的大小成正比。只要有偏差，调节器输出的调节信号就不断变化，执行器 就不断动作，直至偏差信号消除。因此，积分作用能消除比例调节器的静差。但是积分调节动作缓 慢，其调节作用总是滞后于偏差信号的变化。 在上述 pi 调节器的基础上再加上微分调节环节就构成了p pi id d 调调节节器器。微分调节作用可以克 服积分调节作用缓慢性，避免积分作用可能降低系统响应速度的缺点。另外，微分调节的加入有助 于减小超调、克

43、服振荡，改善系统的动态性能。 在实际应用中， pid 调节器的实现分模拟和数字模拟两种方法。模拟法就是利用硬件电路实现 pid 调节规律。 pid 数字模拟法就是对经典的模拟pid 进行数字模拟，用数字调节器来代替模拟 调节器。在采样周期较小时，数字模拟pid 控制算法是一种较理想的控制算法。 2 2p pi id d 算算法法的的数数字字实实现现 由于 ddc（direct digital control）系统是一种时间离散控制系统。因此，为了用计算机实现式 （3-1）必须将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程： （3-2） n j d i p nene t t je t

44、t neknp 0 ) 1()()()()( 式中：采样周期（ 100ms） ； t 第 n 次采样时计算机输出；p n( ) 第 n 次采样时的偏差值； e n( ) 第 n-1 次采样时的偏差值；e n()1 采样序号， n=0，1，2，。n 离散化的 pid 位置控制算式表达式为： p（k） （3-3） )1()()()( 0 kekekjekkek d k j ip 式中：微分系数。积分系数； p d dp i i k t t kk t t k . 精品 图 3.2 程序框图 确定了的值后，实现式（ 3-3）的编程框图如图 3-2 所示。由式（ 3-3）还可得离kkk pid ,和 散

45、化的位置型 p 控制、pi 控制和 pd 控制的编程表达式。它们编程框图也只需在该图的基础上稍作 删减即可。 3 3实实现现直直流流电电机机的的闭闭环环调调速速 本实验机实现直流电机的闭环调速 系系由数/摸转换器（b2）和直流电机模块（ c2） （包括电机 测速）组成。数 /模转换和电机驱动电路合在数 /摸转换器（b2）单元中，它采用 adc0832 作为 数/模转换，可实现 8bit 数字输入转换为模拟量。经数 /模转换后 out1 测孔输出为 0+5v 模拟 量。经运放处理后，在 out3 测孔输出为 -10v +10v。实验机中 out3，已接到直流电机下面的 k2 开关上。只要把 k2

46、 拨向左边（ on） ，该电压将加到直流电机上，驱动直流电机转动。改变数/ 摸转换输入值，就可以控制直流电机的转速和方向。当数/摸转换器输入为 ooh 时，out3 将 输出-10v，直流电机以最大速度反向转动；当数/摸转换输入逐步增加时， out3 输出逐渐减小， 直流电机转速减小；当数 /摸转换器输入为 80h 时，out3 输出为 ov，直流电机停转；当数 /摸 转换器输入在 80h 上逐渐增加， out3 输出正电压，直流电机开始正向转动，并逐渐增加转速， 0ffh 为正向转速最大值 。 直流电机带动光栅盘转动，光栅盘下有一个光电断续器，将输出一组频率正比于电机转速的脉 冲信号，经过一

47、级 74ls14 滤去毛刺并反向后送至该模块中的pulse 插孔。通过测量此脉冲信号 的频率就可以测出电机的当前转速。本实验机光栅盘上有12 个透光孔，即电机每转一圈产生12 个脉冲信号，可得： 电机转速（转 /分钟）= 脉冲频率（ /秒） 60 12 电机转速的脉冲信号输出（ pulse）测孔可连线到定时器 /中断单元（ b9）的 irq6 测孔，亦 pid 程序 输入 u1(k),u( r) 返回 计算 pp(k)+pi(k)+pd(k) 计算 e(k)=u1(k)u(r ) 计算 pp(k)=kpe(k) 计算 pi(k)=kie(k)+pi(k-1) . 精品 可连线到 8253 的

48、clk1，经由 cpu 控制模块完成 . 精品 直流电机的闭环调速。 数/摸转换器（b2）单元和测速电路图如图 3-3 所示。 图 3.3 数/摸转换器（b2）单元和测速电路 注注意意：转转速速最最大大为为 4 40 00 00 0 转转/ /分分钟钟（转转速速参参数数= =8 80 0） 。 “设设定定参参数数 ”栏栏的的转转速速参参数数应应大大于于 5 5（2 25 5 转转/ /分分钟钟） 。 实实验验内内容容 观察分析在给定转速时电机闭环调速系统的响应特性以及改变参数后系统的响应特性，理解各 参数的控制作用。 实实验验步步骤骤 1. 实验联线： 1 脉冲输入c2 （pulse） b9

49、输入（irq7） 2 定时中断b9 输出（out1）b9 输入 （irq6） 3b9 clk11.229mhz 开关拨向 on。实验时请保证扩展平台正确连接。 （数/摸转换器（b2）的片选 cs 在实验机内部已固定为00h。 ） 1运行、观察、记录： 选择控控制制系系统统 菜单下的 直直流流电电机机闭闭环环调调速速 实验项目 ，再选择开开始始实实验验 ，就会弹出速度示波器 的界面，点击 开开始始后将自动加载相应源文件，然后再点击发发送送键，将运行；然后设定 转转速速参 数和控制系数 pid 后，点击 发发送送，即可实现直流电机的闭环调速 。 在程序运行中，随时可修改 转转速速参数和控制系数 p

50、id，然后点击 发发送送，实现直流电机的 闭环调速，无须 点击停停止止；只有在需观察实验结果时，才需点击停停止止。 该实验的显示界面中 “控控制制系系数数 ”栏栏的的比比例例系系数数 k kp p（0.002.00） 、调调节节器器的的积积分分时时间间 （1200ms） 、调调节节器器的的微微分分时时间间（0200ms） ；均可由用户在界面上直接修改，以期获得理titd 想的实验结果。改变 . 精品 k kp p 、这些参数后，只要再次点击 “发发送送”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。titd 该实验已 规规定采样周期 t=100ms ， “控制系系数”栏的 kp、ki、kd 已设定：

51、kp=0.25 ，=100ms ，=80ms，选取三组参数，观测电机调速的titd 控制效果，完成表 3-1。 表 3-1 kptitdmpts 1 2 3 三三、实验仪器设备及实验注意事项、实验仪器设备及实验注意事项 1. 实验设备： 计算机控制技术实验箱 、计算机、数字万用表等。 2. 实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格； 3. 实验开始前先检查仪器设备是否完好，并仔细观察熟悉实验箱面板布置； 4. 接好线后首先组内相互检查无误后，再经指导教师确认无误后方可合闸送电进行实验； 5. 实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象） ，应立即切断电源，并报告指导 教师，仔细

52、查找原因，问题解决后，方可继续进行实验； 6. 实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。 四四、实验报告要求、实验报告要求 1.绘制直流电机闭环调速系统原理框图 ； 2.绘制程序框图 ； 3.完成表 3-1 及绘制电机转速调整曲线图。 4.实验中存在的问题及其如何处理； 5.收获和体会。 五五、预习要求及思考题、预习要求及思考题 预预习习要要求求 1. 复习 pid 算法的具体内容和工作原理。 2. 仔细阅读源程序，理解程序是如何完成直流电机闭环调速的控制过程。 思思考考题题 1. 如何用试凑法整定 pid 参数？ 2. 如何用扩充临界比例度法整定pid 参数？ .

53、 精品 3.43.4 实验实验 4 4 模拟模拟/ /数字温度闭环综合控制实验数字温度闭环综合控制实验 一一、实实验验目目的的 1. 巩固闭环控制系统的基本概念。 2. 了解温度的一种采集方法。 3. 掌握模拟 pid 算法。 4. 了解数字控制温度模块加热的原理。 二二、实实验验原原理理 、内内容容及及步步骤骤 实实验验原原理理 模拟/数字混合温度闭环控制系统，由模拟pid 控制电路、数字化输出电路、驱动及温度模块 等组成闭环温度控制系统。 用模拟 pid 控制电路实现温度闭环控制，使温度稳定在某一给定值上。 模拟/数字混合温度闭环控制系统框图如下： 图 4.1 模拟/数字混合 温度闭环控制

54、系统原理框图 给定温度值由 b1 模块的幅度控制电位器 y 测孔给出（电压输出 0+5v 对应温度为 0 76.5） ，同时连接到模数转换器（ b8）的 in4，经 a/d 转换后作为给定温度值，在示波器界面 上显示。 温度控制模块（ c3）的输出 in-0，经 a/d 转换后作为实际温度值（其输出值已连到模数 转换器（ b8）的 in0，用户无须再连线，在示波器界面上显示。 1、模拟 pid 控制的实现 图 4.2 pid（比例积分微分）环节模拟电路 按比例（ p） 、积分（ i） 、微分（ d）通过线性组合构成控制量。 pid 控制算法的模拟表达式是： t d i p dt tde tdtte t tektp 0 )( )( 1 )()( 式中，调节器的输出信号； p t ( ) 调节器的偏差信号； e t ( ) 调节器的比例系数；kp . 精品 调节器的积分时间常数； i t 调节器的微分时间常