計算機(jī)控制技術(shù)指導(dǎo)書.doc

1、計算機(jī)控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書遼寧科技大學(xué)電信學(xué)院目 錄實驗一、D（S）離散化方法的研究.。.2實驗二、數(shù)字PID算法的研究.。8實驗三、數(shù)字濾波器。15實驗一、D（S）離散化方法的研究一、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字控制器的設(shè)計方法；2熟悉將模擬控制D(S）離散為數(shù)字控制器的原理和方法；3通過數(shù)?；旌蠈嶒?，對D（S）的多種離散化方法作比較研究，并對D（S）離散化前后閉環(huán)系統(tǒng)得性能進(jìn)行比較,以加深對計算機(jī)控制系統(tǒng)的理解。二、實驗設(shè)備1THBDC-1型控制理論·計算機(jī)控制技術(shù)實驗臺；2THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊；3PC機(jī)1臺。三、實驗內(nèi)容1按連續(xù)系統(tǒng)的要求，照圖1。1的方案設(shè)計一個與被控對象串聯(lián)的

2、模擬控制D（S），并用示波器觀測系統(tǒng)的動態(tài)特性。2利用實驗平臺,設(shè)計一個數(shù)模混合仿真的計算機(jī)控制系統(tǒng)，并利用D（S）離散化后所編寫的程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制。3研究采樣周期Ts變化時，不同離散化方法對閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的影響。4對上述連續(xù)系統(tǒng)和計算機(jī)控制系統(tǒng)的動態(tài)性能作比較研究。四、實驗原理-由于計算機(jī)的發(fā)展，計算機(jī)及其相應(yīng)的信號變換裝置（A/D和D/A)取代了常規(guī)的模擬控制.在對原有的連續(xù)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造時，最方便的辦法是將原來的模擬控制器離散化,其實質(zhì)是將數(shù)字控制部分(A/D、計算機(jī)和D/A）看成一個整體，它的輸入與輸出都是模擬量,因而可等效于一個連續(xù)的傳遞函數(shù)D（S）。這樣，計算機(jī)控制系統(tǒng)可近似

3、地視為以D（S）為控制器的連續(xù)控制系統(tǒng)。1。 系統(tǒng)性能指標(biāo)要求：系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)，超調(diào)量,系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間據(jù)要求可得： ， 令 ，則校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為由上式得 ，,取，則 2。 的離散化算法圖2.1 數(shù)?；旌峡刂频姆娇驁D圖2.1中的離散化可通過數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實現(xiàn)。傳遞函數(shù)與Z傳遞函數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換，可視為模擬濾波器與數(shù)字濾波器之間的轉(zhuǎn)換.常用的轉(zhuǎn)換方法有：a) 階躍響應(yīng)不變法（或用脈沖響應(yīng)法)b) 后向差分法c) 雙線性變換五、實驗步驟1啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)THBDC-1，運(yùn)行實驗軟件。2點(diǎn)擊工具欄上的“通道設(shè)置”，在彈出的對話框中選擇單通道采集、通道“1”，并點(diǎn)擊“開始采集”

4、按鈕。實驗系統(tǒng)的原理框圖如圖2.2所示。圖2.2 二階對象的方框圖3按圖2。3連接一個二階被控對象的模擬電路，其中電路的輸入端連接到數(shù)據(jù)采集卡的DA1輸出端，電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的AD1輸入端相連。然后啟動實驗臺的“電源開關(guān)”,并按下鎖零按鈕使其處于“鎖零"狀態(tài)。圖2.3 二階對象的模擬電路圖4點(diǎn)擊工具欄上的“腳本編輯器”，在彈出的窗口中點(diǎn)擊“打開”按鈕。在“D（S）離散化方法研究”文件夾下選中“階躍響應(yīng)不變法”腳本程序并打開,閱讀、理解該程序。在選定采樣周期Ts的值(100ms）后，彈起鎖零按鈕使其處于“不鎖零”狀態(tài)。運(yùn)行該程序，用示波器觀察圖1。2輸出端的響應(yīng)曲線。結(jié)束本次實

5、驗后按下鎖零按鈕使其處于“鎖零”狀態(tài)。5參考上一步的操作，在“D(S)離散化方法研究"文件夾下選中“后向差分法”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。在選定采樣周期Ts的值（100ms）后,彈起鎖零按鈕使其處于“不鎖零”狀態(tài)。運(yùn)行該程序,用示波器觀察圖1。2輸出端的響應(yīng)曲線.結(jié)束本次實驗后按下鎖零按鈕使其處于“鎖零”狀態(tài)。6參考上一步的操作，在“D(S）離散化方法研究”文件夾下選中“雙線性變換”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。在選定采樣周期Ts的值（100ms)后，彈起鎖零按鈕使其處于“不鎖零”狀態(tài)。運(yùn)行該程序，用示波器觀察圖1.2輸出端的響應(yīng)曲線。結(jié)束本次實驗后按下鎖零按鈕使其處于“

6、鎖零”狀態(tài).7將采周期Ts減小或增大，重復(fù)步驟4、5、6,用示波器觀測采樣周期Ts的減小或增大對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。如系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，記下此時的采樣周期Ts和所采用的離散化方法。8學(xué)生自行設(shè)計校正后系統(tǒng)的模擬電路圖，并求出相應(yīng)的參數(shù)。然后按圖連接二階被控對象在加入模擬控制器(PID校正裝置)后的模擬電路，并用上位機(jī)輸出一個階躍信號，觀察其響應(yīng)曲線,并與前面4、5、6步驟中采用數(shù)字控制器的實驗曲線相比較。圖2.4 校正后二階系統(tǒng)的模擬電路圖，9實驗結(jié)束后，關(guān)閉“腳本編輯器”窗口，并順序點(diǎn)擊對話框中的“停止采集”與工具欄的“退出”按鈕.六、實驗報告要求1繪出實驗中二階被控對象在加入模擬控制器（

7、PID校正裝置)前后的響應(yīng)曲線.2編寫數(shù)字控制器（階躍響應(yīng)不變法）的腳本程序.3繪出二階被控對象在采用數(shù)字控制器后的響應(yīng)曲線，并分析采樣周期Ts的減小或增大對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。七、程序示例數(shù)字控制器（階躍響應(yīng)不變法)的程序編寫與調(diào)試示例dim pv，sv，ei,eix,op,opx,Ts 變量定義sub inputdata(） 輸入接口程序 pv=myobject.inputdata1 AD1通道的采樣值end subsub main（） 主程序 sv=1.5 設(shè)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為控制偏差的前項 opx=op opx為控制輸出的前項 if op<=5 then op=5 end if if op>=4.8 then op=4.8 end if 輸出限幅end subsub outputdata() 輸出接口程序 myobject。outputdata1=op 控制器的輸出end sub實驗二、數(shù)字PID算法的研究一、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并熟悉常規(guī)的數(shù)字PID控制算法的原理；2學(xué)習(xí)并熟悉積分分離PID控制算法的原理；3掌握具有數(shù)字PID調(diào)解器控制系統(tǒng)的實驗和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。二、實驗設(shè)備1THBDC1型控制理論

9、83;計算機(jī)控制技術(shù)實驗臺;2THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊；3PC機(jī)1臺。三、實驗內(nèi)容1利用本實驗平臺，設(shè)計并構(gòu)成一個用于混合仿真實驗的計算機(jī)閉環(huán)實時控制系統(tǒng).2采用常規(guī)的PI和PID調(diào)節(jié)器，構(gòu)成計算機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)，并對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定，使之具有滿意的動態(tài)性能。3對系統(tǒng)采用積分分離PID控制,并整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。四、實驗原理在工業(yè)過程控制中,應(yīng)用最廣泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、積分(I）、微分（D)組合而成的控制規(guī)律。而數(shù)字PID控制器則是由模擬PID控制規(guī)律直接變換得到.在PID控制規(guī)律中,引入積分的目的是為了消除靜差,提高控制精度，但系統(tǒng)中引入了積分，往往使之產(chǎn)生過大的超

10、調(diào)量，這對某些生產(chǎn)過程是不允許的.因此在工業(yè)生產(chǎn)中常用改進(jìn)的PID算法，如積分分離PID算法，其思想是當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時取消積分控制；當(dāng)控制量接近給定值時才將積分作用投入,以消除靜差，提高控制精度.這樣，既保持了積分的作用，又減小了超調(diào)量。1常規(guī)PID控制算法常規(guī)PID控制位置式算法為:對應(yīng)的Z傳遞函數(shù)為式中：-比例系數(shù) -采樣周期 -積分系數(shù) -積分系數(shù)其增量形式為2積分分離PID控制算法系統(tǒng)中引入了積分分離算法時，積分分離PID算法要設(shè)置分離閾；當(dāng)時，采用PID控制，以保持系統(tǒng)的控制精度.當(dāng)時，采用PD控制，可使減小。積分分離PID控制算法為：式中稱為邏輯系數(shù)：當(dāng)時,=1當(dāng)時，=0

11、3數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定在模擬控制系統(tǒng)中,參數(shù)整定的方法較多,常用的實驗整定法有：臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等.數(shù)字控制器參數(shù)的整定也可采用類似的方法，如擴(kuò)充的臨界比例度法、擴(kuò)充的階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。下面簡要介紹擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法。擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法只適合于含多個慣性環(huán)節(jié)的自平衡系統(tǒng).用擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟如下：（1）數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于開環(huán)工作狀態(tài)下，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近,并使之穩(wěn)定下來.（2）記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程，如下圖所示。(3)在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時間和被控對象時間常數(shù),以及它們的比值，然后查下表確定

12、控制器的、及采樣周期.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擴(kuò)充響應(yīng)曲線法通過測取響應(yīng)曲線的參數(shù)、獲得一個初步的PID控制參數(shù),然后在此基礎(chǔ)上通過部分參數(shù)的調(diào)節(jié)（試湊）使系統(tǒng)獲得滿意的控制性能.五、實驗步驟1啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)THBDC1，運(yùn)行實驗軟件.2點(diǎn)擊工具欄上的“通道設(shè)置”，在彈出的對話框中選擇單通道采集、通道“1",并點(diǎn)擊“開始采集"按鈕.3按圖3。1連接一個二階被

13、控對象閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路，該電路的輸出與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端AD1相連,該電路的輸入與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端DA1相連.待檢查電路接線無誤后，啟動實驗臺的“電源開關(guān)”，按下鎖零按鈕使其處于“不鎖零”狀態(tài)。被控對象的傳遞函數(shù)為：被控對象的模擬與計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖3.1 數(shù)-模混合控制系統(tǒng)的方框圖圖中信號的離散化通過數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實現(xiàn)。圖3。2 二階對象的模擬電路圖4點(diǎn)擊工具欄上的“腳本編輯器”，在彈出的窗口中點(diǎn)擊“打開”按鈕.在“數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法”文件夾下選中“位置式PID"腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。然后在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，用示波器觀察圖3。2

14、輸出端的響應(yīng)曲線.5在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“停止”按鈕，利用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID控制器的P、I、D及系統(tǒng)采樣時間Ts等參數(shù)，然后再運(yùn)行.在整定過程中注意觀察參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響.6在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“打開”按鈕，在“數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法"文件夾下選中“增量式PID”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。然后在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，用示波器觀察圖3.2輸出端的響應(yīng)曲線.并根據(jù)上一步整定PID控制器參數(shù)的方法，整定P、I、D及系統(tǒng)采樣時間Ts等參數(shù)。在整定過程中注意觀察參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。7在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“打開”按鈕，在“數(shù)字

15、PID調(diào)節(jié)器算法"文件夾下選中“積分分離式PID”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。然后在“腳本編輯器”窗口上點(diǎn)擊“運(yùn)行”按鈕，用示波器觀察圖3.2輸出端的響應(yīng)曲線。選擇合適的分離閾值tem,并整定PID控制器的P、I、D及系統(tǒng)采樣時間Ts等參數(shù)。在整定過程中注意觀察參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。8實驗結(jié)束后,關(guān)閉“腳本編輯器”窗口，并順序點(diǎn)擊對話框中的“停止采集”與工具欄的“退出”按鈕。六、實驗報告要求1繪出實驗中二階被控對象在各種不同的PID控制下的響應(yīng)曲線。2編寫積分分離PID控制算法的腳本程序.3分析常規(guī)PID控制算法與積分分離PID控制算法在實驗中的控制效果.七、程序示例

16、位置式PID數(shù)字控制器程序的編寫與調(diào)試示例dim pv,sv,ei，k，ti，td，q0，q1,q2,mx，pvx，op 變量定義sub inputdata（) 輸入接口程序 pv=myobject.inputdata1 AD1通道的測量值end subsub main（) 主程序 sv=1.5 設(shè)定值 k=0。5 比例系數(shù)P ti=20 積分時間常數(shù)I td=0 微分時間常數(shù)D ei=svpv 控制偏差 if k=0 and ti=0 and td=0 then q0=0 比例項 q1=0 積分項 q2=0 微分項 end if if k<>0 and ti0 then q0=k

17、*ei mx=k0.1ei/ti 積分增量 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 積分增量限幅 q1=q1+mx pvx=pv op=q0+q1+q2 PID控制器的輸出if op5 then op=5 end if if op<-5 then op=5 end ifend subsub outputdata（) 輸出接口程序 myobject。outputdata

18、1=op 控制器的輸出給DA1通道end sub實驗三 數(shù)字濾波器一、實驗?zāi)康?通過實驗熟悉數(shù)字濾波器的實現(xiàn)方法；2研究濾波器參數(shù)的變化對濾波性能的影響。二、實驗設(shè)備1THBCC-1型 信號與系統(tǒng)控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺2THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊（含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機(jī)1臺(含軟件“THBCC1”)三、實驗內(nèi)容1設(shè)計一個帶尖脈沖（頻率可變）干擾信號和正弦信號輸入的模擬加法電路；2設(shè)計并調(diào)試一階數(shù)字濾波器；3設(shè)計并調(diào)試高階數(shù)字濾波器.四、實驗原理1在許多信息處理過程中，如對信號的濾波，檢測，預(yù)測等都要廣泛地用到濾波器。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號處理中廣泛使用的

19、一種線性環(huán)節(jié)，它從本質(zhì)上說是將一組輸入的數(shù)字序列通過一定規(guī)則的運(yùn)算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M希望輸出的數(shù)字序列。一般可以用兩種方法來實現(xiàn)：一種是用數(shù)字硬件來實現(xiàn)；另一種是用計算機(jī)的軟件編程來實現(xiàn).一個數(shù)字濾波器，它所表達(dá)的運(yùn)算可用差分方程來表示：2一階數(shù)字濾波器及其數(shù)字化一階數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為 利用一階差分法離散化，可以得到一階數(shù)字濾波器的算法： 其中TS為采樣周期，為濾波器的時間常數(shù).TS和應(yīng)根據(jù)信號的頻譜來選擇。3高階數(shù)字濾波器高階數(shù)字濾波器算法很多，這里只給出一種加權(quán)平均算法：其中權(quán)系數(shù)滿足：.同樣也根據(jù)信號的頻譜來選擇。五、實驗步驟1、實驗接線及準(zhǔn)備1。1啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)THBCC-

20、1，運(yùn)行實驗軟件；1.2啟動實驗臺的“電源總開關(guān)”，打開±5、±15V電源。將低頻函數(shù)信號發(fā)生器單元輸出端連接到采集卡的“AD1"通道，并選擇方波輸出。在虛擬示波器觀測方波信號的頻率和幅值，然后調(diào)節(jié)信號發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”電位器，使方波信號的頻率和幅值分別為4Hz，2V。然后斷開與采集卡的連接,將低頻函數(shù)信號發(fā)生器單元輸出端連接到“脈沖產(chǎn)生電路”單元輸入端，產(chǎn)生一個尖脈沖信號Uo;1.3按圖22連接電路，其中正弦信號來自數(shù)據(jù)采集卡的“DA1"輸出端，尖脈沖信號來自U1單元的輸出端.圖2-2的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的“AD1”輸入端相連,同時將

21、數(shù)據(jù)采集卡的“DA2”輸出端與“AD2”輸入端相連；2、腳本程序運(yùn)行2。1點(diǎn)擊軟件工具欄上的 “” 按鈕（腳本編程器)，打開腳本編輯器窗口;2.2在腳本編輯器窗口的文件菜單下點(diǎn)擊“打開"按鈕，并在“計算機(jī)控制算法VBS計算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法"文件夾下選中“數(shù)字濾波”腳本程序并打開,閱讀、理解該程序，然后點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長設(shè)為10ms；2。3點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動"，用雙蹤示波器分別觀察圖2-2的輸出端和數(shù)據(jù)采集卡輸出端“DA2”的波形。調(diào)節(jié)信號發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”電位器，改變方波信號的頻率(即尖脈沖干擾信號的頻率).觀察數(shù)據(jù)濾波器的濾波效果;2。4點(diǎn)擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，修改算法程序中的參數(shù)Ts(注：修改Ts時要同步修改算法的運(yùn)行步長）、Ti兩個參數(shù)，然后再運(yùn)行該程序，在示波器上再次觀察參數(shù)變化對濾波效果的影響;2.5對于高階數(shù)字濾波器的算法編程實驗，請參考本實驗步驟2。2、 2。3和2.4.不同的是打開的腳本程序文件名為“數(shù)字濾波（高階）"，實驗時程序可修改的參數(shù)為a1、a2、a3和采樣時間Ts。2。6 實驗結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實