THBDC-1《計算機(jī)控制技術(shù)》實驗指導(dǎo)書

1、精選優(yōu)質(zhì)文檔-傾情為你奉上實驗一 離散化方法研究一、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字控制器的設(shè)計方法；2熟悉將模擬控制器D(S)離散為數(shù)字控制器的原理與方法；3通過數(shù)模混合實驗，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)的性能進(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“THBCC-1”)三、實驗內(nèi)容1按連續(xù)系統(tǒng)的要求，照圖3-1的方案設(shè)計一個與被控對象串聯(lián)的模擬控制器D(S)，并用示波器觀測系統(tǒng)的動態(tài)特性。2利

2、用實驗平臺，設(shè)計一個數(shù)?；旌戏抡娴挠嬎銠C(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，不同離散化的方法對閉環(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)可近似地視為以D(S)為控制器的連續(xù)控制系統(tǒng)。下面以一個具

3、體的二階系統(tǒng)來說明D(S)控制器的離散化方法。1、二階系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1所示。圖3-1 二階對象的方框圖圖3-2 二階對象的模擬電路圖2、系統(tǒng)性能指標(biāo)要求系統(tǒng)的速度誤差系數(shù) 1/s ，超調(diào)量，系統(tǒng)的調(diào)整時間s據(jù)Kv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 所以校正后系統(tǒng)的模擬電路圖如下圖所示。圖3-3 校正后二階系統(tǒng)的模擬電路圖實驗建議單元：U3、U8、U11、U5、U4及反相器單元，為使校正后的，要求對象K由5增至10。，（實際可取200K電阻），3、的離散化算法圖3-4 數(shù)?；旌峡刂频姆娇驁D圖3-3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)

4、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1) 階躍躍響應(yīng)不變法 數(shù)字濾波器在階躍作用下輸出響應(yīng)的模擬濾波器在階躍作用下輸出響應(yīng)的采樣值， 據(jù)此得 即 2) 后向差分法令 ， 后向差分S與Z之間關(guān)系為，代入D(S)表達(dá)式中得于是得3) 雙線性變換 由泰勒級數(shù)得 ， ，代入D(s)得 即 五、實驗步驟1、實驗接線及準(zhǔn)備1.1 按圖3-2連接一個二階被控對象的模擬電路；1.2，用導(dǎo)線將該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；1.3待檢查電路接

5、線無誤后，打開實驗平臺的電源總開關(guān)，并按下鎖零按鈕使其處于“鎖零”狀態(tài)；2、腳本程序運行2.1啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBCC-1”，運行實驗軟件；2.2順序點擊虛擬示波器界面上的“”按鈕和工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)；2.3在腳本編輯器窗口的文件菜單下點擊“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，然后點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長設(shè)置”，將腳本算法的運行步長設(shè)為100ms；點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動”；彈起鎖零按鈕使其處于“解鎖”狀態(tài)，用虛擬示波器觀察圖3

6、-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)； 2.4參考步驟2.3，用同樣的方法分別運行后向差分法和雙線性變換腳本程序，用虛擬示波器觀察圖3-2輸出端的響應(yīng)曲線；2.5將采樣周期Ts減小或增大，重復(fù)步驟2.3和2.4，用虛擬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；2.6按圖3-3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，并在其輸入端輸入2V的階躍信號，然后觀察其響應(yīng)曲線，并與前面2.3和2.4步驟中采用數(shù)字控制器的實驗曲線相比較；2.7 實驗結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗

7、口，退出實驗軟件。注：為了更好的觀測實驗曲線，實驗時可適當(dāng)調(diào)節(jié)軟件上的分頻系數(shù)(一般調(diào)至刻度2)和選擇“”按鈕(時基自動)，以下實驗相同。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（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、附 錄1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 Initialize(arg) 初始化函數(shù)WriteData 0 ,1eix=0opx=0end

8、 subsub TakeOneStep (arg) 算法運行函數(shù)pv = ReadData(1) 采集卡通道AD1的測量值 sv=2 給定值 Ts=0.1 采樣周期 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 控制器輸出值 eix=ei eix為控制偏差的前項 opx=op opx為控制輸出的前項 if op<=-4.9 then 輸出值限幅 op=-4.9 end if if op>=4.9 then op=4.9 end if WriteData op ,1 控制信號從DA1

9、端口輸出end subsub Finalize (arg) 退出函數(shù)WriteData 0 ,1end sub2.數(shù)字控制器（后向差分法）的程序編寫與調(diào)試示例dim pv,sv,ei,eix,op,opx,Tssub Initialize(arg) '初始化函數(shù)WriteData 0 ,1opx=0eix=0end subsub TakeOneStep (arg) '算法運行函數(shù) pv = ReadData(1) '當(dāng)前測量值 sv=2 Ts=0.1 '采集周期 ei=sv-pv op=0.22/(Ts+0.22)*opx+(Ts+0.5)/(Ts+0.22)*

10、ei-0.5/(Ts+0.22)*eix)*0.45 '當(dāng)前輸出值 eix=ei opx=op if op<=-4.9 then '輸出值限幅 op=-4.9 end if if op>=4.9 then op=4.9 end if WriteData op ,1 end subsub Finalize (arg) '退出函數(shù)WriteData 0 ,1end sub3.數(shù)字控制器（雙線性變換法）的程序編寫與調(diào)試示例dim pv,sv,ei,eix,op,opx,Tssub Initialize(arg) '初始化函數(shù)WriteData 0 ,1 e

11、ix=0opx=0end subsub TakeOneStep (arg) '算法運行函數(shù) pv = ReadData(1) '當(dāng)前測量值 sv=2 Ts=0.1 '采樣周期 ei=sv-pv op=(0.44-Ts)/(0.44+Ts)*opx+(1+Ts)/(0.44+Ts)*ei-(1-Ts)/(0.44+Ts)*eix)*0.45 '當(dāng)前輸出值 eix=ei opx=op if op<=-4.9 then '輸出值限幅 op=-4.9 end if if op>=4.9 then op=4.9 end if WriteData op

12、,1 end subsub Finalize (arg) '退出函數(shù)WriteData 0 ,1end sub實驗二 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究一、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)節(jié)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“THBCC-1”) 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

13、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)律直接變換所得。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

14、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。五、實驗步驟1、實驗接線1.1按圖4-1和圖4-2連接一個二階被控對象閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路；1.2該電路的輸出與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端AD1相連，電路的輸入與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端DA1相連；1.3待檢查電路接線無誤后，打開實驗平臺的電源總開關(guān)，并將鎖零單元的鎖零按鈕處于“解鎖”狀態(tài)。2、腳本程序運行2.1啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBCC-1”，運行實驗軟件；2.2順序點擊虛擬示波器界面上的“”按鈕和工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)；2.3在腳本編輯器窗口的文件菜單下點擊“打開”按鈕，并在“計算機(jī)控制算法VBS

15、計算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法數(shù)字PID調(diào)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，然后點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長設(shè)置”，將腳本算法的運行步長設(shè)為100ms； 2.4點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動”；用虛擬示波器觀察圖4-2輸出端的響應(yīng)曲線；2.5點擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，利用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法（參考本實驗附錄4）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；2.6 參考步驟2.4、2.4和2.5，用同樣的方法分別運行增量式PID和積分分離PID腳本程序，并整定PID控制器的P、I

16、、D及系統(tǒng)采樣時間Ts等參數(shù)，然后觀察參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。另外在積分分離PID程序運行過程中，注意不同的分離閾值tem對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響；2.7 實驗結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。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、附錄1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4-1 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)。被控對象的傳遞函數(shù)為： 它的模擬電路圖如下圖所示圖4-2 被控二階對象的模擬

17、電路圖2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Kp-比例系數(shù)Ki=積分系數(shù)，T采樣周期Kd微分系數(shù)其增量形式為 3積分分離PID控制算法系統(tǒng)中引入的積分分離算法時，積分分離PID算法要設(shè)置分離閾E0：當(dāng) e(kT)E0時，采用PID控制，以保持系統(tǒng)的控制精度。當(dāng) e(kT)>E0時，采用PD控制，可使p減小。積分分離PID控制算法為：式中Ke稱為邏輯系數(shù)：當(dāng) e(k)E0時， Ke=1當(dāng) e(k)>E0時， Ke=0對應(yīng)的控制方框圖為圖4-3 上位機(jī)控制的方框圖圖中信號的離散化是由數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實現(xiàn)。4數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定在模擬控制系統(tǒng)中，

18、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： 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。 記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程，如下圖所示。 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)Tx，以及它們的比值Tx/，然后查下表確定控制器的KP、Ki、Kd及采樣周期T?？刂贫瓤刂?/p>

19、律TKPTiTd1.05PI0.10.84Tx/0.34PID0.051.15Tx/2.00.451.2PI0.20.78Tx/3.6PID0.161.0Tx/1.90.551.5PI0.50.68Tx/3.9PID0.340.85Tx/1.620.82擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法通過測取響應(yīng)曲線的、Tx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。5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 Initialize(arg) 初始化函數(shù)WriteData 0

20、 ,1mx=0pvx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法運行函數(shù)pv = ReadData(1) 采集卡AD1通道的測量值 sv=2 給定值 K=0.8 比例系數(shù)P Ti=5 積分時間常數(shù)I Td=0 微分時間常數(shù)D Ts=0.1 采集周期 ei=sv-pv 控制偏差 q0=K*ei 比例項 if Ti=0 then mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti 當(dāng)前積分項 end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts '微分項 q1=q1+mx if q1>4.9 then 積分限幅，以防積分飽和 q1=4.9end ifif

21、q1<-4.9 then q1=-4.9end if pvx=pv pvx為測量值的前項op=q0+q1+q2 PID控制器的輸出if op<=-4.9 then 輸出值限幅 op=-4.9end ifif op>=4.9 then op=4.9end ifWriteData op ,1 輸出值給DA1通道end subsub Finalize (arg) 退出函數(shù)WriteData 0 ,1end sub位置式PID、積分分離PID控制算法的編程請參考E:盤下的“計算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法數(shù)字PID調(diào)器算法”目錄內(nèi)參考示例程序。6增量位置式PID數(shù)字控制器程序的編寫與調(diào)試示例d

22、im pv,sv,ei,ex,ey,K,Ti,Td,q0,q1,q2,opsub Initialize(arg) '初始化函數(shù) WriteData 0 ,1end subsub TakeOneStep (arg) '算法運行函數(shù) pv = ReadData(1) '當(dāng)前測量值 sv=2 K=0.8 Ti=5 Td=0 Ts=0.1 '采集周期 ei=sv-pv '當(dāng)前偏差 q0=k*(ei-ex) '比例項 if Ti=0 then q1=0 else q1=K*Ts*ei/Ti '當(dāng)前積分項 end if q2=k*td*(ei-2*ex+ey) /Ts '微分項 ey=ex ex=ei if q1>4.9 then q1=4.9 end if if q1<-4.9 then q1=-4.9 end if op=op+q0+q1+q2 if op<=-4.9 then '輸出值限幅 op=-4.9 end if if op>=4.9 then op=4.9 end if WriteData op