微型計(jì)算機(jī)實(shí)驗(yàn)報(bào)告

目錄實(shí)驗(yàn)一A/D與D/A轉(zhuǎn)換 1實(shí)驗(yàn)二數(shù)字濾波器 4實(shí)驗(yàn)三離散化方法研究 7實(shí)驗(yàn)四數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究 12實(shí)驗(yàn)五串級(jí)控制算法的研究 17實(shí)驗(yàn)六解耦控制算法的研究 21實(shí)驗(yàn)七最少拍控制算法研究 27實(shí)驗(yàn)八具有純滯后系統(tǒng)的大林控制 32實(shí)驗(yàn)九線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制 36實(shí)驗(yàn)十模糊控制系統(tǒng) 40實(shí)驗(yàn)十一具有單神經(jīng)元控制器的控制系統(tǒng) 43實(shí)驗(yàn)十二二次型狀態(tài)調(diào)節(jié)器 48實(shí)驗(yàn)十三單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng) 51實(shí)驗(yàn)十四步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng) 55實(shí)驗(yàn)十五單閉環(huán)溫度恒值控制系統(tǒng) 58實(shí)驗(yàn)十六單容水箱液位定值控制系統(tǒng) 61一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．通過實(shí)驗(yàn)了解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與使用方法；2．通過實(shí)驗(yàn)了解模擬量通道中模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2．THBXD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)3．PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THBDC-1”三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．輸入一定值的電壓，測(cè)取模數(shù)轉(zhuǎn)換的特性，并分析之；2．在上位機(jī)輸入一十進(jìn)制代碼，完成通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1．啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“電源總開關(guān)”，打開±5、±15V電源。將“階躍信號(hào)發(fā)生器”單元輸出端連接到“數(shù)據(jù)采集接口單元”的“AD1”通道，同時(shí)將采集接口單元的“DA1”輸出端連接到接口單元的“AD2．將“階躍信號(hào)發(fā)生器”的輸入電壓調(diào)節(jié)為1V；3．啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBDC-1”軟件，在打開的軟件界面上點(diǎn)擊“開始采集”4．點(diǎn)擊軟件“系統(tǒng)”菜單下的“AD/DA實(shí)驗(yàn)”，在AD/DA實(shí)驗(yàn)界面上點(diǎn)擊“開始”按鈕，觀測(cè)采集卡上AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在輸入電壓為1V(可以使用面板上的直流數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量)時(shí)應(yīng)為00001100011101(共14位，其中后幾位將處于實(shí)時(shí)刷新狀態(tài))。調(diào)節(jié)階躍信號(hào)的大小，然后繼續(xù)觀察AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并與理論值(詳見本實(shí)驗(yàn)附錄)進(jìn)行比較；5．根據(jù)DA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換規(guī)律(詳見本實(shí)驗(yàn)附錄)，在DA部分的編輯框中輸入一個(gè)十進(jìn)制數(shù)據(jù)（如2457，其范圍為0～4095），然后虛擬示波器上觀測(cè)DA轉(zhuǎn)換值的大??；6．實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。五、附錄1．?dāng)?shù)據(jù)采集卡本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用了THBXD數(shù)據(jù)采集卡。它是一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，卡上裝有14Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和12Bit分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換器的輸入量程均為±10V、輸出量程均為±5V。該采集卡為用戶提供4路模擬量輸入通道和2路模擬量輸出通道。其主要特點(diǎn)有：1)支持USB1.1協(xié)議，真正實(shí)現(xiàn)即插即用2)400KHz14位A/D轉(zhuǎn)換器，通過率為350K，12位D/A轉(zhuǎn)換器，建立時(shí)間10μs3)4通道模擬量輸入和2通道模擬量輸出4)8K深度的FIFO保證數(shù)據(jù)的完整性5)8路開關(guān)量輸入，8路開關(guān)量輸出2．AD/DA轉(zhuǎn)換原理數(shù)據(jù)采集卡采用“THBXD”USB卡，該卡在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸入電壓與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系為：-10～10V對(duì)應(yīng)為0～16383(A/D轉(zhuǎn)換為14位)。其中0V為8192。其主要數(shù)據(jù)格式如下表所示(采用雙極性模擬輸入)：輸入AD原始碼(二進(jìn)制)AD原始碼(十六進(jìn)制)求補(bǔ)后的碼(十進(jìn)制)正滿度011111111111111FFF16383正滿度－1LSB011111111111101FFE16382中間值（零點(diǎn)）0000000000000000008192負(fù)滿度+1LSB1000000000000120011負(fù)滿度1000000000000020000而DA轉(zhuǎn)換時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：-5～5V對(duì)應(yīng)為0～4095(D/A轉(zhuǎn)換為12位)，其數(shù)據(jù)格式(雙極性電壓輸出時(shí))為：輸入D/A數(shù)據(jù)編碼正滿度111111111111正滿度－1LSB111111111110中間值（零點(diǎn)）100000000000負(fù)滿度+1LSB000000000001負(fù)滿度0000000000003．編程實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生利用上位機(jī)的“腳本編程器”可編程實(shí)現(xiàn)各種典型信號(hào)的產(chǎn)生，如正弦信號(hào)，方波信號(hào)，斜坡信號(hào)，拋物線信號(hào)等。其函數(shù)表達(dá)式分別為：1)正弦信號(hào)，2)方波3)斜坡信號(hào)，a為常量4)拋物線信號(hào)，a為常量這里以拋物線信號(hào)為例進(jìn)行編程，其具體程序如下：dimtx,op,a‘初始化函數(shù)subInitialize(arg)‘初始化函數(shù)WriteData0,1‘對(duì)采集卡的輸出端口DA1進(jìn)行初始化tx=0‘對(duì)變量初始化endsubsubTakeOneStep(arg)‘算法運(yùn)行函數(shù)a=1op=0.5*a*tx*tx‘0.1為時(shí)間步長(zhǎng)tx=tx+0.1ifop>3then‘波形限幅tx=0endifWriteDataop,1‘?dāng)?shù)據(jù)從采集卡的DA1端口輸出endsubsubFinalize(arg)‘退出函數(shù)WriteData0,1endsub通過改變變量tx、a的值可改變拋物線的上升斜率。其它典型信號(hào)的編程請(qǐng)參考“THBDC-1”安裝目錄下的“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\基本波形”目錄內(nèi)參考示例程序。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．通過實(shí)驗(yàn)熟悉數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法；2．研究濾波器參數(shù)的變化對(duì)濾波性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2．THBXD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)3．PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THBDC-1”三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．設(shè)計(jì)一個(gè)帶尖脈沖（頻率可變）干擾信號(hào)和正弦信號(hào)輸入的模擬加法電路；2．設(shè)計(jì)并調(diào)試一階數(shù)字濾波器；3．設(shè)計(jì)并調(diào)試高階數(shù)字濾波器。四、實(shí)驗(yàn)原理1．在許多信息處理過程中，如對(duì)信號(hào)的濾波，檢測(cè)，預(yù)測(cè)等都要廣泛地用到濾波器。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中廣泛使用的一種線性環(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(shí)現(xiàn)：一種是用數(shù)字硬件來實(shí)現(xiàn)；另一種是用計(jì)算機(jī)的軟件編程來實(shí)現(xiàn)。一個(gè)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(shí)間常數(shù)。TS和應(yīng)根據(jù)信號(hào)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(hào)的頻譜來選擇。五、實(shí)驗(yàn)步驟1．實(shí)驗(yàn)接線及準(zhǔn)備1.1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)THBDC-1，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件；1.2啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“電源總開關(guān)”，打開±5、±15V電源。將低頻函數(shù)信號(hào)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(cè)方波信號(hào)的頻率和幅值，然后調(diào)節(jié)信號(hào)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(hào)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(hào)發(fā)生器單元輸出端連接到“脈沖產(chǎn)生電路”1.3按圖2-2連接電路，其中正弦信號(hào)來自數(shù)據(jù)采集卡的“DA1”輸出端，尖脈沖信號(hào)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(shí)將數(shù)據(jù)采集卡的“DA2”輸出端與“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(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)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(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)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(dòng)”，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(hào)發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”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(shí)要同步修改算法的運(yùn)行步長(zhǎng))、Ti兩個(gè)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(duì)濾波效果的影響；2.5對(duì)于高階數(shù)字濾波器的算法編程實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)參考本實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)時(shí)程序可修改的參數(shù)為a1、a2、a3和采樣時(shí)間Ts。2.6實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．畫出尖脈沖干擾信號(hào)的產(chǎn)生電路圖。2．編寫一階數(shù)字濾波器的腳本程序。3．繪制加數(shù)字濾波器前、后的輸出波形，并分析程序中參數(shù)的變化對(duì)其濾波效果的影響。七、附錄1．尖脈沖干擾信號(hào)產(chǎn)生的模擬電路圖圖2-1尖脈沖產(chǎn)生電路通過改變方波信號(hào)的頻率，即可改變尖脈沖的頻率。2．實(shí)驗(yàn)電路的信號(hào)的產(chǎn)生把圖2-1產(chǎn)生的尖脈沖信號(hào)視為干擾信號(hào)，與一低頻正弦信號(hào)（由上位機(jī)的“腳本編輯器”編程輸出）輸入到圖2-2所示的兩個(gè)輸入端。圖2-2測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生電路圖3．一階數(shù)字濾波器的程序編寫與調(diào)試示例dimpv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti‘變量定義subInitialize(arg)‘初始化函數(shù)WriteData0,1opx=0endsubsubTakeOneStep(arg)‘算法運(yùn)行函數(shù)pv=ReadData(1)‘采集卡通道1的測(cè)量值op1=2*sin(x)‘正弦信號(hào)的產(chǎn)生x=x+0.1Ti=0.02

Ts=0.01‘采樣時(shí)間10msop2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx‘一階數(shù)字濾波器的輸出opx=op2ifop2>=4.9thenop2=4.9endififop2<=-4.9thenop2=-4.9endifWriteDataop1,1‘正弦信號(hào)從DA1端口輸出WriteDataop2,2‘濾波后的信號(hào)從DA2端口輸出endsubsubFinalize(arg)‘退出函數(shù)WriteData0,1WriteData0,2endsub高階數(shù)字濾波器的編程請(qǐng)參考“THBDC-1”安裝目錄下的“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法”目錄內(nèi)參考示例程序。一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)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)?；旌蠈?shí)驗(yàn)，對(duì)D(S)的多種離散化方法作比較研究，并對(duì)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(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理解。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2．THBXD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)3．PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THBDC-1”三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．按連續(xù)系統(tǒng)的要求，照?qǐng)D3-1的方案設(shè)計(jì)一個(gè)與被控對(duì)象串聯(lián)的模擬控制器D(S)，并用示波器觀測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。2．利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)－?；旌戏抡娴挠?jì)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(shí)，不同離散化的方法對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的影響。4．對(duì)上述連續(xù)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能作比較研究。四、實(shí)驗(yàn)原理由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的信號(hào)變換裝置（A/D和D/A）取代了常規(guī)的模擬控制。在對(duì)原有的連續(xù)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，最方便的辦法是將原來的模擬控制器離散化，其實(shí)質(zhì)是將數(shù)字控制部分（A/D、計(jì)算機(jī)和D/A）看成一個(gè)整體，它的輸入與輸出都是模擬量，因而可等效于一個(gè)連續(xù)的傳遞函數(shù)D(S)。這樣，計(jì)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(gè)具體的二階系統(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(duì)象的方框圖圖3-2二階對(duì)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(shí)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，為使校正后的，要求對(duì)象K由5增至10。，，（實(shí)際可取200K電阻），3．的離散化算法圖3-4數(shù)—模混合控制的方框圖圖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(shí)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(jí)數(shù)得， ，代入D(s)得 即五、實(shí)驗(yàn)步驟1．實(shí)驗(yàn)接線及準(zhǔn)備1.1按圖3-2連接一個(gè)二階被控對(duì)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“AD11.3待檢查電路接線無誤后，打開實(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(yùn)行2.1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBDC-1”2.2順序點(diǎn)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(diǎn)擊“打開”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)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(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為100ms；點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”；彈起鎖零按鈕使其處于“解鎖”狀態(tài)，用虛擬示波器觀察圖3-2輸出端的響應(yīng)曲線。結(jié)束本次實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(cè)采樣周期Ts的減小或增大對(duì)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(shí)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(duì)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(hào)，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(shí)驗(yàn)曲線相比較；2.7實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。注：為了更好的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)驗(yàn)時(shí)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(shí)基自動(dòng))，以下實(shí)驗(yàn)相同。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．繪出實(shí)驗(yàn)中二階被控對(duì)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(duì)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(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。七、附錄1．?dāng)?shù)字控制器（階躍響應(yīng)不變法）的程序編寫與調(diào)試示例dimpv,sv,ei,eix,op,opx,Ts‘變量定義subInitialize(arg)‘初始化函數(shù)WriteData0,1eix=0opx=0endsubsubTakeOneStep(arg)‘算法運(yùn)行函數(shù)pv=ReadData(1)‘采集卡通道AD1的測(cè)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(xiàng)opx=op‘opx為控制輸出的前項(xiàng)ifop<=-4.9then‘輸出值限幅op=-4.9endififop>=4.9thenop=4.9endifWriteDataop,1‘控制信號(hào)從DA1端口輸出endsubsubFinalize(arg)‘退出函數(shù)WriteData0,1endsub雙線性變換法、后向差分變換法對(duì)D(S)離散化后的請(qǐng)參考“THBDC-1”安裝目錄下的“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法\D(S)離散化方法研究”目錄內(nèi)參考示例程序。一、實(shí)驗(yàn)?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(shí)驗(yàn)和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．THBDC-1型控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2．THBXD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)3．PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THBDC-1”三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．利用本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并構(gòu)成一個(gè)用于混合仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)；2．采用常規(guī)的PI和PID調(diào)節(jié)器，構(gòu)成計(jì)算機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定，使之具有滿意的動(dòng)態(tài)性能；3．對(duì)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(shí)驗(yàn)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(duì)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(shí)取消積分控制；當(dāng)控制量接近給定值時(shí)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。五、實(shí)驗(yàn)步驟1．實(shí)驗(yàn)接線1.1按圖4-1和圖4-2連接一個(gè)二階被控對(duì)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(shí)驗(yàn)平臺(tái)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(yùn)行2.1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBDC-1”2.2順序點(diǎn)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(diǎn)擊“打開”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)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(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為100ms；2.4點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”；用虛擬示波器觀察圖4-2輸出端的響應(yīng)曲線；2.5點(diǎn)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(shí)驗(yàn)附錄4）整定PID控制器的P、I、D及系統(tǒng)采樣時(shí)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(duì)系統(tǒng)動(dòng)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(yùn)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、D及系統(tǒng)采樣時(shí)間Ts等參數(shù)，然后觀察參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。另外在積分分離PID程序運(yùn)行過程中，注意不同的分離閾值tem對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響；2.7實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．繪出實(shí)驗(yàn)中二階被控對(duì)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(shí)驗(yàn)中的控制效果。七、附錄1．被控對(duì)象的模擬與計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖4-1數(shù)-?；旌峡刂葡到y(tǒng)的方框圖圖中信號(hào)的離散化通過數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。被控對(duì)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(duì)象的模擬電路圖2．常規(guī)PID控制算法常規(guī)PID控制位置式算法為對(duì)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(shí)，積分分離PID算法要設(shè)置分離閾E0：當(dāng)│e(kT)│≤│E0│時(shí)，采用PID控制，以保持系統(tǒng)的控制精度。當(dāng)│e(kT)│>│E0│時(shí)，采用PD控制，可使δp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(shí)，Ke=1當(dāng)│e(k)│>│E0│時(shí)，Ke=0對(duì)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(hào)的離散化是由數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。4．?dāng)?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(shí)驗(yàn)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(jiǎn)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(gè)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(gè)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(shí)間τ和被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)Tx，以及它們的比值Tx/τ，然后查下表確定控制器的KP、Ki、Kd及采樣周期T?？刂贫瓤刂坡蒚KPTiTd1.05PI0.1τ0.84Tx/τ0.34τ—PID0.05τ1.15Tx/τ2.0τ0.45τ1.2PI0.2τ0.78Tx/τ3.6τ—PID0.16τ1.0Tx/τ1.9τ0.55τ1.5PI0.5τ0.68Tx/τ3.9τ—PID0.34τ0.85Tx/τ1.62τ0.82τ擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法通過測(cè)取響應(yīng)曲線的τ、Tx參數(shù)獲得一個(gè)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dimpv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op‘變量定義subInitialize(arg)