THBDC-1計算機控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書(A4)

PAGEPAGE8THBDC-1計算機控制技術(shù)實驗指導(dǎo)書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)?；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)的性能進(jìn)行比較，以加深對計算機控制系統(tǒng)的理解。二、實驗設(shè)備1．THBDC-1型控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺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1臺(含軟件“THBDC-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．利用實驗平臺，設(shè)計一個數(shù)－?；旌戏抡娴挠嬎銠C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的發(fā)展，計算機及其相應(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，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)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“AD11.3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，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBDC-1”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“計算機控制算法VBS\計算機控制技術(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3-2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3．?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ifop<=-4.9then‘輸出值限幅op=-4.9endififop>=4.9thenop=4.9endifWriteDataop,1‘控制信號從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D(S)離散化后的請參考“THBDC-1”安裝目錄下的“計算機控制算法VBS\計算機控制技術(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。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1．THBDC-1型控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺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1臺(含軟件“THBDC-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，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBDC-1”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“計算機控制算法VBS\計算機控制技術(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、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，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．?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，如擴充的臨界比例度法、擴充的階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。下面簡要介紹擴充階躍響應(yīng)曲線法。擴充階躍響應(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τ和被控對象時間常數(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。控制度控制律TKPTiTd1.05PI0.1τ0.84Tx/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擴充階躍響應(yīng)曲線法通過測取響應(yīng)曲線的τ、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dimpv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op‘變量定義subInitialize(arg)‘初始化函數(shù)WriteData0,1mx=0pvx=0endsubsubTakeOneStep(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)PTi=5‘積分時間常數(shù)ITd=0‘微分時間常數(shù)DTs=0.1‘采集周期ei=sv-pv‘控制偏差q0=K*ei‘比例項ifTi=0thenmx=0q1=0elsemx