一計算機控制實驗指導

目錄

一?計算機控制實驗指導

1.概述......................................................1

2.實驗一A/D與D/A轉換....................................3

3.實驗二數(shù)字濾波.........................................7

4.實驗三D(s)離散化方法的研究.............................9

5.實驗四數(shù)字PID控制算法的研究............................13

6.實驗五串級控制算法的研究...............................16

7.實驗六解耦控制算法的研究...............................19

8.實驗七最少拍控制算法的研究.............................23

9.實驗八具有純滯后系統(tǒng)的大林控制.........................28

10.實驗九線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制....................30

H.實驗十二維模糊控制器....................................33

12.實驗十一單神經(jīng)元控制器..................................36

二.計算機控制對象實驗指導

1.實驗一直流電機轉速計算機控制實驗........................39

2.實驗二水箱液位計算機控制實驗............................41

三.計算機控制軟件說明

1.概述.....................................................43

2.安裝指南及系統(tǒng)要求........................................48

3.LabVIEW編程及功能介紹.....................................49

5.附錄........................................................78

7^3^計算機控制實驗指導

概述

系統(tǒng)功能特點

1.以PC微機為操作臺，高效率支持“計算機控制”的教學實驗。

2.系統(tǒng)含有高階電模擬單元，可根據(jù)教學實驗需要進行靈活組合，構成各種典型環(huán)節(jié)

與系統(tǒng)。

3.系統(tǒng)含有界面友好、功能豐富的軟件。PC微機在實驗中，除了用作實驗測試所需

的虛擬儀器外，還可用作測試信號發(fā)生器以及具有很強柔性的數(shù)字控制器。

4.系統(tǒng)的硬件、軟件設計，充分考慮了開放型、研究型實驗的需要?？勺约涸O計實驗

內(nèi)容，構建系統(tǒng)對象，編寫控制算法，進行計算機控制技術的研究。

二.系統(tǒng)構成

實驗系統(tǒng)由上位PC微機（含實驗系統(tǒng)上位機軟件）、ACCT-I實驗箱、USB2.0通訊線

等組成。ACCT-I實驗箱內(nèi)裝有以C8051F060芯片（含數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件）為核心構成的

數(shù)據(jù)處理卡，通過USB口與PC微機連接。

1.ACCT-I實驗箱簡介

ACCT-I實驗箱是一個通用的實驗箱。它主要由電源部分U1單元，信號源部分U2單

元，與PC機進行通訊的數(shù)據(jù)處理單元U3,元器件單元U4,非線性單元U5,U6,U7,模

擬電路單元U8?U16組成，詳見附圖。

電源單元U1,包括電源開關，保險絲，+5V,-5V,+15V,-15V,OV,1.2V-15V

可調(diào)電壓的輸出。

U2信號源單元可以產(chǎn)生周期方波信號、周期斜坡信號、周期拋物線信號和正弦信號，

頻率幅值可調(diào)。

U3單元為數(shù)據(jù)處理模塊，用于完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)輸出，并通過并行口與上位PC機

進行通訊。

U4單元提供了實驗所需的電容與電阻，電位器，另提供插接電路，供放置自己選定大

小的元器件。

U5,U6,U7分別為典型的非線性環(huán)節(jié)電路。

U8?U16為由運算放大器與電阻，電容等器件組成的模擬電路單元，由場效應管組成

的電路用于鎖零。在“計算機控制”實驗中，這些單元常被用于模擬被控對象。

2.軟件

系統(tǒng)上位機軟件使用及怎樣用LabVIEW編程語言編寫計算機控制軟件詳見《計算機控

I

7^3^計算機控制實驗指導

制技術軟件說明》。

三.計算機控制實驗系統(tǒng)實驗內(nèi)容

1.A/D與D/A轉換

2.數(shù)字濾波

3.D⑸離散化方法的研究

4.數(shù)字PID控制算法的研究

5.串級控制算法的研究

6.解耦控制算法的研究

7.最少拍控制算法的研究

8.具有純滯后系統(tǒng)的大林控制

9.線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制

10.二維模糊控制器

11.單神經(jīng)元控制器

四.實驗注意事項

1.實驗開始前需要對實驗箱上的運算放大器電路進行調(diào)零。

2.運算放大器邊上的鎖零點G接線要正確。在需要鎖零時，可與輸入信號同步的鎖

零信號相連。如采用PC產(chǎn)生輸入信號，則連U3單元的G1（同步對應01信號），G2（同

步對應02）；如采用U2單元的輸入信號，則連接U2單元上的G（同步對應U2單元發(fā)生

信號）。鎖零主要用于對電容充電后需要放電的場合，一般情況下不需要鎖零信號。不需要

鎖零時，請把G與T5V相連。

3.系統(tǒng)軟件支持鎖零信號設定。通過對01的端口輸出實現(xiàn)其對應端口G1的輸出，

通過對02的端口輸出實現(xiàn)對應端口G2的輸出（腳本程序對應處編程設定），G1與G2信號

分別與O1,02信號同步。經(jīng)常的操作有：用一路輸出作為計算機控制時數(shù)據(jù)處理的D/A

通道，另一路用來控制鎖零信號；當同時需用01與02作為數(shù)據(jù)處理的D/A通道時，處

理方法參照上面第2點內(nèi)容。

4.在設計和連接被控對象或系統(tǒng)的模擬電路時，要特別注意，實驗箱上的運放都是反

相輸入的，因此對于整個系統(tǒng)以及反饋的正負引出點是否正確都需要仔細考慮，必要時接

入反相器。

2

計算機控制實驗指導

實驗一A/D與D/A轉換

實驗目的

1.通過實驗，熟悉并掌握實驗系統(tǒng)原理與使用方法。

2.通過實驗掌握模擬量通道中模數(shù)轉換與數(shù)模轉換的實現(xiàn)方法。

二.實驗內(nèi)容

1.利用實驗系統(tǒng)完成測試信號的產(chǎn)生

2.測取模數(shù)轉換的量化特性，并對其量化精度進行分析。

3.設計并完成兩通道模數(shù)轉換與數(shù)模轉換實驗。

三.實驗步驟

1.了解并熟悉實驗設備，掌握以C8051F060為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的模擬量通道設

計方法，熟悉上位機的用戶界面，學習其使用方法；

2.利用實驗設備產(chǎn)生0?5V的斜坡信號，輸入到一路模擬量輸入通道，在上位機軟

件的界面上測取該模擬量輸入通道當A/D轉換數(shù)為4位時的模數(shù)轉換量化特性；

3.利用實驗箱設計并連接產(chǎn)生兩路互為倒相的周期斜坡信號的電路，分別輸入兩路模

擬量輸入通道，在上位機界面的界面上測取它們的模數(shù)轉換結果，然后將該轉換結果的數(shù)

字量，通過數(shù)模轉換變?yōu)槟M量和輸入信號作比較；

4.編寫程序實現(xiàn)各種典型測試信號的產(chǎn)生，熟悉并掌握程序設計方法；

5.對實驗結果進行分析，并完成實驗報告。

四.附錄

1.C8051F060概述

C8051F060是一個高性能數(shù)據(jù)采集芯片。芯片內(nèi)集成了：

（1）與8051兼容的內(nèi)核：額定工作頻率25MHz,流水線指令結構，70%的指令的執(zhí)行

時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期。5個通用16位定時器/計數(shù)器，59條可編程的I/O線，

22個中斷源（2個優(yōu)先級）。

（2）模擬I/O：C8051F060的ADC子系統(tǒng)包括兩個IMsps、16位分辨率的逐次逼近寄存

器型ADC,ADC中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和DMA接口；兩個12位電壓

輸出DAC轉換器，用于產(chǎn)生無抖動的波形。內(nèi)部電壓基準，精確的VDD監(jiān)視器和欠壓監(jiān)測

器。

（3）存貯器：64KB片內(nèi)閃速/電擦除程序存貯器（EEPROM）,4KB片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器

（SRAM）。

（4）片內(nèi)其它外圍：2個UART串行I/O,SPI串行I/O,專用的看門狗定時器，電源監(jiān)

3

7^3^計算機控制實驗指導

視器，溫度傳感器，內(nèi)部可編程振蕩器3~24.5MHz或外接震蕩器。

(5)供電電壓：2.7V-3.6V,多中節(jié)電和停機方式。

2.實驗設備中的模擬量輸入通道

(1)主要功能：允許-10V?+10V信號輸入，而至C8051F060引腳ADC的信號則

被限制在要求的0V?+3V(芯片基準電壓為+3.0V)。

(2)模擬量輸入通道基本電路：見圖1.1

由一個偏移電路環(huán)節(jié)(+3V)與放大器電路環(huán)節(jié)組成。

(3)模擬量輸入通道輸入端口：實驗箱面板上，有模擬量輸入通道輸入端口II?18。

3.實驗設備中的模擬量輸出通道.

(1)主要功能:變C8051F060引腳DAC的單極性輸出(0V-+10V)為雙極性輸出

(-10V-+10V)?

(2)模擬量輸出通道基本電路：見圖1.2。

由一個偏移電路環(huán)節(jié)(-2.5V)與放大器電路環(huán)節(jié)組成。

(3)模擬量輸出通道輸出端口：實驗箱面板上，有模擬量輸出通道輸出端口01,02?

4.C8051F060與上位機的關系與分工

C8051F060與上位機之間，通過USB2.0口完成數(shù)據(jù)通訊。以C8051F060為核心構成

4

7^3^計算機控制實驗指導

的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成模擬量采集、模數(shù)轉換、數(shù)模轉換和模擬量輸出（零階保持器）

等功能。而數(shù)據(jù)處理與顯示，包括有關信號發(fā)生、數(shù)字濾波、數(shù)字控制與虛擬儀器等功能

則通過上位機實現(xiàn)。系統(tǒng)通過A/D變換器對模擬信號進行A/D轉換，轉換后的值通過

USB2.0口通訊傳至上位機，由上位機軟件顯示；將欲轉換的數(shù)字量送至D/A變換器還原

成模擬量。本系統(tǒng)中16位A/D,D/A為12位，可以通過LabVIEW程序編程設置取得其他

較低的轉換精度以達到實驗目的。

有關C8051F060與上位機構成系統(tǒng)的具體使用方法，特別是有關上位機用戶界面上的

操作，請參閱“計算機控制上位機程序使用說明書”。

5.兩路互為倒相的周期斜坡信號的產(chǎn)生

利用實驗設備產(chǎn)生兩路相位互差180。的斜坡信號的電路見圖1.3,其中R0=RI=R2,RJ

=R4O在上位機界面上，選擇測試信號為周期斜坡，在01端得到周期斜坡信號，如圖1.4.a

所示,在12和II端分別得到如圖14b、1.4.C所示互為倒相的周期信號。

R2R4

OiR。

R3一I.

++

0Ri

2++

12

圖1.3

圖1.4

6.軟件編程實現(xiàn)測試信號發(fā)生

在上位機軟件留給用戶的編程接口中，編程實現(xiàn)典型信號的發(fā)生如正弦信號，周期方

波信號，周期鋸齒波信號，周期拋物線信號。

（1）正弦信號

5

計算機控制實驗指導

，./、e2萬

y=Asm{a>t+(p),T-——

co

(2)方波

A0<Z<7]

y=s

0Tx<t<T

(3)鋸齒波

atQ<t<T

y=\X

0T]<t<T

(4)拋物線

,12

at~Q<t<T

y=<2x

0Tx<t<T

6

計算機控制實驗指導

實驗二數(shù)字濾波

實驗目的

1.通過實驗掌握數(shù)字濾波器設計方法。

2.學習并掌握數(shù)字濾波器的實驗研究方法。

二.實驗內(nèi)容

1.產(chǎn)生實驗測試用頻率可變帶尖脈沖干擾的正弦信號。

2.設計并調(diào)試數(shù)字化一階慣性濾波器。

3.設計并調(diào)試高階數(shù)字濾波器。

三.實驗步驟

1.利用實驗裝置，設計和連接產(chǎn)生頻率可變帶尖脈沖干擾正弦信號的電路，并利用數(shù)

據(jù)采集系統(tǒng)采集該電路輸出信號，利用上位機的虛擬儀器功能進行測試，根據(jù)測試結果調(diào)

整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求：

2.根據(jù)信號頻譜，設計并選擇數(shù)字化一階慣性濾波器的參數(shù)，編制并運行,階慣性數(shù)

字濾波程序，并觀察參數(shù)變化對濾波效果的影響；

3.根據(jù)信號頻譜，設計并選擇高階數(shù)字濾波器的參數(shù)，編制并運行高階數(shù)字濾波器的

濾波程序，并觀察參數(shù)變化對濾波效果的影響；

4.改變干擾信號，設計產(chǎn)生如帶方波干擾的正弦信號，帶隨機干擾的正弦信號電路，

同上做實驗。

5.對實驗結果進行分析，并完成實驗報告.

四.附錄

1.測試信號的產(chǎn)生

利用實驗裝置，產(chǎn)生

頻率可變帶尖脈沖干擾正

弦信號的參考電路，如圖

2.1所示：

2.一階慣性濾波

器及其數(shù)字化

一階慣性濾波器的傳

遞函數(shù)為：

計算機控制實驗指導

\Jc(S)——*=-----

八X(S)TS+1

利用一階差分法離散化，可以得到一階慣性數(shù)字濾波算法：

y(k)=-x(^)+(i--W-1)

TT

其中T為采樣周期，「為濾波時間常數(shù)。T和「必須根據(jù)信號頻譜來選擇。

3.高階數(shù)字濾波器

高階數(shù)字濾波器算法很多，這里給出一種四階加權平均算法：

y(k)=Axx(k)+A2x(k-1)+A3x(k-2)+A4x(k-3)

4

其中權系數(shù)4滿足：Z4=i,類似地，Ai必須根據(jù)信號頻譜來選擇。

/=1

4.實驗系統(tǒng)程序編制與調(diào)試

參考計算機控制上位機程序軟件使用說明書。

8

7^3^計算機控制實驗指導

實驗三D(s)離散化方法的研究

實驗目的

1.學習并掌握數(shù)字控制器的混合仿真實驗研究方法。

2.熟悉常用的從連續(xù)化途徑(先按連續(xù)系統(tǒng)設計再離散化)設計數(shù)字控制器的方法。

3.學習并掌握將模擬控制器D⑸離散化為數(shù)字控制器D(z)的方法。

4.通過混合仿真實驗，對D(s)的各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)性能作比較研究，以加深對計算機控制系統(tǒng)特性的理解。

二.實驗內(nèi)容

1.按連續(xù)系統(tǒng)設計串聯(lián)校正控制器D(s),并利用實驗設備測取該連續(xù)系統(tǒng)的動態(tài)特性。

2.利用實驗設備，設計并構成用于混合仿真實驗的計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)。

3.采用保持器等價、匹配Z變換、一階差分和雙線性變換等方法離散化D(s),從而得

到控制算法，并加以實現(xiàn)。

4.研究采樣控制周期變化時，不同離散化方法對閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的影響。

5.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。

三.實驗步驟

1.在已知二階被控對象傳遞函數(shù)的條件下，用連續(xù)系統(tǒng)綜合方法設計串聯(lián)校正控制器

D(s)；再利用實驗設備，設計并連接用于模擬該閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路，在上位機測取并記

錄其階躍響應。

2.設計并連接模擬二階被控對象的電路，并利用C8051F060構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完

成計算機控制系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出通道的設計和連接。利用上位機的虛擬儀器功能對

此模擬二階被控對象的電路進行測試，根據(jù)測試結果調(diào)整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求。

3.選定采樣控制周期，采用保持器等價法離散化D(s),再從D(z)推導控制算法，然后

在上位機上完成該算法編程、調(diào)試和運行。以階躍信號作為系統(tǒng)輸入，觀測系統(tǒng)輸出的屏

幕顯示，并作記錄。

4.以相同的采樣控制周期，采用匹配Z變換法離散化D(s),再從D(z)推導控制算法,

然后在上位機上完成該算法編程、調(diào)試和運行。以階躍信號作為系統(tǒng)輸入，觀測系統(tǒng)輸出

的屏幕顯示，并作記錄。

5.以相同的采樣控制周期，采用一階差分法離散化D(s),再從D(z)推導控制算法，然

后在上位機上完成該算法編程、調(diào)試和運行。以階躍信號作為系統(tǒng)輸入，觀測系統(tǒng)輸出的

屏幕顯示，并作記錄。

6.以相同的采樣控制周期，采用雙線性變換法離散化D(s),再從D(z)推導控制算法，

然后在上位機上完成該算法編程、調(diào)試和運行。以階躍信號作為系統(tǒng)輸入，觀測系統(tǒng)輸出

9

7^3^計算機控制實驗指導

的屏幕顯示，并作記錄。

7.將采樣控制周期減小，重復3—6,觀測采樣控制周期減小對系統(tǒng)階躍響應的影響。

8.將采樣控制周期不斷增加，重復3—6,觀測采樣控制周期增大對系統(tǒng)階躍響應的

影響。如有系統(tǒng)不穩(wěn)定情況發(fā)生，記下此時的采樣控制周期和所采用的離散化方法。

9.對實驗結果進行比較、分析和研究，寫成實驗報告。

四.附錄

1.按連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正及其動態(tài)性能

實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為

G(s)—§=5。(3—1)

0.25(0.55+1)s(s+2)

具有串聯(lián)校正控制器G(s)的線性連續(xù)系統(tǒng)的結構方塊圖如圖3.1所示

r(t)e(t)u(t)y(t)

D(s)G(s)

圖3.1

按以下要求設計期望系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性：

(1)超調(diào)量420%

(2)調(diào)節(jié)時間(過渡過程時間)ts<\s

(3)校正后系統(tǒng)開環(huán)增益(靜態(tài)速度誤差系數(shù))Kv>25%

從期望系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性中，減去上述二階被控對象的對數(shù)幅頻特性，可以得

到串聯(lián)校正控制器的對數(shù)幅頻特性，由此得到其傳遞函數(shù)

0.5s+1

D(s)(3-2)

0.05s+1

已知G(s)和。(s)后，參閱圖3.1所示系統(tǒng)結構，設計系統(tǒng)被控對象的模擬電路如圖

3.2所示。

10

計算機控制實驗指導

圖3.2

2.計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的混合仿真

實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)見式（3—1）,它可以用圖3.3所示電路來模擬。

圖中電路可利用實驗箱U9、U11等單元組成。其中0m端連實驗箱U3單元01,In

端連實驗箱U3單元II,以便利用該單元的數(shù)據(jù)處理功能與上位機的虛擬儀器功能觀測和

記錄系統(tǒng)動態(tài)過程，用于對比分析。

11

計算機控制實驗指導

計算機控制系統(tǒng)的方框圖如圖3.4所示，除了虛線框內(nèi)部分用電路模擬外，其余部分

由上位機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成。

圖34中,ZOH為零階保持器,其傳遞函數(shù)為三(以后實驗中均同此義)。

3.O(s)的離散化方法

(1)保持器等價

\-eTs10—(產(chǎn)+9方1

D(z)=Z[--------O(s)]

20T

s\-e-z-'

u(k)=e-20Tu(k-1)+1Oe伏)~(e-20T+9)e(k-1)

(2)匹配Z變換

21

對應D⑸的$|=-20、s2=-2,有Z]=e-2°'、z2=e^

K(l-e-2Tz-^

故。(Z)--207-1

1—ez

\--20T

從limO(s)=limD(z)確定K得長=e,,

S->0ZTll-e~2T

所以u(k)=e-2(ru4-WKek(-舸%kf

(3)一階后向差分

z]-z?心*?、0.5s+1后

以S=代入Z>(5)=有

T0.055+1

~、0.5+7—10.5+T-0.5Z-1

D(z)=

0.05+r-0.05z-10.05+r.0.05

1-z

0.05+r

0.050+3,0.5..

所以u(k)=t/(le-1+e(K4e(/e

0.0"0.④牙0+GT5

(4)雙線性變換

2l-z~',~、0.55+1

以s------------r代入D(s)=-----------有

Tl+z-'0.055+1

i+r-g-nr1_i

O(z)

(-().I+T

0.1+7-o.i-Tk1.四工T

OA+T

〃(⑥舟(上喟？e(k

所以="]^Te也

12

計算機控制實驗指導

實驗四數(shù)字PID控制算法的研究

實驗目的

1.學習并掌握常規(guī)數(shù)字PID及積分分離PID控制算法的原理和應用。

2.學習并掌握數(shù)字PID控制算法參數(shù)整定方法。

3.學習并掌握數(shù)字控制器的混合仿真實驗研究方法。

二.實驗內(nèi)容

1.利用實驗設備，設計并構成用于混合仿真實驗的計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)。

2.采用常規(guī)數(shù)字P1D控制，并用擴充響應曲線法整定控制器的參數(shù)。

3.采用積分分離PID控制，并整定控制器的參數(shù)。

三.實驗步驟

1.設計并連接模擬二階被控對象的電路，并利用C8051F060構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完

成計算機控制系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出通道的設計和連接。利用上位機的虛擬儀器功能對

此模擬二階被控對象的電路進行測試，根據(jù)測試結果調(diào)整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求。

2.在上位機完成常規(guī)數(shù)字P1D控制器的計算與實驗結果顯示、記錄，并用擴充響應曲

線法整定PID控制器的參數(shù)，在整定過程中注意觀察參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。

3.在上位機完成積分分離P1D控制器的計算與實驗結果顯示、記錄，改變積分分離值,

觀察該參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。

4.對實驗結果進行分析，并完成實驗報告。

四.附錄

1.被控對象模擬與

計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的

構成

實驗系統(tǒng)被控對象的傳

遞函數(shù)為

(s+1)(0.55+1)

它可以用圖4.1所示電

路來模擬，計算機控制系統(tǒng)

的方框圖如圖4.2所示，虛

13

計算機控制實驗指導

線框內(nèi)部分由上位機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成。

圖4.2

參數(shù)可以取為Ro=100k,R|=500k,G=2u,R2=200k,R3-500k,C2=lu,

2.常規(guī)數(shù)字PID控制算法

常規(guī)的PID控制律為〃?)=K[e(f)+；1e(f)力+7；

Jo

Tidt

采用一階差分法離散化后，可以得到常規(guī)數(shù)字PID控制位置式算法

呼)={e⑻+:之e(i)+?[e㈤-e(k-1)]}

4J=1I

簡記為n(k)=p《辟為㈠@efe

i=\

這里P、1、D參數(shù)分別為P=K.,l=Kp\,D=K：

采用增量式形式有：

u(k)=u(k-1)4-P[e(k)—e(k-1)]+Ie(k)+D[e(k)—2e(k—1)4-e(k—2)]3積分

分離PID控制算法

設積分分離值為EI,則積分分離PID控制算法可表達為下式：

[Up(%)+u(k)+u(k)|e(左)|<EI

idk)-5tD

[〃〃(%)+%/)\e(k)\>EI

其中Up(k)=Pe(k)

Uj(k)=〃/(A-1)+Ie(k)

uD(k)-D[e(k)-e(k-1)]

4.數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定

(1)按擴充階躍響應曲線法整定PID參數(shù)

在模擬控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定方法較多，常用的實驗整定方法有：臨界比例度法、階

躍響應曲線法、試湊法等。數(shù)字控制時也可采用類似方法，如擴充的臨界比例度法、擴充

的階躍響應曲線法與試湊法等等。下面簡要介紹擴充階躍響應曲線法。

14

計算機控制實驗指導

擴充階躍響應曲線法只適用于含多慣

性環(huán)節(jié)的自平衡系統(tǒng)。用擴充響應曲線法整

定PID參數(shù)的步驟如下：

(a)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。

(b)記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個

變化過程曲線如圖4.3所示。

(c)在曲線最大斜率處做切線，求得

滯后時間r,被控對象時間常數(shù)4以及它們

的比值7；/r,查表4-1控制器的Kp,Ki,

Kd及采樣周期T。

(d)在運行中，對上述參數(shù)作適當調(diào)

整，以獲得滿意的性能。

表4-1

控制律TKp一1TD

PI0.1r0.847；/r0.34r—

1.05

PID0.05r1.157；/T2.0r0.45r

PI0.2r0.787；/r3.6r——

1.2

PID0.1671.0?；/r1.9r0.55r

PI0.5r0.687；/r3.9r—

1.5

PID0.34r0.857；/r1.62r0.82r

擴充響應曲線法通過測取階躍響應曲線的「，TT參數(shù)獲得一個初步的PID控制參數(shù)，

然后在此基礎上通過部分參數(shù)的調(diào)節(jié)(試湊)獲得滿意的控制性能。參數(shù)對性能的影響參

見⑵。

(2)PID參數(shù)對性能的影響

增大比例系數(shù)Kp一般將加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大

會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。

增大積分時間Ti有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將

隨之減慢。

增大微分時間Td有利于加快系統(tǒng)響應，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的

抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應。

15

計算機控制實驗指導

實驗五串級控制算法的研究

實驗目的

1.熟悉并掌握串級控制系統(tǒng)的結構、特點及其混合仿真研究方法。

2.熟悉并掌握串級控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定方法。

二.實驗內(nèi)容

1.設計一已知三階被控對象的串級控制系統(tǒng)，并完成它的混合仿真。

2.學習用逐步逼近方法整定串級控制所包含的內(nèi)、外兩環(huán)PI控制器參數(shù)。

三.實驗步驟

1.設計并連接模擬三階被控對象的電路，并利用C8051F060構成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完

成計算機控制系統(tǒng)的兩路模擬量輸入、一路模擬量輸出通道的設計和連接。利用上位機的

虛擬儀器功能對此模擬三階被控對象的電路進行測試，根據(jù)測試結果調(diào)整電路參數(shù)，使它

滿足實驗要求。

2.在上位機完成內(nèi)、外兩環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器的算法編程、調(diào)試。特別注意內(nèi)、

外兩環(huán)的采樣控制周期是不同的。通常外環(huán)的采樣控制周期是內(nèi)環(huán)的3—10倍。

3.將外環(huán)斷開，先整定內(nèi)環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器參數(shù)，在整定過程中注意觀察參數(shù)

變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。

4.將內(nèi)環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器參數(shù)按整定好的值固定下來，再整定外環(huán)的常規(guī)數(shù)字

PI控制器參數(shù)，在整定過程中注意觀察參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。

5.如果對上兩步參數(shù)整定的結果不滿意，可以將外環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器參數(shù)固定

下來，重新整定內(nèi)環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器參數(shù)。如果仍不能得到滿意的結果，可再重復步

驟4,直至滿意為止。

6.對實驗結果進行分析，并完成實驗報告。

四.附錄

1.被控對象模擬與計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的構成

20

實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為

G(s)(0.05.v+l)(25+l)'7

它可以用圖5.1所示電路來模擬

16

計算機控制實驗指導

.z

Eg

17

7^3^計算機控制實驗指導

計算機串級控制系統(tǒng)的方框圖如圖5.2所示，該圖中，除了虛線框內(nèi)部分用電路模擬

外，其余部分由上位機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成。

2.常規(guī)數(shù)字PI控制算法

常規(guī)的PI控制律為〃(，)=KJe(7)+/J；e(t)dt]

采用一階差分法離散化后，可以得到常規(guī)數(shù)字PI控制算法

KTk

簡記為u(k)=Kpe(k)+-^-Ze(i)]

1，=1

或者u(k)=u(k-1)+P[e(k)-e(k-1)]4-Ie(k)

這里P、I參數(shù)分別為P=K0,I=K,T

p

PI]

3.逐步逼近整定法的整定步驟：

(1)外環(huán)斷開，把內(nèi)環(huán)當作一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)，并按單閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID控制器

參數(shù)整定方法(如實驗四介紹的擴充響應曲線法)，求取內(nèi)環(huán)PID控制器參數(shù)。

(2)將內(nèi)環(huán)PID控制器參數(shù)置于整定值上，閉合外環(huán)。把內(nèi)環(huán)當作外環(huán)的一個等效環(huán)

節(jié)，外環(huán)又成為一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)，再按單閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)整定方法(如

擴充響應曲線法)，求取外環(huán)PID控制器參數(shù)。

(3)將外環(huán)PID控制器參數(shù)置于整定值上，閉合外環(huán)。再按上述方法求取內(nèi)環(huán)PID

控制器參數(shù)。至此，完成了一次逼近循環(huán)。如控制系統(tǒng)性能」?jié)M足要求，參數(shù)整定即告結

束。否則，就回到步驟(2)。如此循環(huán)下去，逐步逼近，直到控制系統(tǒng)性能滿足要求為止

18

計算機控制實驗指導

實驗六解耦控制算法的研究

實驗目的

1.熟悉并掌握多變量耦合系統(tǒng)的結構、特點及其混合仿真研究方法。

2.熟悉并掌握一種常用的多變量系統(tǒng)解耦控制算法的設計和實現(xiàn)方法。

二.實驗內(nèi)容

1.用前饋補償解耦法設計一己知的兩輸入、兩輸出有耦合被控對象的解耦控制系統(tǒng)，

并完成它的混合仿真。

2.熟悉解耦控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)調(diào)試方法。

3.對無耦合系統(tǒng)、有耦合而未解耦系統(tǒng)以及有耦合且采用解耦控制系統(tǒng)的控制作比較

研究。

三.實驗步驟

1.設計并連接模擬兩輸入、兩輸出有耦合被控對象的電路，并利用C8051F060構成

的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成計算機控制系統(tǒng)的兩路模擬量輸入、兩路模擬量輸出通道的設計和連

接。利用上位機的虛擬儀器功能對此模擬三階被控對象的電路進行測試，根據(jù)測試結果調(diào)

整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求。

2.按已知的兩輸入、兩輸出有耦合被控對象的結構和傳遞函數(shù)，用前饋補償解耦法設

計解耦控制算法，并在上位機編寫、調(diào)試和運行相應的控制程序。

3.按兩個獨立的單閉環(huán)控制系統(tǒng)的整定各自的PID控制器參數(shù)。

4.改變控制器參數(shù)，觀測并記錄實驗結果。

5.對實驗結果進行分析，并完成實驗報告。

四.附錄

Ml

1.實驗系統(tǒng)的結構和被控對象參數(shù)

實驗所采用的兩輸入、兩輸出解耦控制系

統(tǒng)的結構方塊圖，如圖6.1所示：圖中虛線框

內(nèi)部分是兩輸入、兩輸出有耦合的被控對象，

其傳遞函數(shù)G(s)為:

]

G“（s）=

0.5s+1M2

G[2（S）=0

圖6.1

19

計算機控制實驗指導

G2](S)=0.5

G22(S)=/

(6-1)

該兩輸入、兩輸出有耦合的

被控對象可用圖6.2所示電路模

擬，參數(shù)選擇符合傳遞函數(shù)要

求，不妨取為Ro=Ri=100k,

R-2—R3—500k,G=luF,&=

R5=100k,C2=1UF,Rfi=R7=

100k,R8=200k?

實驗所采用的兩輸入、兩輸

出解耦控制系統(tǒng)的混合仿真系

統(tǒng)方框圖如圖6.3所示：

2.前饋補償解耦法

見圖6.3,圖中。2屹)和。2i(z)構成解耦網(wǎng)絡，它們是先按連續(xù)系統(tǒng)設計。(s)然后離

散化得到。(z)的。

見圖6.4,這是一個連續(xù)的采用前饋補償解耦的兩輸入、兩輸入解耦控制系統(tǒng)的方塊結

構圖。圖中，如無解耦網(wǎng)絡存在，不僅影響G而且影響。2；同樣地，加2不僅影響G

而且影響G。

在圖6.4中，為利用前饋補償消除上述耦合影響，令

GW)+G2?)=0當此70

(6-2)

C21⑺+°22(。=0當MHO

20

計算機控制實驗指導

圖6.4

因而有性⑸+外⑸GG)=O

(6—3)

G2i(s)+D2[(s)G22(s)=0

從而得到連續(xù)的解耦網(wǎng)絡數(shù)學模型

14G)、=

。(5)=(6-4)

4G)1)_g2l(^)

、G22(s)

在實驗系統(tǒng)中,

°,(S)=-2^!,⑶=-^1^1=-0.5(0.15+1)=—(0.05s+0.5)

G“(s)G22G)

(12⑶、

用一階差分法將。(s)離散化得到。(z)=l2V(6-5)

、Z)2|(Z)1,

-

甘“c/、八c/、0.05(1-z')cu*050.05T

其中。12(z)=0，Ai(z)-------------------0.5=+0?5)+-y-z

在實驗系統(tǒng)中，

八d,(z)0.050.05_]

R.(z)==-(-----+0.5)+------z(6—6)

21M(z)TT

于是d(k)=一(竿+叫(k)+竿町(k-

20.5)1)(6—7)

于是得到解耦控制算法

町(女)=%(左)(6-8)

21

計算機控制實驗指導

m(k)-u(k)+d(k)=%(左)一(^^+0.5)%(女)+〃

222i(左一1)(6-9)

其中

場(無)=場/-1)+用q(%)-q(左-1)]+/品⑻

(6-10)

+/5][C](k)—26|伏—1)+q(k—2)]

%(左)=%(%-1)+鳥回(左)一02(左一1)]+42(左)

(6—11)

+。2[，2(%)—2e?(Jk-1)+0(左一2)]

3.控制器參數(shù)調(diào)試

經(jīng)前饋補償解耦法解耦以后，兩輸入、兩輸入連續(xù)控制系統(tǒng)的方塊結構圖將等價于如

圖6.5所示系統(tǒng)，成為兩個相互獨立的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，故調(diào)試可分以下兩步進行：

(1)在實際系統(tǒng)中，由于被控對象模型的誤差，按前饋補償解耦法設計的解耦算法的

參數(shù)，需要按是否達到解耦效果進行調(diào)試。為此，先將兩個PID控制器置為比例環(huán)節(jié)，分

別加rl(t)和r2(t),測試解耦效果，調(diào)試解耦參數(shù)。

(2)在解耦效果達到以后，兩個PID控制器參數(shù)就可以分別按兩個相互獨立的單閉環(huán)

控制系統(tǒng)各自整定。

圖6.5

4.關于對比分析

述解耦控制的PID控制結果同圖6.2中去掉電阻R8后的系統(tǒng)，用PID控制的實驗結

果相比較，以及同不加解耦的圖6.2系統(tǒng)PID控制實驗結果相比較。

22

計算機控制實驗指導

實驗七最少拍控制算法的研究

實驗目的

1.學習并掌握最少拍控制器的設計和實現(xiàn)方法，并研究最少拍控制系統(tǒng)對三種典型輸

入的適應性及輸出采樣點間的紋波。

2.學習并掌握最少拍無紋波控制器的設計和實現(xiàn)方法，并研究輸出采樣點間的紋波消

除以及最少拍無紋波控制系統(tǒng)對三種典型輸入的適應性。

二.實驗內(nèi)容

1.設計并實現(xiàn)對象具有一個積分環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)的最少拍控制，并通過混合仿真實驗

研究該閉環(huán)控制系統(tǒng)對三種典型輸入的適應性以及輸出采樣點間的紋波。

2.設計并實現(xiàn)對象具有一個積分環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)的最少拍無紋波控制，并通過混合仿

真實驗觀察，該閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出采樣點間紋波的消除，以及系統(tǒng)對三種典型輸入的適應

性。

三.實驗步驟

1.設計并連接模擬由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成的二階被控對象的電路，并利

用C8051F060構成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成計算機控制系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出通道的設計和

連接。

2.利用上位機的虛擬儀器功能對此模擬二階被控對象的電路進行測試，分別測取慣性

環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)、時間常數(shù)以及積分環(huán)節(jié)的積分時間常數(shù)。

在上位機完成階躍輸入下最少拍控制計算與實驗結果顯示、記錄。先完成階躍輸入下最少

拍控制器的參數(shù)設計和調(diào)試，然后再用另外兩種典型信號(等速與等加速)作為系統(tǒng)輸入,

觀察系統(tǒng)輸出并記錄。

3.在上位機完成階躍輸入下最少拍無紋波控制器的計算與實驗結果顯示、記錄。先完

成階躍輸入下最少拍無紋波控制器的參數(shù)設計和調(diào)試，然后再用另外兩種典型信號(等速

與等加速)作為系統(tǒng)輸入，觀察系統(tǒng)輸出并記錄。

4.對記錄的實驗結果進行分析，寫出實驗報告。

四.附錄

1.被控對象模擬與計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的構成

K

實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為G(s)=為彳環(huán)(7-1)

它可以用圖7.1所示電路來模擬，計算機控制系統(tǒng)的方框圖如圖7.2所示：

23

計算機控制實驗指導

最少拍控制的效果對被

控對象的參數(shù)變化非常敏

感，實驗中必須測取模擬對

象的實際參數(shù)。

2.系統(tǒng)環(huán)節(jié)參數(shù)測In

試

(1)慣性環(huán)節(jié)」L-

率+1

的參數(shù)測定

測取圖7.1中第一環(huán)節(jié)圖7.1

模擬電路的階躍響應，根據(jù)

圖7.2

階躍響應的穩(wěn)態(tài)值和階躍信號幅值確定(和7；。

由竺確定(,其中M一階躍信號幅值

U

伏⑹一環(huán)節(jié)輸出穩(wěn)定值

根據(jù)業(yè)2=0.63確定(

(2)積分環(huán)節(jié)時間常數(shù)的測定

如要測圖7.1第二個環(huán)節(jié)的積分時間常數(shù)，取同樣阻值R2的電阻并聯(lián)于C2兩端，于

是變成一個慣性環(huán)節(jié)」一，同(1)法測取乙，田口=0.63,T,即積分時間常數(shù)。

力+1%(°°)

(3)系統(tǒng)K的確定

K

于是對于式(7-1)中的K,有K=」。

3.等速輸入下最少拍控制器的設計及其對其它典型輸入的適應性

見圖7.2,對實驗系統(tǒng)來說，加零階保持器后對象的S傳遞函數(shù)為

1-e-%K

G(s)(7-2)

ss(小+1)

選擇采樣控制7,將上述S傳遞函數(shù)離散化，可得到加零階保持器后對象的Z傳遞函

數(shù)

24

計算機控制實驗指導

T,T-lT/T,T,T2

_K(T-TX+T.e-')z+(7]-T^-Te')z'

‘"'(1-zT)(l-izT)(7-3)

考慮等速輸入卜一最少拍無差條件，可以得到

“(z)=z-l(2-z-1)(7-4)

1一。(z)=(l—Z、2(7-5)

U(z)1O(z)(2—zy-e"zT