《计算机控制系统》实验指导书.doc

计算机控制系统实验指导书孙静编写西安文理学院机材学院2015年9月37目 录第一部分 TKCC-1型实验平台的硬件组成及使用1第二部分 TKCC-1型实验平台实验指导书4实验一 采样控制系统的分析4实验二 A/D与D/A转换7实验三 数字滤波器10实验四 离散化方法研究13实验五 数字PID调节器算法的研究18实验六 最少拍控制算法研究23实验七 具有纯滞后系统的大林控制28实验八 单闭环温度恒值控制系统32实验九 单容水箱液位定值控制系统36第一部分 TKCC-1型实验平台的硬件组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。有5V/0.5A、15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主用于温度控制单元和直流电机单元。实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并根据需要将5V、15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。二、低频函数信号发生器低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为f1、f2、f3三档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz5Hz、5Hz300Hz、200Hz10KHz三档，Vp-p值为14V。使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和幅值，并通过2号连接导线将其接到需要的位置。三、锁零按钮锁零按钮用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。四、阶跃信号发生器阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围约为-5V+5V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的钮子开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调(选择正输出时，调RP1电位器；选择负输出时，调RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。注：单元的输出电压可通过实验台上的直流数字电压表来进行测量。 五、低频频率计低频频率计是由单片机89C2051和七位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz9999.999KHz（10M）。低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”和“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值的频率。此现象并不影响内外测频。六、交/直流数字电压表交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz400KHz）、精度高（5）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。七、通用单元电路通用单元电路具体见实验平台所示U1U18单元、“反相器单元”和“无源元件单元”。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51K、100K、200K、510K；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF。以组建积分环节为例，积分环节的时间常数为1s。首先确定带运放的单元，且其前后的元器件分别为100K、10uF（T=100K10uF=1s），通过观察通用单元电路U9可满足要求，然后将100K和10uF两引脚对应的插针使用短路帽连接起来。实验前先按下“锁零按钮”对电容放电，然后用2号导线将单位阶跃信号输出端接到积分单元的输入端，积分电路的输出端接至反向器单元，保证输入、输出方向的一致性。然后按下“锁零按钮”和阶跃信号输出按钮，用示波器观察输出曲线，其具体电路如下图所示。八、非线性单元由两个含有非线性元件的电路组成，一个含有双向稳压管，另一个含有两个单向二极管并且需要外加正负15伏直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中10K、47K电位器由电位器组单元提供。电位器的使用可由2号导线将电位器引出端点接入至相应电路中。但在实验前先断开电位器与电路的连线，用万用表测量好所需R的阻值，然后再接入电路中。九、零阶保持器零阶保持器为实验主面板上U3单元。它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后再由零阶保持器输出的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。十、数据采集接口单元数据采集卡采用，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内，其采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。接口单元则放于实验平台内，用于实验平台与PC上位机的连接与通讯。数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。使用虚拟示波器观察一个模拟信号，可以用导线直接连接到接口中 AD端（其中AD3和AD4两输入端有跟随器输入，而AD1和AD2通道没有，用户实验时可根据情况选择使用，但在选择AD3和AD4通道时，两个通道必须同时有电信号输入，不能有悬空）。另外，上位机软件编写的信号发生器，由数据采集卡的DA1输出。十一、实物实验单元包括温度控制单元、直流电机单元和步进电机单元，主要用于计算机控制技术实验中，使用方法详见实验指导书。第二部分 TKCC-1型实验平台实验指导书实验一 采样控制系统的分析一、实验目的1熟悉用LF398组成的采样控制系统；2通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器的原理及其实现方法；3观察系统在阶跃作用下的稳态误差；4研究开环增益K和采样周期T的变化对系统动态性能的影响。二、实验设备1TKCC-1型实验平台2PC机1台3数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)三、实验内容1利用实验平台设计一个对象为二阶环节的模拟电路，并与采样电路组成一个数-模混合系统。2分别改变系统的开环增益K和采样周期TS，研究它们对系统动态性能及稳态精度的影响。四、实验原理1采样定理图1-1为信号的采样与恢复的方框图，图中X(t)是t的连续信号，经采样开关采样后，变为离散信号。图1-1 连续信号的采样与恢复香农采样定理证明要使被采样后的离散信号X*(t)能不失真地恢复原有的连续信号X(t)，其充分条件为：(1-1)式中，为采样的角频率，为连续信号的最高角频率。由于，因而式(1-1)可写为(1-2)T为采样周期。采样控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均位于Z平面上以坐标原点为圆心的单位圆内，且这种系统的动、静态性能均只与采样周期T有关。 2采样控制系统性能的研究图1-2 二阶采样控制系统方块图图1-2为二阶采样控制系统的方块图，该系统的开环脉冲传递函数为：闭环脉冲传递函数为：根据上式可判别该采样控制系统否稳定，并可用迭代法求出该系统的阶跃输出响应。五、实验步骤1. 零阶保持器本实验采用“采样-保持器”组件LF398，它具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能。图1-3为采样-保持电路。图中MC14538为单稳态电路，改变输入方波信号的周期，即改变采样周期T。方波信号由实验台的低频信号发生器提供。图1-3 采样保持电路接好“采样保持电路”的电源。用上位软件的“信号发生器”输出一个频率为5Hz、幅值为2V的正弦信号输入到“采样保持电路”的信号输入端。在下列几种情况下用示波器观察“采样保持电路”的信号输出端。（1.1）当方波(采样产生)信号为100Hz时；（1.2）当方波(采样产生)信号为50Hz时；（1.3）当方波(采样产生)信号为10Hz时。注：方波的幅值要尽可能大。2采样系统的动态性能根据图1-2二阶采样控制系统方块图，设计并组建该系统的模拟电路，如图1-4所示。图1-4 采样控制二阶系统模拟电路图（电路参考单元为：U7、U3、U9、U11、U6）图1-4积分单元中取C=1uF，R=100K(k=10)时，在r输入端输入一个单位阶跃信号，在下面几种情况下用上位机软件观测并记录c(t)的输出响应曲线，然后分析其性能指标。（2.1）当采样周期为0.005S(200Hz)时；（2.2）当采样周期为0.05S(20Hz)时；（2.3）当采样周期为0.2S(5Hz)时；（2.4）将图1-4中电容与电阻更换为C=1uF，R=51K(k=20)时，重复步骤2.1、2.2、2.3。注：实验中的采样周期最好小于0.25S (大于4Hz)。六、实验报告要求1按图1-2所示的方框图画出相应的模拟电路图；2研究采样周期T的变化对系统性能的响应。七、实验思考题1连续二阶线性定常系统，不论开环增益K多大，闭环系统均是稳定的，而为什么离散后的二阶系统在K大到某一值或采样时间TS很小时会产生不稳定？2试分析采样周期T的变化对系统性能的影响？实验二 A/D与D/A转换一、实验目的1通过实验了解实验系统的结构与使用方法；2通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二、实验设备1TKCC-1型实验平台2PC机1台3数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)三、实验内容1输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并对其分析；2在上位机输入一个十进制代码，完成通道的数模转换实验。四、实验步骤1启动实验台的“电源总开关”，打开5、15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“数据采集接口单元”的“AD1”通道，同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；2将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V；3启动计算机，在桌面双击图标“TKCC-1”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；4点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始”按钮，观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为1V(可以使用面板上的直流数字电压表进行测量)时应为00001100011101(共14位，其中后几位将处于实时刷新状态)。调节阶跃信号的大小，然后继续观察AD转换器的转换结果，并与理论值(详见本实验附录)进行比较；5根据DA转换器的转换规律(详见本实验附录)，在DA部分的编辑框中输入一个十进制数据（如2457，其范围为04095），然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小；6实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。五、附 录1数据采集卡本实验台采用了数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为10V、输出量程均为5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其主要特点有：1) 支持USB1.1协议，真正实现即插即用2) 400KHz 14位A/D转换器，通过率为350K，12位D/A转换器，建立时间10s3) 4通道模拟量输入和2通道模拟量输出4) 8K深度的FIFO保证数据的完整性5) 8路开关量输入，8路开关量输出2AD/DA转换原理数据采集卡采用“”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-1010V对应为016383(A/D转换为14位)。其中0V为8192。其主要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入)： 输入AD原始码(二进制)AD原始码(十六进制)求补后的码(十进制)正满度01 1111 1111 11111FFF16383正满度-1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中间值（零点）00 0000 0000 000000008192负满+1LSB10 0000 0000 000120011负满度10 0000 0000 000020000而DA转换时的数据转换关系为：-55V对应为04095(D/A转换为12位)，其数据格式(双极性电压输出时)为： 输入D/A数据编码正满度1111 1111 1111正满度-1LSB1111 1111 1110中间值（零点）1000 0000 0000负满度+1LSB0000 0000 0001负满度0000 0000 00003编程实现测试信号的产生利用上位机的“脚本编程器”可编程实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。其函数表达式分别为：1) 正弦信号，2) 方波 3) 斜坡信号 ，a为常量4) 抛物线信号，a为常量这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下：dim tx,op,a初始化函数sub Initialize(arg)初始化函数WriteData 0 ,1对采集卡的输出端口DA1进行初始化tx=0对变量初始化end subsub TakeOneStep (arg)算法运行函数 a=1op=0.5*a*tx*tx0.1为时间步长tx=tx+0.1if op>3 then波形限幅 tx=0end ifWriteData op ,1数据从采集卡的DA1端口输出end subsub Finalize (arg)退出函数WriteData 0 ,1 end sub通过改变变量tx、a的值可改变抛物线的上升斜率。实验三 数字滤波器一、实验目的1通过实验熟悉数字滤波器的实现方法；2研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。二、实验设备1TKCC-1型实验平台2PC机1台3数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)三、实验内容1设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰信号和正弦信号输入的模拟加法电路；2设计并调试一阶数字滤波器；3设计并调试高阶数字滤波器。四、实验原理1在许多信息处理过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。数字滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。一般可以用两种方法来实现：一种是用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。一个数字滤波器，它所表达的运算可用差分方程来表示：2一阶数字滤波器及其数字化一阶数字滤波器的传递函数为 利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法：其中，TS为采样周期，为滤波器的时间常数。TS和应根据信号的频谱来选择。3高阶数字滤波器高阶数字滤波器算法很多，这里只给出一种加权平均算法：其中，权系数满足：。同样，也根据信号的频谱来选择。五、实验步骤1实验接线及准备（1.1）启动计算机，在桌面双击图标TKCC-1，运行实验软件；（1.2）启动实验台的“电源总开关”，打开5、15V电源。将低频函数信号发生器单元输出端连接到采集卡的“AD1”通道，并选择方波输出。在虚拟示波器观测方波信号的频率和幅值，然后调节信号发生器中的“频率调节”和“幅度调节”电位器，使方波信号的频率和幅值分别为4Hz，2V。然后断开与采集卡的连接，将低频函数信号发生器单元输出端连接到“脉冲产生电路”单元输入端，产生一个尖脉冲信号Uo；（1.3）按图3-2连接电路，其中正弦信号来自数据采集卡的“DA1”输出端，尖脉冲信号来自U1单元的输出端。图3-2的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连，同时将数据采集卡的“DA2”输出端与“AD2”输入端相连。2脚本程序运行（2.1）点击软件工具栏上的“”按钮(脚本编程器)，打开脚本编辑器窗口；（2.2）在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“数字滤波”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为10ms；（2.3）点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”，用双踪示波器分别观察图3-2的输出端和数据采集卡输出端“DA2”的波形。调节信号发生器中的“频率调节”电位器，改变方波信号的频率(即尖脉冲干扰信号的频率)。观察数据滤波器的滤波效果；（2.4）点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，修改算法程序中的参数Ts(注：修改Ts时要同步修改算法的运行步长)、Ti两个参数，然后再运行该程序，在示波器上再次观察参数变化对滤波效果的影响；（2.5）对于高阶数字滤波器的算法编程实验，请参考本实验步骤2.2、2.3和2.4。不同的是打开的脚本程序文件名为“数字滤波（高阶）”，实验时程序可修改的参数为a1、a2、a3和采样时间Ts。（2.6）实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验报告要求1画出尖脉冲干扰信号的产生电路图。2编写一阶数字滤波器的脚本程序。3绘制加数字滤波器前、后的输出波形，并分析程序中参数的变化对其滤波效果的影响。七、附 录1尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图图3-1 尖脉冲产生电路通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。2实验电路的信号的产生把图3-1产生的尖脉冲信号视为干扰信号，与一低频正弦信号（由上位机的“脚本编辑器”编程输出）输入到图3-2所示的两个输入端。图3-2 测试信号的产生电路图3一阶数字滤波器的程序编写与调试示例dim pv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti变量定义sub Initialize(arg)初始化函数WriteData 0 ,1opx=0end subsub TakeOneStep (arg)算法运行函数pv = ReadData(1)采集卡通道1的测量值op1=2*sin(x)正弦信号的产生x=x+0.1Ti=0.02Ts=0.01采样时间10msop2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx一阶数字滤波器的输出opx=op2if op2>=4.9 then op2=4.9end ifif op2<= -4.9 thenop2=-4.9end ifWriteData op1 ,1正弦信号从DA1端口输出WriteData op2 ,2滤波后的信号从DA2端口输出end subsub Finalize (arg)退出函数WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2end sub实验四 离散化方法研究一、实验目的1学习并掌握数字控制器的设计方法；2熟悉将模拟控制器D(S)离散为数字控制器的原理与方法；3通过数模混合实验，对D(S)的多种离散化方法作比较研究，并对D(S)离散化前后闭环系统的性能进行比较，以加深对计算机控制系统的理解。二、实验设备1TKCC-1型实验平台2PC机1台3数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)三、实验内容1按连续系统的要求，照图4-1的方案设计一个与被控对象串联的模拟控制器D(S)，并用示波器观测系统的动态特性。2利用实验平台，设计一个数模混合仿真的计算机控制系统，并利用D(S)离散化后所编写的程序对系统进行控制。3研究采样周期TS变化时，不同离散化的方法对闭环控制系统性能的影响。4对上述连续系统和计算机控制系统的动态性能作比较研究。四、实验原理由于计算机的发展，计算机及其相应的信号变换装置（A/D和D/A）取代了常规的模拟控制。在对原有的连续控制系统进行改造时，最方便的办法是将原来的模拟控制器离散化，其实质是将数字控制部分（A/D、计算机和D/A）看成一个整体，它的输入与输出都是模拟量，因而可等效于一个连续的传递函数D(S)。这样，计算机控制系统可近似地视为以D(S)为控制器的连续控制系统。下面以一个具体的二阶系统来说明D(S)控制器的离散化方法。1二阶系统的原理框图如图4-1所示。图4-1 二阶对象的方框图图4-2 二阶对象的模拟电路图2系统性能指标要求系统的速度误差系数 1/s ，超调量，系统的调整时间s据Kv要求可得： ，令，则校正后的开环传递函数为：由上式得，取，则所以校正后系统的模拟电路图如图4-3所示。图4-3 校正后二阶系统的模拟电路图为使校正后的，要求对象K由5增至10。，（实际可取200K电阻），3的离散化算法图4-4 数模混合控制的方框图图4-3中的离散化可通过数据采集卡的采样开关来实现。传递函数与Z传递函数间的相互转换，可视为模拟滤波器与数字滤波器之间的转换。常用的转换方法有：a) 阶跃响应不变法（或用脉冲响应法）b) 后向差分法c) 双线性变换1) 阶跃跃响应不变法数字滤波器在阶跃作用下输出响应的模拟滤波器在阶跃作用下输出响应的采样值， 据此得：即 2) 后向差分法令 ，后向差分S与Z之间关系为：，代入D(S)表达式中得于是得3) 双线性变换由泰勒级数得 ，代入D(s)得即 五、实验步骤1实验接线及准备（1.1）按图4-2连接一个二阶被控对象的模拟电路；（1.2）用导线将该电路的输入端连接到数据采集卡的“DA1”输出端，电路的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连；（1.3）待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态。2脚本程序运行（2.1）启动计算机，在桌面双击图标“TKCC-1”，运行实验软件；（2.2）顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的“”按钮(脚本编程器)；（2.3）在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法D(S)离散化方法研究”文件夹下选中“阶跃响应不变法”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；弹起锁零按钮使其处于“解锁”状态，用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲线。结束本次实验后按下锁零按钮使其处于“锁零”状态；（2.4）参考步骤2.3，用同样的方法分别运行后向差分法和双线性变换脚本程序，用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲线；（2.5）将采样周期Ts减小或增大，重复步骤2.3和2.4，用虚拟示波器观测采样周期Ts的减小或增大对系统阶跃响应的影响。如系统出现不稳定情况，记下此时的采样周期Ts和所采用的离散化方法；（2.6）按图4-3连接二阶被控对象在加入模拟控制器（PID校正装置）后的模拟电路，并在其输入端输入2V的阶跃信号，然后观察其响应曲线，并与前面2.3和2.4步骤中采用数字控制器的实验曲线相比较；（2.7）实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。注：为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和选择“”按钮(时基自动)，以下实验相同。六、实验报告要求1绘出实验中二阶被控对象在加入模拟控制器（PID校正装置）前后的响应曲线。2编写数字控制器（阶跃响应不变法）的脚本程序。3绘出二阶被控对象在采用数字控制器后的响应曲线，并分析采样周期Ts的减小或增大对系统阶跃响应的影响。七、附 录数字控制器（阶跃响应不变法）的程序编写与调试示例dim pv,sv,ei,eix,op,opx,Ts变量定义sub Initialize(arg)初始化函数WriteData 0 ,1eix=0opx=0end subsub TakeOneStep (arg)算法运行函数pv = ReadData(1)采集卡通道AD1的测量值sv=2给定值Ts=0.1采样周期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控制器输出值eix=eieix为控制偏差的前项opx=opopx为控制输出的前项if op<=-4.9 then输出值限幅op=-4.9end ifif op>=4.9 thenop=4.9end ifWriteData op ,1控制信号从DA1端口输出end subsub Finalize (arg)退出函数WriteData 0 ,1end sub实验五 数字PID调节器算法的研究一、实验目的1学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理；2学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理；3掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验设备1TKCC-1型实验平台2PC机1台3数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)三、实验内容1利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；2采用常规的PI和PID调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能；3对系统采用积分分离PID控制，并整定调节器的参数。四、实验原理在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组合而成的控制规律。而数字PID控制器则是由模拟PID控制规律直接变换所得。在PID控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积分，往往使之产生过大的超调量，这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进的PID算法，如积分分离PID算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当控制量接近给定值时才将积分作用投入，以消除静差，提高控制精度。这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。五、实验步骤1实验接线（1.1）按图5-1和图5-2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；（1.2）该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1相连，电路的输入与数据采集卡的输出端DA1相连；（1.3）待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处于“解锁”状态。2脚本程序运行（2.1）启动计算机，在桌面双击图标“TKCC-1”，运行实验软件；（2.2）顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的“”按钮(脚本编程器)；（2.3）在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法数字PID调器算法”文件夹下选中“位置式PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；（2.4）点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲线；（2.5）点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，利用扩充响应曲线法（参考本实验附录4）整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响；（2.6）参考步骤2.4、2.4和2.5，用同样的方法分别运行增量式PID和积分分离PID脚本程序，并整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后观察参数的变化对系统动态性能的影响。另外在积分分离PID程序运行过程中，注意不同的分离阈值tem对系统动态性能的影响；（2.7）实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验报告要求1绘出实验中二阶被控对象在各种不同的PID控制下的响应曲线。2编写积分分离PID控制算法的脚本程序。3分析常规PID控制算法与积分分离PID控制算法在实验中的控制效果。七、附录1被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成图5-1 数-模混合控制系统的方框图图中信号的离散化通过数据采集卡的采样开关来实现。被控对象的传递函数为：它的模拟电路图如图5-2所示。图5-2 被控二阶对象的模拟电路图2常规PID控制算法常规PID控制位置式算法为对应的Z传递函数为式中，Kp是比例系数；Ki=是积分系数，T为采样周期；Kd是微分系数其增量形式为3积分分离PID控制算法系统中引入的积分分离算法时，积分分离PID算法要设置分离阈E0：当e(kT)E0时，采用PID控制，以保持系统的控制精度。当e(kT)>E0时，采用PD控制，可使p减小。积分分离PID控制算法为：式中，Ke称为逻辑系数：当e(k)E0时，Ke=1当e(k)>E0时，Ke=0对应的控制方框图为：图5-3 上位机控制的方框图图中，信号的离散化是由数据采集卡的采样开关来实现。4数字PID控制器的参数整定在模拟控制系统中，参数整定的方法较多，常用的实验整定法有：临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数字控制器参数的整定也可采用类似的方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法、试凑法等。下面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。扩充阶跃响应曲线法只适合于含多个惯性环节的自平衡系统。用扩充阶跃响应曲线法整定PID参数的步骤如下： 数字控制器不接入控制系统，让系统处于开环工作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程，如下图所示。在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间和被控对象时间常数Tx，以及它们的比值Tx/，然后查下表确定控制器的KP、Ki、Kd及采样周期T。控制度控制律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扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的、Tx参数获得一个初步的PID控制参数，然后在此基础上通过部分参数的调节使系统获得满意的控制性能。5位置式PID数字控制器程序的编写与调试示例dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op变量定义sub Initialize(arg)初始化函数WriteData 0 ,1mx=0pvx=0end subsub TakeOneStep (arg)算法运行函数pv = ReadData(1)采集卡AD1通道的测量值sv=2给定值K=0.8比例系数PTi=5积分时间常数ITd=0微分时间常数DTs=0.1采集周期ei=sv-pv控制偏差q0=K*ei比例项if Ti=0 thenmx=0q1=0elsemx=K*Ts*ei/Ti当前积分项end ifq2=K*Td*(pvx-pv)/Ts微分项q1=q1+mx if q1>4.9 then积分限幅，以防积分饱和q1=4.9end ifif q1<-4.9 thenq1=-4.9end ifpvx=pvpvx为测量值的前项op=q0+q1+q2PID控制器的输出if op<=-4.9 then输出值限幅op=-4.9end ifif op>=4.9 thenop=4.9end ifWriteData op ,1输出值给DA1通道end subsub Finalize (arg)退出函数WriteData 0 ,1end sub实验六 最少拍控制算法研究一、实验目的1学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；2研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；3熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。二、实验设备1TKCC-1型实验平台2PC机1台3数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电