计算机控制技术实验报告(完整版).pdf

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1、前 言 本指导书是配合自动化专业本科生专业课计算机控制技术的课堂教学而编写的实验教材，通过实验的验证能够使学生了解和掌握计算机控制的硬件技术和软件编程方法。本书共设计了七大类实验，第一类中包含过程通道和数据采集处理方面的几个内容；第二类为数字 PWM 发生器和直流电机调速控制的开环实验；第三类包含几种数字 PID 闭环控制实验；第四类中有两种数字调节器直接设计方法的实验；第五类是一个温度控制系统；第六类是随动系统实验；第七类是过程控制系统的研究；实验五至实验七的内容是带有被控对象的控制系统。七个实验的全部学时大于计划学时，教师和学生对所做的实验内容可以选择以满足实验计划学时为准。通过实验学生巩

2、固了课堂教学的内容，也为今后实际工作打下了一定技术基础。本指导书由王尚君、毛一心老师共同编写，穆志纯教授进行了严格的审阅工作。由于计算机性能的快速提高，计算机控制的技术手段也在不断出新，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。编者 2007年 10 月 目 录 前 言.1 目 录.2 实验一 过程通道和数据采集处理.4 一、输入与输出通道.4 1.AD 转换实验.5 2.DA 转换实验.7 二、信号的采样与保持.9 1.零阶保持实验.9 2.直线插值实验 *.11 3.二次曲线插值实验 *.11 三、数字滤波.15 1.一阶惯性实验.16 2.四点加权实验 *.16 实验二 开环系统的数字程序

3、控制.19 数字 PWM 发生器和直流电机调速控制.19 一、实验目的.19 二、实验内容.19 三、实验所用仪表及设备.19 四、实验原理及步骤.20 五、思考题.21 六、实验报告内容及要求.21 实验三 数字 PID 闭环控制.22 数字 PID 控制算法.22 积分分离法 PID 控制.23 带死区的 PID 控制 *.27 简易工程法整定 PID 参数.30 扩充临界比例度法.30 扩充响应曲线法.32 实验四 数字调节器直接设计方法.36 最小拍控制系统.36 一、实验目的.36 二、实验所用仪表及设备.36 三、实验原理及内容.36 有纹波最小拍控制系统.37 无纹波最小拍控制系

4、统.38 四、实验步骤.40 五、思考题.41 六、实验报告内容及要求.41 实验一 过程通道和数据采集处理 为了实现计算机对生产过程或现场对象的控制，需要将对象的各种测量参数按要求转换成数字信号送入计算机；经计算机运算、处理后，再转换成适合于对生产过程进行控制的量。所以在微机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换的连接通道，该通道称为过程通道。它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模拟输入信号变换成数字信号送入计算机，主要有多路转化器、采样保持器和A/D 转换器等组成。模拟量输出通道：它将计算机输出的数字信号转换为

5、连续的电压或电流信号，主要有D/A 转换器和输出保持器组成。数字量输入通道：控制系统中，以电平高低和开关通断等两位状态表示的信号称为数字量，这些数据可以作为设备的状态送往计算机。数字量输出通道：有的执行机构需要开关量控制信号(如步进电机)，计算机可以通过I/O 接口电路或者继电器的断开和闭合来控制。输入与输出通道 本实验教程主要介绍以A/D 和D/A 为主的模拟量输入输出通道，A/D 和D/A 的芯片非常多，这里主要介绍人们最常用的ADC0809 和TLC7528。一、实验目的 1学习A/D 转换器原理及接口方法，并掌握ADC0809 芯片的使用 2学习D/A 转换器原理及接口方法，并掌握TL

6、C7528 芯片的使用 二、实验内容 1编写实验程序，将5V +5V 的电压作为ADC0809 的模拟量输入，将转换所得的8 位数字量保存于变量中。2编写实验程序，实现D/A 转换产生周期性三角波，并用示波器观察波形。三、实验设备 PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块 四、实验原理与步骤 1A/D 转换实验 ADC0809 芯片主要包括多路模拟开关和A/D 转换器两部分，其主要特点为：单电源供电、工作时钟CLOCK 最高可达到1200KHz、8 位分辨率，8 个单端模拟输入端，TTL 电平兼容等，可以很方便地和微处理器接口。TD-ACC+教学系统中的ADC0809

7、 芯片，其输出八位数据线以及CLOCK 线已连到控制计算机的数据线及系统应用时钟1MCLK(1MHz)上。其它控制线根据实验要求可另外连接 (A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0IN7)。根据实验内容的第一项要求，可以设计出如图 所示的实验线路图。单次阶跃 模数转换单元 控制计算机 图 上图中，AD0809 的启动信号“STR”是由控制计算机定时输出方波来实现的。“OUT1”表示386EX 内部1定时器的输出端，定时器输出的方波周期定时器时常。图中ADC0809 芯片输入选通地址码A、B、C 为“1”状态，选通输入通道IN7；通过单次阶跃单元的电位器可以给A/D 转换器输入5V +5V

8、的模拟电压；系统定时器定时1ms 输出方波信号启动A/D 转换器，并将A/D 转换完后的数据量读入到控制计算机中，最后保存到变量中。参考流程：主程序 图 参考程序：请参照随机软件中的example 目录中1-1-1 文件 实验步骤与结果：(1)打开联机操作软件，参照流程图，在编辑区编写实验程序。检查无误后编译、链接。(2)按图 接线(注意：图中画“o”的线需用户自行连接)，连接好后，请仔细检查，无错误后方可开启设备电源。(3)装载完程序后，系统默认程序的起点在主程序的开始语句。用户可以自行设置程序起点，可先将光标放在起点处，再通过调试菜单项中设置起点或者直接点击设置起点图标，即可将程序起点设在

9、光标处。(4)加入变量监视，具体步骤为：打开“设置”菜单项中的“变量监视”窗口或者直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量“AD0AD9”加入到变量监视中。在查看菜单项中的工具栏中选中变量区或者点击变量区图标，系统软件默认选中寄存器区，点击“变量区”可查看或修改要监视的变量。(5)在主程序JMP AGAIN 语句处设置断点。具体操作为：先将光标置于要设断点的语句，然后在调试菜单项中选择“设置断点/删除断点(B)”或者直接点击“设置断点/删除断点”图标，即可在本语句设置或删除断点。(6)打开虚拟仪器菜单项中的万用表选项或者直接点击万用表图标，选择“电压档”用示波器单元中的“CH1”表笔测

10、量图 中的模拟输入电压“Y”端，点击虚拟仪器中的“运行”按钮，调节图 中的单次阶跃中的电位器，确定好模拟输入电压值。-5V (7)做好以上准备工作后，运行程序(打开“调试”菜单项中的“运行到断点/运行”或者点击“运行到断点/运行”图标)，程序将在断点处停下，查看变量“AD0AD9”的值，取平均值记录下来，改变输入电压并记录，最后填入表 中。表中“()”中的数字量供参考。表 模拟输入电压(V)对应的数字量(H)5 （00）(00)4 （1A）(18)3 （33）(31)2 （4C）(4C)1 （66）(66)0 （80）(7F)1 （99）99 2 （B3）B3 3 （CD）CD 4 （E6）E

11、6 5 （FF）FF 得到的实验实际值：模拟输入电压(V)对应的数字量(H)00 17 32 4D 65 7F 99、9A B6 D0、D1 E7 FF 本节实验仅仅就软件的相关功能做简单介绍，该软件的具体操作与说明请详见本实验教程的“第1 部分第4 章联机软件说明”。2D/A 转换实验 本实验采用TLC7528 芯片，它是8 位、并行、两路、电压型输出数模转换器。其主要参数如下：转换时间100ns，满量程误差1/2 LSB，参考电压10V +10V，供电电压+5V+15V，输入逻辑电平与TTL 兼容。实验平台中的TLC7528 的八位数据线、写线和通道选择控制线已接至控制计算机的总线上。片选

12、线预留出待实验中连接到相应的I/O 片选上，具体如图。实验步骤及结果：(1)参照流程图 编写实验程序，检查无误后编译、链接并装载到控制计算机中。(2)运行程序，用示波器观测输出波形。图 以上电路是TLC7528 双极性输出电路，输出范围5V +5V。“W101”和“W102”分别为A 路和B 路的调零电位器，实验前先调零，往TLC7528 的A 口和B 口中送入数字量80H，分别调节“W101”和“W102”电位器，用万用表分别测“OUT1”和“OUT2”的输出电压，应在0mV 左右。参考流程：主程序 图 参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的1-1-2 文件。信号的采样与保持

13、一、实验目的 1熟悉信号的采样和保持过程 2学习和掌握香农(采样)定理 3学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号 二、实验内容 1编写程序，实现信号通过A/D 转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到D/A 转换器输出。2编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。三、实验设备 PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块 四、实验原理与步骤 零阶保持 香农(采样)定理：若对于一个具有有限频谱(|W|5Wmax)利用式-1 在点(X0,Y0)和(X1,Y1)之间插入点(X,Y)Y=Y0+K(X X0)式 其中：K=0101XXYY X1X0 为采样

14、间隔，Y1Y0 分别为X1 和X0 采样时刻的AD 采样值。二次曲线插值法(取 Ws3Wmax)：Y=Y0+(X X0)K1+K2(X X1)式 其中K1=0101XXYY，K2=12)01010202(XXXXYYXXYY (2)实验线路图设计 为了验证上面的原理，可以设计如下的实验线路图，图中画“”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。上图中，控制计算机“OUT1”表示386EX 内部1定时器的输出端，定时器输出的方波周期定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的7 号中断，用作采样中断。这里，正弦波单元的“OUT”端输出周期性正弦波信号，通过模数单元的“IN7”

15、端输入，系统用定时器作为基准时钟(初始化为10ms)，定时采集“IN7”端的信号，并通过控制机算计读取转换完后的数字量，再送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号。采样周期T=TK 10ms，TK 的范围为01 FFH。(3)参考程序流程图设计 实验参考程序：直线插值法参照随机软件中的example 目录中的1-2-2 文件，二次曲线插值法请参照随机软件中的 example 目录中的 文件。实验步骤及结果 1.采样与保持(1)参考流程图 编写零阶保持程序，编译、链接。(2)按照实验线路图 接线，检查无误后开启设备电源。(3)用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT”端，调节正弦波单元

16、的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT”端输出幅值为3V，周期1S 的正弦波。得到的实验波形如下所示：(4)加载程序到控制机中，将采样周期变量“Tk”加入到变量监视中，运行程序，用示波器的另一路表笔观察数模转换单元的输出端“OUT1”。“OUT1”端的参考波形如图 所示。(5)增大采样周期，当采样周期 时，即Tk32H 时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真，记录此时的采样周期，验证香农定理。Tk=34H，得到的波形如下所示：*2.信号的还原(1)参考流程图 分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。(2)按照线路图 接线，检查无误后，开启设备电源。调节正弦波单元的调幅、

17、调频电位器，使正弦波单元输出幅值为3V，周期1S 的正弦波。(3)分别装载并运行程序，运行程序前将采样周期变量Tk 加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察数模转换单元的输出，和零阶保持程序的运行效果进行比较。零阶保持 二次曲线插值 直线插值 图 由上述结果可以看出：在采样频率 Ws=10Wmax 时，用三种方法还原信号，直线插值要好于零阶保持，二次曲线插值好于直线插值。采用合理的插值算法可以降低信号的失真度，在允许的范围内可以有效地降低对采样频率的要求。直线插值:二次曲线插值:(4)在(3)中是在同一采样频率下，比较三种方法还原信号的效果，实验中也可比较一种还原方法在不同采样频率

18、下的效果。对于零阶保持来说：当采样频率信号频率的10 倍时，即Tk101 1S，Tk0AH信号的还原效果较好。对于直线插值来说：当采样频率信号频率的5 倍时，即Tk15 1S，Tk14H信号的还原效果较好。对于二次曲线插值来说：当采样频率信号频率的3 倍时，即Tk13 1S，Tk21H信号的还原效果较好。数字滤波 一、实验目的 1.学习和掌握一阶惯性滤波 2.学习和掌握四点加权滤波 二、实验内容 分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。三、实验设备 PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块 四、

19、实验原理与步骤 一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应用，下面是一个典型数字滤波的方框图：控制 计算机 模数转换 IN7 数模转换 OUT 1滤波器算法设计 一阶惯性滤波：相当于传函11S的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式 YK=(1 a)XK+(a)YK 1 XK：当前采样时刻的输入 YK：当前采样时刻的输出 YK-1：前一采样时刻的输出 T：采样周期，1-a=T 四点加权滤波算法为：YK=A1XK+A2XK-1+A3XK-2+A4XK-3(式中41iA1=1)XK：当前采

20、样时刻的输入 XK-1：前一采样时刻的输入 YK：当前采样时刻的输出 2参考流程图：实验中的参数：1a、a、A1、A2、A3、A4 为十进制2 位小数（BCD 码），取值范围：，只须对应存入0099。程序中将其转换成二进制小数，再按算式进行定点小数运算。实验参考程序：一阶惯性请参照随机软件中的example 目录中的1-3-1，四点加权参照。3实验线路图：图中画“”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行搭接。上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1定时器的输出端，定时器输出的方波周期定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的7 号中断，用作采样中断。电路

21、中用RC 电路将S 端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。注意R 点波形不要超过5V，以免数字化溢出。计算机对有干扰的正弦信号R 通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C 输出。实验步骤及结果 1.参照流程图分别编写一阶惯性和四点加权程序，检查无误后编译、链接。2.按图 接线，检查无误后开启设备电源。调节正弦波使其周期约为2S，调信号源单元使其产生周期为100ms 的干扰信号(从“NC”端引出)，调节接线图中的两个47K 电位器使正弦波幅值为3V，干扰波的幅值为。3.分别装载并运行程序，运行前可将“TK”加入到变量监视中，方便实验中观察和修改

22、。用示波器观察R 点和C 点，比较滤波前和滤波后的波形。一阶惯性:Tk=01 Tk=08 四点加权:Tk=01H Tk=4.如果滤波效果不满意，修改参数，再运行程序，观察实验效果。参数 Tk 16进制 Ts(ms)1-a a A1 A2 A3 A4 滤波前后正弦幅值比 滤波前后干扰幅值比 项目 一阶惯性 01 5 10 90 3/3 08 40 10 90 3/0 四点加权 01 5 30 30 20 20 3/3 08 40 30 30 20 20 3/3 不适当的应用数字滤波反而会降低控制效果，甚至造成系统不稳定。在实际应用中，对于参数变化缓慢的(如温度)可用惯性滤波，对于参数变化快的信号

23、可用加权平均滤波。实验二 开环系统的数字程序控制 数字 PWM 发生器和直流电机调速控制 一、实验目的 掌握脉宽调制(PWM)的方法。二、实验内容 用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制。三、实验设备 PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块 四、实验原理与步骤 1PWM(Pulse Width Modulation)简称脉宽调制(见图。即，通过改变输出脉冲的占空比，实现对直流电机进行调速控制。VH VL 图 2实验线路图：图中画“”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。图中，“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚，输出PWM 脉冲经驱动后控制直流

24、电机。图 本实验中，由系统产生1ms 的定时中断。在中断处理程序中完成PWM 脉冲输出。最后通过控制计算机的数字量输出端DOUT0 引脚来模拟PWM 输出，并经达林顿管输出驱动直流电机，实现脉宽调制。3参考流程图 实验参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的2-2-1。实验步骤 1参考实验线路图的说明及流程图，编写相应的主程序及PWM 子程序，检查无误后编译、链接。2按图 接线，检查无误后开启设备的电源。3装载程序，将全局变量TK(PWM 周期)和PWM_T(占空比)加入监视，以便实验过程中修改。4运行程序，观察电机运行情况。5终止程序运行，加大脉冲宽度，即将占空比PWM_T 变大

25、，重复第3 步，再观察电机的运行情况，此时电机转速应加快。电机每转动一圈，“HR”端(霍尔元件的输出端)就会输出一个脉冲，用虚拟仪器中示波器的一路表笔测“HR”端的脉冲信号可算出电机此时的转速。Tk=0C8H;PWM_T=14H;FPWM=01H;HR 图 6 注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0 的状态应保持上次的状态。当DOUT0 为1 时，直流电机将停止转动；当DOUT0 为0 时，直流电机将全速转动，如果长时间直流电机处于全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0 的排线拔掉或按系统复位键。五、实验思考题 本实验中是通过改

26、变脉冲的占空比，周期T不变的方法来改变电机转速的，还有什么办法能改变电机的转速，应该怎么实现 答：由U=（Ton*Uref）/T公式可以看出除了以上方式，可以通过改变参考电压大小的方式，或者T和占空比均改变的方式。实验三 数字 PID 闭环控制 按闭环系统误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID 调节器(也叫 PID 控制器)。它是在连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。随着计算机技术的飞速发展，PID 控制算法可以用计算机程序实现了，而这进一步拓宽了 PID 调节器的应用领域，出现了各种新型数字PID 控制器。本章将从多个方面来开展数字PID 控制器的实验研究。数字 P

27、ID 控制算法 在模拟调节系统中，PID 算法表达式为：dt)t(deTddt)t(eTi1)t(eKp)t(u 在计算机系统中，离散的数字 PID 算法可以表示为位置式PID 控制算式，或增量式 PID 控制算式。位置式 PID 控制算式为：)1k(e)k(eTTd)j(eTiT)k(eKp)k(uk0j T：采样周期，k：采样序号，u(k)：第 k 次采样调节器输出，e(k)：第 k 次采样误差值，e(k 1)：第(k1)次采样误差值 增量式 PID 控制算式为：)1k(u)k(u)k(u )2k(e)1k(e2)k(e(TTd)k(eTiT)1k(e)k(e(Kp)k(u 增量式与位置式

28、相比具有以下优点：1增量式算法与最近几次采样值有关，不需要进行累加，因此，不易产生累积误差，控制效果较好。2 增量式中，计算机只输出增量，误动作(计算机故障或干扰)影响小。3在位置式中，由手动到自动切换时，必须使输出值等于执行机构的初始值，而增量式只与本次的误差值有关，更易于实现手动到自动的无扰动切换。4增量式控制算法因其特有的优点在控制系统中应用比位置式更加广泛。积分分离法 PID 控制 一、实验目的 1了解 PID 参数对系统性能的影响。2学习凑试法整定 PID 参数。3掌握积分分离法 PID 控制规律 二、实验设备 PC 机一台，TDACC实验系统一套，i386EX 系统板一块 三、实验

29、原理和内容 SRC1eT-TS10(0.3S+1)(0.4S+1)EP I D 图1 图1 是一个典型的 PID 闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。STSOUT信号源短/STR20K20K20K100K10K10K20K3uFCE100K200K2uF模数转换单元ABCIN7+5V数模转换单元CLOCKD0D7OUT1/WR/CS.A0控制计算机D0D71MHZSTROUT1./OE/IOY0XD7XD0.TMROUT1TMRCLK1CS0#CLK2i386EX CPU24MHZ分频EOCIRQ7INT3(主8

30、259IRQ7)DIN0P1.0/IOY1WR#M/IO#/IOWA0路块 图2 上图中，控制计算机的“OUT1”表示 386EX 内部 1定时器的输出端，定时器输出的方波周期定时器时常，“IRQ7”表示 386EX 内部主片 8259 的 7 号中断，用作采样中断，“DIN0”表示 386EX 的 I/O 管脚，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。这里，系统误差信号 E 通过模数转换单元“IN7”端输入，控制机的定时器作为基准时钟(初始化为 10ms)，定时采集“IN7”端的信号，并通过采样中断读入信号 E 的数字量，并进行 PID 计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由

31、“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。本实验中，采用位置式 PID 算式。在一般的 PID 控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。为此，可采用积分分离法 PID 控制算法，即：当误差 e(k)较大时，取消积分作用；当误差 e(k)较小时才将积分作用加入。图3 是积分分离法 PID 控制实验的参考程序流程图。PID子程序计算 Ek+判积分溢出Kp(Ek+取极值中断返回是否判积分分离值是否主程序系统初始化变量初始化等待中断EkEk)*Kp(Ek+Ek)*Ek+判控制量溢出取极值是否TT

32、iTdTTdTTdT*采样中断服务程序求误差E(k)调PID子程序输出控制量U(k)中断返回采样周期到否？是否同步信号到否？是否采样周期变量减一D/A输出清零变量初始化采样周期变量赋初值采样周期变量赋初值 图3 实验参考程序：请参照随机软件中的 example 目录中的 ACC32。为了便于实验参数的调整，下面讨论 PID 参数对系统性能的影响：(1)增大比例系数 KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。(2)增大积分时间参数 TI有利于消除静差、减小超调、减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢

33、。(3)增大微分时间参数 TD有利于加快系统响应，使超调量减小，系统稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。在调整参数时，可以使用凑试法。参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行“先比例，后积分，再微分”的步骤。(1)首先整定比例部分。将比例系数 KP由小变大，并观察相应的系统响应，直到响应曲线超调小、反应快。如果系统没有静差，或者静差小到允许的范围内，那么只需比例调节器即可。(2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足要求，则须加入积分作用。整定时首先置积分时间 TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数 KP 缩小(如 80)，然后减小积分时间，使静差得到消除

34、。如果动态性能(过渡时间短)也满意，则需 PI 调节器即可。(3)若动态性能不好，则需加入微分作用。整定时，使微分时间TD从 0 变大，并相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意结果 由于PID三个参数有互补作用，减小一个往往可由几个增大来补偿，因此参数的整定值不唯一，不同的参数组合完全有可能得到同样的效果。四、实验步骤 1参考流程图3 编写实验程序，检查无误后编译、链接。2按照实验线路图2 接线，检查无误后开启设备电源。3调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为 2V，周期 6S 的方波。确定系统的采样周期以及积分分离值。4装载程序，将全局变量TK(采样周期)、EI(积分分

35、离值)、KP(比例系数)、TI(积分系数)和TD(微分系数)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。5运行程序，将积分分离值设为最大值 7FH(相当于没有引入积分分离)，用示波器分别观测输入端 R 和输出端 C。6如果系统性能不满意，用凑试法修改 PID 参数，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。7 修改积分分离值为 20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。8将 6 和 7 中的较满意的响应曲线分别保存，在画板、PHOTOSHOP中处理后粘贴到 WORD 中，方便形成实验报告。五、实验结果及分析 图 引入积分前 图 引入积分后 从上

36、图中可以看出，引入积分分离法后，降低了系统输出的超调量，并缩短了调节时间。*带死区的 PID 控制 一、实验目的 掌握带死区的 PID 控制规律 二、实验设备 PC 机一台，TDACC实验系统一套，i386EX 系统板一块 三、实验原理及内容 1在计算机控制系统中，某些系统为了避免过于频繁的控制动作，为了消除由于频繁动作所引起的振荡，通常采用带死区的 PID 控制系统，该系统实际上是一个非线性控制系统。其基本思想是：可以按实际需要设置死区 B,当误差的绝对值)k(eB 时，P(K)为 0，U(K)也为常值，实际应用中，常值是由经验值来确定的；当)k(eB 时，P(K)=)k(e,U(K)以 P

37、ID 运算的结果输出。SRC1eT-TS50(0.3S+1)(0.25S+1)EP(k)E(k)B-BPI DP(k)图1 2参考流程图 PID子程序求误差 Ek积分分离PID|Ek|B?是否控制量输出常数中断返回主程序系统初始化变量初始化系数转换等待中断 采样中断服务程序求误差E(k)调PID子程序输出控制量U(k)中断返回采样周期到否？是否同步信号到否？是否采样周期变量减一D/A输出清零变量初始化采样周期变量赋初值采样周期变量赋初值 图2 实验参考程序：请参照随机软件中的 example 目录中的 ACC33。3图1 所示的方框图，其硬件电路原理及接线图见图3。R20K20K10K100K

38、10K10K20K3uFCE50K250K1uFSTSOUT信号源短/ST模数转换单元ABCIN7+5V数模转换单元CLOCKD0D7 OUT1/WR/CS.A0控制计算机D0D71MHZSTROUT1./OE/IOY0XD7XD0.TMROUT1TMRCLK1CS0#CLK2i386EX CPU24MHZ分频EOCIRQ7INT3(主8259IRQ7)DIN0P1.0/IOY1WR#M/IO#/IOWA0路块 图3 四、实验步骤 1参照图2 的流程图编写实验程序，检查无误后编译、链接。2按照实验线路图3 接线，检查无误后开启设备电源。调节信号源中的电位器和拨动开关，使信号源输出幅值为 4V，

39、周期 6S 的方波。3装载程序，将全局变量 TK(采样周期)、EI(积分分离值)、KP(比例系数)、TI(积分系数)、TD(微分系数)、PT(死区变量值)和 CONST(常值)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。4运行程序，将死区宽度 B(PT)设为最小值 00H(相当于没有引入死区控制)，用示波器分别观测控制量输出端 U(即数模转换单元的“OUT1”端)和对象输出端 C。5如果系统性能不满意，用凑试法修改 PID 参数，直到响应曲线满意。6修改死区宽度 B(PT)为 02H，用示波器分别观测控制量输出端U(即数模转换单元的“OUT1”端)和对象输出端 C，记录并和积分分离时的响应曲线进行

40、比较 五、实验结果及分析 R0C(t)tB积 分 分 离PID控制0U(t)tR0C(t)t带 死 区 的PID控制0U(t)t 图3 由上图可以看出，带死区的 PID 控制响应曲线 C 产生了轻微的振荡，但其偏差在规定范围内；控制量 U 的输出动作频率比积分分离时明显的降低了，从而降低了机械的磨损。如果死区宽度 B 值取得太大，则系统将产生较大的滞后；如果 B 值取得太小，使调节器输出过于频繁，达不到预期的效果。简易工程法整定 PID 参数 在连续系统中，模拟调节器的参数整定方法很多，但简单易行的还是简易工程法。这种方法的优点是整定参数时不必依赖被控对象的数学模型，实际情况也是很难准确地得到

41、数学模型的。简易工程法是由经典的频率法简化而来的，虽然稍微粗糙，但简单易行，非常适用于现场应用。常用的方法包括扩充临界比例度法和扩充响应曲线法。一、实验目的 1学习并掌握扩充临界比例度法整定 PID 参数。2学习并掌握扩充响应曲线法整定 PID 参数。二、实验设备 PC 机一台，TDACC实验系统一套，i386EX 系统板一块 三、实验原理及内容 1扩充临界比例度法 1)实验原理 扩充临界比例度法是对模拟调节器中的临界比例度法的推广，在工程实践中最常用，其参数整定步骤如下：(1)选择一个足够小的采样周期T，一般取系统纯滞后时间的1/10以下。(2)使系统闭环工作，只用比例控制，增大比例系数 K

42、P直到系统等幅振荡，记下此时的临界比例系数KPU和临界振荡周期 TU(见图1)。TuRC(t)t 图1(3)选择控制度。控制度指数字调节器和模拟调节器控制效果之比。(4)根据控制度，查表1 计算出采样周期 T 和 KP、TI、TD。表1 控制度 T KP TI TD 2)实验设计 图2 是一个 PID 闭环控制系统的实验电路原理及接线图，图中画“”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。其相应的程序流程图和节中的图3 是一样的，实验中的参数取值范围规定为：参数名称 T KP TI TD 取值范围 1FFH 0FFFFH 17FFFH 07FFFH 实际量纲 102550ms 01

43、 倍 10ms 0ms R20K20K10K100K10K10K20K3uFCE50K250K1uFSTSOUT信号源短/ST模数转换单元ABCIN7+5V数模转换单元CLOCKD0D7 OUT1/WR/CS.A0控制计算机D0D71MHZSTROUT1./OE/IOY0XD7XD0.TMROUT1TMRCLK1CS0#CLK2i386EX CP U24MHZ分频EOCIRQ7INT3(主8259IRQ7)DIN0P1.0/IOY1WR#M/IO#/IOWA0路块 图2 上图中，控制计算机的“OUT1”表示 386EX 内部 1定时器的输出端，定时器输出的方波周期定时器时常，“IRQ7”表示

44、386EX 内部主片 8259 的 7 号中断，用作采样中断，“DIN0”表示 386EX 的 I/O 管脚，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。本实验中，将针对该闭环系统应用临界比例度法来整定 PID 参数。2扩充响应曲线法 1)实验原理 扩充响应曲线法是模拟调节器的响应曲线法的一种扩充，也是一种常用的工程整定方法。其参数整定步骤如下：(1)使数字调节器不接入系统，让系统处于手动操作状态，当系统稳定在某一值处后，给对象一个阶跃输入。(2)用仪表记录下被调量在阶跃输入下的整个响应曲线，见图3。tC(t)O0 图3 图中“”表示对象的时间常数；“”表示对象的纯滞后时常(4)根据所得的、，查表

45、2 计算出采样周期 T 和 KP、TI、TD 表2 控制度 T KP TI TD 2)实验设计 同样，图4 也是一个 PID 闭环控制系统的实验电路原理及接线图，图中画“”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。其相应的程序流程图和节中的图3 是一样的。本实验中，将针对该闭环系统应用扩充响应曲线法来整定 PID 参数。图4 中，控制计算机的“OUT1”表示 386EX 内部 1定时器的输出端，定时器输出的方波周期定时器时常，“IRQ7”表示 386EX 内部主片 8259 的 7 号中断，用作采样中断，“DIN0”表示 386EX 的 I/O 管脚，在这里作为输入管脚用来检测信号

46、是否同步。实验中，参考程序中的参数取值范围规定为：参数名称 T KP TI TD 取值范围 17FH 0800H 11FFH 01FFH 实际量纲 101270ms 08 倍 10ms5110s 0ms5110ms R20K20K200K100K10K10K20K2uFCE200K2uFSTSOUT信号源短/ST模数转换单元ABCIN7+5V数模转换单元CLOCKD0D7 OUT1/WR/CS.A0控制计算机D0D71MHZSTROUT1./OE/IOY0XD7XD0.TMROUT1TMRCLK1CS0#CLK2i386EX CPU24MHZ分频EOCIRQ7INT3(主8259IRQ7)DI

47、N0P1.0/IOY1WR#M/IO#/IOWA0路块 图4 四、实验步骤 1扩充临界比例度法(1)编写程序，检查无误后编译、链接并装载程序。实验程序请参照随机软件中的 example 目录中的 ACC34。(2)按照实验线路图2 接线，调节信号源使其输出幅值为 3V，周期 6S 的方波。(3)由于模拟对象的惯性时常约为 250ms，取采样周期 T=10ms。(4)装载程序，将全局变量 TK(采样周期)、EI(积分分离值)、KP(比例系数)、TI(积分系数)和 TD(微分系数)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。(5)运行程序且只用比例控制(EI=0，TD=0)，KP由小变大，使系统等幅振

48、荡，记下此时的临界比例系数 KPU和临界振荡周期 TU。(6)查表1，选择控制度，计算出采样周期 T 和 KP、TI、TD。(7)将参数重新写入 PID 控制程序，运行程序并用示波器观测输入和输出，如果控制效果不太满意，可适当结合凑试法调整参数，直到满意为止。2扩充响应曲线法(1)参照图5 接线，调节器先不接入系统中。图中画“”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。R20K20K200K100K10K10K20K2uFC200K2uFST SOUT信号源短路块 图5(2)调节信号源使其“OUT”输出幅值为 2V，周期 12S 的方波。(3)用示波器测量系统输出“C”，并记录下波

49、形。在响应曲线最大斜率处作切线，用游标测量，作图求得滞后时间和对象时常。计算出/，查表2，控制度选择时可求得数字调节器的 KP、TI、TD以及采样周期 T 的初始值。(4)按照图4 接线，将数字调节器接入系统，将以上得到的参数KP、TI、TD和 T 重新写入程序中，然后编译、链接。实验程序请参照随机软件中的 example 目录中的 ACC34。(5)装载程序，将全局变量TK(采样周期)、EI(积分分离值)、KP(比例系数)、TI(积分系数)和TD(微分系数)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。(6)运行程序，用示波器测量系统输出“C”，观察数字调节器在这组参数下的控制效果，若不理想，可适

50、当调整参数，直到控制效果满意为止。五、实验思考题 如何利用扩充响应曲线法实现 P、I、D 参数自整定 答:首先不接入数字调节器，让系统处于手动状态，当系统稳定在一个点之后，给对象一个阶跃输入，得到响应曲线，通过该曲线得到对象的时间常数和对象的纯滞后时间，通过查表得到 PID 的三个参数。实验四 数字调节器直接设计方法 由于控制任务的需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，就要从被控对象的特性出发，直接根据采样系统理论来设计数字调节器，这种方法称为直接数字设计方法。直接数字设计比模拟化设计更具有一般的意义，它完全是根据采样系统的特点进行分析与综合，并导出相应的控制规律的。最小拍控