计算机控制技术实验指导书.pdf

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1、 Q lU S j 目录-计算机控制实验指导1.概述.12.实验一 A/D与 D/A转换.33.实验二数字滤波.74.实 验 三 D(s)离散化方法的研究.95.实验四 数字PID控制算法的研究.136.实验五串级控制算法的研究.167.实验六解耦控制算法的研究.198.实验七最少拍控制算法的研究.239.实验八具有纯滞后系统的大林控制.2810.实验九线性离散系统的全状态反馈控制.30H.实验十二维模糊控制器.3312.实验十一单神经元控制器.36二.计算机控制对象实验指导1.实验一 直流电机转速计算机控制实验.392.实验二水箱液位计算机控制实验.41三.计算机控制软件说明1.概 述.43

2、2.安装指南及系统要求.483.LabVIEW编程及功能介绍.495.附录.78计算机控制实验指导概 述系统功能特点1.以PC微机为操作台，高效率支持“计算机控制”的教学实验。2.系统含有高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。3.系统含有界面友好、功能丰富的软件。P C 微机在实验中，除了用作实验测试所需的虚拟仪器外，还可用作测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。4.系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。可自己设计实验内容，构建系统对象，编写控制算法，进行计算机控制技术的研究。二.系统构成实验系统由上位PC 微 机（含实验系统上位机软

3、件）、ACCT-I实验箱、USB2.0 通讯线等组成。ACCT-I实验箱内装有以C8051F060芯 片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB 口与PC微机连接。1.ACCT-I实验箱简介ACCT-I实验箱是一个通用的实验箱。它主要由电源部分U 1单元，信号源部分U 2单元，与 PC机进行通讯的数据处理单元U 3,元器件单元U 4,非线性单元U5,U6,U 7,模拟电路单元U8 U16组成，详见附图。电源单元U 1,包括电源开关，保险丝，+5V,-5 V,+15V,-15V,OV,1.2V 15V可调电压的输出。U2信号源单元可以产生周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号

4、和正弦信号，频率幅值可调。U3单元为数据处理模块，用于完成数据采集与数据输出，并通过并行口与上位PC机进行通讯。U4单元提供了实验所需的电容与电阻，电位器，另提供插接电路，供放置自己选定大小的元器件。U5,U6,U 7分别为典型的非线性环节电路。U8 U16为山运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成的电路用于锁零。在“计算机控制”实验中，这些单元常被用于模拟被控对象。2.软件系统上位机软件使用及怎样用LabVIEW编程语言编写计算机控制软件详见 计算机控飞照 计算机控制实验指导制技术软件说明。三.计算机控制实验系统实验内容1.A/D与 D/A 转换2.数字滤波3.D（s

5、）离散化方法的研究4.数字PID控制算法的研究5.串级控制算法的研究6.解耦控制算法的研究7.最少拍控制算法的研究8.具有纯滞后系统的大林控制9.线性离散系统的全状态反馈控制10.二维模糊控制器11.单神经元控制器四.实验注意事项1.实验开始前需要对实验箱上的运算放大器电路进行调零。2.运算放大器边上的锁零点G 接线要正确。在需要锁零时，可与输入信号同步的锁零信号相连。如采用PC 产生输入信号，则连U 3单元的G1（同步对应O 1信号），G2（同步对应0 2）；如采用U 2单元的输入信号，则连接U2单元上的G（同步对应U 2单元发生信号）。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般情况下不需

6、要锁零信号。不需要锁零时，请把G 与-15V相连。3.系统软件支持锁零信号设定。通过对0 1 的端口输出实现其对应端口 G 1的输出，通过对0 2 的端口输出实现对应端口 G 2的输出（脚本程序对应处编程设定），G 1与 G2信号分别与O1,0 2 信号同步。经常的操作有：用一路输出作为计算机控制时数据处理的D/A通道，另一路用来控制锁零信号；当同时需用O I 与 0 2 作为数据处理的D/A通道时，处理方法参照上面第2 点内容。4.在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反相器。2

7、计算机控制实验指导实 验 一 A/D与 D/A转换实验目的1.通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。2.通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二.实验内容1.利用实验系统完成测试信号的产生2.测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。3.设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。三.实验步骤1.了解并熟悉实验设备，掌握以C8051F060为核心的数据处理系统的模拟量通道设计方法，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法；2.利用实验设备产生0 5 V 的斜坡信号，输入到一路模拟量输入通道，在上位机软件的界血上测取该模拟量输入通道当A/D转换数为4 位时的模数转换量化特性；

8、3.利用实验箱设计并连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路，分别输入两路模拟量输入通道，在上位机界面的界面上测取它们的模数转换结果，然后将该转换结果的数字量，通过数模转换变为模拟量和输入信号作比较；4.编写程序实现各种典型测试信号的产生，熟悉并掌握程序设计方法；5.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录1.C8051F060 概述C8051F060是一个高性能数据采集芯片。芯片内集成了：(1)与 8051兼容的内核：额定工作频率25M Hz,流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期。5 个通用16位定时器/计数器，59条可编程的I/O线，22个中断源(2 个优先级

9、)。(2)模拟I/O：C8051F060的ADC子系统包括两个IMsps、1 6 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC,A D C 中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DM A接口：两个12位电压输出DAC转换器，用于产生无抖动的波形。内部电压基准，精确的VDD监视器和欠压监测器。(3)存贮器：64K B片内闪速/电擦除程序存贮器(EEPROM),4K B 片内数据存贮器(SRAM)o 片 内 其 它 外 围：2 个 UART串行I/O,SPI串行I/O,专用的看门狗定时器，电源监3飞照 计算机控制实验指导视器，温度传感器，内部可编程振荡器324.5MHz或外接震荡器。(5)供电电压：2.7V

10、-3.6V,多中节电和停机方式。2 .实验设备中的模拟量输入通道(1)主要功能：允许一 1 0 V H O V 信号输入，而至C8051F060引脚ADC的信号则被限制在要求的0V+3V(芯片基准电压为+3.0V)。(2)模拟量输入通道基本电路：见 图 1.1由一个偏移电路环节(+3 V)与放大器电路环节组成。(3)模拟量输入通道输入端口：实验箱面板上，有模拟量输入通道输入端口 II 18。3 .实验设备中的模拟量输出通道(1)主要功能：变 C8051F060引脚DAC的单极性输出(0 V-+10V)为双极性输出(-1 0 V-+1 0 V)o(2)模拟量输出通道基本电路：见 图 1.2。由一

11、个偏移电路环节(-2.5 V)与放大器电路环节组成。(3)模拟量输出通道输出端口：实验箱面板上，有模拟量输出通道输出端口 O1,02o4 .C8051F060与上位机的关系与分工C8051F060与上位机之间，通 过 USB2.0 口完成数据通讯。以 C8051F060为核心构成4飞照 计算机控制实验指导的数据采集系统主要完成模拟量采集、模数转换、数模转换和模拟量输出(零阶保持器)等功能。而数据处理与显示，包括有关信号发生、数字滤波、数字控制与虚拟仪器等功能则通过上位机实现。系统通过A/D 变换器对模拟信号进行A/D 转换，转换后的值通过USB2.0 口通讯传至上位机，由上位机软件显示；将欲转

12、换的数字量送至D/A 变换器还原成模拟量。本系统中16位 A/D,D/A为 12位，可以通过LabVIEW程序编程设置取得其他较低的转换精度以达到实验目的。有关C8051F060与上位机构成系统的具体使用方法，特别是有关上位机用户界面上的操作，请 参 阅“计算机控制上位机程序使用说明书”。5 .两路互为倒相的周期斜坡信号的产生利用实验设备产生两路相位互差180。的斜坡信号的电路见图1.3,其中R0=R1=R2,R3=R4O在上位机界面上，选择测试信号为周期斜坡，在 O 1端得到周期斜坡信号，如 图 14a所示，在 12和 H 端分别得到如图1.4.b、1 4 c 所示互为倒相的周期信号。图 1

13、.46.软 件 编 程 实 现 测 试 信 号发生在上位机软件留给用户的编程接口中，编程实现典型信号的发生如正弦信号，周期方波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号。(1)正弦信号5计算机控制实验指导y=Asin（yf+0）,T=-co（2）方波A 0/7；y=-0 7；tT（3）锯齿波at 0 /7y =0 7；tT（4）抛物线f 1 2-a t2 0tT.y=J 20 T,tT6计算机控制实验指导实验二数字滤波实验目的1.通过实验掌握数字滤波器设计方法。2.学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。二.实验内容1.产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。2.设计并调试数字化一阶惯性滤波器。3

14、.设计并调试高阶数字滤波器。三.实验步骤1.利用实验装置，设计和连接产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路，并利用数据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求；2.根据信号频谱，设计并选择数字化-阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；3.根据信号频谱，设计并选择高阶数字滤波器的参数，编制并运行高阶数字滤波器的滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；4.改变干扰信号，设计产生如带方波干扰的正弦信号，带随机干扰的正弦信号电路，同上做实验。5.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录1

15、.测试信号的产生利用实验装置，产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的参考电路，如图2.1所不：2.一阶惯性滤波器及其数字化阶惯性滤波器的传递函数为：7计算机控制实验指导八 X(s)T5+1利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法：y(k)-x(k)+(l-)y(k-l)T T其中T为采样周期，r为滤波时间常数。T和7必须根据信号频谱来选择。3.高阶数字滤波器高阶数字滤波器算法很多，这里给出一种四阶加权平均算法：y(A)=Ax(k)+A2x(k-1)+A,x(k-2)+A4x(k-3)4其中权系数4满足：A,=I,类似地，所 必须根据信号频谱来选择。1=14.实验系统程序编制与调试参考计算

16、机控制上位机程序软件使用说明书。8计算机控制实验指导实 验 三D(s)离散化方法的研究实验目的1.学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。2.熟悉常用的从连续化途径(先按连续系统设计再离散化)设计数字控制器的方法。3.学习并掌握将模拟控制器D离散化为数字控制器D(z)的方法。4.通过混合仿真实验，对 D(s)的各种离散化方法作比较研究，并对D(s)离散化前后闭环系统性能作比较研究，以加深对计算机控制系统特性的理解。二.实 验内容1.按连续系统设计串联校正控制器D(s),并利用实验设备测取该连续系统的动态特性。2.利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。3.采用保持器等

17、价、匹配Z 变换、一阶差分和双线性变换等方法离散化D(s),从而得到控制算法，并加以实现。4.研究采样控制周期变化时，不同离散化方法对闭环控制系统性能的影响。5.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。三.实验步骤1.在已知二阶被控对象传递函数的条件下，用连续系统综合方法设计串联校正控制器D(s)；再利用实验设备，设计并连接用于模拟该闭环控制系统的电路，在上位机测取并记录其阶跃响应。2.设计并连接模拟二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，根据测试

18、结果调整电路参数，使它满足实验要求。3.选定采样控制周期，采用保持器等价法离散化D(s),再从D(z)推导控制算法，然后在上位机上完成该算法编程、调试和运行。以阶跃信号作为系统输入，观测系统输出的屏幕显示，并作记录。4.以相同的采样控制周期，采用匹配Z 变换法离散化D(s),再从D(z)推导控制算法,然后在上位机上完成该算法编程、调试和运行。以阶跃信号作为系统输入，观测系统输出的屏幕显示，并作记录。5.以相同的采样控制周期，采用一阶差分法离散化D(s),再从D(z)推导控制算法，然后在上位机上完成该算法编程、调试和运行。以阶跃信号作为系统输入，观测系统输出的屏幕显示，并作记录。6.以相同的采样

19、控制周期，采用双线性变换法离散化D(s),再从D推导控制算法，然后在上位机上完成该算法编程、调试和运行。以阶跃信号作为系统输入，观测系统输出9计算机控制实验指导的屏幕显示，并作记录。7 .将采样控制周期减小，重复3 6,观测采样控制周期减小对系统阶跃响应的影响。8 .将采样控制周期不断增加，重 复 3-6,观测采样控制周期增大对系统阶跃响应的影响。如有系统不稳定情况发生，记下此时的采样控制周期和所采用的离散化方法。9 .对实验结果进行比较、分析和研究，写成实验报告。四.附录1.按连续系统串联校正及其动态性能实验系统被控对象的传递函数为5G(s)5 00.2 5(0.5 5 +1)s(s +2)

20、(3-1)具有串联校正控制器G(s)的线性连续系统的结构方块图如图3.1 所示按以卜要求设计期望系统的开环对数幅频特性:(1)超 调 量 4 2 0%(2)调节时间(过渡过程时间)ts 2 5%从期望系统的开环对数幅频特性中，减去上述二阶被控对象的对数幅频特性，可以得到串联校正控制器的对数幅频特性，由此得到其传递函数D(s)0.5 s+10.0 5 s +1(3-2)已知G(s)和。(s)后，参阅图3.1 所示系统结构，设计系统被控对象的模拟电路如图3.2 所示。10计算机控制实验指导R2 R3图3.22.计算机闭环控制系统的混合仿真0mIn图3.3实验系统被控对象的传递函数见式(3-1),它

21、可以用图3.3所示电路来模拟。图中电路可利用实验箱U 9、U11等单元组成。其中0m端连实验箱U3单元01,In端连实验箱U 3单元I I,以便利用该单元的数据处理功能与上位机的虚拟仪器功能观测和记录系统动态过程，用于对比分析。图3.411 5 iu s 计算机控制实验指导计算机控制系统的方框图如图3.4 所示，除了虚线框内部分用电路模拟外，其余部分山上位机和数据处理系统完成。图 34中,ZOH 为 零 阶 保 持 器,其 传 递 函 数 为 三(以 后 实 验 中 均 同 此 义)。3.D(s)的离散化方法(1)保持器等价l-e D(z)=Z f-D(s)10*+9)/i-207-1l-e

22、zu(k)=e-20Tu(k-l)+10e(k)-(e-2 z2=e 故 D(z)=i 2 0 T b il-e z从 li m D(s)=li m O(z)确定 K 得 Ks-0l-e-20rl-e-27所以 u(k)=e-20Tu(k-1)+Ke(k)-Ke-2Te(k-1)(3)一阶后向差分l-z 以$=二 代入O(s)=0.5+T O&T0.5s+1 +-有0.055+110.05+T 0.05z 0.05+TO.5+T-O.5z 0.0 5 -0.05+T D所以 u(k)=0 0 5 (k 1)+0-5+r e(k)一e(kl)0.05+T 0.05+T 0.05+T(4)双线性变

23、换2 1-7-1以S =代入。(s)T l+z0.55+1D(z)l+7-(l-T)z-10.055+11有l+T-(l-T)z 所 以u(k)0.1+T-(0.1-T)z 0.1+T l 0-1-T-i-0.1+T-0-.-1-T-u(zk.、1 +T z.1 T.1-1)H-(k)-e(k-1)0.1+T 0.1+T 0.1+T12计算机控制实验指导实验四 数字PID控制算法的研究实验目的1.学习并掌握常规数字PID及积分分离PID控制算法的原理和应用。2.学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。3.学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。二.实验内容1.利用实验设备，设计并构成用于

24、混合仿真实验的计算机闭环控制系统。2.采用常规数字PID控制，并用扩充响应曲线法整定控制器的参数。3.采用积分分离PID控制，并整定控制器的参数。三.实验步骤1 .设计并连接模拟二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。2.在上位机完成常规数字PID控制器的计算与实验结果显示、记录，并用扩充响应曲线法整定PID控制器的参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。3.在上位机完成积分分离PID控制器的计算与实

25、验结果显示、记录，改变积分分离值,观察该参数变化对系统动态性能的影响。4.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录1.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函数为(5 +1)(0.5 5 +1)它可以用图4.1 所示电路来模拟，计算机控制系统 图4.1的方框图如图4.2所示，虚13 5 iu s 计算机控制实验指导线框内部分由上位机和数据处理系统完成。图4.2参数可以取为 R o=1 0 0 k,R|=5 0 0 k,C,=2 u,R2=2 0 0 k,R3=5 0 0 k,C2=l uo2.常规数字P I D控制算法常规的P I D 控 制 律 为 =K/e(f)+

26、/f e 刈+，采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字P 1 D 控制位置式算法葭幻=K。e(幻+J 川)+本依6 e伏1)i=l/k简记为 u(k)=P e(k)+/)+D e(k)-e(k-1)/=1这里P、I、D参 数 分 别 为P”,1 =3号,D =K*采用增量式形式有：u(k)=u(k 1)+P c(k)e(k 1)+I e(k)+D e(k)2e(k 1)+e(k 2)3 积分分离P I D 控制算法设积分分离值为E I,则积分分离P I D 控制算法可表达为下式：%,(%)+/(女)+)(火)I e(火)l EI其 中i%(k)=P e伏)U (k)=U (k-1)+/e(&

27、)uD(k)=D e(k)e(k-1)4.数字P I D控制器的参数整定(1)按扩充阶跃响应曲线法整定P I D 参数在模拟控制系统中，参数整定方法较多，常用的实验整定方法有：临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数字控制时也可采用类似方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法与试凑法等等。卜面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。14计算机控制实验指导扩充阶跃响应曲线法只适用于含多惯性环节的自平衡系统。用扩充响应曲线法整定P I D参数的步骤如卜：(a)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。(b)记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线如

28、图4.3所示。(c)在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间，被控对象时间常数7；以及它们的比值T/T，查表4-1控制器的K p,K i,K d及采样周期T o(d)在运行中，对上述参数作适当调整，以获得满意的性能。表4-1控制度控制律TKPT,TD1.0 5P I0.1 T0.8 4 7；/r0.3 4 rP I D0.0 5 r1.1 5 4/72.0 r0.4 5 r1.2P I0.2 r0.7 8 7；/r3.6 rP I D0.1 6 7LOTE1.9 r0.5 5 r1.5P I0.5 r0.6 8 7；/r3.9 rP I D0.3 4 r0.8 5 7；/r1.6 2 70.8 2

29、 r扩充响应曲线法通过测取阶跃响应曲线的r ,TT参数获得一个初步的P I D控制参数，然后在此基础上通过部分参数的调节(试凑)获得满意的控制性能。参数对性能的影响参见 。(2)P I D参数对性能的影响增大比例系数K p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。但过大会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。增大积分时间T i有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间T d有利于加快系统响应，使超调量减小，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。15计算机控制实验指导实验五串级控制算法的研究实验目的1.熟悉并

30、掌握串级控制系统的结构、特点及其混合仿真研究方法。2.熟悉并掌握串级控制系统的控制器参数整定方法。二.实验内容1.设计一已知三阶被控对象的串级控制系统，并完成它的混合仿真。2.学习用逐步逼近方法整定串级控制所包含的内、外两环PI控制器参数。三.实验步骤1.设计并连接模拟三阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的两路模拟量输入、一路模拟量输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟三阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。2.在上位机完成内、外两环的常规数字P I控制器的算法编程、调试。特别注意内、外两环的采样控制周

31、期是不同的。通常外环的采样控制周期是内环的3 10倍。3.将外环断开，先整定内环的常规数字P I控制器参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。4.将内环的常规数字P I控制器参数按整定好的值固定下来，再整定外环的常规数字PI控制器参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。5.如果对上两步参数整定的结果不满意，可以将外环的常规数字P I控制器参数固定下来，重新整定内环的常规数字PI控制器参数。如果仍不能得到满意的结果，可再重复步骤 4,直至满意为止。6.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录1.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成20 1实验系统被控对象的传

32、递函数为G(s)=-(0.055+1)(25+1)s它可以用图5.1所示电路来模拟16计算机控制实验指导ZLO17 5 i u s 计算机控制实验指导计算机串级控制系统的方框图如图5.2 所示，该图中，除了虚线框内部分用电路模拟外，其余部分由上位机和数据处理系统完成。2.常规数字P I控制算法常规的P I 控制律为=K J e(f)+,etdt采用一阶差分法离散化后，可以得到%规数字P I 控制算法简记为“(k)=K,e(k)+红复E i=i或者U(k)=u(k-Y)+Pe(k)-e(k-1)+Ie(k)T这里P、I 参数分别为P =K 0,I=K-PP 3.逐步逼近整定法的整定步骤：(1)外

33、环断开，把内环当作个单闭环控制系统，并按单闭环控制系统的P I D 控制器参数整定方法(如实验四介绍的扩充响应曲线法)，求取内环P I D 控制器参数。(2)将内环P I D 控制器参数置于整定值上，闭合外环。把内环当作外环的个等效环节，外环又成为一个单闭环控制系统，再按单闭环控制系统的P I D 控制器参数整定方法(如扩充响应曲线法)，求取外环P I D 控制器参数。(3)将 外 环 P I D 控制器参数置于整定值上，闭合外环。再按上述方法求取内环P I D控制器参数。至此，完成了次逼近循环。如控制系统性能已满足要求，参数整定即告结束。否则，就回到步骤(2)。如此循环下去，逐步逼近，直到控

34、制系统性能满足要求为止18计算机控制实验指导实验六解耦控制算法的研究实验目的1.熟悉并掌握多变量耦合系统的结构、特点及其混合仿真研究方法。2.熟悉并掌握一种常用的多变量系统解耦控制算法的设计和实现方法。二.实验内容1.用前馈补偿解耦法设计一已知的两输入、两输出有耦合被控对象的解耦控制系统，并完成它的混合仿真。2.熟悉解耦控制系统的控制器参数调试方法。3.对无耦合系统、有耦合而未解耦系统以及有耦合且采用解耦控制系统的控制作比较研究。三.实验步骤1.设计并连接模拟两输入、两输出有耦合被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的两路模拟量输入、两路模拟量输出通道的设

35、计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟三阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。2.按一知的两输入、两输出有耦合被控对象的结构和传递函数，用前馈补偿解耦法设计解耦控制算法，并在上位机编写、调试和运行相应的控制程序。3.按两个独立的单闭环控制系统的整定各自的PID控制器参数。4.改变控制器参数，观测并记录实验结果。5.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录1.实验系统的结构和被控对象参数实验所采用的两输入、两输出解耦控制系统的结构方块图，如图6.1所示：图中虚线框内部分是两输入、两输出有耦合的被控对象，其传递函数G(s)为：。2（$）=0M iM i图6.

36、119计算机控制实验指导G2,(.V)=0.5G 2 2 G)10.1 5+1(6-1)该两输入、两输出有耦合的被控对象可用图6.2 所示电路模拟，参数选择符合传递函数要求，不 妨取为Ro=Rl=1 0 0 k,R 2=R 3=50 0 k,C|=l uF,R 4=R5=1 0 0 k,C2=1UF,R6=R7=1 0 0 k,R8=2 0 0 k 实验所采用的两输入、两输出解耦控制系统的混合仿真系统方框图如图6.3 所示：图6.2图6.32.前馈补偿解耦法见图6.3,图中。屋 4）和 2i（Z）构成解耦网络，它们是先按连续系统设计。G）然后离散化得到。（Z）的。见图6.4,这是一个连续的采用

37、前馈补偿解耦的两输入、两输入解耦控制系统的方块结构图。图中，如无解耦网络存在，M 不仅影响&而且影响。2；同样地，见 不 仅 影 响 G而且影响G。在图6.4 中，为利用前馈补偿消除上述耦合影响，令Cn(0+C1 2(r)=0 当也*0(C2 l(r)+C2 2(f)=O 当(6 2)20计算机控制实验指导Cl(t)C 2(t)图6.4因而有G|2（S）+3 2（S）GU（S）=0G2 1（5）+D2 1（5）G2 2（S）=O(6 3)从而得到连续的解耦网络数学模型D(s)O i 2(s)1G 2 G)G?2(5)G 屋 5）、G“（s）(6 4)1、（s）711y在实验系统中，O|2(S)

38、=,D?1(s)=-2 1 1=-0.5(0.1 5+1)=(0.0 5s +0.5)G i G)-G 2 2 G)（1 D,（z）用 一 阶 差 分 法 将。（s）离 散 化 得 到。（z）=1 2（6 5）0（z）1 ）.c /、c c /、0.0 5(1-Z-,)n c z0.0 5 八八 0.0 5,其中 R 2(Z)=0，4I(Z)=-0.5 =-(+0.5)+z在实验系统中，。,心）二化1蚂+0.5）+当/M（z）T T于是 d2（k）=一（等+0.5）m,（k）+叫（k-1）于是得到解耦控制算法叫（攵）=（%）(6 6)(6 7)(6-8)21计算机控制实验指导/%(左)=u2(

39、k)+d2(k)=%(%)(-7。+O S)/(A)+=(k-1)(6 9)其中it 1(k)=u(A _ 1)+4 ex(k)-e(k -1)+Ie(k)+.e(k)2 q(k 1)+G(k 2)(6-1 0)M,(Z:)=M,(Z:-1)+P,e2(k)-e,k-1)+1,e2(k)(6 1 1)+。2 1 6 2()2e?(k 1)+g (攵-2)3 .控制器参数调试经前馈补偿解耦法解耦以后，两输入、两输入连续控制系统的方块结构图将等价于如图 6.5所示系统，成为两个相互独立的单闭环控制系统，故调试可分以下两步进行：(1)在实际系统中，由于被控对象模型的误差，按前馈补偿解耦法设计的解耦算

40、法的参数，需要按是否达到解耦效果进行调试。为此，先将两个PID控制器置为比例环节，分别加rl(t)和 r2，测试解耦效果，调试解耦参数。(2)在解耦效果达到以后，两个PID控制器参数就可以分别按两个相互独立的单闭环控制系统各自整定。4 .关于对比分析上述解耦控制的PID控制结果同图6.2中去掉电阻改 后的系统，用 PID控制的实验结果相比较，以及同不加解耦的图6.2系统PID控制实验结果相比较。22计算机控制实验指导实验七最少拍控制算法的研究实验目的I.学习并掌握最少拍控制器的设计和实现方法，并研究最少拍控制系统对三种典型输入的适应性及输出采样点间的纹波。2.学习并掌握最少拍无纹波控制器的设计

41、和实现方法，并研究输出采样点间的纹波消除以及最少拍无纹波控制系统对三种典型输入的适应性。二.实验内容1.设计并实现对象具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制，并通过混合仿真实验研究该闭环控制系统对三种典型输入的适应性以及输出采样点间的纹波。2.设计并实现对象具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波控制，并通过混合仿真实验观察，该闭环控制系统输出采样点间纹波的消除，以及系统对三种典型输入的适应性。三.实验步骤1.设计并连接模拟由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据处理系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。2.利用上位机的虚拟仪

42、器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，分别测取惯性环节的放大倍数、时间常数以及积分环节的枳分时间常数。在上位机完成阶跃输入下最少拍控制计算与实验结果显示、记录。先完成阶跃输入下最少拍控制器的参数设计和调试，然后再用另外两种典型信号(等速与等加速)作为系统输入,观察系统输出并记录。3.在上位机完成阶跃输入下最少拍无纹波控制器的计算与实验结果显示、记录。先完成阶跃输入下最少拍无纹波控制器的参数设计和调试，然后再用另外两种典型信号(等速与等加速)作为系统输入，观察系统输出并记录。4.对记录的实验结果进行分析，写出实验报告。四.附录1.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函

43、数为G(s)=-(7-1)s(7s+l)它可以用图7.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图7.2所示：23计算机控制实验指导最少拍控制的效果对被控对象的参数变化非常敏感，实验中必须测取模拟对象的实际参数。2.系统环节参数测试（1）惯 性 环 节 一 仁平+1的参数测定测取图7.1中第一环节模拟电路的阶跃响应，根据图7.2阶跃响应的稳态值和阶跃信号幅值确定（和7；。由也确定,其中“一阶跃信号幅值Uy（o o）一环节输出稳定值根 据 比0 =0.6 3确定（%（8）（2）积分环节时间常数的测定如要测图7.1第二个环节的积分时间常数，取同样阻值R 2的电阻并联于C 2两端，于是变成一个惯性环

44、节 一，同（1）法测取。，邺 里=0.6 3,7；即积分时间常数。7 2$+1 月（）（3）系统K的确定于是对于式（7-1）中的K,有K =&。T23.等速输入下最少拍控制器的设计及其对其它典型输入的适应性见图7.2,对实验系统来说，加零阶保持器后对象的S传递函数为1_e-TsG(s)=-s(7 s +l)(7-2)K选择采样控制T ,将上述S传递函数离散化，可得到加零阶保持器后对象的Z传递函数24计算机控制实验指导(T-T,+Txe-TT)z-+(.Tt-T 17-T eT a)z2G(Z)=K-;-777-;-(7 3,考虑等速输入下最少拍无差条件，可以得到(/)z)-Z-I(2-Z-1)

45、(7-4)l-0(Z)=(l-r)2(7-5)所以有 D(z)q，a=*)()E G(z)l-(z)KA(l-z-)(l+BZ-1)1 2-(l+2e-T/T)z-+e-r,riz-2 门 八=-i-;-(7-6)KA l+(B-l)z-Bz2其中 A=T+Me-7F 8=建7小 -T e-T/A由此可得等速输入下最少拍算法：图7.3a阶跃信号输入按等速输入F最少拍无差系统设计的控制器，在等速输入下可使闭环系统的输出在第二拍（即两个采样周期）跟上，此后在采样点上达到无差，见图7.3b）。对等加速输入来说，系统出现稳态误差，其稳态的输出误差值为72=1 ,见图7.3c）。对阶跃输入来说，虽然输出

46、在第二拍开始也达到无差，但在输出的第一拍出现了100%的超调，见图7.3a）。图7.3b等速信号输入图7.3c抛物线输入25计算机控制实验指导4.等速输入下最少拍无纹波控制器的设计及其对其它典型输入的适应性按最少拍无差系统设计，最多只能达到采样点上无偏差，而不能保证采样点间无纹波。最少拍无纹波设计，不仅要做到采样点上无偏差，而且要做到采样点间无纹波。(7 8)(7-9)_(2 8 +1)2-B-+2B+已经得到实验系统的加零阶保持器后对象的Z传递函数，如 式(7-3)所示。根据等速输入下最少拍无纹波条件，可以得到(z)=(l+B z-,)(a1+a2r,)z-ll-(z)=(l-z-1)2(l

47、+f e-)两 式 联 立 求 解 确 定 吗 力，取 有 q =俨+2-1 2 1 1+2 8 +18(2 8 +1)B2+2 B +1所 以 有 翁卷篝T巧言黑黑 4+(%/2K A 1 +(Z?1)2 1 b z (7-1 0)由此可得等速输入下最少拍无纹波算法u(k)=(l-)w(jt-1)+b u(k-2)+e(k)e(D KAe(k-2)(7-H)在不同典型输入下，按等速输入下最少拍无纹波条件设计系统的时域响应如图7.4 a),b),c)所示。按等速输入下最少拍无纹波条件设计的系统与按等速输入下最少拍无差条件设计的系统相比较，可见：(1)在等速输入下，最少拍无纹波系统不仅做到采样点

48、上无偏差，而且能做到采样点间无纹波。但是，其过渡过程比最少拍无差系统延长了 拍。(2)最少拍无纹波系统只在纹波问题上有改进，在对输入的适应性上，和最少拍无差系统一样，没有改善。26计算机控制实验指导图 7.4a阶跃无纹波 图 7.4 b 等速无纹波图 7.4c抛物线无纹波27计算机控制实验指导实验八具有纯滞后系统的大林控制实验目的通过混合仿真实验，学习并掌握用于具有纯滞后系统的大林控制算法的设计及其实现。二.实验内容针对一个具有纯滞后的被控对象，设计并实现大林控制，并通过混合仿真实验观察振铃现象。三.实验步骤1.设计并连接模拟具有一个惯性环节的被控对象的电路，利 用 C8051F060构成的数

49、据处理系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接，利用上位机模拟被控对象的纯滞后。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。2.编制程序并运行，完成所设计的大林算法的控制计算，观察系统输出中的振铃现象。3.对实验结果进行分析，并写出实验报告。四.附录1.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被捽对象的传递函数为Ke-Os _ KTts+平+1(8-1)上式中，滞后环节e-外由上位机软件模拟，。为滞后时间，这里取e =,T为采样周期。对象传递函数的其余部分可以用图8.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图8.2

50、所 示,这 里 K=10,4=1,n=1 o图8.128计算机控制实验指导图8.22.大林算法根据被控对象的S传递函 数 式(8-1),大林算法选定e-es。)=彳-6=nTT()s+1(8-2)”按控制要求选择。作为闭环控制的综合目标，与0G)相对应的l-e-Ts0(Z)=Z-O 一 I-1(8-3)而包含零阶保持器被控对象的S传递函数为iI P-Ts iI P-TsG(s)=-G(s)=-Ke-05率+1K(l-eT/T)zn离散化后得到G(z)=ZG(5)=.-eT/Tz于是可以得到大林算法控制器的Z传递函数(8-4)。=(l-e-T,T-e-T,TZ-)K(1-eT,T)1-e-T,T