1、計算機控制技術實驗指導書遼寧科技大學電信學院目 錄實驗一、D（S）離散化方法的研究.。.2實驗二、數字PID算法的研究.。8實驗三、數字濾波器。15實驗一、D（S）離散化方法的研究一、實驗目的1學習并掌握數字控制器的設計方法；2熟悉將模擬控制D(S）離散為數字控制器的原理和方法；3通過數模混合實驗，對D（S）的多種離散化方法作比較研究，并對D（S）離散化前后閉環系統得性能進行比較,以加深對計算機控制系統的理解。二、實驗設備1THBDC-1型控制理論·計算機控制技術實驗臺；2THBXD數據采集卡一塊；3PC機1臺。三、實驗內容1按連續系統的要求，照圖1。1的方案設計一個與被控對象串聯的

2、模擬控制D（S），并用示波器觀測系統的動態特性。2利用實驗平臺,設計一個數模混合仿真的計算機控制系統，并利用D（S）離散化后所編寫的程序對系統進行控制。3研究采樣周期Ts變化時，不同離散化方法對閉環控制系統性能的影響。4對上述連續系統和計算機控制系統的動態性能作比較研究。四、實驗原理-由于計算機的發展，計算機及其相應的信號變換裝置（A/D和D/A)取代了常規的模擬控制.在對原有的連續控制系統進行改造時，最方便的辦法是將原來的模擬控制器離散化,其實質是將數字控制部分(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的傳遞函數D（S）。這樣，計算機控制系統可近似

3、地視為以D（S）為控制器的連續控制系統。1。 系統性能指標要求：系統的速度誤差系數，超調量,系統的調節時間據要求可得： ， 令 ，則校正后的開環傳遞函數為由上式得 ，,取，則 2。 的離散化算法圖2.1 數模混合控制的方框圖圖2.1中的離散化可通過數據采集卡的采樣開關來實現。傳遞函數與Z傳遞函數間的相互轉換，可視為模擬濾波器與數字濾波器之間的轉換.常用的轉換方法有：a) 階躍響應不變法（或用脈沖響應法)b) 后向差分法c) 雙線性變換五、實驗步驟1啟動計算機，在桌面雙擊圖標THBDC-1，運行實驗軟件。2點擊工具欄上的“通道設置”，在彈出的對話框中選擇單通道采集、通道“1”，并點擊“開始采集”

4、按鈕。實驗系統的原理框圖如圖2.2所示。圖2.2 二階對象的方框圖3按圖2。3連接一個二階被控對象的模擬電路，其中電路的輸入端連接到數據采集卡的DA1輸出端，電路的輸出端與數據采集卡的AD1輸入端相連。然后啟動實驗臺的“電源開關”,并按下鎖零按鈕使其處于“鎖零"狀態。圖2.3 二階對象的模擬電路圖4點擊工具欄上的“腳本編輯器”，在彈出的窗口中點擊“打開”按鈕。在“D（S）離散化方法研究”文件夾下選中“階躍響應不變法”腳本程序并打開,閱讀、理解該程序。在選定采樣周期Ts的值(100ms）后，彈起鎖零按鈕使其處于“不鎖零”狀態。運行該程序，用示波器觀察圖1。2輸出端的響應曲線。結束本次實

5、驗后按下鎖零按鈕使其處于“鎖零”狀態。5參考上一步的操作，在“D(S)離散化方法研究"文件夾下選中“后向差分法”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。在選定采樣周期Ts的值（100ms）后,彈起鎖零按鈕使其處于“不鎖零”狀態。運行該程序,用示波器觀察圖1。2輸出端的響應曲線.結束本次實驗后按下鎖零按鈕使其處于“鎖零”狀態。6參考上一步的操作，在“D(S）離散化方法研究”文件夾下選中“雙線性變換”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。在選定采樣周期Ts的值（100ms)后，彈起鎖零按鈕使其處于“不鎖零”狀態。運行該程序，用示波器觀察圖1.2輸出端的響應曲線。結束本次實驗后按下鎖零按鈕使其處于“

6、鎖零”狀態.7將采周期Ts減小或增大，重復步驟4、5、6,用示波器觀測采樣周期Ts的減小或增大對系統階躍響應的影響。如系統出現不穩定情況，記下此時的采樣周期Ts和所采用的離散化方法。8學生自行設計校正后系統的模擬電路圖，并求出相應的參數。然后按圖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，并用上位機輸出一個階躍信號，觀察其響應曲線,并與前面4、5、6步驟中采用數字控制器的實驗曲線相比較。圖2.4 校正后二階系統的模擬電路圖，9實驗結束后，關閉“腳本編輯器”窗口，并順序點擊對話框中的“停止采集”與工具欄的“退出”按鈕.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（

7、PID校正裝置)前后的響應曲線.2編寫數字控制器（階躍響應不變法）的腳本程序.3繪出二階被控對象在采用數字控制器后的響應曲線，并分析采樣周期Ts的減小或增大對系統階躍響應的影響。七、程序示例數字控制器（階躍響應不變法)的程序編寫與調試示例dim pv，sv，ei,eix,op,opx,Ts 變量定義sub inputdata(） 輸入接口程序 pv=myobject.inputdata1 AD1通道的采樣值end subsub main（） 主程序 sv=1.5 設定值 Ts=0。1 ei=sv-pv 控制偏差 op=exp（4。54*Ts）opx+(2.27ei-(1。27+exp（4.54

8、Ts）eix)0。45 eix=ei eix為控制偏差的前項 opx=op opx為控制輸出的前項 if op<=5 then op=5 end if if op>=4.8 then op=4.8 end if 輸出限幅end subsub outputdata() 輸出接口程序 myobject。outputdata1=op 控制器的輸出end sub實驗二、數字PID算法的研究一、實驗目的1學習并熟悉常規的數字PID控制算法的原理；2學習并熟悉積分分離PID控制算法的原理；3掌握具有數字PID調解器控制系統的實驗和調節器參數的整定方法。二、實驗設備1THBDC1型控制理論

9、83;計算機控制技術實驗臺;2THBXD數據采集卡一塊；3PC機1臺。三、實驗內容1利用本實驗平臺，設計并構成一個用于混合仿真實驗的計算機閉環實時控制系統.2采用常規的PI和PID調節器，構成計算機閉環系統，并對調節器的參數進行整定，使之具有滿意的動態性能。3對系統采用積分分離PID控制,并整定調節器的參數。四、實驗原理在工業過程控制中,應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)組合而成的控制規律。而數字PID控制器則是由模擬PID控制規律直接變換得到.在PID控制規律中,引入積分的目的是為了消除靜差,提高控制精度，但系統中引入了積分，往往使之產生過大的超

10、調量，這對某些生產過程是不允許的.因此在工業生產中常用改進的PID算法，如積分分離PID算法，其思想是當被控量與設定值偏差較大時取消積分控制；當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，又減小了超調量。1常規PID控制算法常規PID控制位置式算法為:對應的Z傳遞函數為式中：-比例系數 -采樣周期 -積分系數 -積分系數其增量形式為2積分分離PID控制算法系統中引入了積分分離算法時，積分分離PID算法要設置分離閾；當時，采用PID控制，以保持系統的控制精度.當時，采用PD控制，可使減小。積分分離PID控制算法為：式中稱為邏輯系數：當時,=1當時，=0

11、3數字PID控制器的參數整定在模擬控制系統中,參數整定的方法較多,常用的實驗整定法有：臨界比例度法、階躍響應曲線法、試湊法等.數字控制器參數的整定也可采用類似的方法，如擴充的臨界比例度法、擴充的階躍響應曲線法、試湊法等。下面簡要介紹擴充階躍響應曲線法。擴充階躍響應曲線法只適合于含多個慣性環節的自平衡系統.用擴充階躍響應曲線法整定PID參數的步驟如下：（1）數字控制器不接入控制系統，讓系統處于開環工作狀態下，將被調量調節到給定值附近,并使之穩定下來.（2）記錄被調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，求得滯后時間和被控對象時間常數,以及它們的比值，然后查下表確定

12、控制器的、及采樣周期.控制度控制律TKpTiTd1.05PI0.10.840。34-PID0.051。152。00。451.2PI0.20。783.6PID0.161。01。90。551。5PI0.50.683.9-PID0.340。851。620.82擴充響應曲線法通過測取響應曲線的參數、獲得一個初步的PID控制參數,然后在此基礎上通過部分參數的調節（試湊）使系統獲得滿意的控制性能.五、實驗步驟1啟動計算機，在桌面雙擊圖標THBDC1，運行實驗軟件.2點擊工具欄上的“通道設置”，在彈出的對話框中選擇單通道采集、通道“1",并點擊“開始采集"按鈕.3按圖3。1連接一個二階被

13、控對象閉環控制系統的電路，該電路的輸出與數據采集卡的輸入端AD1相連,該電路的輸入與數據采集卡的輸出端DA1相連.待檢查電路接線無誤后，啟動實驗臺的“電源開關”，按下鎖零按鈕使其處于“不鎖零”狀態。被控對象的傳遞函數為：被控對象的模擬與計算機閉環控制系統的構成圖3.1 數-模混合控制系統的方框圖圖中信號的離散化通過數據采集卡的采樣開關來實現。圖3。2 二階對象的模擬電路圖4點擊工具欄上的“腳本編輯器”，在彈出的窗口中點擊“打開”按鈕.在“數字PID調節器算法”文件夾下選中“位置式PID"腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。然后在“腳本編輯器”窗口上點擊“運行”按鈕，用示波器觀察圖3。2

14、輸出端的響應曲線.5在“腳本編輯器”窗口上點擊“停止”按鈕，利用擴充響應曲線法整定PID控制器的P、I、D及系統采樣時間Ts等參數，然后再運行.在整定過程中注意觀察參數的變化對系統動態性能的影響.6在“腳本編輯器”窗口上點擊“打開”按鈕，在“數字PID調節器算法"文件夾下選中“增量式PID”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。然后在“腳本編輯器”窗口上點擊“運行”按鈕，用示波器觀察圖3.2輸出端的響應曲線.并根據上一步整定PID控制器參數的方法，整定P、I、D及系統采樣時間Ts等參數。在整定過程中注意觀察參數的變化對系統動態性能的影響。7在“腳本編輯器”窗口上點擊“打開”按鈕，在“數字

15、PID調節器算法"文件夾下選中“積分分離式PID”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序。然后在“腳本編輯器”窗口上點擊“運行”按鈕，用示波器觀察圖3.2輸出端的響應曲線。選擇合適的分離閾值tem,并整定PID控制器的P、I、D及系統采樣時間Ts等參數。在整定過程中注意觀察參數的變化對系統動態性能的影響。8實驗結束后,關閉“腳本編輯器”窗口，并順序點擊對話框中的“停止采集”與工具欄的“退出”按鈕。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控制下的響應曲線。2編寫積分分離PID控制算法的腳本程序.3分析常規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、程序示例

16、位置式PID數字控制器程序的編寫與調試示例dim pv,sv,ei，k，ti，td，q0，q1,q2,mx，pvx，op 變量定義sub inputdata（) 輸入接口程序 pv=myobject.inputdata1 AD1通道的測量值end subsub main（) 主程序 sv=1.5 設定值 k=0。5 比例系數P ti=20 積分時間常數I td=0 微分時間常數D ei=svpv 控制偏差 if k=0 and ti=0 and td=0 then q0=0 比例項 q1=0 積分項 q2=0 微分項 end if if k<>0 and ti0 then q0=k

17、*ei mx=k0.1ei/ti 積分增量 q2=ktd*（pvxpv)/0.1 end if if ti=0 then q0=kei q1=0 mx=0 q2=k*td*（pvx-pv)/0。1 end if if mx5 then mx=5 end if if mx5 then mx=5 end if 積分增量限幅 q1=q1+mx pvx=pv op=q0+q1+q2 PID控制器的輸出if op5 then op=5 end if if op<-5 then op=5 end ifend subsub outputdata（) 輸出接口程序 myobject。outputdata

18、1=op 控制器的輸出給DA1通道end sub實驗三 數字濾波器一、實驗目的1通過實驗熟悉數字濾波器的實現方法；2研究濾波器參數的變化對濾波性能的影響。二、實驗設備1THBCC-1型 信號與系統控制理論及計算機控制技術實驗平臺2THBXD數據采集卡一塊（含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機1臺(含軟件“THBCC1”)三、實驗內容1設計一個帶尖脈沖（頻率可變）干擾信號和正弦信號輸入的模擬加法電路；2設計并調試一階數字濾波器；3設計并調試高階數字濾波器.四、實驗原理1在許多信息處理過程中，如對信號的濾波，檢測，預測等都要廣泛地用到濾波器。數字濾波器是數字信號處理中廣泛使用的

19、一種線性環節，它從本質上說是將一組輸入的數字序列通過一定規則的運算后轉變為另一組希望輸出的數字序列。一般可以用兩種方法來實現：一種是用數字硬件來實現；另一種是用計算機的軟件編程來實現.一個數字濾波器，它所表達的運算可用差分方程來表示：2一階數字濾波器及其數字化一階數字濾波器的傳遞函數為 利用一階差分法離散化，可以得到一階數字濾波器的算法： 其中TS為采樣周期，為濾波器的時間常數.TS和應根據信號的頻譜來選擇。3高階數字濾波器高階數字濾波器算法很多，這里只給出一種加權平均算法：其中權系數滿足：.同樣也根據信號的頻譜來選擇。五、實驗步驟1、實驗接線及準備1。1啟動計算機，在桌面雙擊圖標THBCC-

20、1，運行實驗軟件；1.2啟動實驗臺的“電源總開關”，打開±5、±15V電源。將低頻函數信號發生器單元輸出端連接到采集卡的“AD1"通道，并選擇方波輸出。在虛擬示波器觀測方波信號的頻率和幅值，然后調節信號發生器中的“頻率調節”和“幅度調節”電位器，使方波信號的頻率和幅值分別為4Hz，2V。然后斷開與采集卡的連接,將低頻函數信號發生器單元輸出端連接到“脈沖產生電路”單元輸入端，產生一個尖脈沖信號Uo;1.3按圖22連接電路，其中正弦信號來自數據采集卡的“DA1"輸出端，尖脈沖信號來自U1單元的輸出端.圖2-2的輸出端與數據采集卡的“AD1”輸入端相連,同時將

21、數據采集卡的“DA2”輸出端與“AD2”輸入端相連；2、腳本程序運行2。1點擊軟件工具欄上的 “” 按鈕（腳本編程器)，打開腳本編輯器窗口;2.2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計算機控制技術基礎算法"文件夾下選中“數字濾波”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試菜單下“步長設置”，將腳本算法的運行步長設為10ms；2。3點擊腳本編輯器窗口的調試菜單下“啟動"，用雙蹤示波器分別觀察圖2-2的輸出端和數據采集卡輸出端“DA2”的波形。調節信號發生器中的“頻率調節”電位器，改變方波信號的頻率(即尖脈沖干擾信號的頻率).觀察數據濾波器的濾波效果;2。4點擊腳本編輯器的調試菜單下“停止”，修改算法程序中的參數Ts(注：修改Ts時要同步修改算法的運行步長）、Ti兩個參數，然后再運行該程序，在示波器上再次觀察參數變化對濾波效果的影響;2.5對于高階數字濾波器的算法編程實驗，請參考本實驗步驟2。2、 2。3和2.4.不同的是打開的腳本程序文件名為“數字濾波（高階）"，實驗時程序可修改的參數為a1、a2、a3和采樣時間Ts。2。6 實驗結束后，關閉腳本編輯器窗口，退出實