1、计算机控制技术实验指导书辽宁科技大学电信学院1目 录实验一、D（S）离散化方法的研究.2实验二、数字 PID 算法的研究8实验三、数字滤波器.152实验一、D（S）离散化方法的研究一、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 D（S）离散为数字控制器的原理和方法；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得性能进行比较，以加深对计算机控制系统的理解。二、实验设备1THBDC-1 型控制理论计算机控制技术实验台；2THBXD 数据采集卡一块；3PC 机 1 台。三、实验内容1按连续系统的要求，照图 1.1 的方案设计一个与被控对
2、象串联的模拟控制 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，不同离散化方法对闭环控制系统性能的影响。34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）
3、。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。1. 系统性能指标要求：系统的速度误差系数 ，超调量 ，系统的5Kv%10p调节时间 st1据 要求可得：Kv， 5)1.0(limS0K)2().()0 SG令 ，则校正后的开环传递函数为aSD2)( )2()(10)(0 nSaS由上式得 ， ，取 ，则nn2/447.102aSsSD2.0154.2.05.)( 2. 的离散化算法图 2.1 数模混合控制的方框图图 2.1 中 的离散化可通过数据采集卡的采样开关来实现。)(SD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：
4、a) 阶跃响应不变法（或用脉冲响应法）b) 后向差分法c) 双线性变换五、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 THBDC-1，运行实验软件。2点击工具栏上的“通道设置” ，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1” ，并点击“开始采集”按钮。实验系统的原理框图如图 2.2 所示。图 2.2 二阶对象的方框图3按图 2.3 连接一个二阶被控对象的模拟电路，其中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。然后启动实验台的“电源开关” ，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态。5+1 0 0 K1 u F1 0 0 K5 0 0 K1 0 u F图
5、2.3 二阶对象的模拟电路图4点击工具栏上的“脚本编辑器” ，在弹出的窗口中点击“打开”按钮。在“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。在选定采样周期 Ts 的值（100ms）后，弹起锁零按钮使其处于“不锁零”状态。运行该程序，用示波器观察图 1.2 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。5参考上一步的操作，在“D（S）离散化方法研究”文件夹下选中“后向差分法”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。在选定采样周期 Ts 的值（100ms）后，弹起锁零按钮使其处于“不锁零”状态。运行该程序，用示波器观察图 1.2 输出端的
6、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。6参考上一步的操作，在“D（S）离散化方法研究”文件夹下选中“双线性变换”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。在选定采样周期 Ts 的值（100ms）后，弹起锁零按钮使其处于“不锁零”状态。运行该程序，用示波器观察图 1.2 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。7将采周期 Ts 减小或增大，重复步骤 4、5、6，用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6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。8学生自行设计校正后系统的模拟电路图，并求出相应的参数然后按图连接
7、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，并用上位机输出一个阶跃信号，观察其响应曲线，并与前面 4、5、6 步骤中采用数字控制器的实验曲线相比较。图 2.4 校正后二阶系统的模拟电路图，KR501uFC1， ，4.22029实验结束后，关闭“脚本编辑器”窗口，并顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏的“退出”按钮。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、程序示例数字控制器
8、（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 inputdata() 输入接口程序7pv=myobject.inputdata1 AD1 通道的采样值end subsub main() 主程序sv=1.5 设定值Ts=0.1ei=sv-pv 控制偏差op=exp(-4.54*Ts)*opx+(2.27*ei-(1.27+exp(-4.54*Ts)*eix)*0.45eix=ei eix 为控制偏差的前项opx=op opx 为控制输出的前项if op=4.8 thenop=4.8end if 输出限幅end subsub outpu
9、tdata() 输出接口程序myobject.outputdata1=op 控制器的输出end sub8实验二、数字 PID 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 调解器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验设备1THBDC-1 型控制理论计算机控制技术实验台；2THBXD 数据采集卡一块；3PC 机 1 台。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
10、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 控制规律直接变换得到。在 PID 控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高9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
11、。这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。1常规 PID 控制算法常规 PID 控制位置式算法为： )1()()()(1keTiekeKudkip对应的 Z 传递函数为 )1()( zKzEUDdip式中： 比例系数 采样周期pKT积分系数 积ipiTTdpd分系数其增量形式为 )2()1(2)()1()1() kekeKkeKku dip2积分分离 PID 控制算法系统中引入了积分分离算法时，积分分离 PID 算法要设置分离阈 ；0E当 时，采用 PID 控制，以保持系统的控制精度。0)(kTe10当 时，采用 PD 控制，可使 减小。0)(EkTep积分分离 PID 控制算法为： )1(
12、)()()(0keKjekeKudkjip式中 称为逻辑系数：e当 时， =10)(EkTe当 时， =0eK3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：（1）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。（2）记录被调量在阶跃输入下的
13、整个变化过程，如下图所示。1101T xtU ( t )0（3）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 ，以及它们的比值 ，然后查下表确定控制器的xT/x、 、 及采样周期 。pKidT控制度 控制律 T Kp Ti TdPI 0.10.84 /x0.34 1.05PID 0.05 1.15 2.0 0.45PI 0.20.78 /xT3.6 1.2PID 0.16 1.0 1.9 0.55PI 0.50.68 /x3.9 1.5PID 0.34 0.85T1.62 0.82扩充响应曲线法通过测取响应曲线的参数 、 获得一个初x步的 PID 控制参数，然后在此基础上通过部分参
14、数的调节（试凑）使系统获得满意的控制性能。五、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 THBDC-1，运行实验12软件。2点击工具栏上的“通道设置” ，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1” ，并点击“开始采集”按钮。3按图 3.1 连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路，该电路的输出与数据采集卡的输入端 AD1 相连，该电路的输入与数据采集卡的输出端 DA1 相连。待检查电路接线无误后，启动实验台的“电源开关” ，按下锁零按钮使其处于“不锁零”状态。被控对象的传递函数为： )15.0()2(10)( ssSG被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成图 3.1 数-模混合控制系统的方框图图中
15、信号的离散化通过数据采集卡的采样开关来实现。+1 0 0 K1 u F1 0 0 K5 0 0 K1 0 u F1 0 0 K图 3.2 二阶对象的模拟电路图4点击工具栏上的“脚本编辑器” ，在弹出的窗口中点击“打开”按钮。在“数字 PID 调节器算法”文件夹下选中“位置式 PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮，用示波器观察图 3.2 输出端的响应曲线。5在“脚本编辑器”窗口上点击“停止”按钮，利用扩充13响应曲线法整定 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。6
16、在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮，在“数字PID 调节器算法”文件夹下选中“增量式 PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮，用示波器观察图 3.2 输出端的响应曲线。并根据上一步整定 PID 控制器参数的方法，整定 P、I、D 及系统采样时间 Ts 等参数。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。7在“脚本编辑器”窗口上点击“打开”按钮，在“数字PID 调节器算法”文件夹下选中“积分分离式 PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序。然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮，用示波器观察图 3.2 输出端的响应曲线。选择合适的分离
17、阈值 tem，并整定 PID 控制器的 P、I、D 及系统采样时间 Ts 等参数。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。8实验结束后，关闭“脚本编辑器”窗口，并顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏的“退出”按钮。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14中的控制效果。七、程序示例位置式 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 inputda
18、ta() 输入接口程序pv=myobject.inputdata1 AD1 通道的测量值end subsub main() 主程序sv=1.5 设定值k=0.5 比例系数 Pti=20 积分时间常数 Itd=0 微分时间常数 Dei=sv-pv 控制偏差if k=0 and ti=0 and td=0 thenq0=0 比例项q1=0 积分项q2=0 微分项end ifif k0 thenq0=k*eimx=k*0.1*ei/ti 积分增量q2=k*td*(pvx-pv)/0.1end ifif ti=0 thenq0=k*eiq1=0mx=0q2=k*td*(pvx-pv)/0.1end ifif mx5 thenmx=5end ifif mx5 then15op=5end ifif op=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高阶数字滤波器的编程请参考“THBCC-1”安装目录下的“计算机控制算法 VBS计算机控制技术基础算法”目录内参考示例程序。20
