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1、计算机控制技术实验指导书辽宁科技大学电信学院目 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.15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象串联的模拟控制D（S），
2、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。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
3、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，系统的调节时间据要求可得： ， 令 ，则校正后的开环传递函数为由上式得 ，取，则 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。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
4、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。图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
5、”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
6、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，9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
7、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（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 pv=myobject.inputdata1 AD1通道的采样值end subsub main() 主程序 sv=1.5 设定值 Ts=0.1 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 e
8、ix=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 then op=4.8 end if 输出限幅end subsub outputdata() 输出接口程序 myobject.outputdata1=op 控制器的输出end sub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
9、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
10、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。1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：比例系数 采样周期 积分系数 积分系数其增量形式为2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；当时，采用PID控制，以保持系统的控制精度。当时，采用PD控制，可使减小。积分分离PID控制算法为：式中称为逻辑系数：当时，=1当时，=03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
11、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整个变化过程，如下图所示。（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、及采样周期。控制度控制律TKpTiTd1.05PI0.10.840.34PID0.051.152.0
12、0.451.2PI0.20.783.6PID0.161.01.90.551.5PI0.50.683.9PID0.340.851.620.82扩充响应曲线法通过测取响应曲线的参数、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（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
13、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：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信号的离散化通过数据采集卡的采样开关来实现。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
