計算機控制實驗指導(dǎo)書

目錄計算機控制實驗指導(dǎo)TOC\o"1-5"\h\z.概述 1\o"CurrentDocument".實驗一A/D與D/A轉(zhuǎn)換 3\o"CurrentDocument".實驗二數(shù)字濾波 7\o"CurrentDocument".實驗三D(s)離散化方法的研究 9\o"CurrentDocument".實驗四數(shù)字PID控制算法的研究 13\o"CurrentDocument".實驗五串級控制算法的研究 16\o"CurrentDocument".實驗六解耦控制算法的研究 19\o"CurrentDocument".實驗七最少拍控制算法的研究 23\o"CurrentDocument".實驗八具有純滯后系統(tǒng)的大林控制 28\o"CurrentDocument".實驗九線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制 30\o"CurrentDocument".實驗十二維模糊控制器 33\o"CurrentDocument".實驗十一單神經(jīng)元控制器 36計算機控制對象實驗指導(dǎo)\o"CurrentDocument".實驗一直流電機轉(zhuǎn)速計算機控制實驗 39\o"CurrentDocument".實驗二水箱液位計算機控制實驗 41=.計算機控制軟件說明.概述 43\o"CurrentDocument".安裝指南及系統(tǒng)要求 48\o"CurrentDocument". LabVIEW編程及功能介紹 495.附錄 78概述系統(tǒng)功能特點.以PC微機為操作臺，高效率支持“計算機控制”的教學(xué)實驗。.系統(tǒng)含有高階電模擬單元，可根據(jù)教學(xué)實驗需要進(jìn)行靈活組合，構(gòu)成各種典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)。.系統(tǒng)含有界面友好、功能豐富的軟件。PC微機在實驗中，除了用作實驗測試所需的虛擬儀器外，還可用作測試信號發(fā)生器以及具有很強柔性的數(shù)字控制器。.系統(tǒng)的硬件、軟件設(shè)計，充分考慮了開放型、研究型實驗的需要。可自己設(shè)計實驗內(nèi)容，構(gòu)建系統(tǒng)對象，編寫控制算法，進(jìn)行計算機控制技術(shù)的研究。二.系統(tǒng)構(gòu)成實驗系統(tǒng)由上位PC微機（含實驗系統(tǒng)上位機軟件）、ACCT-I實驗箱、USB2.0通訊線等組成。ACCT-I實驗箱內(nèi)裝有以C8051F060芯片（含數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)軟件）為核心構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理卡，通過USB□與PC微機連接。.ACCT-I實驗箱簡介ACCT-I實驗箱是一個通用的實驗箱。它主要由電源部分U1單元，信號源部分U2單元，與PC機進(jìn)行通訊的數(shù)據(jù)處理單元U3,元器件單元U4,非線性單元U5,U6,U7,模擬電路單元U8?U16組成，詳見附圖。電源單元U1,包括電源開關(guān)，保險絲，+5V,-5V,+15V,-15V,OV,1.2V~15V可調(diào)電壓的輸出。U2信號源單元可以產(chǎn)生周期方波信號、周期斜坡信號、周期拋物線信號和正弦信號，頻率幅值可調(diào)。U3單元為數(shù)據(jù)處理模塊，用于完成數(shù)據(jù)采集與數(shù)據(jù)輸出，并通過并行口與上位PC機進(jìn)行通訊。U4單元提供了實驗所需的電容與電阻，電位器，另提供插接電路，供放置自己選定大小的元器件。U5,U6,U7分別為典型的非線性環(huán)節(jié)電路。U8?U16為由運算放大器與電阻，電容等器件組成的模擬電路單元，由場效應(yīng)管組成的電路用于鎖零。在“計算機控制”實驗中，這些單元常被用于模擬被控對象。.軟件系統(tǒng)上位機軟件使用及怎樣用LabVIEW編程語言編寫計算機控制軟件詳見《計算機控制技術(shù)軟件說明》。三.計算機控制實驗系統(tǒng)實驗內(nèi)容.A/D與D/A轉(zhuǎn)換.數(shù)字濾波.D（s）離散化方法的研究.數(shù)字PID控制算法的研究.串級控制算法的研究.解耦控制算法的研究.最少拍控制算法的研究.具有純滯后系統(tǒng)的大林控制.線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制.二維模糊控制器.單神經(jīng)元控制器四.實驗注意事項.實驗開始前需要對實驗箱上的運算放大器電路進(jìn)行調(diào)零。.運算放大器邊上的鎖零點G接線要正確。在需要鎖零時，可與輸入信號同步的鎖零信號相連。如采用PC產(chǎn)生輸入信號，則連U3單元的G1（同步對應(yīng)O1信號），G2（同步對應(yīng)02）；如采用U2單元的輸入信號，則連接U2單元上的G（同步對應(yīng)U2單元發(fā)生信號）。鎖零主要用于對電容充電后需要放電的場合，一般情況下不需要鎖零信號。不需要鎖零時，請把G與-15V相連。.系統(tǒng)軟件支持鎖零信號設(shè)定。通過對O1的端口輸出實現(xiàn)其對應(yīng)端口G1的輸出，通過對02的端口輸出實現(xiàn)對應(yīng)端口G2的輸出（腳本程序?qū)?yīng)處編程設(shè)定），G1與G2信號分別與O1,02信號同步。經(jīng)常的操作有：用一路輸出作為計算機控制時數(shù)據(jù)處理的D/A通道，另一路用來控制鎖零信號；當(dāng)同時需用01與02作為數(shù)據(jù)處理的D/A通道時，處理方法參照上面第2點內(nèi)容。.在設(shè)計和連接被控對象或系統(tǒng)的模擬電路時，要特別注意，實驗箱上的運放都是反相輸入的，因此對于整個系統(tǒng)以及反饋的正負(fù)引出點是否正確都需要仔細(xì)考慮，必要時接入反相器。實驗一A/D與D/A轉(zhuǎn)換實驗?zāi)康?通過實驗，熟悉并掌握實驗系統(tǒng)原理與使用方法。.通過實驗掌握模擬量通道中模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法。二.實驗內(nèi)容.利用實驗系統(tǒng)完成測試信號的產(chǎn)生.測取模數(shù)轉(zhuǎn)換的量化特性，并對其量化精度進(jìn)行分析。.設(shè)計并完成兩通道模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗。三.實驗步驟.了解并熟悉實驗設(shè)備，掌握以C8051F060為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)的模擬量通道設(shè)計方法，熟悉上位機的用戶界面，學(xué)習(xí)其使用方法；.利用實驗設(shè)備產(chǎn)生。?5V的斜坡信號，輸入到一路模擬量輸入通道，在上位機軟件的界面上測取該模擬量輸入通道當(dāng)A/D轉(zhuǎn)換數(shù)為4位時的模數(shù)轉(zhuǎn)換量化特性；.利用實驗箱設(shè)計并連接產(chǎn)生兩路互為倒相的周期斜坡信號的電路，分別輸入兩路模擬量輸入通道，在上位機界面的界面上測取它們的模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)果，然后將該轉(zhuǎn)換結(jié)果的數(shù)字量，通過數(shù)模轉(zhuǎn)換變?yōu)槟M量和輸入信號作比較；.編寫程序?qū)崿F(xiàn)各種典型測試信號的產(chǎn)生，熟悉并掌握程序設(shè)計方法；.對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，并完成實驗報告。四.附錄.C8051Po60概述C8051F060是一個高性能數(shù)據(jù)采集芯片。芯片內(nèi)集成了：(1)與8051兼容的內(nèi)核：額定工作頻率25MHz,流水線指令結(jié)構(gòu)，70%的指令的執(zhí)行時間為一個或兩個系統(tǒng)時鐘周期。5個通用16位定時器/計數(shù)器，59條可編程的I/O線，22個中斷源(2個優(yōu)先級)。(2)模拂/O：C8051Po60的ADC子系統(tǒng)包括兩個IMsps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC,ADC中集成了跟蹤保持電路、可編程窗口檢測器和DMA接口；兩個12位電壓輸出DAC轉(zhuǎn)換器，用于產(chǎn)生無抖動的波形。內(nèi)部電壓基準(zhǔn)，精確的VDD監(jiān)視器和欠壓監(jiān)測器。(3)存貯器：64KB片內(nèi)閃速/電擦除程序存貯器(EEPROM),4KB片內(nèi)數(shù)據(jù)存貯器(SRAM).(4)片內(nèi)其它外圍：2個UART串行I/O,SPI串行I/O,專用的看門狗定時器，電源監(jiān)視器，溫度傳感器，內(nèi)部可編程振蕩器3~24.5MHz或外接震蕩器。(5)供電電壓：2.7V-3.6V,多中節(jié)電和停機方式。.實驗設(shè)備中的模擬量輸入通道(1)主要功能：允許-10V?+10V信號輸入，而至C8051F060引腳ADC的信號則被限制在要求的0V?+3V(芯片基準(zhǔn)電壓為+3.0V)。(2)模擬量輸入通道基本電路：見圖1.1山一個偏移電路環(huán)節(jié)(+3V)與放大器電路環(huán)節(jié)組成。(3)模擬量輸入通道輸入端口：實驗箱面板匕有模擬量輸入通道輸入端口II?18。.實驗設(shè)備中的模擬量輸出通道(1)主耍功能：變C8051F060引腳DAC的單極性輸出(0V-+10V)為雙極性輸出(-10V~+10V).(2)模擬量輸出通道基本電路：見圖1.2,由一個偏移電路環(huán)節(jié)(一2.5V)與放大器電路環(huán)節(jié)組成。(3)模擬量輸出通道輸出端口：實驗箱面板上，有模擬量輸出通道輸出端口O1,02。.C8051Po60與上位機的關(guān)系與分工C8051F060與上位機之間，通過USB2.0口完成數(shù)據(jù)通訊。以C8051F060為核心構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)主要完成模擬量采集、模數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)模轉(zhuǎn)換和模擬量輸出(零階保持器)等功能。而數(shù)據(jù)處理與顯示，包括有關(guān)信號發(fā)生、數(shù)字濾波、數(shù)字控制與虛擬儀器等功能則通過上位機實現(xiàn)。系統(tǒng)通過A/D變換器對模擬信號進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換后的值通過USB2.0口通訊傳至上位機，由上位機軟件顯示；將欲轉(zhuǎn)換的數(shù)字量送至D/A變換器還原成模擬量。本系統(tǒng)中16位A/D,D/A為12位，可以通過LabVIEW程序編程設(shè)置取得其他較低的轉(zhuǎn)換精度以達(dá)到實驗?zāi)康?。有關(guān)C8051F060與上位機構(gòu)成系統(tǒng)的具體使用方法，特別是有關(guān)上位機用戶界面上的操作，請參閱“計算機控制上位機程序使用說明書二.兩路互為倒相的周期斜坡信號的產(chǎn)生利用實驗設(shè)備產(chǎn)生兩路相位互差180。的斜坡信號的電路見圖1.3,其中Ro=R=R2,氏=R4.在上位機界面上，選擇測試信號為周期斜坡，在01端得到周期斜坡信號，如圖14a所示，在12和II端分別得到如圖1.4.b、14c所示互為倒相的周期信號。圖L3圖1.4.軟件編程實現(xiàn)測試信號發(fā)生在上位機軟件留給用戶的編程接口中，編程實現(xiàn)典型信號的發(fā)生如正弦信號，周期方波信號，周期鋸齒波信號，周期拋物線信號。(1)正弦信號y=As\n(a)t+(p),T-——co(2)方波A0<r<7；)-10Tx<t<T(3)鋸齒波fat0<r<7]，-i0 7；<t<T(4)拋物線_-at20</<7]y=j2[0T[<t<T實驗二數(shù)字濾波實驗?zāi)康?通過實驗掌握數(shù)字濾波器設(shè)計方法。.學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字濾波器的實驗研究方法。二.實驗內(nèi)容.產(chǎn)生實驗測試用頻率可變帶尖脈沖干擾的正弦信號。.設(shè)計并調(diào)試數(shù)字化一階慣性濾波器。.設(shè)計并調(diào)試高階數(shù)字濾波器。三.實驗步驟.利用實驗裝置，設(shè)計和連接產(chǎn)生頻率可變帶尖脈沖干擾正弦信號的電路，并利用數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采集該電路輸出信號，利用上位機的虛擬儀器功能進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求；.根據(jù)信號頻譜，設(shè)計并選擇數(shù)字化-階慣性濾波器的參數(shù)，編制并運行一階慣性數(shù)字濾波程序，并觀察參數(shù)變化對濾波效果的影響；.根據(jù)信號頻譜，設(shè)計并選擇高階數(shù)字濾波器的參數(shù)，編制并運行高階數(shù)字濾波器的濾波程序，并觀察參數(shù)變化對濾波效果的影響：.改變干擾信號，設(shè)計產(chǎn)生如帶方波干擾的正弦信號，帶隨機干擾的正弦信號電路，同上做實驗。.對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，并完成實驗報告。四.附錄.測試信號的產(chǎn)生利用實驗裝置，產(chǎn)生頻率可變帶尖脈沖干擾正弦信號的參考電路，如圖2.1所示：.一階慣性濾波器及其數(shù)字化?階慣性濾波器的傳遞函數(shù)為：

G-（s）=G-（s）=y(s)iX（S）-75+1利用一階差分法離散化，可以得到一階慣性數(shù)字濾波算法:y(k)=—x(A:)+(1--)y(k-1)其中T為采樣周期，r為濾波時間常數(shù)。T和了必須根據(jù)信號頻譜來選擇。.高階數(shù)字濾波器高階數(shù)字濾波器算法很多，這里給出一種四階加權(quán)平均算法：y伏)=A[X(k)+A2x{k—1)+A^x(k—2)+A^x(k—3)其中權(quán)系數(shù)4滿足：方4=1,類似地，所必須根據(jù)信號頻譜來選擇。.實驗系統(tǒng)程序編制與調(diào)試參考計算機控制上位機程序軟件使用說明書。實驗三D(s)離散化方法的研究實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字控制器的混合仿真實驗研究方法。.熟悉常用的從連續(xù)化途徑(先按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計再離散化)設(shè)計數(shù)字控制器的方法。.學(xué)習(xí)并掌握將模擬控制器D(s)離散化為數(shù)字控制器D(z)的方法。.通過混合仿真實驗，對D(s)的各種離散化方法作比較研究，并對D(s)離散化前后閉環(huán)系統(tǒng)性能作比較研究，以加深對計算機控制系統(tǒng)特性的理解。二.實驗內(nèi)容.按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計串聯(lián)校正控制器D(s),并利用實驗設(shè)備測取該連續(xù)系統(tǒng)的動態(tài)特性。.利用實驗設(shè)備，設(shè)計并構(gòu)成用于混合仿真實驗的計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)。.采用保持器等價、匹配Z變換、一階差分和雙線性變換等方法離散化D(s),從而得到控制算法，并加以實現(xiàn)。.研究采樣控制周期變化時，不同離散化方法對閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的影響。.對上述連續(xù)系統(tǒng)和計算機控制系統(tǒng)的動態(tài)性能作比較研究。三.實驗步驟.在已知二階被控對象傳遞函數(shù)的條件下，用連續(xù)系統(tǒng)綜合方法設(shè)計串聯(lián)校正控制器D(s)；再利用實驗設(shè)備，設(shè)計并連接用于模擬該閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路，在上位機測取并記錄其階躍響應(yīng)。.設(shè)計并連接模擬二階被控對象的電路，并利用C8051F060構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成計算機控制系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出通道的設(shè)計和連接。利用上位機的虛擬儀器功能對此模擬二階被控對象的電路進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求。.選定采樣控制周期，采用保持器等價法離散化D(s),再從D(z)推導(dǎo)控制算法，然后在上位機上完成該算法編程、調(diào)試和運行。以階躍信號作為系統(tǒng)輸入，觀測系統(tǒng)輸出的屏幕顯示，并作記錄。.以相同的采樣控制周期，采用匹配Z變換法離散化D(s),再從D(z)推導(dǎo)控制算法,然后在上位機上完成該算法編程、調(diào)試和運行。以階躍信號作為系統(tǒng)輸入，觀測系統(tǒng)輸出的屏幕顯示，并作記錄。.以相同的采樣控制周期，采用一階差分法離散化D(s),再從D(z)推導(dǎo)控制算法，然后在上位機上完成該算法編程、調(diào)試和運行。以階躍信號作為系統(tǒng)輸入，觀測系統(tǒng)輸出的屏幕顯示，并作記錄。.以相同的采樣控制周期，采用雙線性變換法離散化D(s),再從D(z)推導(dǎo)控制算法,然后在上位機上完成該算法編程、調(diào)試和運行。以階躍信號作為系統(tǒng)輸入，觀測系統(tǒng)輸出

的屏幕顯示，并作記錄。.將采樣控制周期減小，重復(fù)3-6,觀測采樣控制周期減小對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。.將采樣控制周期不斷增加，重復(fù)3-6,觀測采樣控制周期增大對系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。如有系統(tǒng)不穩(wěn)定情況發(fā)生，記下此時的采樣控制周期和所采用的離散化方法。.對實驗結(jié)果進(jìn)行比較、分析和研究，寫成實驗報告。四.附錄.按連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正及其動態(tài)性能實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為G(s)=50.25(0.55G(s)=50.25(0.55+1)50

s(s+2)(3-1)具有串聯(lián)校正控制器G(s)的線性連續(xù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖如圖3.1所示r(t)圖3.1r(t)圖3.1y(t)按以下要求設(shè)計期望系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性：(1)超調(diào)量A/。420%(2)調(diào)節(jié)時間(過渡過程時間)ts<ls(3)校正后系統(tǒng)開環(huán)增益(靜態(tài)速度誤差系數(shù))Kv>25%從期望系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻特性中，減去上述二階被控對象的對數(shù)幅頻特性，可以得到串聯(lián)校正控制器的對數(shù)幅頻特性，由此得到其傳遞函數(shù)。")=0.5s+1。")=0.5s+10.05s+1(3-2)已知G(s)和。(s)后，參閱圖3.1所示系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，設(shè)計系統(tǒng)被控對象的模擬電路如圖3.2所示。

圖3.2.計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的混合仿真lu—I卜+In圖3.3In實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)見式（3—1）,它可以用圖3.3所示電路來模擬。圖3.4圖中電路可利用實驗箱U9、U11等單元組成。其中Om端連實驗箱U3單元Ol,In端連實驗箱U3單元II,以便利用該單元的數(shù)據(jù)處理功能與上位機的虛擬儀器功能觀測和記錄系統(tǒng)動態(tài)過程，用于對比分析。圖3.4計算機控制系統(tǒng)的方框圖如圖3.4所示，除了虛線框內(nèi)部分用電路模擬外，其余部分由上位機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成。圖3.4圖3.4中，Z.。舊為零階保持器，其傳遞函數(shù)為三（以后實驗中均同此義）。.D(s)的離散化方法(1)保持器等價10—(0-28+9及71—e10—(0-28+9及71—ezD(z)=Z[——￡)(5)]u(k)=e-20Tu(k-1)+1Oe(k)-("2。7+9)e(A:-1)(2)匹配Z變換對應(yīng)D(s)的5,=-20>s2=-2,有4=Kz2K(l-e~2Tz~')故0(z)=:叩Z1-ez從limO(s)=limO(z)確定K從limO(s)=limO(z)確定K得長=stO二一＞1l-e-20r

l-e-2T所以u(k)=e-20Tu(k-1)+Ke(k)-Ke-2Te(k-1)(3)一階后向差分1-z-1以5=——1-z-1以5=——代入O(s)=D(z)0.5+T-0.5z-,0.5s+1+ 有0.05s+110.05+T-0.05z-10.05+T0.5+T-0.5Z-'] 0.05」0.05+T~b,、， 〃、 0.05z,,、 0.5+T八、0.5 ,,,、所以u[k)= u{k—1)H e(k) e(k—1)0.05+T0.05+T0.05+T(4)雙線性變換21t、~、0.5s+1-以s=- ；-代入O(s)= -有O(z)=Tl+z~' 0.055+O(z)=O.l+T-CO.l-Dz-10.1+T]0.1-T-0.1+T~0.1-T 1+T1-T所以u(k)— u(k-1)-1 e(k) e(k-1)0.1+T0.1+T0.1+T

實驗四數(shù)字PID控制算法的研究實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并掌握常規(guī)數(shù)字PID及積分分離PID控制算法的原理和應(yīng)用。.學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字PID控制算法參數(shù)整定方法。.學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字控制器的混合仿真實驗研究方法。.利用實驗設(shè)備，設(shè)計并構(gòu)成用于混合仿真實驗的計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)。.采用常規(guī)數(shù)字PID控制，并用擴充響應(yīng)曲線法整定控制器的參數(shù)。.采用積分分離PID控制，并整定控制器的參數(shù)。三.實驗步驟.設(shè)計并連接模擬二階被控對象的電路，并利用C8051H)60構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成計算機控制系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出通道的設(shè)計和連接。利用匕位機的虛擬儀器功能對此模擬二階被控對象的電路進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，使它涉足實驗要求。.在上位機完成常規(guī)數(shù)字PID控制器的計算與實驗結(jié)果顯示、記錄，并用擴充響應(yīng)曲線法整定PID控制器的參數(shù)，在整定過程中注意觀察參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。.在上位機完成積分分離PID控制器的計算與實驗結(jié)果顯示、記錄，改變積分分離值,觀察該參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。.對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，并完成實驗報告。四.附錄圖4.1.被控對象模擬與計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖4.1G{s}=5G{s}=5 2.5(5+1)(0.55+1)它可以用圖4.1所示電路來模擬，計算機控制系統(tǒng)的方框圖如圖4.2所示，虛線框內(nèi)部分由上位機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成。圖4.2參數(shù)可以取為Ro=100k,R|=500k,G=2u,R2=200k,R3=500k,C2=luo.常規(guī)數(shù)字PID控制算法常規(guī)的PID控制律為u(t)=Kp[e(t)+—1e(r)力+7；今&采用一階差分法離散化后，可以得到常規(guī)數(shù)字PID控制位置式算法〃伏)=勺卜⑹+1之e(i)+本[e⑹-e0-1)]}Li=l/k簡記為〃(攵)二尸e(2)+1Ze(i)+。[外攵)一式k-1)](=1這里P、I、D參數(shù)分別為P=Kp,1=3可Df、采用增量式形式有：u(k)=u(k-1)4-P[e(k)-e(k-1)]4-Ie(k)+D[e(k)-2e(k-1)+e(k—2)] 3積分分離PID控制算法設(shè)積分分離值為EL則積分分離PID控制算法可表達(dá)為下式：〃n(k)+〃/(k)+〃力(k) \e(k)\<EIup(k)+uD(k) \e(k)\>EI其中up(k)=Pe(k)Uj(k)=U](k-1)+/e(&)uD(k)=D[e(k)-e(k-1)]4.數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定(1)按擴充階躍響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)在模擬控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定方法較多，常用的實驗整定方法有：臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。數(shù)字控制時也可采用類似方法，如擴充的臨界比例度法、擴充的階躍響應(yīng)曲線法與試湊法等等。F面簡要介紹擴充階躍響應(yīng)曲線法。

擴充階躍響應(yīng)曲線法只適用于含多慣性環(huán)節(jié)的自平衡系統(tǒng)。用擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟如F：(a)數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于開環(huán)工作狀態(tài)下，將被調(diào)量調(diào)節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來。(b)記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個變化過程曲線如圖4.3所示。(c)在曲線最大斜率處做切線，求得滯后時間T，被控對象時間常數(shù)7；以及它們的比值心/7，查表4-1控制器的Kp,Ki,Kd及采樣周期To(d)在運行中，對上述參數(shù)作適當(dāng)調(diào)整，以獲得滿意的性能。表4-1控制度控制律TKpTitd1.05PI0.1T0.847；/r0.34r——PID0.05T1.157；/r2.0r0.45r1.2PI0.2T0.787；/r3.6r—PID0.16T\.0Tt/t1.9T0.55r1.5PI0.5T0.687；/r3.9r—PID0.34r0.857；/r1.62Z0.82r擴充響應(yīng)曲線法通過測取階躍響應(yīng)曲線的T,7；參數(shù)獲得一個初步的PID控制參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上通過部分參數(shù)的調(diào)節(jié)(試湊)獲得滿意的控制性能。參數(shù)對性能的影響參見(2).PID參數(shù)對性能的影響增大比例系數(shù)Kp--般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。增大積分時間Ti有利于減小超調(diào)，減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。增大微分時間Td有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。

實驗五串級控制算法的研究實驗?zāi)康?熟悉并掌握串級控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及其混合仿真研究方法。.熟悉并掌握串級控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)整定方法。.設(shè)計一已知三階被控對象的串級控制系統(tǒng)，并完成它的混合仿真。.學(xué)習(xí)用逐步逼近方法整定串級控制所包含的內(nèi)、外兩環(huán)PI控制器參數(shù)。三.實驗步驟.設(shè)計并連接模擬三階被控對象的電路，并利用C8051F060構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成計算機控制系統(tǒng)的兩路模擬量輸入、一路模擬量輸出通道的設(shè)計和連接。利用上位機的虛擬儀器功能對此模擬三階被控對象的電路進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求。.在上位機完成內(nèi)、外兩環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器的算法編程、調(diào)試。特別注意內(nèi)、外兩環(huán)的采樣控制周期是不同的。通常外環(huán)的采樣控制周期是內(nèi)環(huán)的3—10倍。.將外環(huán)斷開，先整定內(nèi)環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器參數(shù)，在整定過程中注意觀察參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。.將內(nèi)環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器參數(shù)按整定好的值固定下來，再整定外環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器參數(shù)，在整定過程中注意觀察參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。.如果對上兩步參數(shù)整定的結(jié)果不滿意，可以將外環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器參數(shù)固定下來，重新整定內(nèi)環(huán)的常規(guī)數(shù)字PI控制器參數(shù)。如果仍不能得到滿意的結(jié)果，可再重復(fù)步驟4,直至滿意為止。.對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，并完成實驗報告。四.附錄.被控對象模擬與計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為G(s)=實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為G(s)=20(0.055+1)(25+1)5它可以用圖5.1所示電路來模擬計算機串級控制系統(tǒng)的方框圖如圖5.2所示，該圖中，除了虛線框內(nèi)部分用電路模擬外，其余部分由上位機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成。.常規(guī)數(shù)字PI控制算法常規(guī)的PI控制律為a(f)=Kp[e(t)+-^e(t)dt]I采用一階差分法離散化后，可以得到常規(guī)數(shù)字PI控制算法簡記為“(為=K*(r+T-Ze(i)]h-=i或者或&)="(左-1)+P[e(k)-e(k-\)]+Ie(k)這里P、I參數(shù)分別為P=K〃，1=KO-ppT..逐步逼近整定法的整定步驟：(1)外環(huán)斷開，把內(nèi)環(huán)當(dāng)作一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)，并按單閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)整定方法(如實驗四介紹的擴充響應(yīng)曲線法)，求取內(nèi)環(huán)PID控制器參數(shù)。(2)將內(nèi)環(huán)PID控制器參數(shù)置于整定值上，閉合外環(huán)。把內(nèi)環(huán)當(dāng)作外環(huán)的一個等效環(huán)節(jié)，外環(huán)又成為一個單閉環(huán)控制系統(tǒng)，再按單閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID控制器參數(shù)整定方法(如擴充響應(yīng)曲線法)，求取外環(huán)PID控制器參數(shù)。(3)將外環(huán)PID控制器參數(shù)置于整定值上，閉合外環(huán)。再按上述方法求取內(nèi)環(huán)PID控制器參數(shù)。至此，完成了一次逼近循環(huán)。如控制系統(tǒng)性能已滿足要求，參數(shù)整定即告結(jié)束。否則，就回到步驟(2)0如此循環(huán)下去，逐步逼近，直到控制系統(tǒng)性能滿足要求為止實驗六解耦控制算法的研究實驗?zāi)康?熟悉并掌握多變量耦合系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、特點及其混合仿真研究方法。.熟悉并掌握一種常用的多變量系統(tǒng)解耦控制算法的設(shè)計和實現(xiàn)方法?！?實驗內(nèi)容.用前饋補償解耦法設(shè)計一已知的兩輸入、兩輸出有耦合被控對象的解耦控制系統(tǒng)，并完成它的混合仿真。.熟悉解耦控制系統(tǒng)的控制器參數(shù)調(diào)試方法。.對無耦合系統(tǒng)、有耦合而未解耦系統(tǒng)以及有耦合且采用解耦控制系統(tǒng)的控制作比較研究。三.實驗步驟.設(shè)計并連接模擬兩輸入、兩輸出有耦合被控對象的電路，并利用C8051F060構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成計算機控制系統(tǒng)的兩路模擬量輸入、兩路模擬量輸出通道的設(shè)計和連接。利用上位機的虛擬儀器功能對此模擬三階被控對象的電路進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求。.按已知的兩輸入、兩輸出有耦合被控對象的結(jié)構(gòu)和傳遞函數(shù)，用前饋補償解耦法設(shè)計解耦控制算法，并在上位機編寫、調(diào)試和運行相應(yīng)的控制程序。.按兩個獨立的單閉環(huán)控制系統(tǒng)的整定各自的PID控制器參數(shù)。.改變控制器參數(shù)，觀測并記錄實驗結(jié)果。MiMi圖6.1.MiMi圖6.1四.附錄.實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和被控對象參數(shù)實驗所采用的兩輸入、兩輸出解耦控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖，如圖6.1所示：圖中虛線框內(nèi)部分是兩輸入、兩輸出有耦合的被控對象，其傳遞函數(shù)G⑸為：G2（s）=0

G”(s)=0.5G”(s)= (6-1)一 O.k+1該兩輸入、兩輸出有耦合的被控對象可用圖6.2所示電路模擬，參數(shù)選擇符合傳遞函數(shù)要求，不妨取為R<)=R|=100k,R2=R3=500k,C|=luF,R4—R5=100k,CG”(s)=0.5G”(s)= (6-1)一 O.k+1實驗所采用的兩輸入、兩輸出解耦控制系統(tǒng)的混合仿真系統(tǒng)方框圖如圖6.3所示：圖6.3.前饋補償解耦法見圖6.3,圖中￡>12(Z)和構(gòu)成解耦網(wǎng)絡(luò)，它們是先按連續(xù)系統(tǒng)設(shè)計。(s)然后離散化得到O(z)的。見圖6.4,這是一個連續(xù)的采用前饋補償解耦的兩輸入、兩輸入解耦控制系統(tǒng)的方塊結(jié)構(gòu)圖。圖中，如無解耦網(wǎng)絡(luò)存在，M不僅影響G而且影響《2：同樣地，不僅影響而且影響G°當(dāng)也HO當(dāng)(6-2)在圖當(dāng)也HO當(dāng)(6-2)Cn(r)+C12(0=0C21(/)+C22(/)=0

陸4因而有G|2(s)+O|2(s)Gu(s)=0G21(5)+￡>21(陸4因而有G|2(s)+O|2(s)Gu(s)=0G21(5)+￡>21(5)G22(5)=0(6—3)從而得到連續(xù)的解耦網(wǎng)絡(luò)數(shù)學(xué)模型D(s)=1 %(s)%(s) 1*(s)、G"(s)在實驗系統(tǒng)中,G2l(s)G22。)(6-4)Dp(5)=一一四,D，I(s)=-一延2=-0.5(0.15+1)=-(0.05s+0.5)Gi(s)- G22(s)用一階差分法將D(s)離散化得到D(z)=1Q2Q)%(z) 1(6-5)、八八/、 0.05(1-z-1)ncz0.05八八0.05,,具中"2(z)=0，。21q)= y一--0.5=-(--+0.5)+--z'在實驗系統(tǒng)中，TOC\o"1-5"\h\zc,、d2(z) z0.05八C0.05 “八02&)=缶去=-(『+05)+1『' (6-6)M(z)T T于是右伏)=一(竿+05)班(女)+華叫(k-1) (6-7)于是得到解耦控制算法叫(女)=〃](k) (6—8)

u[(k—1)(6—9)(6-10)m2(k)=u2(k)+d2(<k)=〃2(k)一(丁+0.5)%(k)+u[(k—1)(6—9)(6-10)u](k)=u1(k-1)+P][et(k)-C](k-1)]+/r(k)+3回⑹-2et(k—1)+et(k-2)]u2(k)=u2(k-1)+P,[e2(k)-e2(k-1)]+l2e2(k)+D^e2{k}—2ez(k—\)+e2(k-2)\.控制器參數(shù)調(diào)試經(jīng)前饋補償解耦法解耦以后，兩輸入、兩輸入連續(xù)控制系統(tǒng)的方塊結(jié)構(gòu)圖將等價于如圖6.5所示系統(tǒng)，成為兩個相互獨立的單閉環(huán)控制系統(tǒng)，故調(diào)試可分以下兩步進(jìn)行：(1)在實際系統(tǒng)中，由于被控對象模型的誤差，按前饋補償解耦法設(shè)計的解耦算法的參數(shù)，需要按是否達(dá)到解耦效果進(jìn)行調(diào)試。為此，先將兩個PID控制器置為比例環(huán)節(jié)，分別加rl⑴和r2(t),測試解耦效果，調(diào)試解耦參數(shù)。(2)在解耦效果達(dá)到以后，兩個PID控制器參數(shù)就可以分別按兩個相互獨立的單閉環(huán)控制系統(tǒng)各自整定。圖6.5.關(guān)于對比分析上述解耦控制的PID控制結(jié)果同圖6.2中去掉電阻用后的系統(tǒng)，用PID控制的實驗結(jié)果相比較，以及同不加解耦的圖6.2系統(tǒng)PID控制實驗結(jié)果相比較。實驗七最少拍控制算法的研究實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并掌握最少拍控制器的設(shè)計和實現(xiàn)方法，并研究最少拍控制系統(tǒng)對三種典型輸入的適應(yīng)性及輸出采樣點間的紋波。.學(xué)習(xí)并掌握最少拍無紋波控制器的設(shè)計和實現(xiàn)方法，并研究輸出采樣點間的紋波消除以及最少拍無紋波控制系統(tǒng)對三種典型輸入的適應(yīng)性?！?實驗內(nèi)容.設(shè)計并實現(xiàn)對象具有一個積分環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)的最少拍控制，并通過混合仿真實驗研究該閉環(huán)控制系統(tǒng)對三種典型輸入的適應(yīng)性以及輸出采樣點間的紋波。.設(shè)計并實現(xiàn)對象具有一個積分環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)的最少拍無紋波控制，并通過混合仿真實驗觀察，該閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出采樣點間紋波的消除，以及系統(tǒng)對三種典型輸入的適應(yīng)性。三.實驗步驟.設(shè)計并連接模擬由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成的二階被控對象的電路，并利用C8051F060構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成計算機控制系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出通道的設(shè)計和連接。.利用上位機的虛擬儀器功能對此模擬二階被控對象的電路進(jìn)行測試，分別測取慣性環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)、時間常數(shù)以及積分環(huán)節(jié)的枳分時間常數(shù)。在上位機完成階躍輸入下最少拍控制計算與實驗結(jié)果顯示、記錄。先完成階躍輸入下最少拍控制器的參數(shù)設(shè)計和調(diào)試，然后再用另外兩種典型信號(等速與等加速)作為系統(tǒng)輸入,觀察系統(tǒng)輸出并記錄。.在上位機完成階躍輸入下最少拍無紋波控制器的計算與實驗結(jié)果顯示、記錄。先完成階躍輸入下最少拍無紋波控制器的參數(shù)設(shè)計和調(diào)試，然后再用另外兩種典型信號(等速與等加速)作為系統(tǒng)輸入，觀察系統(tǒng)輸出并記錄。.對記錄的實驗結(jié)果進(jìn)行分析，寫出實驗報告。四.附錄.被控對象模擬與計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為G(s)=―-— (7-1)s(7]s+l)它可以用圖7.1所示電路來模擬，計算機控制系統(tǒng)的方框圖如圖7.2所示：

最少拍控制的效果對被控對象的參數(shù)變化非常敏感，實驗中必須測取模擬對象的實際參數(shù)。.系統(tǒng)環(huán)節(jié)參數(shù)測試(1)慣性環(huán)節(jié)一公(s+1的參數(shù)測定Om圖7.1y(t)圖7.2測取圖7Om圖7.1y(t)圖7.2階躍響應(yīng)的穩(wěn)態(tài)值和階躍信號幅值確定(和(。由確定長,其中〃一階躍信號幅值Uy(8)一環(huán)節(jié)輸出穩(wěn)定值根據(jù)型口=0.63確定7；X(8)(2)積分環(huán)節(jié)時間常數(shù)的測定如要測圖7.1第二個環(huán)節(jié)的積分時間常數(shù)，取同樣阻值R2的電阻并聯(lián)于C2兩端，于是變成一個慣性環(huán)節(jié)」一，同(1)法測取乙，生@=0.63,。即積分時間常數(shù)。石s+1 %3)(3)系統(tǒng)K的確定于是對于式(7-1)中的K,有K=&。.等速輸入下最少拍控制器的設(shè)計及其對其它典型輸入的適應(yīng)性見圖7.2,對實驗系統(tǒng)來說，加零階保持器后對象的S傳遞函數(shù)為G(s)=s((sG(s)=s((s+l)(7-2)選擇采樣控制T,將上述S傳遞函數(shù)離散化，可得到加零階保持器后對象的Z傳遞函數(shù)、^(T-T,+T]e-T,Tl)z~'+(Tl-Txer,r、^(T-T,+T]e-T,Tl)z~'+(Tl-Txer,r'-Ter,T^z1G(Z)=A : 777~: (IT)-T)考慮等速輸入下最少拍無差條件，可以得到^(z)=z-l(2-z-,)l-^(z)=(l-z-')2(7-3)(7-4)(7-5)所以有O（z）=U(z)1 。⑵ (2-z-lXl-e-T/T'z-')EQ)G(z)fz)XACl-z-'Kl+Bz-')_1Z-a+Ze-T/^zT+e-r/nzy~~KAl+(B-l)z-'-Br2其中A=T+Tle'T,T'-Tl,B=(Tl-Tle-T,T>-Te-T'T')/A由此可得等速輸入下最少拍算法：2u(k)=(1-B)u(k-1)+Bu(k—2)4 e(k)KA(7-6)\+2e-TIT'KA0-777；e(k—1)4—犬從-c(k—2)(7-7)圖7.3a階躍信號輸入按等速輸入下最少拍無差系統(tǒng)設(shè)計的控制器，在等速輸入下可使閉環(huán)系統(tǒng)的輸出在第二拍（即兩個采樣周期）跟上，此后在采樣點上達(dá)到無差，見圖7.3b）。對等加速輸入來說，系統(tǒng)出現(xiàn)穩(wěn)態(tài)誤差，其穩(wěn)態(tài)的輸出誤差值為片=1,見圖7.3c）o7.3b等速信號輸入圖7.3c拋物線輸入對階躍輸入來說，雖然輸出在第二拍開始也達(dá)到無差，但在輸出的第一拍*現(xiàn)了100%的超調(diào)，見圖7.3a）7.3b等速信號輸入圖7.3c拋物線輸入.等速輸入下最少拍無紋波控制器的設(shè)計及其對其它典型輸入的適應(yīng)性按最少拍無差系統(tǒng)設(shè)計，最多只能達(dá)到采樣點上無偏差，而不能保證采樣點間無紋波。最少拍無紋波設(shè)計，不僅要做到采樣點上無偏差，而且要做到采樣點間無紋波。已經(jīng)得到實驗系統(tǒng)的加零階保持器后對象的Z傳遞函數(shù)，如式(7-3)所示。根據(jù)等速輸入下最少拍無紋波條件，可以得到^(z)=(l+fi2-l)(a,+a2z-l)z-1 (7—8)l-^(z)=(l-z-,)2(l+fe-') (7-9)兩式聯(lián)立求解確定a{,a2,b,取有q=兩式聯(lián)立求解確定a{,a2,b,取有q=B2+2B+\a7=—； 2B2+2B+\8(26+1)所以有O(z)=B@=歡z)_(1-產(chǎn)尸)(4+4尸E(z)G(z)l-0(z) KA(l-z-')(l+bz-')\+(b-Y)z'-bz2(7-10)由此可得等速輸入下最少拍無紋波算法u(k)=(1-b)u(k-1)+bu(k—2)4——e(k)在不同典型輸入下，按等速輸入下最少拍無紋波條件設(shè)計系統(tǒng)的時域響應(yīng)如圖7.4a),b),c)所示。按等速輸入下最少拍無紋波條件設(shè)計的系統(tǒng)與按等速輸入下最少拍無差條件設(shè)計的系統(tǒng)相比較，可見：(1)在等速輸入下，最少拍無紋波系統(tǒng)不僅做到采樣點上無偏差，而且能做到采樣點間無紋波。但是，其過渡過程比最少拍無差系統(tǒng)延長了一拍。(2)最少拍無紋波系統(tǒng)只在紋波問題上有改進(jìn)，在對輸入的適應(yīng)性上，和最少拍無差系統(tǒng)一樣，沒有改善。圖7.4a階躍無紋波卜卜卜-卜h■:*he卜卜卜?圖7.4b等速無紋波圖7.4c拋物線無紋波實驗八具有純滯后系統(tǒng)的大林控制實驗?zāi)康耐ㄟ^混合仿真實驗，學(xué)習(xí)并掌握用于具有純滯后系統(tǒng)的大林控制算法的設(shè)計及其實現(xiàn)?！?實驗內(nèi)容針對一個具有純滯后的被控對象，設(shè)計并實現(xiàn)大林控制，并通過混合仿真實驗觀察振鈴現(xiàn)象。三.實驗步驟.設(shè)計并連接模擬具有一個慣性環(huán)節(jié)的被控對象的電路，利用C8051F060構(gòu)成的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成計算機控制系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出通道的設(shè)計和連接，利用上位機模擬被控對象的純滯后。利用上位機的虛擬儀器功能對此模擬被控對象的電路進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求。.編制程序并運行，完成所設(shè)計的大林算法的控制計算，觀察系統(tǒng)輸出中的振鈴現(xiàn)象。.對實驗結(jié)果進(jìn)行分析，并寫出實驗報告。四.附錄.被控對象模擬與計算機閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為G()(s)=7>+1阜+1(8-1)圖8.1圖8.1上式中，滯后環(huán)節(jié)"砥由上位機軟件模擬，。為滯后時間，這里取e=,t為采樣周期。對象傳遞函數(shù)的其余部分可以用圖8.1所示電路來模擬，計算機控制系統(tǒng)的方框圖如圖8.2所示,這里K=10,圖8.22.大林算法根據(jù)被控對象的S傳遞函數(shù)式(8-1),大林算法選定_砥蜘)=￡- 0=nT (8-2)"s+1"按控制要求選擇。作為閉環(huán)控制的綜合目標(biāo)，與。(s)相對應(yīng)的l-e-Ts。⑵=Z[ S(S)l-1_e-TITOz-i(8-3)而包含零階保持器被控對象的S傳遞函數(shù)為l-e-TsKe-3s離散化后得到G(z)=Z[G(s)]=阜+1

K(l-e-T,T')z'n~'

\-e-T,T'z-'(8-4)于是可以得到大林算法控制器的Z傳遞函數(shù)一K(1—產(chǎn))[1-e-T,T-z-'-(\-e-T,T^)z2]由此得到大林算法u(k)=e~T,T°u(k—1)+(1—e~T,T°)u(k—n—])(I—"77%)e-T/Tl(l-e-T/T°}+布F⑹-K(1V百)"I)(8-5)(8-6)實驗九線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并掌握用極點配置方法設(shè)計線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制算法。.用混合仿真方法研究控制參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二.實驗內(nèi)容.設(shè)計并實現(xiàn)一典型二階系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋計算機控制混合仿真系統(tǒng)。.通過混合仿真實驗研究參數(shù)變化對系統(tǒng)性能的影響。三.實驗步驟.設(shè)計并連接具有一個積分環(huán)節(jié)的二階被控對象的模擬電路，并利用C8051F060構(gòu)成的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成計算機控制系統(tǒng)的模擬量輸入、輸出通道的設(shè)計和連接。利用上位機的虛擬儀器功能對此模擬二階被控對象的電路進(jìn)行測試，根據(jù)測試結(jié)果調(diào)整電路參數(shù)，使它滿足實驗要求。.用極點配置方法，設(shè)計一給定的二階系統(tǒng)的計算機控制全狀態(tài)反饋系數(shù)；按設(shè)計的全狀態(tài)反饋系數(shù)編寫全狀態(tài)反饋控制程序，運行，觀察并記錄該混合仿真系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。.再次調(diào)用全狀態(tài)反饋控制程序，改變?nèi)珷顟B(tài)反饋系數(shù)后運行，觀察并記錄該混合仿真系統(tǒng)的階躍響應(yīng)的變化。.將以上實驗結(jié)果與全數(shù)字仿真結(jié)果進(jìn)行比較分析，并完成實驗報告。四.附錄1.典型二階系統(tǒng)被控對象計算機控制的極點配置設(shè)計方法（1）典型二階系統(tǒng)全狀態(tài)反饋計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖實驗用典型二階系統(tǒng)全狀態(tài)反饋計算機控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)方塊圖，如圖9.1所示如圖所示，該系統(tǒng)是一個采樣控制系統(tǒng)。其被控對象是連續(xù)的，反饋信號經(jīng)過采樣、模數(shù)轉(zhuǎn)換進(jìn)入計算機，用計算機實現(xiàn)的數(shù)字控制器是離散的?？刂破鬏敵鼋?jīng)過零階保持

器恢復(fù)成模擬信號，加到被控對象上。(2)被控對象連續(xù)狀態(tài)方程及其離散化為了設(shè)計被控對象控制器，需要根據(jù)給出的被控對象連續(xù)傳遞函數(shù)，對于。⑶二高,其連續(xù)方程如下:y(t)=X.(f), =u—x^寫成狀態(tài)空間表達(dá)式有：U1°~^)\X2)V?離散化后x(k+l)=Ax(k)+Bu(k) (9-2)其中離散化后x(k+l)=Ax(k)+Bu(k) (9-2)其中A(T)=<0,3B(T)=(0.610.63200.368(9-3)(9-4)注意：離散化過程中，已經(jīng)把零階保持器的作用考慮進(jìn)去了。此處以采樣時間Ts=ls為例。(3)加全狀態(tài)反饋后閉環(huán)控制系統(tǒng)的特征方程，人 * / /x.(k)為加上全狀態(tài)反饋，令"(k)=Kx(k)=(K女2)(“2(左)將此式代入式(9-2)可以得到x(k+l)=(A+8K)x(k) (9-5)10.632110.6321(0.368、00.368)+10.63241A+BK=1+0.368kl0.632+0.36此一10,632JI, 0.368+0.632原由此可得閉環(huán)特征方程(z-1-0.368jt,)(z-0.368-0.632&)-0.632勺(0.632+0.368a)=0(9—6)(4)理想極點和理想特征方程為了獲得快速過渡過程，選擇兩個理想極點均處于單位圓的圓心，即，2=0,故理想特征方程為z2=0 (9-7)(5)全狀態(tài)反饋的反饋系數(shù)確定為了使所設(shè)計的全狀態(tài)反饋計算機控制系統(tǒng)獲得快速過渡過程，令式(9-6)等于式(9-7),得到

(9-8)(z-1-0.368k1)(z-0.368-0.6320)-0.632k](0.632+0.368Z)=z2(9-8)從而確定全狀態(tài)反饋的反饋系數(shù)占=-1.58,^=-1.24 (9-9)(6)控制算法〃(左)=-1.58內(nèi)(左)一1.24*2(女) (9—10)圖9.圖9.22.實驗系統(tǒng)設(shè)計系統(tǒng)實現(xiàn)方塊圖如圖9.2所示：在本實驗中可以取Ro=Ri=lOOk,Ci=10u,R2=500k,C2=2u。實驗十二維模糊控制器實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并掌握常用的二維模糊控制器的設(shè)計和實現(xiàn)。.用混合仿真方法研究常用的:維模糊控制器的特性，以及參數(shù)變化對過渡過程的影響。二.實驗內(nèi)容.以具有純滯后的二階系統(tǒng)為被控對象，設(shè)計一個二維模糊控制器。.利用實驗設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)一個混合仿真系統(tǒng)。.利用上述混合仿真系統(tǒng)，完成二維模糊控制控制特性的研究，以及對不同對象的適應(yīng)性研究。三.實驗步驟.利用實驗設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)一個采用模糊控制的混合仿真系統(tǒng)（1）利用實驗箱，設(shè)計并連接模擬二階被控對象的電路，并將該電路的輸入與輸出連接到模擬量輸出與輸入通道。再利用上位機提供的界面進(jìn)行調(diào)試，使參數(shù)滿足實驗要求。同實驗五，被控對象的純滯后將由上位機程序模擬。（2）設(shè)計與編寫模糊控制程序，熟悉并掌握模糊控制程序設(shè)計方法。（3）設(shè)計模糊控制器有關(guān)參數(shù)，運行上位機的模糊控制程序，觀察對象輸出；并對此模糊控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，直至獲得較滿意的結(jié)果，作下記錄。.用混合仿真方法研究二維模糊控制的控制特性（1）為改變被控對象結(jié)構(gòu)，利用實驗箱，設(shè)計并連接模擬一階和三階被控對象的電路，并將它們分別連接到模擬量通道，再利用上位機提供的界面進(jìn)行調(diào)試，使參數(shù)滿足實驗要求。同實驗五，被控對象的純滯后將由上位機程序模擬。（2）利用一階被控對象構(gòu)成混合仿真系統(tǒng)，用1所記錄的控制器參數(shù)運行程序，研究對象具有不同結(jié)構(gòu)時的適應(yīng)性。（3）利用三階被控對象構(gòu)成混合仿真系統(tǒng)，用1所記錄的控制器參數(shù)運行程序，研究對象具有不同結(jié)構(gòu)時的適應(yīng)性。.對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和比較，寫出實驗報告。四.附錄.實驗選擇的典型被控對象及其模擬電路（1）具有純滯后的二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s)=(率G(s)=(率+1)(力+1)=G2(s)e~TS(10—1)其中不含純滯后部分的參考模擬電路如圖10.1所示:(2)具有純滯后的一階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s)=—e5=G(s)e-"(10-2)Ts+l其中不含純滯后部分的參考模擬電路如圖10.2所示:(3)具有純滯后的三階系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G(s)=(7>+1)(7>+1)(n5+1)e-w=G(s)=(7>+1)(7>+1)(n5+1)e-w=G3(s)e-TS(10-3)其中不含純滯后部分的參考模擬電路如圖10.3所示:圖10.3.混合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)混合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖10.4所示如圖所示，除虛線框內(nèi)部分由電路模擬外，其它部分均由上位機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。

.二維模糊控制器圖10.5所采用的二維模糊控制器的結(jié)構(gòu)方塊圖如圖10.5所示：所謂二維，指的是該控制器的輸入是e和。，離散化即e(k)和e(k)-e(A-l),圖中配心，陽分別是兩維輸入與一維輸出的比例因子，%和%分別表示兩維輸入信號的整量化操作。Fuzzy規(guī)則可用控制規(guī)則表給出，見表10—1。表10—1模糊控制規(guī)則表dej-2-1012-432230-332220-222110-12110-10110-1-1110-1-1-220-1-1-2-230-2-2-2-340-3-2-2-3實驗十一單神經(jīng)元控制器實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并理解單神經(jīng)元控制器的原理和實現(xiàn)方法。.用混合仿真方法研究單神經(jīng)元控制器的自適應(yīng)特性，并研究改變參數(shù)對控制特性的影響。二.實驗內(nèi)容.以具有純滯后的二階系統(tǒng)為被控對象，設(shè)計一個單神經(jīng)元控制器。.利用實驗設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)一個混合仿真系統(tǒng)。.用上述混合仿真系統(tǒng)，完成單神經(jīng)元控制自適應(yīng)特性研究，以及對不同對象的適應(yīng)性研究。三.實驗步驟.利用實驗設(shè)備設(shè)計并實現(xiàn)一個采用單神經(jīng)元控制的混合仿真系統(tǒng)(1)利用實驗箱，設(shè)計并連接模擬二階被控對象的電路，并將該電路的輸入與輸出連接到C8051H)60模擬量輸出與輸入通道。再利用上位機提供的界面進(jìn)行調(diào)試，使參數(shù)滿足實驗要求。同實驗5,被控對象的純滯后將由上位機程序模擬。(2)熟悉并掌握單神經(jīng)元控制原理，編寫運行單神經(jīng)元控制程序。(3)設(shè)計單神經(jīng)元控制器有關(guān)參數(shù)，運行單神經(jīng)元控制程序，觀察對象輸出；并對此單神經(jīng)元控制器參數(shù)進(jìn)行調(diào)試，直至獲得較滿意的結(jié)果，作下記錄。.用混合仿真方法研究單神經(jīng)元控制的控制特性(1)為改變被控對象結(jié)構(gòu)，利用實驗箱，設(shè)計并連接模擬一階和三階被控對象的電路，并將它們分別連接到模擬量通道，再利用上位機提供的界面進(jìn)行調(diào)試，使參數(shù)滿足實驗要求。同實驗5,被控對象的純滯后將由上位機程序模擬。(2)利用一階被控對象構(gòu)成混合仿真系統(tǒng)，用1所記錄的控制器參數(shù)運行程序，研究對象具有不同結(jié)構(gòu)時的適應(yīng)性。(3)利用三階被控對象構(gòu)成混合仿真系統(tǒng)，用1所記錄的控制器參數(shù)運行程序，研究對象具有不同結(jié)構(gòu)時的適應(yīng)性。.對實驗結(jié)果進(jìn)行分析和比較，寫出實驗報告。四.附錄.實驗選擇的典型被控對象及其模擬電路參見實驗十的附錄lo

.混合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)混合仿真系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖11.1所示如圖所示，除虛線框內(nèi)部分由電路模擬外，其它部分均由上位機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。3.單神經(jīng)元控制器單懈元懶牌I如圖所示，除虛線框內(nèi)部分由電路模擬外，其它部分均由上位機和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)完成。3.單神經(jīng)元控制器單懈元懶牌I i圖11.1單神經(jīng)元控制器的結(jié)構(gòu)模型如圖11.2所示。轉(zhuǎn)換器的輸入為設(shè)定值r(A)單神經(jīng)元控制器的結(jié)構(gòu)模型如圖11.2所示。轉(zhuǎn)換器的輸入為設(shè)定值r(A)與輸出值y(A)的誤差e(k)=r(k)-y(k),輸出為神經(jīng)元學(xué)習(xí)控制所需要的輸入狀態(tài)量尤1、x2>x3,分別?。篨](k)—r(k)—y(k)-e(k)x2(k)=e(k)—e(k—1)x3(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)@為神經(jīng)元各輸入狀態(tài)量所對應(yīng)的權(quán)系數(shù)；神經(jīng)元的閥值Q取為零；K為比例系數(shù)：神經(jīng)元輸出激發(fā)函數(shù)/()取線性截斷函數(shù)，表示為：(11-D圖11.2f(x)=X,

f(x)=X,

一乙,xNU,“X--Um(H-2)因此，單神經(jīng)元控制器的輸出控制量為:u(k)—u(ku(k)—u(k-1)+Am(女)=u(k-1)+(11-3)神經(jīng)元的自適應(yīng)功能是通過改變權(quán)系數(shù)。，來實現(xiàn)的，學(xué)習(xí)規(guī)則即是如何調(diào)整例的規(guī)則，它是神經(jīng)元控制器的核心。在這里，學(xué)習(xí)算法借用最優(yōu)控制中二次型性能指標(biāo)的思想,在權(quán)重值的調(diào)整引入二次性能指標(biāo)，實現(xiàn)對輸出誤差的約束控制。]A 1k(11-4)目標(biāo)函數(shù)為：j(k)=-^[r(0-y(012=-^2e2(0(11-4)2；=i 2，=]為了保證權(quán)重值修正以，(k)相應(yīng)于以伏)的負(fù)梯度方向進(jìn)行，必須滿足:(11-5)〃八〃、dJ(k)外―⑹F麗而(11-5)其中為學(xué)習(xí)速率，1>7>。綜上而有單神經(jīng)元控制算法為:e(k)=r(k)—y(k)x,(k)=e(k),x2(k)=e(k)~e(k-\),x3(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)3Aw(it)= 1)]，“(&)=u(k-1)+△〃(k)i=lY(L\a)i(k+l)=?⑹一-2 -Kx,⑹Au(%)@，(k+l)="+l)￡|以(k+l)|i=l在推導(dǎo)過程中做了一定的近似化處理。4.補充說明本單神經(jīng)元自適應(yīng)算法的穩(wěn)定條件是：0<rj<2(AAT)-'苴中A=(%(左)丫=(二也) 砥k) de(k)](a以幻J (a。0己生伏)a(ogJ該單神經(jīng)元控制器實際上就是一類在線自適應(yīng)PID控制，從△〃(幻=/你￡例⑹%(&)]i=l=K((vl(k)xl(k)+(D2(k)x2(k)+^(k)x3(k)]即Au(k)=K(a),(k)e(k)+cal(k)[e(k)-e(k-l)]+03(k)[e(&)-2e(k-1)+e(k-2)]}比較可得到PID地參數(shù)分別為：Kq(k)=KpJ 積分系數(shù)1iK(o式k)=K「 比例系數(shù)Ka)3(k)=Kp7^ 微分系數(shù)實驗一直流電機轉(zhuǎn)速計算機控制實驗一.實驗?zāi)康模?熟悉并加深理解PID參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響；.掌握數(shù)字PID控制方法：二.實驗原理：|?Xe（k）PID",AZ.O.H被控對象\?C（tVIi i圖1.1計算機控制閉環(huán)系統(tǒng)框圖計算機控制系統(tǒng)的框圖如圖1.1所示，虛線框內(nèi)部分由上位機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來實現(xiàn)。通過數(shù)字PID控制器來控制直流電機在給定一定的情況下，電機的轉(zhuǎn)速按給定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運轉(zhuǎn)。三.實驗設(shè)備：.ACCC-I型自動控制理論及計算機控制技術(shù)實驗裝置：.數(shù)字式萬用表。四.實驗內(nèi)容和步驟：計算機控制閉環(huán)系統(tǒng)除了實際物理模型外，其它的控制部分由上位機的軟件和數(shù)據(jù)處理器來實現(xiàn)。 功率轉(zhuǎn)公c 十 十 ? ' IOm' J/INOUT M轉(zhuǎn)速測量圖1.2被控對象的接線圖.將ACCT-II面板和ACCT-III面板上的船形開關(guān)撥到“OFF”狀態(tài)；.如圖1.2所示，將ACCT-II面板上U3單元A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的D/A輸出01接到ACCT-III面板上低壓直流電動機調(diào)速中功率轉(zhuǎn)換電路的輸入，同時將轉(zhuǎn)速測量電路的輸出接到A/D輸入II,由于功率轉(zhuǎn)換電路和轉(zhuǎn)速測量電路不共地，所以將輸入和輸出的負(fù)極短接后接到ACCT-II面板上的任一地線；.檢查線路后，再將兩塊面板上的船形開關(guān)撥到“0N”狀態(tài)；.打開LabVIEW計算機控制技術(shù)實驗軟件的界面（實驗四數(shù)字PID控制器），系統(tǒng)連接上后，運行界面程序，采用試湊法，調(diào)節(jié)程序中的PID參數(shù)使得系統(tǒng)穩(wěn)定，達(dá)到無靜差。.改變給定信號的幅值，觀測系統(tǒng)的動態(tài)特性。實驗二水箱液位計算機控制實驗一.實驗?zāi)康模?熟悉并加深理解PID參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響；.掌握數(shù)字PID控制方法；二.實驗原理：圖2.1圖2.1計算機控制閉環(huán)系統(tǒng)框圖計算機控制系統(tǒng)的框圖如圖2.1所示，虛線框內(nèi)部分由上位機和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來實現(xiàn)。通過數(shù)字PID控制器來實現(xiàn)在給定一定的情況卜.，水箱液位保持在給定的液位不變。三.實驗設(shè)備:.ACCC-I型自動控制理論及計算機控制技術(shù)實驗裝置;.數(shù)字式萬用表。四.實驗內(nèi)容和步驟:計算機控制閉環(huán)系統(tǒng)除了實際物理模型外，其它的控制部分由上位機的軟件和數(shù)據(jù)處理器來實現(xiàn)。Om液位測I

理器來實現(xiàn)。Om液位測I

量輸出!Im圖2.2被控對象的接線圖.將ACCT-n面板和ACCT-IV面板上的船形開關(guān)撥到“OFF”狀態(tài)；.如圖2.2所示，將ACCT-II面板上U3單元A/D、D/A轉(zhuǎn)換器的D/A輸出O1接到ACCT-IV面板上水泵輸入，同時將液位測量的輸出接到A/D輸入H,由于水泵輸入和液位測量輸出不共地，所以將輸入和輸出的負(fù)極短接后接到ACCT-II面板上的任一地線；.檢查線路后，再將兩塊面板上的船形開關(guān)撥到“ON”狀態(tài)；.打開LabVIEW計算機控制技術(shù)實驗軟件的界面（實驗四數(shù)字PID控制器），系統(tǒng)連接上后，運行界面程序，采用試湊法，調(diào)節(jié)程序中的PID參數(shù)使得系統(tǒng)穩(wěn)定，達(dá)到無靜差。.改變給定信號的幅值，觀測系統(tǒng)的動態(tài)特性。第一章概述計算機控制實驗上位機程序是與“ACCT-I型實驗箱（或ACCC-I型實驗裝置）”配套的上位機控制程序。實驗箱上配備有USB2.0接口，使用本軟件前，計算機必須與實驗箱通過USB口進(jìn)行連接，并合上實驗箱電源。脫離實驗箱，本軟件將無法正常使用。程序主界面（UserInterface）如圖1.1所示。運宏險一AD與DA轉(zhuǎn)換.6實驗一A/D與D/A轉(zhuǎn)換

曲江東:冒舊妝坦絡(luò)白眼公司X-I模式圖1.1實驗界面ACCT-I型實驗箱，內(nèi)部包含有以C8051F060為核心的數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)。上位機控制程序可以通過該數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成8通道數(shù)據(jù)采集輸入（同時采集最多2通道）和2通道檢測波形輸出（同時輸出最多2通道）。在該實驗系統(tǒng)的上位機上可以完成包括計算機控制實驗所需的檢測信號發(fā)生、數(shù)據(jù)采集、控制計算以及數(shù)據(jù)輸出等任務(wù)，并提供虛擬示波器功能，將支持多種波形顯示方式和后期圖像數(shù)據(jù)處理。

1.1實驗設(shè)置使用ACCT-I計算機控制實驗上位機軟件可以完成計算機控制的基礎(chǔ)實驗和高級的開放型實驗。已提供控制算法程序支持的計算機控制實驗有：實驗一A/D與D/A轉(zhuǎn)換實驗二數(shù)字濾波實驗三D(S)離散化方法的研究實驗四數(shù)字PID控制算法的研究實驗五串級控制算法的研究實驗六解耦控制算法的研究實驗七最少拍控制算法的研究實驗八具有純滯后系統(tǒng)的大林控制實驗九線性離散系統(tǒng)的全狀態(tài)反饋控制實驗十二維模糊控制器實驗十一單神經(jīng)元控制器對以上每個實驗的有關(guān)內(nèi)容，包括：實驗?zāi)康?、實驗?nèi)容、實驗步驟和附錄，在“計算機控制技術(shù)實驗指導(dǎo)”中詳細(xì)說明。1.2虛擬示波器ACCT-I計算機控制實驗上位機軟件提供了虛擬示波器功能，如圖1.2所示:Ti：|2sT12ItoKP2:□o加她化2Ti：|2sT12ItoKP2:□o加她化2口”I圖1.2實驗界面設(shè)X拳?3開放型編程環(huán)境ACCT-I計算機控制實驗系統(tǒng)為“計算機控制算法的研究”提供了一個自主編程的環(huán)境。在后面的章節(jié)中，將詳細(xì)介紹上位機軟件提供的LabVIEW軟件所使用到的圖形化編程語言（G語言）、編程方法以及應(yīng)用實例。開放型編程境如圖L3所示：圖1.3程序結(jié)構(gòu)LabVIEW編程語言采用（G語言編程）即圖形化編程。用戶可以自行設(shè)計計算機控制策略，通過圖形化語言編程實現(xiàn)硬件端口控制、控制策略實現(xiàn)和數(shù)據(jù)顯示等功能。其開放性和靈活性使用戶可以設(shè)計并完成指定實驗外的計算機控制策略。

4強大的幫助信息LabVIEW軟件有本身軟件編程的幫助信息，只要將鼠標(biāo)放到控件上，“ContextHelp”幫助框即彈出來，如下圖1.4.1,如果想要獲得更多的信息可點擊幫助框口中的“Clickhemformorehelp",即可打開圖1.4.2所示幫助內(nèi)容窗口；實驗程序中的幫助信息，如圖1.4.3所示，及時準(zhǔn)確地提供系統(tǒng)的各類信息，如圖1.4所示：圖1.4.1LabVIEW幫助框

圖1.4.2LabVIEW幫助內(nèi)容圖1.4.3幫助界面第二章安裝指南及系統(tǒng)要求1安裝指南計算機控制實驗LABVIEW軟件安裝說明如下：1、首先安裝LABVIEW應(yīng)用軟件，一般使用默認(rèn)安裝路徑。2、應(yīng)用軟件安裝后，安裝LABVIEW軟件控件工具包中的兩個控件，安裝序列號和其同一文件夾中的文本文件中。3,軟件安裝完畢后，然后再安裝USB-ISP1581驅(qū)動程序，此驅(qū)動程序是計算機控制實驗的硬件采集設(shè)備的USB2。。驅(qū)動程序，只有安裝此驅(qū)動程序，上位機才能在檢測到硬件USB設(shè)備。4、在以上步驟執(zhí)行完后，我們將安裝光盤中的user.lib文件夾復(fù)制到C:\ProgramFiles\NationalInstruments\LabVIEW7.0\,覆蓋原有的user,lib文件.5、將ACCT文件夾復(fù)制到C:\ProgramFiles\NationalInstruments、。注意：安裝時安裝路徑不能使用中文目錄名，應(yīng)全為英文目錄。2系統(tǒng)要求操作系統(tǒng)：WIN2000建議配置：CPU：不低于PentiumII/K6內(nèi)存：不低于256M顯示器：17寸（推薦，最好19寸），分辨率為1024X768硬盤：程序需要至少1GB硬盤空間預(yù)裝軟件：LabVIEW7.0及附帶工具包MicrosoftWord2002第三章LabVIEW編程及功能介紹1LabVIEW軟件簡介LabVIEW是實驗室虛擬儀器集成環(huán)境(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)的簡稱，是美國國家儀器公司(NATIONALINSTRUMENTS,簡稱NI)的創(chuàng)新軟件產(chǎn)品，也是目前應(yīng)用最廣、發(fā)展最快、功能最強的圖形化軟件集成開發(fā)環(huán)境。LabVIEW是一種圖形化編程語言，又稱G語言。其編寫的程序稱為虛擬儀器VI(VirtualInstrument),以.VI后綴。使用這種語言編程時，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個面向最終用戶的工具。它可以增強你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力，提供了實現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計、測試并實現(xiàn)儀器系統(tǒng)時，可以大大提高工作效率。2LabVIEW軟件基礎(chǔ)1.LabVIEW編程語言數(shù)據(jù)類型令LabVIEW數(shù)據(jù)類型數(shù)據(jù)類型決定數(shù)據(jù)的空間大小與操作方式。程序框圖中每個端口對數(shù)據(jù)類型都有一定的要求。LabVIEW的基本數(shù)據(jù)類型有以下幾種。1.1數(shù)值型數(shù)據(jù)類型標(biāo)記顏色缺省值簡要說明單精度浮點數(shù)SGL橙色0.0內(nèi)存儲格式32位雙精度浮點數(shù)DBL橙色0.0內(nèi)存儲格式64位擴展精度浮點數(shù)EXT橙色0.0內(nèi)存儲格式80位復(fù)數(shù)單精度浮點數(shù)CSG橙色0.0+i0.0實部和虛部均為32位復(fù)數(shù)雙精度浮點數(shù)CDB橙色0.0+i0.0實部和虛部均為64位復(fù)數(shù)擴展精度浮點數(shù)CXT橙色0.0+i0.0實部和虛部均為80位8位整型數(shù)18藍(lán)色0取值范圍T28?12716位整型數(shù)116藍(lán)色0取值范圍-32,768~32,76732位整型數(shù)132藍(lán)色0取值范圍-2,147,483,648-2,147,483,6478位無符號整型數(shù)U8藍(lán)色0取值范圍0?25516位無符號整型數(shù)U16藍(lán)色0取值范圍。?65,53532位無符號整型數(shù)U32藍(lán)色0取值范圍。?4,294,967,295數(shù)值型數(shù)據(jù)隨精度和取值范圍的不斷擴大，占用的內(nèi)存也不斷增大。因此一般在設(shè)計程序時，在滿足取值范圍的前提F,盡可能的選用比較小的數(shù)據(jù)類型。當(dāng)變量的取值范圍不能確定時，可以取較大原數(shù)據(jù)類型以保證程序的安全性。1.2數(shù)組、簇和波形數(shù)組是同類型元素的集合。一個數(shù)組可以是一維或者多維，如果必要，每維最多可有吸一1個元素?？梢酝ㄟ^數(shù)組索引訪問其中的每個元素。索引的范圍是0到〃-1,其中n是數(shù)組中元素的個數(shù)。圖3—1所顯示的是由數(shù)值構(gòu)成的一維數(shù)組。注意第一個元素的索引號為0,第二個是1,依此類推。數(shù)組的元素可以是數(shù)據(jù)、字符串等，但所有元素的數(shù)據(jù)類型必須一致。index012345678910-elementarray1.23.28.28.04.85.16.01.02.51.7圖3—1數(shù)組示意圖簇（Cluster）是另一種數(shù)據(jù)類型，它的元素可以是不同類型的數(shù)據(jù)。它類似于C語言中的stuct。使用簇可以把分布在流程圖中各個位置的數(shù)據(jù)元素組合起來，這樣可以減少連線的擁擠程度。減少子VI的連接端子的數(shù)量。波形（Waveform）可以理解為一種簇的變形，它不能算是一種有普遍意義的數(shù)據(jù)類型,但非常實用。數(shù)組的創(chuàng)建及自動索引a）創(chuàng)建數(shù)組一般說來，創(chuàng)建一個數(shù)組有兩件事要做，首先要建一個數(shù)組的“殼”（shell）,然后在這個殼中置入數(shù)組元素（數(shù)或字符串等）。如果'需要用一個數(shù)組作為程序的數(shù)據(jù)源，可以選擇Functions?Array?ArrayConstant.將它放置在流程圖中。然后再在數(shù)組框中放置數(shù)值常量、布爾數(shù)還是字符串常量。下圖顯

示了在數(shù)組框放入字符串常量數(shù)組的例子。左邊是一個數(shù)組殼，中間的圖上已經(jīng)置入了字符串元素，右邊的圖反映了數(shù)組的第0個元素為：“ABC”，后兩個元素均為空。圖3—2數(shù)組的創(chuàng)建在前面板中創(chuàng)建數(shù)組的方法是，從Controls模板中選擇Array&Cluster,把數(shù)組放置在前面板中，然后選擇一個對象（例如數(shù)值常量）插入到數(shù)組框中。這樣就創(chuàng)建了一個數(shù)值數(shù)組。也可以直接在前面板中創(chuàng)建數(shù)組和相應(yīng)的控制對象，然后將它們復(fù)制或者拖曳到流程圖中，創(chuàng)建對應(yīng)的常數(shù)。還有很多在流程圖中創(chuàng)建和初始化數(shù)組的方法，有些功能函數(shù)也可以生成數(shù)組。b）數(shù)組控制對象、常數(shù)對象和顯示對象通過把數(shù)組與數(shù)值、布爾數(shù)、字符串或者簇組合在一起，可以在前面板和流程圖中創(chuàng)建任何一種控制對象、常數(shù)對象和顯示對象。數(shù)組元素不能是數(shù)組、圖表或者圖形。如果您想杳看一些數(shù)組的例子，請查看Examples\General\arrays.11b中的例子。c）自動索引For循環(huán)和While循環(huán)可以自動地在數(shù)組的上下限范圍內(nèi)編索引和進(jìn)行累計。這些功能稱為自動索引。在啟動自動索引功能以后，當(dāng)把某個外部節(jié)點的任何一維元素連接到循環(huán)邊框的某個輸入通道時，該數(shù)組的各個元素就將按順序一個一個地輸入到循環(huán)中。循環(huán)會對一維數(shù)組中的標(biāo)量元素，或者二維數(shù)組中的一維數(shù)組等編制索引。在輸出通道也要執(zhí)行同樣的工作一一數(shù)組元素按順序進(jìn)入一維數(shù)組，一維數(shù)組進(jìn)入二維數(shù)組，依此類推。在默認(rèn)情況下，對于每個連接到For循環(huán)的數(shù)組都會執(zhí)行自動索引功能。可以禁止這個功能的執(zhí)行，方法是用鼠標(biāo)右鍵單擊通道（輸入數(shù)組進(jìn)入循環(huán)的位置），在快捷菜單中選擇DisableIndexing。數(shù)組功能函數(shù)LabVIEW提供了很多用于操作數(shù)組的功能函數(shù)，位于Functions?Array中。其中包括ReplaceArrayElement,>SearchIDArray>SortIDArray,ReverseIDArray和MultiplyArrayElements等等。a）創(chuàng)建數(shù)組 BuildArray函數(shù)（Functions?Array）,用于根據(jù)標(biāo)量值或者其他的數(shù)組創(chuàng)建一個數(shù)組。

開始時，BuildArray函數(shù)具有一個標(biāo)量輸入端子。您可以根據(jù)需要向該功能函數(shù)中加入任意數(shù)量的輸入，輸入可以是標(biāo)量或者數(shù)組。如果要添加其他的輸入，用鼠標(biāo)單擊函數(shù)的左側(cè)，在彈出菜單中選擇AddElementInput或者AddArrayInput?還可以用變形工具來增大節(jié)點的面積(把移位工具放置在某個對象的邊角就會變成變形光標(biāo))。也可以使用變形光標(biāo)或者選擇RemoveInput來刪除輸入。下圖顯示了利用流程圖中的常數(shù)對象的值創(chuàng)建和初始化數(shù)組的兩種方法。左側(cè)的方法是，將5個字符串常數(shù)放入一個一維字符串?dāng)?shù)組中。右側(cè)的方法是，將三組數(shù)值常數(shù)放入三個一維數(shù)值數(shù)組，再將這三個數(shù)組組成一個二維數(shù)組。這樣最后產(chǎn)生的是一個3x3的數(shù)組，三列分別是3,4,7;-1,6,2;5,-2,8.。|Mond四[TuesdayWednesdayI |Mond四[TuesdayWednesdayI |Thifsd6ijhidayArrayofStrings還可以通過結(jié)合其他的含有標(biāo)量元素的數(shù)組來創(chuàng)建數(shù)組。例如，假設(shè)有兩個數(shù)組，三個標(biāo)量元素，可把它們組成一個新的數(shù)組，順序是：數(shù)組1,標(biāo)量1,標(biāo)量2,數(shù)組2,標(biāo)量3?b)初始化數(shù)組(InitializeArray)——用于創(chuàng)建所有元素值都相等的數(shù)組。下圖中，該功能函數(shù)創(chuàng)建了一個一維數(shù)組。b)element11321dimensionsizeelement11321dimensionsize11321InitializeArray口3叫1DArray]元素輸入端子決定每個元素的數(shù)據(jù)類型和數(shù)值，維長度輸入端子決定數(shù)組的長度，例如，假設(shè)元素類型是長整型，值為5,維長度為100,那么創(chuàng)建的數(shù)組是一個一維的、由100個值為5的長整型元素組成的數(shù)組。也可以從前面板控制端子、流程圖常數(shù)或者程序其他部分的計算結(jié)果得到輸入。創(chuàng)建和初始化一個多維數(shù)組的方法是，用鼠標(biāo)右鍵單擊函數(shù)的右下側(cè)，在彈出菜單中選擇AddDimension還可以使用變形光標(biāo)來增大初始化數(shù)組節(jié)點的面積，為每個增