計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

實(shí)驗(yàn)一A/D與D/A轉(zhuǎn)換

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.通過實(shí)驗(yàn)了解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與使用方法；

2.通過實(shí)驗(yàn)了解模擬量通道中模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.THBCC-1型信號(hào)與系統(tǒng)?控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊（含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根）

3.PC機(jī)1臺(tái)（含軟件“THBCC-1”）

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.輸入一定值的電壓，測(cè)取模數(shù)轉(zhuǎn)換的特性，并分析之；

2.在上位機(jī)輸入一十進(jìn)制代碼，完成通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。

四、實(shí)驗(yàn)步驟

1.啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“電源總開關(guān)”，打開±5、±15V電源。將“階躍信號(hào)發(fā)生器”單元輸出

端連接到“數(shù)據(jù)采集接口單元”的“AD1”通道，同時(shí)將采集接口單元的“DA1”輸出端連接到

接口單元的“AD2”輸入端；

2、將”階躍信號(hào)發(fā)生器”的輸入電壓調(diào)節(jié)為IV；

3.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBCC-1”軟件，在打開的軟件界面上點(diǎn)擊“開始采集”

按鈕；

4.點(diǎn)擊軟件“系統(tǒng)”菜單下的“AD/DA實(shí)驗(yàn)”，在AD/DA實(shí)驗(yàn)界面上點(diǎn)擊“開始”按鈕，

觀測(cè)采集卡上AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在輸入電壓為IV（可以使用血板上的直流數(shù)字電壓表進(jìn)

行測(cè)量）時(shí)應(yīng)為00001100011101（共14位，其中后幾位將處于實(shí)忖刷新狀態(tài)）。調(diào)節(jié)階躍信號(hào)的

大小，然后繼續(xù)觀察AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并與理論值（詳見本實(shí)驗(yàn)附錄）進(jìn)行比較；

5.根據(jù)DA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換規(guī)律（詳見本實(shí)驗(yàn)附錄），在DA部分的編輯框中輸入一個(gè)十進(jìn)制

數(shù)據(jù)（如2457,其范圍為0—4095）,然后虛擬東波器上觀測(cè)DA轉(zhuǎn)換值的大?。?/p>

6實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。

五、附錄

1.數(shù)據(jù)采集卡

本實(shí)驗(yàn)臺(tái)采用了THBXD數(shù)據(jù)采集卡。它是?種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，卡上裝有

14Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和12Bit分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換器的輸入量程均為±10V、輸

出量程均為±5V。該采集卡為用戶提供4路模擬量輸入通道和2路模擬量輸出通道。其主要特

點(diǎn)有：

1）支持USB1.1協(xié)議，真正實(shí)現(xiàn)即插即用

2）400KHzl4位A/D轉(zhuǎn)換器，通過率為350K,12位D/A轉(zhuǎn)換器，建立時(shí)間10US

3）4通道模擬量輸入和2通道模擬量輸出

4）8k深度的FIFO保證數(shù)據(jù)的完整性

5）8路開關(guān)量輸入，8路開關(guān)量輸出

2.AD/DA轉(zhuǎn)換原理

數(shù)據(jù)采集卡采用“THBXD”USB卡，該卡在進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸入電壓與二進(jìn)制的

對(duì)應(yīng)關(guān)系為：-10?10V對(duì)應(yīng)為0?16383（A/D轉(zhuǎn)換為14位）。其中0V為8192。其主要數(shù)據(jù)格

式如下表所示（采用雙極性模擬輸入）:_________________________________________________

輸入AD原始碼（二進(jìn)AD原始碼（十六進(jìn)求補(bǔ)后的碼（十進(jìn)

制）缶D制）

正滿度011111111111111FFF16383

正滿度一1LSB011111111111101FFE16382

中間值（零點(diǎn)）0000000000000000008192

負(fù)滿度+1LSB1000000000000120011

負(fù)滿度1000000000000020000

而DA轉(zhuǎn)換時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：?5?5V對(duì)應(yīng)為0?4095（D/A轉(zhuǎn)換為12位），其數(shù)據(jù)

格式（雙極性電壓輸出時(shí)）為：

輸入D/A數(shù)據(jù)編碼

正滿度111111111111

正滿度一1LSB111111111110

中間值（零點(diǎn)）100000000000

負(fù)滿度+1LSB000000000001

負(fù)滿度000000000000

3.編程實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生

利用上位機(jī)的“腳本編程器”可編程實(shí)現(xiàn)各種典型信號(hào)的產(chǎn)生，如正弦信號(hào)，方波信號(hào),

斜坡信號(hào)，拋物線信號(hào)等。其函數(shù)表達(dá)式分別為：

1）正弦信號(hào)

..,、e2萬

y=Asin（6JT+夕），T=——

co

2）方波

A0<t<T{

y=

0T[<t<T

3）斜坡信號(hào)

at

y,a為常量

0T]<t<T

4）拋物線信號(hào)

12

—ata為常量

y=12

0Tx<t<T

這里以拋物線信號(hào)為例進(jìn)行編程，其具體程序如下:

dimtx,op,a，初始化函數(shù)

subInitialize(arg)，初始化函數(shù)

WriteData0,1'對(duì)采集卡的輸出端口DA1進(jìn)行初始化

tx=O'對(duì)變量初始化

endsub

subTakeOneStep(arg)，算法運(yùn)行函數(shù)

a=l

op=0.5*a*tx*tx40.1為時(shí)間步長(zhǎng)

tx=tx+0.1

ifop>3then'波形限幅

tx=0

endif

WriteDataop,1'數(shù)據(jù)從采集卡的DA1端口輸出

endsub

subFinalize(arg)，退出函數(shù)

WriteData0,1

endsub

通過改變變量tx、a的值可改變拋物線的上升斜率。

其它典型信號(hào)的編程請(qǐng)參考“THBCC-1”安裝目錄下的“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\基本波形”

目錄內(nèi)參考示例程序。

實(shí)驗(yàn)二數(shù)字濾波器

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.通過實(shí)驗(yàn)熟悉數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法；

2.研究濾波器參數(shù)的變化對(duì)濾波性能的影響。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.THBCC-1型信號(hào)與系統(tǒng)?控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊（含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根）

3.PC機(jī)1臺(tái)（含軟件“THBCC-1”）

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.設(shè)計(jì)一個(gè)帶尖脈沖（頻率可變）干擾信號(hào)和正弦信號(hào)輸入的模擬加法電路；

2.設(shè)計(jì)并調(diào)試一階數(shù)字濾波器；

3.設(shè)計(jì)并調(diào)試高階數(shù)字濾波器。

四、實(shí)驗(yàn)原理

1.在許多信息處理過程中，如對(duì)信號(hào)的濾波，檢測(cè)，預(yù)測(cè)等都要廣泛地用到濾波器。數(shù)字

濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中廣泛使用的一種線性環(huán)節(jié)，它從本質(zhì)上說是將一組輸入的數(shù)字序列通

過一定規(guī)則的運(yùn)算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M希望輸出的數(shù)字序列。一般可以用兩種方法來實(shí)現(xiàn)：一種是

用數(shù)字硬件來實(shí)現(xiàn)；另一種是用計(jì)算機(jī)的軟件編程來實(shí)現(xiàn)。

?個(gè)數(shù)字濾波器，它所表達(dá)的運(yùn)算可用差分方程來表示：

NN

/=0/=0

2.一階數(shù)字濾波器及其數(shù)字化

一階數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為6/（5）=上生=」一

八X（s）窩+1

利用一階差分法離散化，可以得到一階數(shù)字濾波器的算法：

TsTs

y（-=-x（幻+（1—一W-1）

TT

其中Ts為采樣周期，7為濾波器的時(shí)間常數(shù)。Ts和7應(yīng)根據(jù)信號(hào)的頻譜來選擇。

3.高階數(shù)字濾波器

高階數(shù)字濾波器算法很多，這里只給出種加權(quán)平均算法：

y（K）=A]X（K）+A2X（K-1）+A3X（K-2）+A4x（K-3）

其中權(quán)系數(shù)4滿足：=同樣，4也根據(jù)信號(hào)的頻譜來選擇。

i=\

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、實(shí)驗(yàn)接線及準(zhǔn)備

1.1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)THBCC-1,運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件；

1.2啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)的“電源總開關(guān)”，打開±5、±15V電源。將低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)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(cè)方波信號(hào)的頻率和幅值，

然后調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”電位器，使方波信號(hào)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(shù)信號(hào)發(fā)生器單元輸出端連接到“脈沖產(chǎn)生

電路”單元輸入端，產(chǎn)生一個(gè)尖脈沖信號(hào)Uo；

1.3按圖2-2連接電路，其中正弦信號(hào)來自數(shù)據(jù)采集卡的“DA1”輸出端，尖脈沖信號(hào)來自

U1單元的輸出端。圖2-2的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的“AD1”輸入端相連，同時(shí)將數(shù)據(jù)采集卡的

“DA2”輸出端與“AD2”輸入端相連;

2、腳本程序運(yùn)行_

2.1點(diǎn)擊軟件工具欄上的“三卜按鈕（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(diǎn)擊“打開”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)算

機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法”文件夾下選中“數(shù)字濾波”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后

點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為10ms；

2.3點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”，用雙蹤示波器分別觀察圖2-2的輸出端和

數(shù)據(jù)采集卡輸出端“DA2”的波形。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”電位器，改變方波信號(hào)的

頻率（即尖脈沖干擾信號(hào)的頻率）。觀察數(shù)據(jù)濾波器的濾波效果；

2.4點(diǎn)擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，修改算法程序中的參數(shù)Ts（注：修改Ts時(shí)要同

步修改算法的運(yùn)行步長(zhǎng)）、Ti兩個(gè)參數(shù)，然后再運(yùn)行該程序，在示波器上再次觀察參數(shù)變化對(duì)濾

波效果的影響；

2.5對(duì)于高階數(shù)字濾波器的算法編程實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)參考本實(shí)驗(yàn)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(shù)字濾波（高階”'，實(shí)驗(yàn)時(shí)程序可修改的參數(shù)為al、a2、a3和采樣時(shí)

間Ts。

2.6實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件

六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

1.畫出尖脈沖干擾信號(hào)的產(chǎn)生電路圖。

2.編寫一階數(shù)字濾波器的腳本程序。

3.繪制加數(shù)字濾波器前、后的輸出波形，并分析程序中參數(shù)的變化對(duì)其濾波效果的影響。

七、附錄

1.尖脈沖干擾信號(hào)產(chǎn)生的模擬電路圖

'——II--------1——

0.01uFI

松*號(hào)utlOkRn,

圖2-1尖脈沖產(chǎn)生電路

通過改變方波信號(hào)的頻率，即可改變尖脈沖的頻率。

2.實(shí)驗(yàn)電路的信號(hào)的產(chǎn)生

把圖2-1產(chǎn)生的尖脈沖信號(hào)視為干擾信號(hào)，與一低頻正弦信號(hào)（由上位機(jī)的“腳本編輯器”

編程輸出）輸入到圖2-2所示的兩個(gè)輸入端。

200K200K

圖2?2測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生電路圖

3.一階數(shù)字濾波器的程序編寫與調(diào)試示例

dimpv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti'變量定義

subInitialize(arg)，初始化函數(shù)

WriteData0,1

opx=0

endsub

subTakeOneStep(arg)，算法運(yùn)行函數(shù)

pv=ReadData(l)，采集卡通道1的測(cè)量值

opl=2*sin(x)'正弦信號(hào)的產(chǎn)生

x=x+0.1

Ti=0.02

Ts=0.01'采樣時(shí)間10ms

op2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx，?階數(shù)字濾波器的輸出

opx=op2

ifop2>=4.9then

op2=4.9

endif

ifop2<=-4,9then

op2=-4.9

endif

WriteDataopl,1'正弦信號(hào)從DA1端口輸出

WriteDataop2,2'濾波后的信號(hào)從DA2端口輸出

endsub

subFinalize(arg)，退出函數(shù)

WriteData0,1

WriteData0,2

endsub

高階數(shù)字濾波器的編程請(qǐng)參考“THBCC-1”安裝目錄下的“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)算機(jī)

控制技術(shù)基礎(chǔ)算法”目錄內(nèi)參考示例程序。

實(shí)驗(yàn)三離散化方法研究

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法；

2.熟悉將模擬控制器D(S)離散為數(shù)字控制器的原理與方法；

3.通過數(shù)模混合實(shí)驗(yàn)，對(duì)D(S)的多種離散化方法作比較研究，并對(duì)D(S)離散化前后閉環(huán)

系統(tǒng)的性能進(jìn)行比較，以加深對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理解。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.THBCC-1型信號(hào)與系統(tǒng)?控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)

3.PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THBCC-1”)

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.按連續(xù)系統(tǒng)的要求，照?qǐng)D3-1的方案設(shè)計(jì)一個(gè)與被控對(duì)象串聯(lián)的模擬控制器D(S),并用

示波器觀測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。

2.利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)?個(gè)數(shù)一模混合仿真的計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并利用D(S)離散化后所

編寫的程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制。

3.研究采樣周期Ts變化時(shí)，不同離散化的方法對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的影響。

4.對(duì)上述連續(xù)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能作比較研究。

四、實(shí)驗(yàn)原理

山于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的信號(hào)變換裝置(A/D和D/A)取代了常規(guī)的模擬控

制。在對(duì)原有的連續(xù)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，最方便的辦法是將原來的模擬控制器離散化，其實(shí)

質(zhì)是將數(shù)字控制部分(A/D、計(jì)算機(jī)和D/A)看成?個(gè)整體，它的輸入與輸出都是模擬量，因

而可等效于一個(gè)連續(xù)的傳遞函數(shù)D(S)。這樣，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可近似地視為以D(S)為控制器的

連續(xù)控制系統(tǒng)。

下面以一個(gè)具體的二階系統(tǒng)來說明D(S)控制器的離散化方法。

1、二階系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1所示。

W)~4gg-

圖3-1二階對(duì)象的方框圖

圖3-2二階對(duì)象的模擬電路圖

2、系統(tǒng)性能指標(biāo)要求

系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)K.251/s,超調(diào)量心,410%,系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間f,Wls

據(jù)路要求可得:

limS—5——=5

。=5

…。5(0.55+1)

10

G0(S)=——-——

°5(0.55+1)-5(5+2)

令O（S）="2,則校正后的開環(huán)傳遞函數(shù)為

S+”

S+21010co,,2

O(S)=___x_____=_____=____-___

S+aS(S+2)-S(S+a)-S(5+2jiy”)

由上式得3,、=V10,2f(y“=a>取g=3，則a=23癡=4.47

V2V2

5+255.1+0.5$

D(S)==—x—0=0.45x--------

S+4.474.471+0.22s1+0.22$

所以校正后系統(tǒng)的模擬電路圖如下圖所示。

實(shí)驗(yàn)建議單元：U3、U8、U”、U5、U4及反相器單元

。⑸=之牌瑞X2人日’為使校正后的K,=5,

要求對(duì)象K由5增至

10o

K=510K,Cx=\uF

里=0.45，/?2=220K(實(shí)際可取200K電阻)，c2=\uF

Ri

3、D(S)的離散化算法

R⑻I/時(shí)ZOH|--

圖3-4數(shù)一?；旌峡刂频姆娇驁D

圖3-3中D（S）的離散化可通過數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

傳遞函數(shù)與Z傳遞函數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換，可視為模擬濾波器與數(shù)字濾波器之間的轉(zhuǎn)換。常用

的轉(zhuǎn)換方法有：

a）階躍響應(yīng)不變法（或用脈沖響應(yīng)法）

b）后向差分法

c）雙線性變換

1)階躍躍響應(yīng)不變法

〃⑺加強(qiáng)⑸]

u(kT)=u；(kT)

u(z)=Z[u(kT)]=Z[us(kT)]

〃(kT)一數(shù)字濾波器在階躍作用下輸出響應(yīng)的“(kT)

4(AT)一模擬濾波器在階躍作用下輸出響應(yīng)的采樣值%(AT)

U(Z)Z也(⑺]

)=----=----;----

E(Z)1

1-Z-'

.c/c1+0.551+0.5S11.27

?D(S)=，U(S)=-----------=—I--------

1+0.22SS(l+0.22S)SS+4.54

"⑺=l+1.27eW〃

_1_1.27_2.27-(1.27々t

“~~\-z~'+\-e-454Tz~'—(l-z-,)(l-^-454，z-,)

據(jù)此得

454T1

~7、U(Z)U(z)2.27-(1.27+e--)Z-

如函=丁=—『十一

i-r'

即U(k)=廠5"u(k-l)+2.27e(k)-(1.27+e~4MT)e(k-1)

2)后向差分法

令de(t)?e(k)—e(k—1),dt=T

de(t)e(k)-e(k-Y)

??力?T~

后向差分S與Z之間關(guān)系為

S=±W,代入D(S)表達(dá)式中得

T

1-z-'

必二D(Z)="=1XT+"5ZT

E?1+。22匕孩7+°22l

TT+0.22

于是得

U(k)=022U(k-1)+T+05e(k)——^05—e(k-1)

r+0.22T+0.22T+0.22

3)雙線性變換

Z=e

—--_5

e2

由泰勒級(jí)數(shù)得1=1+L，

22

1+L

.-.z?—J-=>S=-x^^sgS=-x^—代入D(s)得

,TTZ+lT\+z

1------s

2

2l-Z-1

D(Z)=""TlTz3r=(1-ZT)+(1+ZT)T

1+0.22x2x1；-Ta+ZT)+°44(1-Z-i)

T1+Z-1

U(z)(+T)-(1-T)ZT1(I+T)_(I_T)ZT

E(z)一(0.44+7)-(0.44-T)Zi-0.44+T?0.44—77T

~0A4+T

nn“、0.44—T.\+T...\—T...

即u(k)=-----------u(k-1)H-------------e(k)---------------e(k-1)

0.44+T0.44+T0.44+T

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、實(shí)驗(yàn)接線及準(zhǔn)備

1.1按圖3-2連接一個(gè)二階被控對(duì)象的模擬電路；

1.2,用導(dǎo)線將該電路的輸入端連接到數(shù)據(jù)采集卡的“DA1”輸出端，電路的輸出端與數(shù)據(jù)

采集卡的“AD1”輸入端相連；

1.3待檢查電路接線無誤后，打開實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開關(guān)，并按下鎖零按鈕使其處于“鎖零”

狀態(tài)；

2、腳本程序運(yùn)行

2.1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBCC-1”，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件；

2.2順序點(diǎn)擊虛擬示波器界面上的“開始采集卜'按鈕和工具欄上的“三I”按鈕(腳本

編程器)；

2.3在腳本編輯器窗口的文件菜單下點(diǎn)擊“打開”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)算

機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法\D(S)離散化方法研究”文件夾下選中“階躍響應(yīng)不變法”腳本程序并打開,

閱讀、理解該程序，然后點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單卜“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步

長(zhǎng)設(shè)為100ms；點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”；彈起鎖零按鈕使其處于“解鎖”狀

態(tài)，用虛擬示波器觀察圖3-2輸出端的響應(yīng)曲線。結(jié)束本次實(shí)驗(yàn)后按下鎖零按鈕使其處于“鎖

零”狀態(tài)；

2.4參考步驟2.3,用同樣的方法分別運(yùn)行后向差分法和雙線性變換腳本程序，用虛擬示波

器觀察圖3-2輸出端的響應(yīng)曲線；

2.5將采樣周期Ts減小或增大，重復(fù)步驟2.3和2.4,用虛擬示波器觀測(cè)采樣周期Ts的減

小或增大對(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。如系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定情況，記下此時(shí)的采樣周期Ts和所采用的

離散化方法；

2.6按圖3-3連接二階被控對(duì)象在加入模擬控制器（PID校正裝置）后的模擬電路，并在其

輸入端輸入2V的階躍信號(hào)，然后觀察其響應(yīng)曲線，并與前面2.3和2.4步驟中采用數(shù)字控制器

的實(shí)驗(yàn)曲線相比較；

2.7實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。

注：為了更好的觀測(cè)實(shí)驗(yàn)曲線，實(shí)驗(yàn)時(shí)可適當(dāng)調(diào)節(jié)軟件上的分頻系數(shù)（一般調(diào)至刻度2）和

選擇“乜”按鈕（時(shí)基自動(dòng)），以下實(shí)驗(yàn)相同。

六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

1.繪出實(shí)驗(yàn)中二階被控對(duì)象在加入模擬控制器（PID校正裝置）前后的響應(yīng)曲線。

2.編寫數(shù)字控制器（階躍響應(yīng)不變法）的腳本程序。

3.繪出二階被控對(duì)象在采用數(shù)字控制器后的響應(yīng)曲線，并分析采樣周期Ts的減小或增大

對(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。

七、附錄

3.數(shù)字控制器（階躍響應(yīng)不變法）的程序編寫與調(diào)試示例

dimpv,sv,ei,eix,op,opx,Ts'變量定義

subInitialize(arg)，初始化函數(shù)

WriteData0,1

eix=O

opx=0

endsub

subTakeOneStep(arg)，算法運(yùn)行函數(shù)

pv=RcadData(l)'采集卡通道AD1的測(cè)量值

sv=2'給定值

Ts=0.1'采樣周期

ei=sv-pv'控制偏差

op=exp(-4.54*Ts)*opx+(2.27*ei-(1.27+e:xp（-4.54*Ts））*eix）*0.45，控制器輸出值

eix=ei,eix為控制偏差的前項(xiàng)

opx=op'opx為控制輸出的前項(xiàng)

ifop<=-4.9then'輸出值限幅

op=49

endif

ifop>=4.9then

op=4.9

endif

WriteDataop,1'控制信號(hào)從DA1端口輸出

endsub

subFinalize(arg)，退出函數(shù)

WriteData0,1

endsub

雙線性變換法、后向差分變換法對(duì)D（S）離散化后的請(qǐng)參考“THBCC-1”安裝目錄卜的“計(jì)

算機(jī)控制算法VBS\計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法'D（S）離散化方法研究”目錄內(nèi)參考示例程序。

實(shí)驗(yàn)四數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.學(xué)習(xí)并熟悉常規(guī)的數(shù)字P1D控制算法的原理；

2.學(xué)習(xí)并熟悉積分分離PID控制算法的原理；

3.掌握具有數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.THBCC-1型信號(hào)與系統(tǒng)?控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊（含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根）

3.PC機(jī)1臺(tái)（含軟件“THBCC-1”）

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.利用本實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)并構(gòu)成一個(gè)用于混合仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)；

2.采用常規(guī)的PI和PID調(diào)節(jié)器，構(gòu)成計(jì)算機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定，使

之具有滿意的動(dòng)態(tài)性能；

3.對(duì)系統(tǒng)采用積分分離P1D控制，并整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。

四、實(shí)驗(yàn)原理

在工業(yè)過程控制中，應(yīng)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(guī)律。而數(shù)字PID控制器則是由模擬PID控制規(guī)律直接變換所得。

在PID控制規(guī)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(tǒng)中引入了積

分，往往使之產(chǎn)生過大的超調(diào)量，這對(duì)某些生產(chǎn)過程是不允許的。因此在工業(yè)生產(chǎn)中常用改進(jìn)

的PID算法，如積分分離PID算法，其思想是當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)取消積分控制；當(dāng)

控制量接近給定值時(shí)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(diào)量。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、實(shí)驗(yàn)接線

1.1按圖4-1和圖4-2連接一個(gè)二階被控對(duì)象閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路；

1.2該電路的輸出與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端AD1相連，電路的輸入與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端

DA1相連；

1.3待檢查電路接線無誤后，打開實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開關(guān),并將鎖零單元的鎖零按鈕處于“解

鎖”狀態(tài)。

2、腳本程序運(yùn)行

2.1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBCC-1”，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件；

2.2順序點(diǎn)擊虛擬示波器界面上的“開始采集I”按鈕和工具欄上的“三卜按鈕（腳本

編程器）；

2.3在腳本編輯器窗U的文件菜單下點(diǎn)擊“打開”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)算

機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法,數(shù)字PID調(diào)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，然后點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為

100ms；

2.4點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”；用虛擬示波器觀察圖4-2輸出端的響應(yīng)曲

線；

2.5點(diǎn)擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，利用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法（參考本實(shí)驗(yàn)附錄4）整

定PID控制器的P、I、D及系統(tǒng)采樣時(shí)間Ts等參數(shù)，然后再運(yùn)行。在整定過程中注意觀察參

數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影晌；

2.6參考步驟2.4,24和2.5,用同樣的方法分別運(yùn)行增量式PID和積分分離PID腳本程序,

并整定PID控制器的P、I、D及系統(tǒng)采樣時(shí)間Ts等參數(shù)，然后觀察參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性

能的影響。另外在積分分離PID程序運(yùn)行過程中，注意不同的分離閾值tem對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的

影響；

2.7實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。

六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

1.繪出實(shí)驗(yàn)中二階被控對(duì)象在各種不同的PID控制下的響應(yīng)曲線。

2.編寫積分分離PID控制算法的腳本程序。

3.分析常規(guī)PID控制算法與積分分離PID控制算法在實(shí)驗(yàn)中的控制效果。

七、附錄

1.被控對(duì)象的模擬與計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成

圖4-1數(shù)-?；旌峡刂葡到y(tǒng)的方框圖

圖中信號(hào)的離散化通過數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為：

…、105

G（S）=-----------------=---------------------

（5+1）（5+2）（5+1）（0.554-1）

它的模擬電路圖如下圖所示

圖4-2被控二階對(duì)象的模擬電路圖

2.常規(guī)PID控制算法

常規(guī)PJD控制位置式算法為

u(k)=kp{e⑹+e(i)+，[啞)一e(Z-1)]}

/i/=1/

對(duì)應(yīng)的z傳遞函數(shù)為

口億)=瑞=3+(占+七(1—27)

式中。一比例系數(shù)

跖=/二積分系數(shù)，T采樣周期

°/

3K〃微分系數(shù)

pT

其增量形式為

u(^)=u[k—1)+K0[e(k)—e(k—1)]+Kq(k)+Kd\c(k.)—2e(k—1)+e(k—2)]

3.積分分離PID控制算法

系統(tǒng)中引入的積分分離算法時(shí)，積分分離PID算法要設(shè)置分離閾Eo：

當(dāng)|e(kT)|W|Eo|時(shí)，采用PID控制，以保持系統(tǒng)的控制精度。

當(dāng)|e(kT)|>|Eo|時(shí)，采用PD控制，可使6p減小。積分分離P1D控制算法為：

〃(&)=K*(&)+K,K,Ze(〃)+Kd[e(k)-^-1)

式中人稱為邏輯系數(shù)：

當(dāng)|e(k)|W|E0|時(shí)，Ke=l

當(dāng)|e(k)|>|E0|時(shí)，Ke=0

對(duì)應(yīng)的控制方框圖為

圖4-3上位機(jī)控制的方框圖

圖中信號(hào)的離散化是由數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。

4.數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定

在模擬控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定的方法較多，常用的實(shí)驗(yàn)整定法有：臨界比例度法、階躍響

應(yīng)曲線法、試湊法等。數(shù)字控制器參數(shù)的整定也可采用類似的方法，如擴(kuò)充的臨界比例度法、

擴(kuò)充的階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。下面簡(jiǎn)要介紹擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法。

擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法只適合于含多個(gè)慣性環(huán)節(jié)的自平衡系統(tǒng)。用擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法整定

PID參數(shù)的步驟如下：

①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。

②記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過程，如下圖所示。

Ul(t)

③在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間T和被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)Tx,以及它們的比值

TX/T,然后查下表確定控制器的Kp、K、人及采樣周期T。

控制度控制律

TKpTiTd

1.05PI0.1T0.84Tx/T0.34T—

PID0.05T1.15TX/T2.0T0.45T

1.2PI0.2T0.78Tx/T3.6T一

PID0.16T1.0TX/T1.9T0.55T

1.5PI0.5T0.68Tx/T3.9T一

PID0.34T0.85Tx/T1.62T0.82T

擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法通過測(cè)取響應(yīng)曲線的工、Tx參數(shù)獲得一個(gè)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）使系統(tǒng)獲得滿意的控制性能。

5.位置式PID數(shù)字控制器程序的編寫與調(diào)試示例

dimpv,sv,ei,K,Ti,Td,qO,q1,q2,mx,pvx,op，變量定義

subInitialize(arg)'初始化函數(shù)

WriteData0,1

mx=O

pvx=O

endsub

subTakeOneStep(arg)'算法運(yùn)行函數(shù)

pv=ReadData(l)，采集卡ADI通道的測(cè)量值

sv=2‘給定值

K=0.8，比例系數(shù)P

Ti=5'積分時(shí)間常數(shù)I

Td=0'微分時(shí)間常數(shù)D

Ts=0.1'采集周期

ei=sv-pv'控制偏差

qO=K*ei'比例項(xiàng)

ifTi=0then

mx=0

ql=0

else

mx=K*Ts*ei/Ti'當(dāng)前積分項(xiàng)

endif

q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts“微分項(xiàng)

ql=ql+mx

ifql>4.9then'積分限幅，以防積分飽和

ql=4.9

endif

ifql<-4.9then

ql=-4.9

endif

pvx=pv，pvx為測(cè)量值的前項(xiàng)

op=q0+ql+q2'PID控制器的輸出

ifop<=-4.9then'輸出值限幅

op=-4.9

endif

ifop>=4.9then

op=4.9

endif

WriteDataop,1'輸出值給DA1通道

endsub

subFinalize(arg)'退出函數(shù)

WriteData0,1

endsub

位置式PID、積分分離PID控制算法的編程請(qǐng)參考“THBCC-1”安裝目錄下的“計(jì)算機(jī)控

制算法丫8$\計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法'數(shù)字PID調(diào)器算法”目錄內(nèi)參考示例程序。

實(shí)驗(yàn)五串級(jí)控制算法的研究

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?/p>

1.熟悉串級(jí)控制系統(tǒng)的原理，結(jié)構(gòu)特點(diǎn)；

2.熟悉并掌握串級(jí)控制系統(tǒng)兩個(gè)控制器參數(shù)的整定方法。

二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備

1.THBCC-1型信號(hào)與系統(tǒng)?控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)

2.THBXD數(shù)據(jù)采集卡?塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)

3.PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THBCC-1”)

三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容

1.設(shè)計(jì)一個(gè)具有二階被控對(duì)象的串級(jí)控制系統(tǒng)，并完成數(shù)-?；旌戏抡?。

2.學(xué)習(xí)用逐步逼近法整定串級(jí)控制系統(tǒng)所包含的內(nèi)，外兩環(huán)中PI控制器的參數(shù)。

四、實(shí)驗(yàn)原理

計(jì)算機(jī)串級(jí)控制系統(tǒng)的原理方框圖如圖5-1所示:

圖5-1串級(jí)控制系統(tǒng)方框圖

串級(jí)控制系統(tǒng)的主要特點(diǎn)是在結(jié)構(gòu)上有兩個(gè)閉環(huán)。位于里面的閉環(huán)稱為副環(huán)或副回路，它

的給定值是主調(diào)節(jié)器的輸出，即副回路的輸出量跟隨主調(diào)節(jié)器的輸出而變化。副回路的主要作

用是：一、能及時(shí)消除產(chǎn)生在副回路中的各種擾動(dòng)對(duì)主控參量的影響；二、增大了副對(duì)象的帶

寬，從而加快了系統(tǒng)的響應(yīng)。在外面的那個(gè)閉環(huán)稱為主環(huán)或主回路，它的控制作用是不僅實(shí)現(xiàn)

主控參量c(t)最終等于給定值「⑴，而且使c(t)具有良好的動(dòng)態(tài)性能。

圖5-1中信號(hào)的離散化是通過數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)的，D|(Z)、Dz(Z)是由計(jì)算機(jī)實(shí)

現(xiàn)的數(shù)字調(diào)節(jié)器，而其控制規(guī)律用得較多的通常是PID調(diào)節(jié)規(guī)律。

五、實(shí)驗(yàn)步驟

1、實(shí)驗(yàn)接線

1.1根據(jù)圖5-1與5-2,連接一個(gè)二階被控對(duì)象閉環(huán)控制系統(tǒng)的模擬電路；

1.2用導(dǎo)線將圖5-2的“ul”輸出點(diǎn)與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端“AD1”相連，"u2”輸出點(diǎn)與

數(shù)據(jù)采集卡的輸入端“AD2”相連，該電路的輸入端則與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端“DA1”相連；

1.3待檢查電路接線無誤后，打開實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開關(guān),并將鎖零單元的鎖零按鈕處于“解

鎖”狀態(tài)。

2、腳本程序運(yùn)行

2.1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THBCC-1”，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件；_

2.2順序點(diǎn)擊虛擬示波器界面上的“開始采集1按鈕和工具欄上的“三I”按鈕(腳本

編程器)；

2.3在腳本編輯器窗口的文件菜單下點(diǎn)擊“打開”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制算法VBS\計(jì)算

機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法”文件夾下選中“串級(jí)控制”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后

點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為100ms；

2.4點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”；用虛擬示波器觀察圖5-2中ul、u2輸出

端各自的響應(yīng)曲線。然后用逐步逼近法(參考本實(shí)驗(yàn)附錄3的參數(shù)整定)整定串級(jí)控制系統(tǒng)的

主調(diào)節(jié)器和副調(diào)節(jié)器相應(yīng)的P、I、D參數(shù)。在整定過程中，注意觀察參數(shù)的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性

能的影響；

2.5將串級(jí)控制的腳本程序語句“WriteDataopl,1”中的叩1(加副控制器時(shí))輸出改為op(不

加副控制器時(shí))輸出，然后重復(fù)操作步驟2.4,并比較加副控制器前后被控參數(shù)的控制效果；

2.6實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。

六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求

1.繪出實(shí)驗(yàn)中二階被控對(duì)象的模擬電路圖；

2.根據(jù)串級(jí)控制器的算法編寫腳本程序；

3.繪制實(shí)驗(yàn)中被控對(duì)象的輸出波形。

七、附錄

1.被控對(duì)象的傳遞函數(shù)及模擬電路

被控對(duì)象的傳遞函數(shù)與模擬電路圖如圖5-2所示。

5

其傳遞函數(shù)為：G(S)=

(0.55+1)(25+1)

2.常規(guī)的PI控制算法

常規(guī)的PI控制律為?(r)=Kp[e(t)+—[e(T)dr]

Ti力

對(duì)于用一階差分法離散后，可以得到常規(guī)數(shù)字PI的控制算法:

a(k)=u(k-1)+p[e(k)-e(k-1)]+Ie(k)

這里P、I參數(shù)分別為P=K“，I=K-

P°T,

圖5?2二階受控對(duì)象的模擬電路圖

3.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?個(gè)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)的

整定方法，整定內(nèi)環(huán)PID控制器的參數(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)。如把內(nèi)環(huán)當(dāng)作外環(huán)中的一個(gè)等效環(huán)節(jié),

則外環(huán)又成為一個(gè)單閉環(huán)控制系統(tǒng)，再按單閉環(huán)控制系統(tǒng)的PID控制參數(shù)的整定方法（如擴(kuò)充

響應(yīng)曲線法），整定外環(huán)PID控制器的參數(shù)。

3）將外環(huán)PID控制參數(shù)置于整定值上，閉合外環(huán)，再按以上方法整定內(nèi)環(huán)PID控制器的

參數(shù)。至此，完成了一次逼近循環(huán)。如控制系統(tǒng)性能」?jié)M足要求，參數(shù)整定即告結(jié)束。否則，

就回到步驟2）。如此循環(huán)下去，逐步逼近，直到控制系統(tǒng)的性能滿足要求為止。

4.串級(jí)控制程序的編寫與調(diào)試示例

dimpv,sv,ei,ex,ey,K,Ti,Td,qO,q1,q2,op

dimpv2,sv2,ei2,ex2,ey2,K2,Ti2,Td2,q20,q21,q22,opl'變量定義

subInitialize(arg)，初始化函數(shù)

WriteData0,1

WriteData0,2

endsub

subTakeOneStep(arg)，算法運(yùn)行函數(shù)

pv=ReadData(l)，采集卡AD1、2通道的測(cè)量值

pv2=ReadData(2)

sv=2'給定值

K=1'比例系數(shù)P

Ti=3'積分時(shí)間常數(shù)I

Td=0'微分時(shí)間常數(shù)D

K2=1.2

Ti2=l

Td2=0

Ts=0.1'采集周期

主控制回路*********************************

ei=sv-pv，控制偏差

qO=k*(ei-ex)，比例項(xiàng)

ifTi=0then

ql=0

else

ql=K*Ts*ei/Ti'積分項(xiàng)

endif

q2=k*td*(ei-2*ex+ey)/Ts，微分項(xiàng)

ey=ex

ex=ei

op=op+q0+ql+q2

ifop>4.9then'對(duì)主調(diào)節(jié)器的輸出值進(jìn)行限幅

op=4.9

endif

ifop<-4.9then

op=-4.9

endif

***