數(shù)字控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(浙江天煌)

1、實(shí)驗(yàn)一 數(shù)字PID控制算法的研究一實(shí)驗(yàn)?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。2學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字PID控制算法參數(shù)整定方法。3學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字控制器的混合仿真實(shí)驗(yàn)研究方法。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備，設(shè)計并構(gòu)成用于混合仿真實(shí)驗(yàn)的計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)。2采用常規(guī)數(shù)字PID控制，并用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定控制器的參數(shù)。3采用積分分離PID控制，并整定控制器的參數(shù)。三實(shí)驗(yàn)步驟1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(jī)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(jī)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

2、參數(shù)，使它滿足實(shí)驗(yàn)要求。2在上位機(jī)完成常規(guī)數(shù)字PID控制器的計算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示、記錄，并用擴(kuò)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。3在上位機(jī)完成積分分離PID控制器的計算與實(shí)驗(yàn)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。4對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并完成實(shí)驗(yàn)報告。四附錄1被控對象模擬與計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為 它可以用圖4.1所示電路來模擬，計算機(jī)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(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)完成。參數(shù)可以取為R0100k，R1500k，C12u，R2200k，R3500k，C21

3、u。2常規(guī)數(shù)字PID控制算法常規(guī)的PID控制律為采用一階差分法離散化后，可以得到常規(guī)數(shù)字PID控制位置式算法簡記為 這里P、I、D參數(shù)分別為 , , 采用增量式形式有：3積分分離PID控制算法設(shè)積分分離值為EI，則積分分離PID控制算法可表達(dá)為下式：其中 4數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定（1）按擴(kuò)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(shí)驗(yàn)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(kuò)充的臨界比例度法、擴(kuò)充的階躍響應(yīng)曲線法與試湊法等等。下面簡要介紹擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法。圖4.3 階躍輸入響應(yīng)曲線擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法只適用于含多慣性環(huán)

4、節(jié)的自平衡系統(tǒng)。用擴(kuò)充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟如下：（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，被控對象時間常數(shù)以及它們的比值，查表4-1控制器的Kp，Ki，Kd及采樣周期T。（d）在運(yùn)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TKPTITD1.05PI0.10.840.34PID0.051.152.00.451.2PI0.20.783.6PID0.161.01.90.551.5PI0.50.683.9P

5、ID0.340.851.620.82擴(kuò)充響應(yīng)曲線法通過測取階躍響應(yīng)曲線的，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）。（2）PID參數(shù)對性能的影響增大比例系數(shù)Kp一般將加快系統(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(shí)驗(yàn)二 具有純滯后系統(tǒng)的大林控制一實(shí)驗(yàn)?zāi)康耐ㄟ^混合

6、仿真實(shí)驗(yàn)，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(shí)現(xiàn)。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容針對一個具有純滯后的被控對象，設(shè)計并實(shí)現(xiàn)大林控制，并通過混合仿真實(shí)驗(yàn)觀察振鈴現(xiàn)象。三實(shí)驗(yàn)步驟1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(jī)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(jī)模擬被控對象的純滯后。利用上位機(jī)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(shí)驗(yàn)要求。2編制程序并運(yùn)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。3對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并寫出實(shí)驗(yàn)報告。四附錄1被控對象模擬與計算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)

7、的構(gòu)成實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為 （81）上式中，滯后環(huán)節(jié)由上位機(jī)軟件模擬，為滯后時間，這里取，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(jī)控制系統(tǒng)的方框圖如圖8.2所示，這里，。2大林算法根據(jù)被控對象的S傳遞函數(shù)式（81），大林算法選定 （82）按控制要求選擇。作為閉環(huán)控制的綜合目標(biāo)，與相對應(yīng)的 （83）而包含零階保持器被控對象的S傳遞函數(shù)為離散化后得到 （84）于是可以得到大林算法控制器的Z傳遞函數(shù) （85）由此得到大林算法 （86）實(shí)驗(yàn)三 A/D與D/A 轉(zhuǎn)換一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)，熟悉并掌握實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理與使用方法。2通過實(shí)驗(yàn)掌握模擬量通道中模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換的

8、實(shí)現(xiàn)方法。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1利用實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)完成測試信號的產(chǎn)生2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。3設(shè)計并完成兩通道模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。三實(shí)驗(yàn)步驟1了解并熟悉實(shí)驗(yàn)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(jī)的用戶界面，學(xué)習(xí)其使用方法；2利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生05V的斜坡信號，輸入到一路模擬量輸入通道，在上位機(jī)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；3利用實(shí)驗(yàn)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(jī)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?/p>

9、擬量和輸入信號作比較；4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；5對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并完成實(shí)驗(yàn)報告。四附錄1C8051F060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）模擬I/O：C8051F060的ADC子系統(tǒng)包括兩個1Msps、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DA

10、C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324.5MHz或外接震蕩器。（5）供電電壓：2.7V 3.6V，多中節(jié)電和停機(jī)方式。2實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的模擬量輸入通道（1）主要功能：允許10V10V信號輸入，而至C8051F060引腳ADC的信號則被限制在要求的0V3V（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由一個偏移電路

11、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(shí)驗(yàn)箱面板上，有模擬量輸入通道輸入端口I1I8。3實(shí)驗(yàn)設(shè)備中的模擬量輸出通道（1）主要功能：變C8051F060引腳DAC的單極性輸出（0V10V）為雙極性輸出（10V10V）。（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)（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(shí)驗(yàn)箱面板上，有模擬量輸出通道輸出端口O1，O2。4C8051F060與上位機(jī)的關(guān)系與分工C8051F060與上位機(jī)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)

12、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(jī)實(shí)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(jī)，由上位機(jī)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(shí)驗(yàn)?zāi)康?。有關(guān)C8051F060與上位機(jī)構(gòu)成系統(tǒng)的具體使用方法，特別是有關(guān)上位機(jī)用戶界面上的操作，請參閱“計算機(jī)控制上位機(jī)程序使用說明書”。5兩路互為倒相的周期斜坡信號的產(chǎn)生利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備產(chǎn)生兩路相位互差180°的

13、斜坡信號的電路見圖1.3，其中R0R1=R2，R3R4。在上位機(jī)界面上，選擇測試信號為周期斜坡，在O1端得到周期斜坡信號，如圖1.4.a所示，在I2和I1端分別得到如圖1.4.b、1.4.c所示互為倒相的周期信號。圖1.46軟件編程實(shí)現(xiàn)測試信號發(fā)生在上位機(jī)軟件留給用戶的編程接口中，編程實(shí)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， （2）方波（3）鋸齒波（4）拋物線實(shí)驗(yàn)四 直流電機(jī)轉(zhuǎn)速計算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?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； 圖1.1 計算機(jī)控制閉環(huán)系統(tǒng)框圖2掌握數(shù)字PID控制方法； 二實(shí)驗(yàn)原理：計算機(jī)控制系統(tǒng)的框

14、圖如圖1.1所示，虛線框內(nèi)部分由上位機(jī)和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)。通過數(shù)字PID控制器來控制直流電機(jī)在給定一定的情況下，電機(jī)的轉(zhuǎn)速按給定的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備：1ACCC-I 型自動控制理論及計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)裝置；2數(shù)字式萬用表。四實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟：圖1.2 被控對象的接線圖計算機(jī)控制閉環(huán)系統(tǒng)除了實(shí)際物理模型外，其它的控制部分由上位機(jī)的軟件和數(shù)據(jù)處理器來實(shí)現(xiàn)。1將ACCT-II面板和ACCT-III面板上的船形開關(guān)撥到“OFF”狀態(tài)；2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O1接到ACCT-III面板上低壓直流電動機(jī)調(diào)速中功率轉(zhuǎn)換電路的輸入，同時將轉(zhuǎn)速測量

15、電路的輸出接到A/D輸入I1，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；3檢查線路后，再將兩塊面板上的船形開關(guān)撥到“ON”狀態(tài)；4打開LabVIEW計算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)軟件的界面(實(shí)驗(yàn)四 數(shù)字PID控制器)，系統(tǒng)連接上后，運(yùn)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。5改變給定信號的幅值，觀測系統(tǒng)的動態(tài)特性。計算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)：1、硬件接線如下：O1接環(huán)節(jié)輸入，中間環(huán)節(jié)輸出接I1，如果兩路AD和DA同時使用，接線按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，中間環(huán)節(jié)電路中的鎖零G接到-15V。2、按下“啟動暫?！卑存I程序開始運(yùn)行,再次

16、按下該按鍵程序暫停。3、測試信號設(shè)置選項(xiàng)框中可以設(shè)置發(fā)出的波形的種類、幅值、頻率、占空比、采樣開關(guān)T、采樣時間。4、深度選項(xiàng)可以設(shè)定圖形顯示控件存儲歷史數(shù)據(jù)的深度。5、下端的參數(shù)設(shè)置可以設(shè)置實(shí)驗(yàn)的響應(yīng)參數(shù)。6、按下退出按鍵程序退出。實(shí)驗(yàn)一：數(shù)字PID控制算法的研究1模擬電路如圖4.1所示。2實(shí)驗(yàn)接線，O1接Om，In接I1。3鎖零接-15V。4R0100k，R1500k，C12u，R2100k，R3100k，C21u。5打開LabVIEW軟件參考程序?qū)嶒?yàn)四，數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定，可以通過KP、TI、TD進(jìn)行修改，觀測對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。實(shí)驗(yàn)二：具有純滯后系統(tǒng)的大林控制1模擬電路如圖8.1所示。2實(shí)驗(yàn)接線，O1接Om，I1接In，其中R=R0=100K，R1=510K，C1=2UF，3鎖零接-15V。4運(yùn)行LabVIEW軟件參考程序?qū)嶒?yàn)八，改變程序中的T0，TI，T，K參數(shù)，觀測系統(tǒng)動態(tài)變化。實(shí)驗(yàn)三：A/D、D/A轉(zhuǎn)換1 量化實(shí)驗(yàn)：a、 實(shí)驗(yàn)接線，實(shí)驗(yàn)箱上信號源部分的斜波信號接到I1，I2接O1。b、 打開LabVIEW軟件參考程序 實(shí)驗(yàn)一.VI。c、