计算机控制实验指导书

计算机控制技术实验指导书自动化实验室河北工程大学教务处（2007.10）1目录基本实验要求.......................................................................................................1计算机控制技术实验系统使用说明...................................................................2安全使用说明（使用前请您务必了解）...........................................................2实验一数字PID控制.......................................................................................1实验二大林算法...............................................................................................4实验三炉温控制实验.......................................................................................6实验四电机转速控制实验.............................................................................9实验五步进电机控制实验.............................................................................11基本实验要求1、实验前必须做好准备，预习实验指导书，复习有关原理，并写好预习报告（即实验报告的“实验目的”、“实验线路及简要原理”、“实验数据及现象记录”三项）2、实验中发生事故，应立即切断电源，保持现场，并向指导教师报告事故情况。3、实验完毕应先将实验数据与现象记录交指导教师审阅签字后，方可拆线，并整理设备清理现场才可离开。4、及时完成实验报告，在预习报告的基础上再加上“数据分析与现象讨论”（包括心得体会）实验技能的培养和实验手段的掌握是理工学生的基本训练，通过实验锻炼养成严谨的科学态度和结合实际学习分析问题的方法。2计算机控制技术实验系统使用说明计算机控制技术实验所使用的设备由计算机，串行数据通道接口板、实验平台、运放电路板和打印机（任选）组成。其中计算机在实验中起控制信号产生、输出、测量、人机界面、显示实验波形、打印图像的作用。实验平台配以运放电路板接插阻容元件，可以用来模拟多种特性的被控对象。数据通道接口板插于实验平台的总线扩展槽中，它起模拟信号与数字信号的转换作用，可以用计算机控制产生不同的信号（阶跃、三角、正弦等）。打印机可以把实验的波形打印下来，可根据需要连接，CCT3系统连接方法见下图。随机配备的SAC-CCT软件包设计了计算机控制技术的九个实验，所有的计算机控制技术实验都是在这套装置上进行的。安全使用说明（使用前请您务必了解）为有效、安全地使用实验箱，请遵守以下规定。1.您在将实验箱盖打开后，请用箱体两边的支撑脚将箱盖撑住，避免在进行试验过程中箱盖突然下落将您的手砸伤或损坏仪器设备。2.禁止将平台上开关电源输出长时间短接。3.禁止将交流源（~15v）短接，这样将会烧毁实验箱内的交流变压器，并引起火灾。4.禁止将-5V、-12V连接到指示灯引线插孔输入端。5.实验中尽量用短线连接，尤其两极放大器、功放电路更要注意。6.在将导线从引线插孔中拔出时，应捏住导线根部，左右旋转松动后再拔出。7.在进行炉温控制实验时，应避免炉温超过70℃长时间运等，政治路线则将降低炉体使用寿命；而且还要小心以免将手烫伤。8.电机条应避免直流电机长时间高速旋转。9.实验中大部分实验设备如数据通道接口板、数据通讯线、实验平台、直流电机条、温控炉等设备都是精密装置，实验中务必注意正确使用和妥加爱护。计算机外置串口接口卡A/DD/A转换信号引出区运放电路板1实验一数字PID控制一、实验目的1、研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2、研究采样周期T对系统特性的影响。3、研究1型系统及2型系统的稳态误差。二、实验内容1、系统结构图示于图1—1。图中：Gc(S)=Kp(1+Ki/S+KdS)Gh(S)=(1－e-TS)／SGp1(S)=5／((0.5S+1)(0.1S+1)Gp2(S)=1／(0.1S(0.1S+1))2、开环系统（被控对象）的模拟电路图分别示于图1—2和图1—3，其中图1—2对应Gp1(S)，图1—3对应Gp2(S)。3、被控对象Gp1(S)为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统为“1型”系统，被控对象Gp2(S)为“1型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“2型”系统。4、当r(t)=1(t)时研究其过渡过程。5、PI调节及PID调节器的增益。a)G(S)=Kp(1+Ki/S)=KpKi((1/Ki)S+1)/S=K(TiS+1)/Sb)式中K=KpKi,Ti=1/KiGc(S)Gh(S)Gp(S)计算机零阶保持器u(t)运放电路板e(t)图1--1图1--2图1--32不难看出PI调节器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K，则应相应改变Kp。采用PID调节器相同。6、PID递推算法：如果PID调节器输入信号为e(t)，其输出信号为u(t)，则离散的递推算法如下：Uk=KpeK+KieK2+Kd(eK–eK-1)其中eK2是误差累积和。三、实验步聚1、连接运放电路板的电源线（±12，GND），并将图1—2所示模拟电路连好，输入端和输出端分别接DAO、INO。2、启动计算机，运行“计算控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“数字PID控制”实验。3、在命令菜单中选择“参数设置”，进入参数显示窗口，设置采样周期（单位为ms），采样点数，输出电压及Kp、Ki、Kd各参数。4、选择“运行观测”命令，观察响应波形。5、改变参数Kp、Ki、Kd的值，重复步聚。6、取满意的Kp、Ki、Kd观察稳态误差。7、连接图1—3所示模拟电路，重复上述步聚。8、记录波形及数据。（保存结果、打印图象）。9、实验结束，单击“退出实验”四、实验报告1、画出实验的模拟电路图。2、当被控对象为Gp1（s）时，取过渡过程为最满意时的Kp、Ki、Kd，画出校正后的波特图，查出相位稳定裕量γ和穿超频率ωc。3、总结一种有效选择Kp、Ki、Kd的方法，以最快的速度获得满意的参数。五、PID算法流程图（ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累积和，uk是控制量）3初始化ekek1ek2uk初始化系统输出希望值Start画希望值曲线采集硬件被控对象的输出Input浮点化输入Input求ek=Start-Input|ek|≤ε?uK=KpeK+KieK2+Kd(eK-eK1)uK=KpeK+Kd(eK-eK1)输出uKeK1=eK，eK2=eK2+eK画被控对象第J点输出inputJ=J+1JPointNYY使硬件被控对象的输出=0初始化采样周期T，采样点数Point结束4实验二大林算法一、实验目的1、掌握大林算法的特点及适用范围。2、了解大林算法中时间常数T对系统的影响。二、实验内容1、被控实验对象的构成：1）惯性环节的模拟电路及传递函数：传递函数：G(S)=-2/(T1S+1)其中：T1=0.22）纯延时环节的构成与传递函数传递函数：G(S)=eNS式中：τ为采样周期，N为纯延时个数(正整数)由于纯时环节不易用电路实现，在软件中由计算机实现。3）被控对象的开环传函为：G(S)=-2eNS/(T1S+1)2、大林算法的闭环传递函数：G0(S)=eNS/(TS+1)式中T为大林时间常数3、大林算法的数字控制器：D(Z)=(1-eτT)(1-eτT1Z1)/(K(1-eτT1)(1-eτTZ1-(1-eτT)ZN1))设K1=eτT，K2=eτT1，T1=0.2，K=2，T为大林时间常数，得(K-KK2)UK=(1-K1)eK-(1-K1)K2eK-1+(K-KK2)K1UK-1+(K-KK2)(1-K1)UK-N-1三、实验步聚1、将模拟电路在运放电路板上连接好。2、启动计算机，运行“计算机控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“大林算法”。3、在命令菜单上选择“参数设置”命令，进入参数设置窗口，设置采样周期、采样点数，输出电压和大林时间常数。4、选择“运行观测”命令，观察响应波形。四、实验报告1、分析开环系统的阶跃响应曲线。2、画出闭环系统的阶跃响应曲线，并求出超调量和响应时间。4、分析大林时间常数对系统稳定性的影响。图4--15五、大林算法软件流程图ek为误差，ek1为上一次的误差，uk是控制量，uk1是上一次控制量，ukn1是上N+1次的控制量。初始化ek、ek1、uk初始化系统输出希望值start画希望值曲线采集硬件被控对象的输出Inputf，把Inputf浮点化(K-KK2)UK=(1-K1)eK-(1-K1)K2eK-1+(K-KK2)K1UK-1+(K-KK2)(1-K1)UK-n-1ek1=ekukn1更新输出uk画被控对象第J点输出inputfJ=J+1JPointY使硬件被控对象初始值输出=0inputf延迟N步求ek=start-inputfuk5.0?uk=5.0-uk结束YN初始化控制步数，采样点数Point，求K、K1、K26实验三炉温控制实验一、实验目的1、了解温度控制系统的特点。2、研究采样周期T对系统特性的影响。3、研究大时间常数系统PID控制器参数的整定方法。二、炉温控制的基本原理1、炉稳控制系统结构图示于图5-1。图中：Gc(S)=Kp(1+Ki/S+KdS)Gh(S)=(1－e-TS)／SGp(S)=1／(TS+1))2、系统的基本工作原理系统由两大部分组成，第一部分由计算机、数据通道接口板和微机平台组成，完成温度信号采集、PID运算、产生控制双向可硅的触发信号；第二部分为炉温控制实验板，完成温度控制及传感器信号放大，第二部分电路原理图见图5-2。在炉温控制实验板上，温度检测元件采用热敏电阻Rt，其阻值变化由双臂电桥变换成电压信号，经放大电路放大为0~5V信号，送A/D转换器（ADC0809）转化为数字信号。系统采用双向可控硅应用过零触发方式，在每个控制周期（与采样周期相等），控制输入电阻丝的正弦波个数，即通过控制输入电阻丝平均功率的大小来达到控制温度的目的，图中，AC15V电源由实验平台从它与炉温控制实验板的连接插脚Rt、R1处提供。Gc(S)Gh(S)Gp(S)计算机e(t)图5--1图5--273、PID递推算法：如果PID调节器输入信号为e(t)，其输出信号为u(t)，则离散的递推算法如下：Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1)其中ek2是误差累积和三、实验内容1、设定炉子的温度在一恒定值。2、调整P、I、D各参数观察有何影响。四、实验步聚1、连接炉温控制板的电源线（±12V，GND，+5），将Rt，R1连至炉体相应插口，将Vo与INO，Ck与P1.0相连。2、运行“计算机控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“炉温控制”实验。3、在命令菜单上选择“参数设置”命令，进入参数设置窗口，设置采样周期及Kp、Ki、Kd各参数。4、选择“运行观测”命令，由计算机完成温度采样计算和输出控制信号并在波形显示窗口显示系统响应曲线，同时以红色数字将即时温度显示在屏幕上。5、改变参数Kp、Ki、Kd重复步聚4，观察不同参数时的响应曲线及稳态误差。6、取满意的Kp、Ki、Kd，并记录实验结果。说明：若运行观测时的初始温度与环境不符，应予以调节，方法如下