THBDC-1《计算机控制技术》实验指导书文档格式.doc

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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）为控制器的连续控制系统。

下面以一个具体的二阶系统来说明D（S）控制器的离散化方法。

1、二阶系统的原理框图如图3-1所示。

图3-1二阶对象的方框图

图3-2二阶对象的模拟电路图

2、系统性能指标要求

系统的速度误差系数1/s，超 调量，系统的调整时间s

据Kv要求可得：

，

令，则校正后的开环传递函数为

由上式得，，取，则

所以校正后系统的模拟电路图如下图所示。

图3-3校正后二阶系统的模拟电路图

实验建议单元：

U3、U8、U11、U5、U4及反相器单元

，为使校正后的，要求对象K由5增至10。

，

，（实际可取200K电阻），

3、的离散化算法

图3-4数—模混合控制的方框图

图3-3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

1）阶跃跃响应不变法

－数字滤波器在阶跃作用下输出响应的

－模拟滤波器在阶跃作用下输出响应的采样值

，

据此得

即

2）后向差分法

令，

后向差分S与Z之间关系为

，代入D（S）表达式中得

于是得

3）双线性变换

由泰勒级数得，

，代入D（s）得

即

五、实验步骤

1、实验接线及准备

1.1按图3-2连接一个二阶被控对象的模拟电路；

1.2，用导线将该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；

1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态；

2、脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件；

2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的“”按钮（脚本编程器）；

2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\计算机控制技术基础算法\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，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；

弹起锁零按钮使其处于“解锁”状态，用虚拟示波器观察图3-2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；

2.4参考步骤2.3，用同样的方法分别运行后向差分法和双线性变换脚本程序，用虚拟示波器观察图3-2输出端的响应曲线；

2.5将采样周期Ts减小或增大，重复步骤2.3和2.4，用虚拟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；

2.6按图3-3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，并在其输入端输入2V的阶跃信号，然后观察其响应曲线，并与前面2.3和2.4步骤中采用数字控制器的实验曲线相比较；

2.7实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

注：

为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数（一般调至刻度2）和选择“”按钮（时基自动），以下实验相同。

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、附录

1．数字控制器（阶跃响应不变法）的程序编写与调试示例

dimpv,sv,ei,eix,op,opx,Ts‘变量定义

subInitialize（arg）‘初始化函数

WriteData0,1

eix=0

opx=0

endsub

subTakeOneStep（arg）‘算法运行函数

pv=ReadData

（1）‘采集卡通道AD1的测量值

sv=2‘给定值

Ts=0.1‘采样周期

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‘控制器输出值

eix=ei‘eix为控制偏差的前项

opx=op‘opx为控制输出的前项

ifop<

=-4.9then‘输出值限幅

op=-4.9

endif

ifop>

=4.9then

op=4.9

WriteDataop,1‘控制信号从DA1端口输出

subFinalize（arg）‘退出函数

2.数字控制器（后向差分法）的程序编写与调试示例

dimpv,sv,ei,eix,op,opx,Ts

subInitialize（arg）'

初始化函数

subTakeOneStep（arg）'

算法运行函数

pv=ReadData

（1）'

当前测量值

sv=2

Ts=0.1'

采集周期

ei=sv-pv

op=0.22/（Ts+0.22）*opx+（（Ts+0.5）/（Ts+0.22）*ei-0.5/（Ts+0.22）*eix）*0.45'

当前输出值

eix=ei

opx=op

ifop<

=-4.9then'

输出值限幅

op=-4.9

endif

ifop>

op=4.9

WriteDataop,1

endsub

subFinalize（arg）'

退出函数

3.数字控制器（双线性变换法）的程序编写与调试示例

subInitialize（arg）'

eix=0

subTakeOneStep（arg）'

pv=ReadData

（1）'

Ts=0.1'

采样周期

op=（0.44-Ts）/（0.44+Ts）*opx+（（1+Ts）/（0.44+Ts）*ei-（1-Ts）/（0.44+Ts）*eix）*0.45'

=-4.9then'

op=4.9

subFinalize（arg）'