《机电系统计算机控制技术实验》实验讲义Word格式.docx

《机电系统计算机控制技术实验》实验讲义Word格式.docx

《《机电系统计算机控制技术实验》实验讲义Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《机电系统计算机控制技术实验》实验讲义Word格式.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

1.2实验设备

PC机一台，TD-ACS实验系统一套。

1.3实验原理和内容

图1-1

图6-1是一个典型的PID闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

图1-2

上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX内部主片8259的7号中断，用作采样中断，“DIN0”表示386EX的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。

这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制机的定时器作为基准时钟（初始化为10ms），定时采集“IN7”端的信号，并通过采样中断读入信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。

本实验中，采用位置式PID算式。

在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。

为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：

当误差e（k）较大时，取消积分作用；

当误差e（k）较小时才将积分作用加入。

图6-3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。

图1-3

实验参考程序：

请参照随机软件中的example目录中的ACC3-2-1.ASM。

为了便于实验参数的调整，下面讨论PID参数对系统性能的影响：

（1）增大比例系数KP对系统的影响

但过大的比例系数会使系统

（2）增大积分时间参数TI对系统的影响

（3）增大微分时间参数TD对系统的影响

1.4实验步骤

1．参考流程图1-3编写实验程序，检查无误后编译、链接。

2．按照实验线路图1-2接线，检查无误后开启设备电源。

3．调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为2V，周期10S的方波。

确定系统的采样周期以及积分分离值。

4．装载程序，将全局变量TK（采样周期）、EI（积分分离值）、KP（比例系数）、TI（积分系数）和TD（微分系数）加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

5．运行程序，将积分分离值设为最大值7FH（相当于没有引入积分分离），用示波器分别观测输入端R和输出端C。

6．如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。

在调整参数时，可以使用凑试法。

参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行“先比例，后积分，再微分”的步骤。

（1）首先整定比例部分。

将比例系数KP由小变大，并观察相应的系统响应，直到响应曲线超调小、反应快。

如果系统没有静差，或者静差小到允许的范围内，那么只需比例调节器即可。

（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足要求，则须加入积分作用。

整定时首先臵积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数KP缩小（如80％），然后减小积分时间，使静差得到消除。

如果动态性能（过渡时间短）也满意，则需PI调节器即可。

（3）若动态性能不好，则需加入微分作用。

整定时，使微分时间TD从0变大，并相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意结果。

由于PID三个参数有互补作用，减小一个往往可由几个增大来补偿，因此参数的整定值不唯一，不同的参数组合完全有可能得到同样的效果。

7．修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。

8．将6和7中的较满意的响应曲线分别保存，在画板、PHOTOSHOP中处理后粘贴到WORD中，方便形成实验报告。

1.5实验结果及分析

EI=7F

EI=20

I=0018

D=0008

P1=8000

P2=5000

P3=2000

P=5000,D=0008

I1=0030

I2=0018

I3=0010

P=5000,I=0018

D1=0018

D2=0008

D3=

实验2最小拍控制系统

2.1实验目的

1．掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。

2．掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。

2.2实验设备

2.3实验原理及内容

典型的最小拍控制系统如图8-1所示，其中D（Z）为数字调节器，G（Z）为包括零阶保持器在内的广义对象的Z传递函数，（Z）为闭环Z传递函数，C（Z）为输出信号的Z传递函数，R（Z）为输入信号的Z传递函数。

图8-1

可得最小拍控制系统的数字调节器为：

将D（Z）表示成计算机可实现的有理多项式：

式中E（Z）为误差输入，U（Z）为输出。

将D（Z）式写成差分方程，则有：

1．最小拍有纹波系统设计

图8-2是一个典型的最小拍控制系统。

图8-2

针对阶跃输入，其有纹波系统控制算法可设计为：

2．最小拍无纹波系统设计

有纹波系统虽然在采样点上的误差为零，但不能保证采样点之间的误差值也为零，因此存在纹波现象。

无纹波系统设计只要使U（Z）是Z-1的有限多项式，则可以保证系统输出无纹波。

即：

式中Pi、Zi――分别是G（Z）的极点和零点。

为了使U（Z）为有限多项式，只要（Z）的零点包含G（Z）的全部零点即可，这也是最小拍无纹波设计和有纹波设计的唯一不同点。

如图8-2所示，针对单位斜波输入，无纹波系统控制算法可设计为：

3.实验线路图

图8-2所示的方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

图8-3

这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制计算机的定时器作为基准时钟（初始化为10ms），定时采集“IN7”端的信号，通过采样中断读入信号E的数字量，并将采样值进行D（Z）计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。

4.数字控制器的实现

图8-4是数字控制器实现的参考程序流程图。

图8-4

2.4实验步骤

1.参考流程图8-4编写程序，检查无误后编译、链接。

2.按照实验线路图8-3接线。

检查无误后开启设备电源。

3．对象的输入信号选择：

当为有纹波设计时，选择方波信号。

调节电位器使方波信号的幅值为2.5V，周期为6S。

当为无波设计时，选择单位斜波信号，斜波幅值为6V，上升时间为6S。

4．分别将有纹波和无纹波设计方法得到的参数写入程序，分别装载并运行程序，用示波器观察对象的测量点“C”和数模转换单元的“OUT1”端，并记录波形进行分析。

注意：

实验中有纹波是针对阶跃输入设计，而无纹波是针对斜波输入信号设计，所以实验时要注意正确的选择信号源。

2.5实验结果及分析

有波纹设计

无波纹设计

响应曲线