计算机控制系统实验指导书6学时.docx
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计算机控制系统实验指导书6学时
计算机控制系统实验指导书
洪雪梅编
信息科学与工程学院
实验一采样/保持器实验
一．实验要求
1.了解判断采样/保持控制系统稳定性的充要条件。
2．了解采样周期T对系统稳定性的影响。
3．掌握控制系统处于临界稳定状态时采样周期T的计算。
4．观察和分析采样/保持控制系统在不同采样周期T时的瞬态响应曲线。
二．实验内容及步骤
本实验用于观察和分析在离散控制系统中采样周期T对系统的稳定性的影响。
采样控制系统稳定的充要条件是：
系统特征方程的根必须在Z平面的单位圆内，特征方程式的根与采样周期T有关，只要特征根的模均小于1，则系统稳定。
闭环采样/保持控制系统实验构成电路如图1-1所示，闭环采样系统实验中被控对象由
积分环节（A3单元）与惯性环节（A5单元）构成。
积分环节（A3单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=0.1S，
惯性环节（A5单元）的惯性时间常数T=R2*C2=0.5S，增益K=R2/R3=5。
图1-1闭环采样/保持控制系统实验构成电路
闭环采样系统实验中被控对象由积分环节（A3单元）与惯性环节（A5单元）构成。
本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器，OUT输出施加于被测系统的输入端Ui，观察OUT从0V阶跃+2.5V时，被测系统的在不同的采样周期T时对系统的稳定性的影响。
实验步骤：
注：
‘SST’用‘短路套’短接!
（1）构造模拟电路：
按图1-1安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套（b）测孔联线
1
输入信号R
B5（OUT）→A1（H1）
2
运放级联
A1（OUT）→A2（H1）
3
送调节器输入
A2A（OUTA）→B7（IN7）
4
调节器输出
B2（OUT2）→A3（H1）
5
运放级联
A3（OUT）→A5（H1）
6
负反馈
A5A（OUTA）→A2（H2）
7
‘中断请求’线
B5（S）→B8（IRQ6）
8
示波器联接
×1档
A5A（OUTA）→B3（CH1）
9
B5（OUT）→B3（CH2）
模块号
跨接座号
1
A1
S4，S8
2
A2
S1，S6
3
A3
S3，S10，S11
4
A5
S3，S7，S10
5
B5
‘S-ST’
（2）检查联线正确后，打开设备开关
（3）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。
（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号）
①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
②B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，OUT正输出宽度>6秒。
（D1单元左显示）。
③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=2.5V左右（D1单元右显示）。
（4）运行、观察、记录：
①运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择采样/保持实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序，观察A5A单元输出OUTA（C）的波形。
②该实验的显示界面的采样周期T（界面右上角）可由用户点击“停止”键后，在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果，改变这些参数后，只要再次点击“开始”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。
③采样周期T设定为10ms、20ms、30ms、40ms、45ms和50ms，观察相应实验现象并记录波形，并判断其稳定性。
（5）整理联线、归位短路套并关闭设备开关
三、预习报告
（1）熟悉实验内容及步骤；
（2）求出系统的闭环传递函数、并判断其稳定性（采样周期T取值）
注：
零阶保持器的传递函数：
四、实验报告
（1）采样周期T设定为10ms、20ms、30ms、40ms、45ms和50ms，观察其相应的实
验现象，并记录相关的波形。
（2）分析采样周期T对系统稳定性的影响。
实验二直流电机闭环调速实验
一．实验要求
1．巩固闭环控制系统的基本概念。
2．了解闭环控制系统中反馈量的引入方法。
3．掌握PID算法数字化的方法和编程。
二．实验内容及步骤
根据实验要求，即调速速率（上升时间）、超调量、调节时间及误差，选择PID控制参数，实现直流电机闭环调速控制，观察调速控制曲线。
直流电机闭环调速系统原理框图见图2-1
图2-1直流电机闭环调速系统原理框图
当给定直流电机转速U（R）接入后（即在速度示波器的界面上设置‘目标值’），与当前转速值U（t）（光电测速机构的脉冲数）相比较，其差值e（t）在计算机中进行PID计算，解算成P（t），经数/模转换器（B2）驱动直流电机，改变电机转速，达到直流电机闭环调速控制。
注意：
转速最大为3300转/分钟（‘转速’参数=60）。
实验步骤：
（1）实验联线：
1
电机输入
B2单元（OUT1）→C2单元（电机输入）
2
测速
C2单元电机输出（电压）→B7输入（IN4）
（2）检查联线正确后，打开设备开关
（3）运行、观察、记录：
①运行LABACT程序，选择控制系统菜单下的直流电机闭环调速实验项目，就会弹出速度示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，然后再点击发送键，将运行；然后设定‘转速’参数和控制系数PID后，点击发送，即可实现直流电机的闭环调速。
②在程序运行中，随时可修改‘转速’参数和控制系数P.I.D，然后点击发送，实现直流电机的闭环调速，无须点击停止；只有在需观察实验结果时，才需点击停止。
注：
一旦点击停止后，再点击开始，必须再次点击‘发送’键，才能使实验机按照修改过的P.I.D控制参数运行；否则，实验机将按照初始设定的P.I.D控制参数运行。
③该实验的显示界面中“控制系数”栏的比例系数Kp（0.00~1.00）、调节器的积分时间
（1~199mS）、调节器的微分时间
（0~200mS）；均可由用户在界面上直接修改，以获得理想的实验结果。
改变Kp、
、
这些参数后，只要再次点击“发送”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。
④该实验已规定采样周期T=5mS，“控制系数”栏的Kp、
、
已设定：
Kp=0.20，TI=30mS，TD=20mS
（4）整理联线、归位短路套并关闭设备开关
三、预习报告
熟悉实验内容及步骤；
四、实验报告
1、阐述直流电机闭环控制系统的原理。
2、记录过渡过程最满意的Kp、
、
并画出其响应曲线。
同时分析此情况下的超调量、调节时间及稳态误差。
（要求Mp%＜10%，ts＜0.1s,ess≈0）
注1：
完成本实验后应立即把直流电机输入线拔掉，以免长期使用造成直流电机损坏。
注2：
如在实验过程中发现直流电机失控了，应立即断开电源开关，重新开始。
实验三最少拍控制系统
3.1最少拍有纹波系统实验
一．实验要求
1．了解和掌握数字控制器的原理和直接设计方法。
2．了解和掌握用Z传递函数建立后向差分方程的方法。
3．完成对最少拍控制系统的设计及控制参数Ki、Pi的计算。
4．了解最少拍控制系统纹波产生的原因。
5．观察和分析最少拍控制系统的输出波形是否符合设计要求。
二．实验内容及步骤
本实验用于观察和分析输入为阶跃信号时被测系统的最少拍随动系统控制特性。
最少拍随动系统的设计任务就是设计一个数字调节器，使系统到达稳定所需要的采样周期最少，而且在采样点的输出值能准确地跟踪输入信号，不存在静差。
对任何两个采样周期中间的过程则不做要求，习惯上把一个采样周期称为一拍。
最少拍随动系统，也称为最少调整时间系统或最快响应系统。
设计数字调节器步骤如下：
（1）根据被控对象的各项参数及系统要求的采样周期T值，求出系统的包括零阶保持器在内的广义对象的脉冲传递函数G（z）。
（2）根据输入信号类型（本实验的输入为阶跃信号），求出数字控制器的脉冲传递函数D（z）。
（3）设计算机输入为E（z），输出为U（z）），列出数字控制器的脉冲传递函数标准解析式和后向差分方程。
UK=KOEK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2–P3UK-3
式中EK~EK-3为误差输入；UK-1~UK-3为计算机输出。
（4）由数字控制器的脉冲传递函数标准解析式，列出后向差分方程的各项系数
与
（
与
取值范围：
－0.99~+0.99）。
最少拍有纹波系统构成如图3-1所示。
被控对象由一个积分环节和一个惯性环节组成
图3-1最少拍有纹波系统构成
积分环节（A6单元）的积分时间常数Ti=R2*C2=1S，
惯性环节（A5单元）的惯性时间常数T=R1*C1=1S，增益K=R1/R3=5。
设计图3-1数字调节器步骤如下：
⑴根据被控对象的各项参数及系统要求的采样周期T值，求出系统的包括零阶保持器在内的广义对象的脉冲传递函数G（z）。
被控对象的开环传递函数：
（4-1）
各环节参数代入式（4-1），可得：
G（z）为包括零阶保持器在内的广义对象的脉冲传递函数：
（4-2）
经Z变换后：
（4-3）
令采样周期T=1S将T=1S代入式（4-3），得：
（4-4）
⑵根据输入信号类型（本实验的输入为阶跃信号），求出数字控制器的脉冲传递函数D（z）。
当系统为单位阶跃输入时，系统的闭环脉冲传递函数：
（4-5）
可得到数字控制器的脉冲传递函数D（z）：
（4-6）
⑶设计算机输入为E（z），输出为U（z）），列出数字控制器的脉冲传递函数标准解析式：
（4-7）
⑷将式（4-7）写成后向差分方程，则有：
UK=KOEK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2-P3UK-3（4-8）
式中EK~EK-3为误差输入；UK-1~UK-3为计算机输出。
⑸列出后向差分方程的各项系数Ki与Pi（Ki与Pi取值范围：
－0.99~+0.99）。
=0.544
=－0.20
=
=0
=0.718
=
=0
计算机运算还设有溢出处理，当计算机控制输出超过00H-FFH时（对应于模拟量-5V-+5V），则计算机输出相应的极值00H或FFH。
每次计算完控制量，计算机立即输出，并且将各次采入的误差与各次计算输出作延时运算，最后再作一部分下次的输出控制量计算。
这样当采入下次误差信号时，可减少运算次数，从而缩短计算机的纯延时时间。
本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器，OUT输出施加于被测系统的输入端Ui，观察OUT从0V阶跃+2.5V时被测系统的最少拍控制特性。
实验步骤：
注：
将‘SST’’用‘短路套’短接！
（1）构造模拟电路：
按图4-1安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套（b）测孔联线
模块号
跨接座号
1
A1
S2，S6
2
A2
S1，S6
3
A5
S3，S7，S10，S11
4
A6
S9，S10，S11，S12
5
B5
‘S-ST’
1
输入信号R
B5（OUT）→A1（H1）
2
运放级联
A1（OUT）→A2（H1）
3
送调节器输入
A2A（OUTA）→B7（IN6）
4
调节器输出
B2（OUT2）→A5（H1）
5
负反馈
A6（OUT）→A2（H2）
6
跨接元件（250K）
元件库A11中可变电阻跨接到A5A（OUTA）和A6（IN）之间
7
示波器联接
×1档
A6（OUT）→B3（CH1）
8
B2（OUT2）→B3（CH2）
（2）检查联线正确后，打开设备开关
（3）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。
（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号）
①在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
②B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度=7秒左右（D1单元左显示）。
③调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=2.5V（D1单元右显示）。
（4）运行、观察、记录
①运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的最少拍控制系统--有纹波实验项目，会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。
②该实验的显示界面“计算公式”栏的Ki、Pi与采样周期T（界面右上角）均可由用户点击“停止”键后，在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果，改变这些参数后，只要再次点击“开始”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。
（5）整理联线、归位短路套并关闭设备开关
四、预习报告
三、预习报告
（1）熟悉实验内容及步骤；
（2）改变积分环节时间常数（惯性时间常数T=0.5S，惯性环节增益K=5，积分时间常数Ti=0.5S），分别计算采样周期为1000ms和400ms的各项控制系数。
四、实验报告
（1）改变积分环节时间常数（惯性时间常数T=0.5S，惯性环节增益K=5，积分时间常数Ti=0.5S），采样周期为1000ms和400ms的各项分别控制系数填入“计算公式”栏，观察相应实验现象，记录波形。
（2）探讨纹波产生的原因及最少拍控制的性能特点、优劣。
3.2最少拍无纹波设计实验
一．实验要求：
1．了解和掌握最少拍控制系统纹波消除的方法。
2．观察和分析最少拍控制系统的输出波形是否符合设计要求。
二．实验原理及说明
最少拍随动系统对输入信号的适应能力较差，输出响应只保证采样点上的误差为0，不能确保采样点之间的误差也为0。
也就是说，在采样点之间有纹波存在。
输出纹波不仅造成误差，而且还消耗执行机构的驱动功率，增加机械磨损。
最少拍无波纹设计，除了消除采样点之间的波纹外，还在一定程度上减小了控制能量，降低了对参数的敏感度，但它仍然是针对某一特定输入设计的，对其它输入的适应性仍不好。
在（式4-4）中
如考虑无纹波要求，应使φ（Z）包括G（Z）的全部零点，因此：
系统的闭环脉冲传递函数：
（4-9）
φ（Z）零点多了一个，必然使闭环误差脉冲传递函数Ge（z）的项数增加一个，即：
（4-10）
闭环误差脉冲传递函数：
（4-11）
式（4-9）（4-10）（4-11）合并后得：
比较等式两边系数：
b－1=a－b=－0.718a得：
a＝0.582b＝0.418
把（a＝0.582）代入式（4-9）得：
把（b＝0.418）代入式（4-10）得：
数字控制器的脉冲传递函数：
（4-12）
设计算机输入为E（z），输出为U（z）），数字控制器的脉冲传递函数标准解析式为：
（4-13）
将式（4-13）写成后向差分方程，则有：
UK=KOEK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2-P3UK-3（4-14）
（
与
取值范围：
－0.99~+0.99）
根据式（4-12）和（4-13）可得到式（4-14）中的各项参数：
=0.316
=－0.116
=
=0
=0.418
=
=0
三．实验内容及步骤
最少拍无纹波系统构成如图3-1所示。
在微机控制菜单下的最少拍控制系统---有纹波实验项目的界面上，直接把按无纹波设计的Ki与Pi控制参数填入界面的“计算公式”栏中，将获得相应的图形。
实验步骤：
同〈最少拍控制系统----有纹波〉实验。
该实验的显示界面中已设定采样周期T=1S，“计算公式”栏的Ki与Pi
已设定：
=0.32
=－0.12
=
=0
=0.42
=
=0
四、预习报告
（1）熟悉实验内容及步骤；
（2）改变积分环节时间常数（惯性时间常数T=0.5S，惯性环节增益K=5，积分时间常数Ti=0.5S），分别计算采样周期为1000ms和400ms的各项控制系数。
五、实验报告
（1）改变积分环节时间常数（惯性时间常数T=0.5S，惯性环节增益K=5，积分时间常数Ti=0.5S），采样周期为1000ms和400ms各项控制系数分别填入“计算公式”栏，观察相应实验现象，记录波形。
并分析曲线不同的原因。
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