《计算机控制系统》学生用实验指导书Word格式文档下载.docx
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采样实验框图构成如图2所示。
本实验将函数发生器(B5)单元“方波输出”作为采样周期信号,正弦波信号发生器单元(B5)输出正弦波,观察在不同的采样周期信号对正弦波采样的影响。
图2采样实验框图
(1)将函数发生器(B5)单元的正弦波输出作为系统输入,方波输出作为系统采样周期输入。
①在显示与功能选择(D1)单元中,通过上排右按键选择“方波/正弦波”的指示灯亮,(B5)模块“方波输出”测孔和“正弦波输出”测孔同时有输出。
‘方波’的指示灯也亮,调节B5单元的“设定电位器1”,使之方波频率约为78Hz(D1单元右显示)。
②再按一次上排右按键,“正弦波”的指示灯亮(‘方波’的指示灯灭),B5的量程选择开关S2置上档,调节“设定电位器2”,使之正弦波频率为0.5Hz(D1单元右显示)。
调节B5单元的“正弦波调幅”电位器,使之正弦波峰峰值输出电压=±
2.5V左右(D1单元左显示)。
(2)构造模拟电路:
按图2安置短路套及测孔联线,表如下。
1
正弦波信号输入
B5(正弦波输出SIN)→B3(虚拟示波器)CH1(选X1档)
2
采样周期信号
B5(方波输出)→B8输入(IRQ6)
①复核输入信号:
运行LABACT程序,选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”(Alt+W)项,弹出双迹示波器的界面,点击开始,用虚拟示波器观察系统输入信号(正弦波和方波)。
②再运行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,即可选用本实验配套的虚拟示波器(B3)单元的CH1测孔测量波形
③在显示与功能选择(D1)单元中,按上排右按键选择“方波/正弦波”的指示灯亮,‘方波’的指示灯也亮,调节B5单元的“设定电位器1”,慢慢降低采样周期信号频率,直到虚拟示波器显示的正弦波严重失真,记录下此时的采样周期。
4、采样/保持实验
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。
若要求图3所示的闭环采样/保持控制系统实验构成电路特征根的模小于1,
须:
得:
采样周期T<
0.04s。
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。
图3闭环采样/保持控制系统实验构成电路
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。
闭环采样/保持控制系统实验构成电路如图3所示。
注:
‘SST’用‘短路套’短接!
(1)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)。
按图3安置短路套及测孔联线,表如下。
(a)安置短路套(b)测孔联线
输入信号R
B5(OUT)→A1(H1)
运放级联
A1(OUT)→A2(H1)
3
送调节器输入
A2(OUT)→B7(IN7)
4
调节器输出
B2(OUT2)→A3(H1)
5
A3(OUT)→A5(H1)
6
负反馈
A5(OUT)→A2(H2)
7
‘中断请求’线
B5(S)→B8(IRQ6)
模块号
跨接座号
A1
S4,S8
A2
S1,S6
A3
S3,S10,S11
A5
S3,S7,S10
B5
‘S-ST’
(3)虚拟示波器(B3)的联接:
示波器输入端
信号输出端
CH1(选X1档)
A5单元的OUT(C)
系统输出
CH2(选X1档)
B5单元的OUT
系统输入
(4)运行、观察、记录:
运行LABACT程序,选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”(Alt+W)项,弹出双迹示波器的界面,点击开始,用虚拟示波器观察系统输入信号。
②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,使用虚拟示波器CH1通道观察A5单元输出OUT(C)的波形。
③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。
④采样周期T设定为10ms、30ms和50ms,使用虚拟示波器CH1通道观察A5单元输出OUT(C)的波形。
观察相应实验现象。
记录波形,并判断其稳定性。
实验二数字PID控制实验
1、掌握连续控制系统PID控制算法。
2、掌握离散控制系统PID控制的位置型与增量型控制算法。
3、了解标准PID控制算法与积分分离PID、非线性PID控制算法的区别。
1、标准PID控制算法实验
本实验用于观察和分析输入为阶跃信号时被测系统的PID控制特性。
它把输入信号离散化,用数字形式的差分方程代替连续系统的微分方程,对它进行处理和控制。
离散化的PID位置控制算式表达式为:
式中:
其中
:
调节器的比例系数;
调节器的积分时间常数;
调节器的微分时间常数;
Kp系数不可过小,因为这会使计算机控制输出也较小,从而使系统量化误差变大,甚至有时控制器根本无输出而形成死区。
这时可将模拟电路开环增益适当减小,而使Kp系数变大。
数字PID控制实验构成如图4所示。
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PID控制特性。
图4数字PID控制实验构成
将‘SST’用‘短路套’短接!
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>
2秒(D1单元左显示)。
按图4安置短路套及测孔联线,表如下。
S1,S8,S9,S10,S11
A6
S4,S9
A1(OUT)→A2(H1)
A2(OUT)→B7(IN7)
B2(OUT2)→A3(H1)
A3(OUT)→A6(H1)
A6(OUT)→A2(H2)
跨接元件(100K)
元件库A11中直读式可变电阻跨接到A6(IN)和(OUT)之间
A6单元的OUT(C)
先运行LABACT程序,选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”(Alt+W)项,弹出双迹示波器的界面,点击开始,用虚拟示波器观察系统输入信号。
②运行LABACT程序,选择微机控制菜单下的数字PID控制实验下的标准PID控制选项,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。
③在程序运行中,随时可修改控制系数PID,然后点击发送,无须点击停止;
只有在需观察实验结果时,才需点击停止。
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。
④该实验的显示界面中改变T、Kp、Ti、Td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。
⑤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。
⑥该实验的显示界面中已设定采样周期T=4*5mS=20ms,“控制系数”栏的Kp、Ki、Kd,已设定:
Kp=0.60,Ti=100ms,Td=30ms
⑦运行程序,用示波器观察输出C,如果现象不明显则可以调节A11单元中的可变电阻和函数发生器(B5)中的调宽调幅。
⑧记录Kp、Ti、Td、Ymax、ts、tp参数,在表1中填入给此次的各参数与结果。
表1
kp
Ti
Td
Ymax
tp
ts
2、积分分离PID控制算法
本实验用于观察和分析引进积分分离法后,输入为阶跃信号时被测系统的PID控制特性。
积分分离法要设置积分分离阀值Eo,其数值范围为0~4.9V。
当
>
时(偏差值
比较大时),采用PD控制;
当
比较小时),采用PID控制。
积分分离法PID算法可表示为:
;
积分分离PID控制算法系统构成如图4所示。
(与标准PID控制实验构成相同)
同标准PID控制实验,增加一项积分分离阀值Eo的设置。
实验结果表明采用了积分分离法PID控制算法,使得控制器超调量减小,系统控制性能得到改善。
记录参数填入表2.
表2
Eo
3、非线性PID控制算法
本实验用于引观察和分析进非线性PID控制后,输入为阶跃信号时被测系统的PID控制特性。
某些系统控制为了避免控制动作过于频繁而引起的振荡,有时采用非线性PID控制(带砰砰的PID控制),其算法可表示为:
式中,Po为输出阀值,其数值范围为0-4.9V。
PID控制输出值P(K)大于或等于阀值时,输出值恒等于阀值Po;
PID控制输出值小于阀值时,输出值等于标准PID输出值。
非线性PID控制算法系统构成如图4所示。
同标准PID控制实验,增加一项输出阀值Po的设置,(示波器的输入端CH2改连到B2单元输出端OUT2--调节器输出)。
从实验中可看出,Eo阀值越小,误差带越窄,系统出现不太大的超调时,输出就可得到及时控制,使系统很快进入稳态。
记录参数填入表3。
表3
Po
实验三最少拍控制系统
1、掌握最少拍控制的原理和方法。
2、掌握最少拍有纹波控制器的设计方法。
3、了解最少拍无纹波控制器的设计方法。
二、实验内容及步骤
1最少拍有纹波系统
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:
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)。
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)。
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。
⑷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
(
取值范围:
-0.99~+0.99)。
最少拍有纹波系统构成如图5所示。
被控对象由一个积分环节和一个惯性环节组成
图5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。
各项控制系数:
KO=0.544
K1=-0.20 K2=K3=0P1=0.718P2=P3=0
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:
将‘SST’’用‘短路套’短接!
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)。
按图5安置短路套及测孔联线,表如下。
S2,S6
S3,S7,S10,S11
S9,S10,S11,S12
A2(OUT)→B7(IN6)
B2(OUT2)→A5(H1)
跨接元件(250K)
元件库A11中可变电阻跨接到A5(OUT)和A6(IN)之间
B2单元的OUT2
(4)运行、观察、记录
②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。
3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。
④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:
=0.54
=-0.2
=
=0
=0.72
=0
⑤用虚拟示波器中的CH1观察A6单元的OUT(C)端。
⑥用虚拟示波器CH1、CH2分别观察A6单元输出OUT(C)和B2单元的OUT2端,探讨纹波产生的原因和计算,及最少拍控制的性能特点、优劣。
2、最少拍无纹波设计
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无波纹控制特性。
最少拍无纹波系统构成如图5所示。
(实验步骤与最少拍有纹波控制实验构成相同)
实验四控制系统实验
1、掌握直流电机的闭环调速原理与方法。
2、掌握温度控制系统的原理与方法。
3、掌握步进电机工作原理与方法。
1、直流电机闭环调速实验
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图见图6。
图6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)。
(1)实验联线:
电机输入
B2单元(OUT1)→C2单元(电机输入)
测速
C2单元电机输出(电压)→B7输入(IN4)
(2)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PID,然后点击发送,实现直流电机的闭环调速,无须点击停止;
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、TI、TD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、TI、TD
Kp=0.20,TI=30ms,TD=20ms
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。
2、温度闭环控制实验
根据实验要求,即加温速率(上升时间)、超调量、调节时间及误差,选择PID控制参数、积分控制量实现温度闭环控制,观察温度控制曲线。
温度闭环控制系统原理框图见图7。
图7温度闭环控制系统原理框图
当给定温度U(k)接入后(即在温度示波器的界面上设置‘目标值’),与当前温度值U(t)(温度模块的温度采集输出经模/数转换器(B7)输出值)相比较,其差值e(t)在计算机中进行PID计算,解算成P(t),并形成数字化输出P(k)对温度模块加热,达到温度闭环控制。
风扇是一个非线性元件,因此不参与温度闭环控制,仅仅为了对被控对象快速冷却而设置的。
遇限削弱积分法
由于温度闭环控制是一种变化十分缓慢的控制系统,因此它很容易产生积分饱和,在积分项的作用下,往往将使系统产生较大的超调量和长时间波动。
为此,本实验采用了’遇限削弱积分’的方法来消除积分饱和。
该方法是在实验进行前先设定一个积分量
阀值为
,则式中
有:
上式表示在计算、控制过程中,一旦积分量达到阀值
时,它将不再增加。
按本实验所规定的参数进行实验后,可以看出超调量和波动受到了有效的控制。
(1)实验测孔联线:
加热
C1单元(Q8)→C3单元输入(脉冲加热)
测温
C3单元(测温输出)→B7单元(IN4)输入
①运行LABACT程序,选择控制系统菜单下的温度闭环控制实验项目,就会弹出温度示波器的界面。
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‘温度’参数、积分量阀值和控制系数PID后,点击发送,即可实现温度闭环控制。
②在程序运行中,随时可修改‘温度’参数、积分量阀值和控制系数PID,然后点击发送实现温度闭环控制,无须点击停止;
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
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