THKKL型《计算机控制技术》实验指导书

1、 THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱目 录第一部分 使用说明书1第一章 系统概述1第二章 硬件的组成及使用2第二部分 实验指导书5第二章 计算机控制技术基础实验69实验一 A/D与D/A转换69实验二 数字滤波器71实验三 离散化方法研究73实验四 数字PID调节器算法的研究77实验五 串级控制算法的研究81实验六 解耦控制算法的研究84实验七 最少拍控制算法研究88实验八 具有纯滞后系统的大林控制91实验九 线性离散系统的全状态反馈控制94实验十 模糊控制系统97实验十一 具有单神经元控制器的控制系统100实验十二 二次型状态调节器104实验十三 单闭环直流调速系统107实验十

2、四 步进电机转速控制系统110实验十五 单闭环温度恒值控制系统112附 录 上位机软件使用流程11454天煌科技 天煌教仪第一部分 使用说明书第一章 系统概述“THKKL-6”型控制理论及计算机控制技术实验箱是我公司结合教学和实践的需要而进行精心设计的实验系统。适用于高校的控制原理、计算机控制技术等课程的实验教学。该实验箱具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。 实验箱的硬件部分主要由直流稳压电源、低频信号发生器、阶跃信号发生器、交/直流数字电压表、电阻测量单元、示波器接口、CPU（51单片机）模块、单片机接口、步进电机单元、直流电机单元、温度控制单元、通用单元

3、电路、电位器组等单元组成。数据采集部分采用USB2.0接口，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机USB通讯口上，有4路单端A/D模拟量输入，转换精度为12位；2路D/A模拟量输出，转换精度为12位；上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、Bode图等多种功能于一体。在实验设计上，控制理论既有模拟部分的实验，又有离散部分实验；既有经典控制理论实验，又有现代控制理论实验；计算机控制系统除了常规的实验外，还增加了当前工业上应用广泛、效果卓著的模糊控制、神经元控制、二次型最优控制等实验；第二章 硬件的组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实验箱提供电源。有+5V/0.5A、1

4、5V/0.5A及+24V/2.0A四路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主要用于温度控制单元。实验前，启动实验箱左侧的电源总开关。并根据需要将+5V、15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。二、低频信号发生器低频信号发生器主要输出有正弦信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号四种波形信号。输出频率由上位机设置，频率范围0.1 Hz 100Hz。可以通过幅度调节电位器来调节各个波形的幅度，而斜坡和抛物波信号还可以通过斜率调节电位器来改变波形的斜率。三、锁零按钮锁零按钮用于实验前运放

5、单元中电容器的放电。使用时用二号实验导线将对应的接线柱与运放的输出端连接。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。四、阶跃信号发生器阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围约为-15V+15V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的钮子开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。注：单元的输出电压可通过实验箱

6、上的直流数字电压表来进行测量。五、电阻测量单元可以通过输出的电压值来得到未知的电阻值，本单元可以在实验时方便地设置电位器的阻值。当钮子开关拨到10k位置时，所测量的电阻值等于输出的电压值乘以10，单位为千欧。当钮子开关拨到100k位置时，所测量的电阻值等于输出的电压值乘以100，单位为千欧。注：为了得到一个较准确的电阻值，应该选择适当的档位，尽量保证输出的电压与1V更接近。六、交/直流数字电压表交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz400kHz）、精

7、度高（1kHz时：5）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。七、通用单元电路通用单元电路具体有“通用单元1”“通用单元6”、“反相器单元”和“系统能控性与能观性分析”等单元。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过不同的接线，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51k、100k、200k、510k；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF。以组建积分环节为例，积分环节的时间常数为1s。首先确定带运放的单元，且其前后的元

8、器件分别为100k、10uF（T=100k10uF=1s），通过观察“通用单元1”可满足要求，然后将100k和10uF通过实验导线连接起来。实验前先按下“锁零按钮”对电容放电，然后用2号导线将单位阶跃信号输出端接到积分单元的输入端，积分电路的输出端接至反向器单元，保证输入、输出方向的一致性。然后按下“锁零按钮”和阶跃信号输出按钮，用示波器观察输出曲线，其具体电路如下图所示。八、非线性单元由一个含有两个单向二极管并且需要外加15V直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中10k电位器由电位器组单元提供。电位器的使用可由2号导线将电位器引出端点接入至相应电路中。但在实验前先断开电位器与

9、电路的连线，用万用表测量好所需R的阻值，然后再接入电路中。九、采样保持器它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后再由零阶保持器输出的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。十、单片机控制单元主要用于计算机控制实验部分，其作用为计算机控制算法的执行。主要由单片机（AT89S52）、AD采集（AD7323，四路12位，电压范围：-10V+10V）和DA输出（LTC1446，两路12位，电压范围：-10V+10V）三部分组成。发光二极管可显示AD转换结果（由具体程序而定）。十一、实物实验单元包括温度控制单元、直流电机单元和步进电机单元，

10、主要用于计算机控制技术实验中，使用方法详见实验指导书。十二、数据采集卡采用ADUC7021和CY68013芯片组成，支持4路AD（-10V+10V）采集，两路DA（-10V+10V）输出。采样频率为40k，转换精度为12位，配合上位机可进行常规信号采集显示、模拟量输出、频率特性分析等功能。注意事项：1 每次连接线路前要关闭电源总开关。2 按照实验指导书连接好线路后，仔细检查线路是否连接正确、电源有无接反。如确认无误后方可接通电源开始实验。第二章 计算机控制技术基础实验实验一 A/D与D/A转换一、实验目的1通过实验了解实验系统的结构与使用方法；2通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现

11、方法。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351单片机下载线；4USB数据线。三、实验内容1输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；2在程序输入一个要得到的电压值，完成通道的数模转换实验。四、实验步骤1启动实验箱的“电源总开关”，打开+5V、15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“单片机控制单元”的“AI1”通道，同时将“单片机控制单元”的“AO1”输出端连接到示波器接口单元的“通道1”输入端；2将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V；3启动计算机

12、，打开软件“keil uVision3”，打开“实验01AD电压转换ex01.Uv2”工程文件阅读并理解程序，编译；4连接好下载线，打开“Easy 51Pro”软件，下载实验程序；5打开“THKKL-6”软件的虚拟示波器，选择通道1并进行采集；6调节阶跃信号的大小，然后继续观察AD转换器的转换结果；7实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。五、附 录编程实现测试信号的产生编写单片机程序可实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。其函数表达式分别为：1) 正弦信号 ，2) 方波 3) 斜坡信号4) 抛物线信号各典型信号的编程请参考“实验01基本波形”目录内参考示例程

13、序。实验二 数字滤波器一、实验目的1通过实验熟悉数字滤波器的实现方法；2研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2 PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351单片机下载线；4USB数据线。三、实验内容1设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰信号和正弦信号输入的模拟加法电路；2设计并调试一阶数字滤波器。四、实验原理1在许多信息处理过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。数字滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规

14、则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。一般可以用两种方法来实现：一种是用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。一个数字滤波器，它所表达的运算可用差分方程来表示：2一阶数字滤波器及其数字化一阶数字滤波器的传递函数为 利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法： 其中TS为采样周期，为滤波器的时间常数。TS和应根据信号的频谱来选择。五、实验步骤1实验接线及准备1.1 启动计算机，打开所有实验软件，打开“实验02”的工程文件，阅读并理解程序；1.2 将“信号发生器1”输出端连接到示波器单元“通道1”输入端，调节上位机软件频率和信号发生器幅度调节电位器，使方波信号的频率和幅值分

15、别为4Hz，2V。断开连线，将“信号发生器1”输出端连接到“脉冲产生电路”的输入端产生一个尖脉冲信号Uo；1.3按图2-2连接电路，其中正弦信号来自单片机控制单元的“AO1”输出端，尖脉冲信号来自图2-1的输出端。图2-2的输出端与单片机控制单元的“AI1”和示波器的“通道1”相连，同时将单片机控制单元的“AO1”输出端与“AI2”输入端和示波器的“通道2”相连；1.4启动实验箱的“电源总开关”，打开+5V、15V电源。编译、下载程序；1.5 用虚拟示波器分别观察图2-2的输出端和单片机控制单元输出端“AO1”的波形。改变方波信号的频率(即尖脉冲干扰信号的频率)。观察数据滤波器的滤波效果；1.

16、6 实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。六、实验报告要求1画出尖脉冲干扰信号的产生电路图。2编写一阶数字滤波器的程序。3绘制加数字滤波器前、后的输出波形，并分析程序中参数的变化对其滤波效果的影响。七、附 录1尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图（由无源元件单元中取得）图2-1 尖脉冲产生电路通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。2实验电路的信号的产生把图2-1产生的尖脉冲信号视为干扰信号，与一低频正弦信号输入到图2-2所示的两个输入端。图2-2 测试信号的产生电路图实验三 离散化方法研究一、实验目的1学习并掌握数字控制器的设计方法；2熟悉将模拟控制器D(S)离散为数字控制器的原理与方法

17、；3通过数模混合实验，对D(S)的多种离散化方法作比较研究，并对D(S)离散化前后闭环系统的性能进行比较，以加深对计算机控制系统的理解。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2 PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351单片机下载线；4USB数据线。三、实验内容1按连续系统的要求，照图3-1的方案设计一个与被控对象串联的模拟控制器D(S)，并用示波器观测系统的动态特性。2利用实验箱，设计一个数模混合仿真的计算机控制系统，并利用D(S)离散化后所编写的程序对系统进行控制。3研究采样周期TS变化时，不同离散化的

18、方法对闭环控制系统性能的影响。4对上述连续系统和计算机控制系统的动态性能作比较研究。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

19、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，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

20、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单片机控制单元的“AO1”输出端，电路的输出端与单片机控制单元的“AI1”和示波器单元的“通道1”输入端相连；1.3 待检查电路接线无误后，打开电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态；2程序运行2.1 打开电源开关，启动计算机，运行所有实验软件；2.2 打开“实验03阶跃响应不变法”的工程

21、文件，阅读并理解程序。然后编译、下载程序；2.3 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2.2、2.3，用同样的方法分别运行后向差分法和双线性变换实验程序，用虚拟示波器观察图3-2输出端的响应曲线；2.5 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；2.6 实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。注：重新实验时，按下锁零按钮对电容放电后再开始实验。六、

22、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。实验四 数字PID调节器算法的研究一、实验目的1学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理；2学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理；3掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2 PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351单片

23、机下载线；4USB数据线。三、实验内容1利用本实验箱，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；2采用常规的PI和PID调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能；3对系统采用积分分离PID控制，并整定调节器的参数。四、实验原理在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组合而成的控制规律。而数字PID控制器则是由模拟PID控制规律直接变换所得。在PID控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积分，往往使之产生过大的超调量，这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生

24、产中常用改进的PID算法，如积分分离PID算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当控制量接近给定值时才将积分作用投入，以消除静差，提高控制精度。这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。五、实验步骤1实验接线1.1 按图4-1和图4-2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；1.2 用导线将该电路的输入端连接到单片机控制单元的“AO1”输出端，电路的输出端与单片机控制单元的“AI1”和示波器单元的“通道1”输入端相连；1.3 待检查电路接线无误后，打开电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态；2程序运行2.1 打开电源开关，启动计算机，运行所有实验软件；2.2 打开“实验

25、04位置式PID”的工程文件，阅读并理解程序。然后编译、下载程序；2.3 弹起锁零按钮使其处于“解锁”状态，用虚拟示波器观察输出端的响应曲线。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2.2、2.3，用同样的方法分别运行增量式PID和积分分离PID实验程序，用虚拟示波器观察输出端的响应曲线；2.5 实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。注： 程序每次开始运行时会先延时一段时间（一般5秒左右），目的是让电容有充足的放电时间，使实验不受影响。 每次重新进行实验时要先按下锁零按钮，再对单片机进行复位，然后弹起锁零按钮进行实验。六、实验报告要求1绘出实验中二阶被控对象在各种不

26、同的PID控制下的响应曲线。2编写积分分离PID控制算法的程序。3分析常规PID控制算法与积分分离PID控制算法在实验中的控制效果。七、附录1被控对象的模拟与计算机闭环控制系统的构成图4-1 数-模混合控制系统的方框图图中信号的离散化通过数据采集卡的采样开关来实现。被控对象的传递函数为： 它的模拟电路图如下图所示图4-2 被控二阶对象的模拟电路图2常规PID控制算法常规PID控制位置式算法为对应的Z传递函数为式中：kp-比例系数ki=积分系数，T采样周期kd微分系数其增量形式为 3积分分离PID控制算法系统中引入的积分分离算法时，积分分离PID算法要设置分离阈E0：当 e(kT)E0时，采用P

27、ID控制，以保持系统的控制精度。当 e(kT)E0时，采用PD控制，可使p减小。积分分离PID控制算法为：式中ke称为逻辑系数：当 e(k)E0时， ke=1当 e(k)E0时， ke=0对应的控制方框图为图4-3 上位机控制的方框图图中信号的离散化是由数据采集卡的采样开关来实现。4数字PID控制器的参数整定在模拟控制系统中，参数整定的方法较多，常用的实验整定法有：临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数字控制器参数的整定也可采用类似的方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法、试凑法等。下面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。扩充阶跃响应曲线法只适合于含多个惯性环节的自平衡系统。用扩充阶跃响

28、应曲线法整定PID参数的步骤如下： 数字控制器不接入控制系统，让系统处于开环工作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。 记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程，如下图所示。 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间和被控对象时间常数Tx，以及它们的比值Tx/，然后查下表确定控制器的kP、ki、kd及采样周期T。控制度控制律TkPTiTd1.05PI0.10.84Tx/3.4PID0.051.15Tx/2.00.451.2PI0.20.78Tx/3.6PID0.161.0Tx/1.90.551.5PI0.50.68Tx/3.9PID0.340.85Tx/1.620.82扩充阶跃响应曲线法通

29、过测取响应曲线的、Tx参数获得一个初步的PID控制参数，然后在此基础上通过部分参数的调节（试凑）使系统获得满意的控制性能。实验五 串级控制算法的研究一、实验目的1熟悉串级控制系统的原理，结构特点；2熟悉并掌握串级控制系统两个控制器参数的整定方法。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2 PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351单片机下载线；4USB数据线。三、实验内容1设计一个具有二阶被控对象的串级控制系统，并完成数-模混合仿真。2学习用逐步逼近法整定串级控制系统所包含的内，外两环中PI控制器的参数。四、

30、实验原理计算机串级控制系统的原理方框图如图5-1所示：图5-1 串级控制系统方框图串级控制系统的主要特点是在结构上有两个闭环。位于里面的闭环称为副环或副回路，它的给定值是主调节器的输出，即副回路的输出量跟随主调节器的输出而变化。副回路的主要作用是：一、能及时消除产生在副回路中的各种扰动对主控参量的影响；二、增大了副对象的带宽，从而加快了系统的响应。在外面的那个闭环称为主环或主回路，它的控制作用是不仅实现主控参量c(t)最终等于给定值r(t)，而且使c(t)具有良好的动态性能。图5-1中信号的离散化是通过数据采集卡的采样开关来实现的，D1(Z)、D2(Z)是由计算机实现的数字调节器，而其控制规律

31、用得较多的通常是PID调节规律。五、实验步骤1实验接线1.1 根据图5-1与5-2，连接一个二阶被控对象闭环控制系统的模拟电路；1.2 用导线将图5-2的输入端连接到单片机控制单元的“AO1”输出端，电路的“u1”输出端与单片机控制单元的“AI1”和示波器单元的“通道1”输入端相连；“u2”输出端与单片机控制单元的“AI2”和示波器单元的“通道2”输入端相连；1.3 待检查电路接线无误后，打开电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态；2程序运行2.1 打开电源开关，启动计算机，运行所有实验软件；2.2 打开“实验05串级控制”的工程文件，阅读并理解程序。然后编译、下载程序；2.3 弹起锁

32、零按钮使其处于“解锁”状态，用虚拟示波器观察u1 、u2输出端各自的响应曲线。可以利用逐步逼近法（参考本实验附录3的参数整定）整定串级控制系统的主调节器和副调节器相应的P、I、D参数。在整定过程中，注意观察参数的变化对系统动态性能的影响；2.4 将串级控制的程序语句“LTC1446(op1*1000,0);”中的op1(加副控制器时)输出改为op(不加副控制器时)输出，然后重复操作步骤2.3，并比较加副控制器前后被控参数的控制效果；2.5 实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。注：每次重新进行实验时要先按下锁零按钮，再对单片机进行复位，然后弹起锁零按钮进行实验。六、实验报告要求1绘出实验中

33、二阶被控对象的模拟电路图；2根据串级控制器的算法编写程序；3绘制实验中被控对象的输出波形。七、附录1被控对象的传递函数及模拟电路被控对象的传递函数与模拟电路图如图5-2所示。其传递函数为：2常规的PI控制算法 常规的PI控制律为 对于用一阶差分法离散后，可以得到常规数字PI的控制算法： 这里P、I参数分别为，图5-2 二阶受控对象的模拟电路图3逐步逼近整定法的整定步骤1) 外环断开，把内环当作一个单闭环控制系统，并按单闭环控制系统的PID控制器参数的整定方法，整定内环PID控制器的参数。2) 将内环PID控制器参数置于整定值上，闭合外环。如把内环当作外环中的一个等效环节，则外环又成为一个单闭环

34、控制系统，再按单闭环控制系统的PID控制参数的整定方法（如扩充响应曲线法），整定外环PID控制器的参数。3) 将外环PID控制参数置于整定值上，闭合外环，再按以上方法整定内环PID控制器的参数。至此，完成了一次逼近循环。如控制系统性能已满足要求，参数整定即告结束。否则，就回到步骤2）。如此循环下去，逐步逼近，直到控制系统的性能满足要求为止。实验六 解耦控制算法的研究一、实验目的1学习并熟悉多变量耦合系统的结构及特点；2掌握一种常用的多变量系统解耦控制算法的设计和实现方法。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2 PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVi

35、sion3”及“Easy 51Pro”)；351单片机下载线；4USB数据线。三、实验内容1利用实验箱，用前馈补偿解耦法设计一已知的双输入，双输出有耦合被控对象的解耦控制系统（可参考本实验附录），并完成它的混合仿真。2熟悉解耦控制系统的控制器参数调试方法。3对系统引入解耦装置前后的性能作比较。四、实验原理在现代工业设备(过程)中，其输入量和输出量往往是多个，且它们相互间有耦合作用，相互影响。对于这类多变量有耦合的被控对象如按单输入-单输出系统的设计，一般难于实现良好的控制效果。为此，人们在按单回路系统设计前，先设计一个解耦装置，以消除对象输入-输出间不需要的耦合关系，使各个控制量只控制自己针对

36、的那个被控制量，对其它的被控制量不产生任何影响，这就是解耦控制的基本设计思路，它的数学理论是矩阵对角化。下面为一个双输入-双输出有耦合的被控对象结构图。图6-1 双输入-双输出相互耦合对象的结构方框图图中C1、C2为系统的两个受控量，m1、m2为它们的控制量。由图可看知，m1除影响C1外，对C2也有影响；同样m2对C2、C1均有影响。系统中存在的这种耦合关系往往导致系统不能正常工作。解耦装置常用的设计方法有对角线矩阵法、单位矩阵法、前馈补偿法。这里用前馈补偿法进行设计，对应系统的方框图如图6-2所示。图6-2 加入解耦装置后系统的方框图由图6-2不难看出，为了消除上述耦合的影响，所设的解耦装置

37、应满足下列的关系式： ，m1=u1+u12 (1)，m2=u2+u21 (2)由式(1)、(2)可得 (3) (4)故解耦装置的传递函数阵为 经前馈补偿解耦以后，两输入、两输出连续控制系统的方块图将等价于如图6-3所示的两个相互独立的单闭环控制系统。图6-3 加解耦装置后受控系统的等价方框图五、实验步骤1实验接线1.1根据图6-4连接双输入、双输出有耦合被控对象的模拟电路；1.2 用导线将该电路的两个输入端“m1”、“m2”分别与单片机控制单元的“AO1” “AO2”输出端相连；电路的“C1”输出端与单片机控制单元的“AI1”和示波器单元的“通道1”输入端相连；“C2”输出端与单片机控制单元的

38、“AI2”和示波器单元的“通道2”输入端相连；1.3 待检查电路接线无误后，打开电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态；2程序运行2.1 打开电源开关，启动计算机，运行所有实验软件；2.2 打开“实验06解耦控制”的工程文件，阅读并理解程序。然后编译、下载程序；2.3 弹起锁零按钮使其处于“解锁”状态，用虚拟示波器观察图6-4中输出端C1、C2的响应曲线；2.4 修改PID算法中的P、I参数，重复步骤2.3，然后与步骤2.3的实验结果相比较；2.5 更改参考程序中的“i=0”（ i=1时加解藕装置；i=0时不加解藕装置），再重新编译、下载程序。用示波器观察图6-4中输出端C1、C2的响

39、应曲线。并与步骤2.3的操作相比较，对比解耦装置加入前后的响应曲线；2.6 实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。注：每次重新进行实验时要先按下锁零按钮，再对单片机进行复位，然后弹起锁零按钮进行实验。六、实验报告1画出双输入、双输出被控对象的电路图；2根据解耦装置及PID控制器的算法编写程序；3画出解耦装置加入前后被控对象两输出端的响应曲线；4推导前馈补偿法设计解耦装置的传递函数矩阵。七、附录1双输入-双输出有耦合的被控对象及解耦装置的设计 双输入-双输出有耦合的被控对象如图6-4所示。图6-4 被控对象的模拟电路图电路单元：通用单元3、通用单元5、通用单元6、通用单元4、通用单元2、通用

40、单元1和反向器单元。由图6-1和图6-4可得 ， (5)， (6)于是由(3)、(4)、 (5)、(6)系列公式可得： 故解耦装置的实际传递函数为 2控制器参数调试经前馈补偿解耦后，双输入、双输出有耦合的连续控制系统就等价于两个相互独立的单闭环控制系统，调试可分以下两步进行：1) 将两个PID控制器设置为比例控制，分别加r1(t)和r2(t)，调试解耦参数，测试解耦效果。2) 在解耦效果满足要求后，两个PID控制器的参数就可以分别按两个相互独立的单闭环控制系统各自去整定。实验七 最少拍控制算法研究一、实验目的1学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；2研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；3熟

41、悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2 PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351单片机下载线；4USB数据线。三、实验内容1设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制。2设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波控制，并通过混合仿真实验，观察该闭环控制系统输出采样点间纹波的消除。四、实验原理及设计在离散控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。最少拍系统，也称为最小调整时间系统或最快响应系统。它是指系统对应于典型的输入具有最快的响应速度，被控量能

42、经过最少采样周期达到设定值，且稳态误差为定值。显然，这样对系统的闭环脉冲传递函数提出了较为苛刻的要求，即其极点应位于Z平面的坐标原点处。1最少拍控制算法计算机控制系统的方框图为：图7-1 最少拍计算机控制原理方框图根据上述方框图可知，有限拍系统的闭环脉冲传递函数为： (1) (2)由(1) 、(2)解得： 随动系统的调节时间也就是系统误差达到零或为一恒值所需的时间，由Z变换定义可知：有限拍系统就是要求系统在典型的输入信号作用下，当时，恒为零或恒为一常量。N为尽可能小的正整数，为了实现这个目标，对不同的输入信号，必须选择不同的传递函数，由理论分析得： 2等速输入下最少拍有纹波控制器的设计设最少拍

43、随动系统如图7-2所示，对象特性G（s） 采用零阶保持器H0（s）采样周期T0.1,试设计单位速度输入时的有限拍调节器。解：广义对象的Z传递函数： （1-Z-1） （1-Z-1）, T0.1s 单位速度输入时，选择Ge（z）(1-z-1)2，则3等速输入下最少拍无纹波控制器的设计对G（s）进行无纹波设计由有纹波设计可知 选择两式联立求解得解方程，可得a0=1.408, a1=0.826，b0=1, b1=0.592所以有 由此可得等速输入下最少拍无纹波的算法：U(z)=0.408*U(z-1)+0.582*U(z-2)+3.826*E(z)-3.6516*E(z-1)+0.8256*E(z-2

44、) 五、实验步骤1实验接线图7-2 二阶被控对象的模拟电路图其中：R1=100k，R2=100k，R3=100k，C1=1uF，C2=1uF1.1根据图7-2连接一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶被控对象的模拟电路；1.2 用导线将该电路的输入端与单片机控制单元的“AO1”输出端相连；电路的输出端与单片机控制单元的“AI1”和示波器单元的“通道1”输入端相连；单片机控制单元的“AO2”与示波器单元的“通道2”输入端相连；1.3 将“单片机模块”的“D0”与“锁零单元”的“Ui”相连,并将“锁零单元”的“手动/自动”开关打到“自动”；2程序运行2.1 打开电源开关，启动计算机，运行THKKL-

45、6实验软件；2.2 打开“实验07最少拍算法有纹波”的工程文件，阅读并理解程序。然后编译、下载程序；2.3 打开“无纹波”的工程文件，重复步骤2.2、2.3进行实验；2.4 实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。六、实验报告要求1画出二阶被控对象的电路图。2根据最少拍有纹波控制的算法编写程序。3绘制最少拍有纹波、无纹波控制时系统输出响应曲线，并分析之。实验八 具有纯滞后系统的大林控制一、实验目的1了解大林控制算法的基本原理；2掌握用于具有纯滞后对象的大林控制算法及其在控制系统中的应用。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2 PC机1台(含软件“THKKL-6”、

46、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351单片机下载线；4USB数据线。三、实验内容1具有纯滞后一阶惯性环节大林算法的实现。2具有纯滞后二阶惯性环节大林算法的实现。3在实验中观察振铃现象并研究其消除方法。四、实验原理在生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。当对象的纯滞后时间与对象的惯性时间常数Tm之比，即/Tm0.5时，采用常规的比例积分微分（PID）控制，很难获得良好的控制性能。长期以来，人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究，比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿(Smi

47、th预估)控制。本实验以大林算法为依据进行研究，大林算法综合目标不是最少拍响应，而是一个具有纯滞后时间的一阶滞后响应。它的等效闭环传递函数为： ，（=1，2， ） (1)为要求的等效环节的时间常数，T为采样周期。对用零阶保持器法离散化，可求得系统的闭环Z传递函数： (2)五、实验步骤1实验接线1.1根据图8-1，连接一个惯性环节的模拟电路；1.2 用导线将该电路的输入端与单片机控制单元的“AO1”输出端相连；电路的输出端与单片机控制单元的“AI1”和示波器单元的“通道1”输入端相连；将“单片机模块”的“AO2”与“锁零单元”的“Ui”相连,并将“锁零单元”的“手动/自动”开关打到“自动”；2程

48、序运行2.1 打开电源开关，启动计算机，运行所有实验软件；2.2 打开“实验08大林控制”的工程文件，阅读并理解程序。然后编译、下载程序；2.3用虚拟示波器观察观察图8-1输出端的响应曲线；2.4修改程序中n(可模拟对象的滞后时间，滞后时间为n*运行步长，当运行步长设100ms时，n的取值范围为15)值以修改对象的滞后时间，重复步骤2.3进行实验；2.5 实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。注：1）为了观察大林算法对于滞后系统的控制效果，可将程序中大林算法部分用PID算法替换，然后将两种程序的运行结果进行比较。六、实验报告要求1画出一阶被控对象的电路图。2根据大林控制算法编写程序。3画出

49、大林算法控制时系统的输出响应曲线，并分析之。4分析纯滞后时间的增大对系统稳定性的影响。五、附录1带纯滞后一阶惯性对象的算法设对象的传递函数为： ， (3)上式中，滞后环节由上位机软件模拟，为滞后时间，这里取，T为采样周期。对象的其它部分由如下电路来模拟：图8-1 一阶被控对象的模拟电路图这里k=10，Tm=1。相应计算机控制系统的方框图为图8-2 计算机控制系统方框图大林算法的目标是使系统的闭环Z传递函数为式(2)所示，即 基于本系统的广义对象Z传递函数为 则有： 由上式得 (8-1)2.振铃现象及其消除振铃现象是指数字调节器的输出u(KT)以2T的周期上下摆动，摆动的大小以RA来表征，它定义

50、为：数字调节器在单位阶跃输入作用下，第0拍输出与第1拍输出之差。RA=u（0）-u(T) 振铃幅度为RA=a1-b1=式中Tm和Tm分别为对象和闭环传递函数的等效时间常数。如果Tm，则RA0,无振铃现象。当0存在振铃现象。D（z）又可进一步化为：可能引起振铃的是因子）当l=0时，不存在振铃因子，不会产生振铃现象。当l=1时，则有一极点z=-(),若，mTm时，z-1,存在严重的振现象。当l2时，若 Tm时，1所以存在振铃现象。实验九 线性离散系统的全状态反馈控制一、实验目的1学习并熟悉用极点配置的方法，设计全状态反馈的线性离散系统，并推导其控制算法；2用混合仿真方法研究控制参数的变化对系统性能

51、的影响。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2 PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351单片机下载线；4USB数据线。三、实验内容1利用本实验装置，设计并实现一典型二阶系统的全状态反馈计算机控制混合仿真系统；2通过对混合仿真系统的实验，研究相关参数的变化对系统性能的影响。四、实验原理离散状态空间设计法是利用离散的状态空间表达式，根据性能指标要求，设计一个能满足要求的计算机控制系统。离散状态空间设计法的主要优点是能够处理多输入多输入系统，时变系统和非线性系统等。设受控系统的状态方程为： (1)如果系统能控

52、，则该系统的极点能实现任意配置。令引入状态反馈后的为 (2)式中： 系统的控制量 维状态向量 状态反馈增益矩阵(1)引入状态反馈后系统的状态方程变为 (3)令 为系统希望的特征多项式，为希望的特征根。而式(3)对应的特征多项式为 令，求得状态反馈阵五、实验步骤1实验接线1.1根据图9-1，连接被控对象为一个惯性环节与一个积分环节串联的模拟电路；1.2 用导线将该电路的输入端与单片机控制单元的“AO1”输出端相连；电路的输出端“U0”与单片机控制单元的“AI1”和示波器单元的“通道1”输入端相连；电路的输出端“U1”与单片机控制单元的“AI2”和示波器单元的“通道2”输入端相连；1.3 待检查电路接线无误后，打开电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态；2