计算机控制实验指导书

目录计算机控制实验指导TOC\o"1-5"\h\z.概述 1\o"CurrentDocument".实验一A/D与D/A转换 3\o"CurrentDocument".实验二数字滤波 7\o"CurrentDocument".实验三D(s)离散化方法的研究 9\o"CurrentDocument".实验四数字PID控制算法的研究 13\o"CurrentDocument".实验五串级控制算法的研究 16\o"CurrentDocument".实验六解耦控制算法的研究 19\o"CurrentDocument".实验七最少拍控制算法的研究 23\o"CurrentDocument".实验八具有纯滞后系统的大林控制 28\o"CurrentDocument".实验九线性离散系统的全状态反馈控制 30\o"CurrentDocument".实验十二维模糊控制器 33\o"CurrentDocument".实验十一单神经元控制器 36计算机控制对象实验指导\o"CurrentDocument".实验一直流电机转速计算机控制实验 39\o"CurrentDocument".实验二水箱液位计算机控制实验 41=.计算机控制软件说明.概述 43\o"CurrentDocument".安装指南及系统要求 48\o"CurrentDocument". LabVIEW编程及功能介绍 495.附录 78概述系统功能特点.以PC微机为操作台，高效率支持“计算机控制”的教学实验。.系统含有高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。.系统含有界面友好、功能丰富的软件。PC微机在实验中，除了用作实验测试所需的虚拟仪器外，还可用作测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。.系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。可自己设计实验内容，构建系统对象，编写控制算法，进行计算机控制技术的研究。二.系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACCT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。ACCT-I实验箱内装有以C8051F060芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB□与PC微机连接。.ACCT-I实验箱简介ACCT-I实验箱是一个通用的实验箱。它主要由电源部分U1单元，信号源部分U2单元，与PC机进行通讯的数据处理单元U3,元器件单元U4,非线性单元U5,U6,U7,模拟电路单元U8〜U16组成，详见附图。电源单元U1,包括电源开关，保险丝，+5V,-5V,+15V,-15V,OV,1.2V~15V可调电压的输出。U2信号源单元可以产生周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号和正弦信号，频率幅值可调。U3单元为数据处理模块，用于完成数据采集与数据输出，并通过并行口与上位PC机进行通讯。U4单元提供了实验所需的电容与电阻，电位器，另提供插接电路，供放置自己选定大小的元器件。U5,U6,U7分别为典型的非线性环节电路。U8〜U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成的电路用于锁零。在“计算机控制”实验中，这些单元常被用于模拟被控对象。.软件系统上位机软件使用及怎样用LabVIEW编程语言编写计算机控制软件详见《计算机控制技术软件说明》。三.计算机控制实验系统实验内容.A/D与D/A转换.数字滤波.D（s）离散化方法的研究.数字PID控制算法的研究.串级控制算法的研究.解耦控制算法的研究.最少拍控制算法的研究.具有纯滞后系统的大林控制.线性离散系统的全状态反馈控制.二维模糊控制器.单神经元控制器四.实验注意事项.实验开始前需要对实验箱上的运算放大器电路进行调零。.运算放大器边上的锁零点G接线要正确。在需要锁零时，可与输入信号同步的锁零信号相连。如采用PC产生输入信号，则连U3单元的G1（同步对应O1信号），G2（同步对应02）；如采用U2单元的输入信号，则连接U2单元上的G（同步对应U2单元发生信号）。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般情况下不需要锁零信号。不需要锁零时，请把G与-15V相连。.系统软件支持锁零信号设定。通过对O1的端口输出实现其对应端口G1的输出，通过对02的端口输出实现对应端口G2的输出（脚本程序对应处编程设定），G1与G2信号分别与O1,02信号同步。经常的操作有：用一路输出作为计算机控制时数据处理的D/A通道，另一路用来控制锁零信号；当同时需用01与02作为数据处理的D/A通道时，处理方法参照上面第2点内容。.在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反相器。实验一A/D与D/A转换实验目的.通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。.通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二.实验内容.利用实验系统完成测试信号的产生.测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。.设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。三.实验步骤.了解并熟悉实验设备，掌握以C8051F060为核心的数据处理系统的模拟量通道设计方法，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法；.利用实验设备产生。〜5V的斜坡信号，输入到一路模拟量输入通道，在上位机软件的界面上测取该模拟量输入通道当A/D转换数为4位时的模数转换量化特性；.利用实验箱设计并连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路，分别输入两路模拟量输入通道，在上位机界面的界面上测取它们的模数转换结果，然后将该转换结果的数字量，通过数模转换变为模拟量和输入信号作比较；.编写程序实现各种典型测试信号的产生，熟悉并掌握程序设计方法；.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录.C8051Po60概述C8051F060是一个高性能数据采集芯片。芯片内集成了：(1)与8051兼容的内核：额定工作频率25MHz,流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期。5个通用16位定时器/计数器，59条可编程的I/O线，22个中断源(2个优先级)。(2)模拂/O：C8051Po60的ADC子系统包括两个IMsps、16位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC,ADC中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA接口；两个12位电压输出DAC转换器，用于产生无抖动的波形。内部电压基准，精确的VDD监视器和欠压监测器。(3)存贮器：64KB片内闪速/电擦除程序存贮器(EEPROM),4KB片内数据存贮器(SRAM).(4)片内其它外围：2个UART串行I/O,SPI串行I/O,专用的看门狗定时器，电源监视器，温度传感器，内部可编程振荡器3~24.5MHz或外接震荡器。(5)供电电压：2.7V-3.6V,多中节电和停机方式。.实验设备中的模拟量输入通道(1)主要功能：允许-10V〜+10V信号输入，而至C8051F060引脚ADC的信号则被限制在要求的0V〜+3V(芯片基准电压为+3.0V)。(2)模拟量输入通道基本电路：见图1.1山一个偏移电路环节(+3V)与放大器电路环节组成。(3)模拟量输入通道输入端口：实验箱面板匕有模拟量输入通道输入端口II〜18。.实验设备中的模拟量输出通道(1)主耍功能：变C8051F060引脚DAC的单极性输出(0V-+10V)为双极性输出(-10V~+10V).(2)模拟量输出通道基本电路：见图1.2,由一个偏移电路环节(一2.5V)与放大器电路环节组成。(3)模拟量输出通道输出端口：实验箱面板上，有模拟量输出通道输出端口O1,02。.C8051Po60与上位机的关系与分工C8051F060与上位机之间，通过USB2.0口完成数据通讯。以C8051F060为核心构成的数据采集系统主要完成模拟量采集、模数转换、数模转换和模拟量输出(零阶保持器)等功能。而数据处理与显示，包括有关信号发生、数字滤波、数字控制与虚拟仪器等功能则通过上位机实现。系统通过A/D变换器对模拟信号进行A/D转换，转换后的值通过USB2.0口通讯传至上位机，由上位机软件显示；将欲转换的数字量送至D/A变换器还原成模拟量。本系统中16位A/D,D/A为12位，可以通过LabVIEW程序编程设置取得其他较低的转换精度以达到实验目的。有关C8051F060与上位机构成系统的具体使用方法，特别是有关上位机用户界面上的操作，请参阅“计算机控制上位机程序使用说明书二.两路互为倒相的周期斜坡信号的产生利用实验设备产生两路相位互差180。的斜坡信号的电路见图1.3,其中Ro=R=R2,氏=R4.在上位机界面上，选择测试信号为周期斜坡，在01端得到周期斜坡信号，如图14a所示，在12和II端分别得到如图1.4.b、14c所示互为倒相的周期信号。图L3图1.4.软件编程实现测试信号发生在上位机软件留给用户的编程接口中，编程实现典型信号的发生如正弦信号，周期方波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号。(1)正弦信号y=As\n(a)t+(p),T-——co(2)方波A0<r<7；)-10Tx<t<T(3)锯齿波fat0<r<7]，-i0 7；<t<T(4)抛物线_-at20</<7]y=j2[0T[<t<T实验二数字滤波实验目的.通过实验掌握数字滤波器设计方法。.学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。二.实验内容.产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。.设计并调试数字化一阶惯性滤波器。.设计并调试高阶数字滤波器。三.实验步骤.利用实验装置，设计和连接产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路，并利用数据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求；.根据信号频谱，设计并选择数字化-阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；.根据信号频谱，设计并选择高阶数字滤波器的参数，编制并运行高阶数字滤波器的滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响：.改变干扰信号，设计产生如带方波干扰的正弦信号，带随机干扰的正弦信号电路，同上做实验。.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录.测试信号的产生利用实验装置，产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的参考电路，如图2.1所示：.一阶惯性滤波器及其数字化•阶惯性滤波器的传递函数为：

G-（s）=G-（s）=y(s)iX（S）-75+1利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法:y(k)=—x(A:)+(1--)y(k-1)其中T为采样周期，r为滤波时间常数。T和了必须根据信号频谱来选择。.高阶数字滤波器高阶数字滤波器算法很多，这里给出一种四阶加权平均算法：y伏)=A[X(k)+A2x{k—1)+A^x(k—2)+A^x(k—3)其中权系数4满足：方4=1,类似地，所必须根据信号频谱来选择。.实验系统程序编制与调试参考计算机控制上位机程序软件使用说明书。实验三D(s)离散化方法的研究实验目的.学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。.熟悉常用的从连续化途径(先按连续系统设计再离散化)设计数字控制器的方法。.学习并掌握将模拟控制器D(s)离散化为数字控制器D(z)的方法。.通过混合仿真实验，对D(s)的各种离散化方法作比较研究，并对D(s)离散化前后闭环系统性能作比较研究，以加深对计算机控制系统特性的理解。二.实验内容.按连续系统设计串联校正控制器D(s),并利用实验设备测取该连续系统的动态特性。.利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。.采用保持器等价、匹配Z变换、一阶差分和双线性变换等方法离散化D(s),从而得到控制算法，并加以实现。.研究采样控制周期变化时，不同离散化方法对闭环控制系统性能的影响。.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。三.实验步骤.在已知二阶被控对象传递函数的条件下，用连续系统综合方法设计串联校正控制器D(s)；再利用实验设备，设计并连接用于模拟该闭环控制系统的电路，在上位机测取并记录其阶跃响应。.设计并连接模拟二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。.选定采样控制周期，采用保持器等价法离散化D(s),再从D(z)推导控制算法，然后在上位机上完成该算法编程、调试和运行。以阶跃信号作为系统输入，观测系统输出的屏幕显示，并作记录。.以相同的采样控制周期，采用匹配Z变换法离散化D(s),再从D(z)推导控制算法,然后在上位机上完成该算法编程、调试和运行。以阶跃信号作为系统输入，观测系统输出的屏幕显示，并作记录。.以相同的采样控制周期，采用一阶差分法离散化D(s),再从D(z)推导控制算法，然后在上位机上完成该算法编程、调试和运行。以阶跃信号作为系统输入，观测系统输出的屏幕显示，并作记录。.以相同的采样控制周期，采用双线性变换法离散化D(s),再从D(z)推导控制算法,然后在上位机上完成该算法编程、调试和运行。以阶跃信号作为系统输入，观测系统输出

的屏幕显示，并作记录。.将采样控制周期减小，重复3-6,观测采样控制周期减小对系统阶跃响应的影响。.将采样控制周期不断增加，重复3-6,观测采样控制周期增大对系统阶跃响应的影响。如有系统不稳定情况发生，记下此时的采样控制周期和所采用的离散化方法。.对实验结果进行比较、分析和研究，写成实验报告。四.附录.按连续系统串联校正及其动态性能实验系统被控对象的传递函数为G(s)=50.25(0.55G(s)=50.25(0.55+1)50

s(s+2)(3-1)具有串联校正控制器G(s)的线性连续系统的结构方块图如图3.1所示r(t)图3.1r(t)图3.1y(t)按以下要求设计期望系统的开环对数幅频特性：(1)超调量A/。420%(2)调节时间(过渡过程时间)ts<ls(3)校正后系统开环增益(静态速度误差系数)Kv>25%从期望系统的开环对数幅频特性中，减去上述二阶被控对象的对数幅频特性，可以得到串联校正控制器的对数幅频特性，由此得到其传递函数。")=0.5s+1。")=0.5s+10.05s+1(3-2)已知G(s)和。(s)后，参阅图3.1所示系统结构，设计系统被控对象的模拟电路如图3.2所示。

图3.2.计算机闭环控制系统的混合仿真lu—I卜+In图3.3In实验系统被控对象的传递函数见式（3—1）,它可以用图3.3所示电路来模拟。图3.4图中电路可利用实验箱U9、U11等单元组成。其中Om端连实验箱U3单元Ol,In端连实验箱U3单元II,以便利用该单元的数据处理功能与上位机的虚拟仪器功能观测和记录系统动态过程，用于对比分析。图3.4计算机控制系统的方框图如图3.4所示，除了虚线框内部分用电路模拟外，其余部分由上位机和数据处理系统完成。图3.4图3.4中，Z.。旧为零阶保持器，其传递函数为三（以后实验中均同此义）。.D(s)的离散化方法(1)保持器等价10—(0-28+9及71—e10—(0-28+9及71—ezD(z)=Z[——£)(5)]u(k)=e-20Tu(k-1)+1Oe(k)-("2。7+9)e(A:-1)(2)匹配Z变换对应D(s)的5,=-20>s2=-2,有4=Kz2K(l-e~2Tz~')故0(z)=:叩Z1-ez从limO(s)=limO(z)确定K从limO(s)=limO(z)确定K得长=stO二一＞1l-e-20r

l-e-2T所以u(k)=e-20Tu(k-1)+Ke(k)-Ke-2Te(k-1)(3)一阶后向差分1-z-1以5=——1-z-1以5=——代入O(s)=D(z)0.5+T-0.5z-,0.5s+1+ 有0.05s+110.05+T-0.05z-10.05+T0.5+T-0.5Z-'] 0.05」0.05+T~b,、， 〃、 0.05z,,、 0.5+T八、0.5 ,,,、所以u[k)= u{k—1)H e(k) e(k—1)0.05+T0.05+T0.05+T(4)双线性变换21t、~、0.5s+1-以s=- ；-代入O(s)= -有O(z)=Tl+z~' 0.055+O(z)=O.l+T-CO.l-Dz-10.1+T]0.1-T-0.1+T~0.1-T 1+T1-T所以u(k)— u(k-1)-1 e(k) e(k-1)0.1+T0.1+T0.1+T

实验四数字PID控制算法的研究实验目的.学习并掌握常规数字PID及积分分离PID控制算法的原理和应用。.学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。.学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。.利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。.采用常规数字PID控制，并用扩充响应曲线法整定控制器的参数。.采用积分分离PID控制，并整定控制器的参数。三.实验步骤.设计并连接模拟二阶被控对象的电路，并利用C8051H)60构成的数据采集系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。利用匕位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它涉足实验要求。.在上位机完成常规数字PID控制器的计算与实验结果显示、记录，并用扩充响应曲线法整定PID控制器的参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。.在上位机完成积分分离PID控制器的计算与实验结果显示、记录，改变积分分离值,观察该参数变化对系统动态性能的影响。.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录图4.1.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成图4.1G{s}=5G{s}=5 2.5(5+1)(0.55+1)它可以用图4.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图4.2所示，虚线框内部分由上位机和数据处理系统完成。图4.2参数可以取为Ro=100k,R|=500k,G=2u,R2=200k,R3=500k,C2=luo.常规数字PID控制算法常规的PID控制律为u(t)=Kp[e(t)+—1e(r)力+7；今&采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PID控制位置式算法〃伏)=勺卜⑹+1之e(i)+本[e⑹-e0-1)]}Li=l/k简记为〃(攵)二尸e(2)+1Ze(i)+。[外攵)一式k-1)](=1这里P、I、D参数分别为P=Kp,1=3可Df、采用增量式形式有：u(k)=u(k-1)4-P[e(k)-e(k-1)]4-Ie(k)+D[e(k)-2e(k-1)+e(k—2)] 3积分分离PID控制算法设积分分离值为EL则积分分离PID控制算法可表达为下式：〃n(k)+〃/(k)+〃力(k) \e(k)\<EIup(k)+uD(k) \e(k)\>EI其中up(k)=Pe(k)Uj(k)=U](k-1)+/e(&)uD(k)=D[e(k)-e(k-1)]4.数字PID控制器的参数整定(1)按扩充阶跃响应曲线法整定PID参数在模拟控制系统中，参数整定方法较多，常用的实验整定方法有：临界比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数字控制时也可采用类似方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法与试凑法等等。F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用于含多惯性环节的自平衡系统。用扩充响应曲线法整定PID参数的步骤如F：(a)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。(b)记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线如图4.3所示。(c)在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间T，被控对象时间常数7；以及它们的比值心/7，查表4-1控制器的Kp,Ki,Kd及采样周期To(d)在运行中，对上述参数作适当调整，以获得满意的性能。表4-1控制度控制律TKpTitd1.05PI0.1T0.847；/r0.34r——PID0.05T1.157；/r2.0r0.45r1.2PI0.2T0.787；/r3.6r—PID0.16T\.0Tt/t1.9T0.55r1.5PI0.5T0.687；/r3.9r—PID0.34r0.857；/r1.62Z0.82r扩充响应曲线法通过测取阶跃响应曲线的T,7；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)获得满意的控制性能。参数对性能的影响参见(2).PID参数对性能的影响增大比例系数Kp--般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。增大积分时间Ti有利于减小超调，减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间Td有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。

实验五串级控制算法的研究实验目的.熟悉并掌握串级控制系统的结构、特点及其混合仿真研究方法。.熟悉并掌握串级控制系统的控制器参数整定方法。.设计一已知三阶被控对象的串级控制系统，并完成它的混合仿真。.学习用逐步逼近方法整定串级控制所包含的内、外两环PI控制器参数。三.实验步骤.设计并连接模拟三阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的两路模拟量输入、一路模拟量输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟三阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。.在上位机完成内、外两环的常规数字PI控制器的算法编程、调试。特别注意内、外两环的采样控制周期是不同的。通常外环的采样控制周期是内环的3—10倍。.将外环断开，先整定内环的常规数字PI控制器参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。.将内环的常规数字PI控制器参数按整定好的值固定下来，再整定外环的常规数字PI控制器参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。.如果对上两步参数整定的结果不满意，可以将外环的常规数字PI控制器参数固定下来，重新整定内环的常规数字PI控制器参数。如果仍不能得到满意的结果，可再重复步骤4,直至满意为止。.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四.附录.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函数为G(s)=实验系统被控对象的传递函数为G(s)=20(0.055+1)(25+1)5它可以用图5.1所示电路来模拟计算机串级控制系统的方框图如图5.2所示，该图中，除了虚线框内部分用电路模拟外，其余部分由上位机和数据处理系统完成。.常规数字PI控制算法常规的PI控制律为a(f)=Kp[e(t)+-^e(t)dt]I采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PI控制算法简记为“(为=K*(r+T-Ze(i)]h-=i或者或&)="(左-1)+P[e(k)-e(k-\)]+Ie(k)这里P、I参数分别为P=K〃，1=KO-ppT..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控制器参数整定方法(如实验四介绍的扩充响应曲线法)，求取内环PID控制器参数。(2)将内环PID控制器参数置于整定值上，闭合外环。把内环当作外环的一个等效环节，外环又成为一个单闭环控制系统，再按单闭环控制系统的PID控制器参数整定方法(如扩充响应曲线法)，求取外环PID控制器参数。(3)将外环PID控制器参数置于整定值上，闭合外环。再按上述方法求取内环PID控制器参数。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)0如此循环下去，逐步逼近，直到控制系统性能满足要求为止实验六解耦控制算法的研究实验目的.熟悉并掌握多变量耦合系统的结构、特点及其混合仿真研究方法。.熟悉并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。—.实验内容.用前馈补偿解耦法设计一已知的两输入、两输出有耦合被控对象的解耦控制系统，并完成它的混合仿真。.熟悉解耦控制系统的控制器参数调试方法。.对无耦合系统、有耦合而未解耦系统以及有耦合且采用解耦控制系统的控制作比较研究。三.实验步骤.设计并连接模拟两输入、两输出有耦合被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的两路模拟量输入、两路模拟量输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟三阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。.按已知的两输入、两输出有耦合被控对象的结构和传递函数，用前馈补偿解耦法设计解耦控制算法，并在上位机编写、调试和运行相应的控制程序。.按两个独立的单闭环控制系统的整定各自的PID控制器参数。.改变控制器参数，观测并记录实验结果。MiMi图6.1.MiMi图6.1四.附录.实验系统的结构和被控对象参数实验所采用的两输入、两输出解耦控制系统的结构方块图，如图6.1所示：图中虚线框内部分是两输入、两输出有耦合的被控对象，其传递函数G⑸为：G2（s）=0

G”(s)=0.5G”(s)= (6-1)一 O.k+1该两输入、两输出有耦合的被控对象可用图6.2所示电路模拟，参数选择符合传递函数要求，不妨取为R<)=R|=100k,R2=R3=500k,C|=luF,R4—R5=100k,CG”(s)=0.5G”(s)= (6-1)一 O.k+1实验所采用的两输入、两输出解耦控制系统的混合仿真系统方框图如图6.3所示：图6.3.前馈补偿解耦法见图6.3,图中£>12(Z)和构成解耦网络，它们是先按连续系统设计。(s)然后离散化得到O(z)的。见图6.4,这是一个连续的采用前馈补偿解耦的两输入、两输入解耦控制系统的方块结构图。图中，如无解耦网络存在，M不仅影响G而且影响《2：同样地，不仅影响而且影响G°当也HO当(6-2)在图当也HO当(6-2)Cn(r)+C12(0=0C21(/)+C22(/)=0

陆4因而有G|2(s)+O|2(s)Gu(s)=0G21(5)+£>21(陆4因而有G|2(s)+O|2(s)Gu(s)=0G21(5)+£>21(5)G22(5)=0(6—3)从而得到连续的解耦网络数学模型D(s)=1 %(s)%(s) 1*(s)、G"(s)在实验系统中,G2l(s)G22。)(6-4)Dp(5)=一一四,D，I(s)=-一延2=-0.5(0.15+1)=-(0.05s+0.5)Gi(s)- G22(s)用一阶差分法将D(s)离散化得到D(z)=1Q2Q)%(z) 1(6-5)、八八/、 0.05(1-z-1)ncz0.05八八0.05,,具中"2(z)=0，。21q)= y一--0.5=-(--+0.5)+--z'在实验系统中，TOC\o"1-5"\h\zc,、d2(z) z0.05八C0.05 “八02&)=缶去=-(『+05)+1『' (6-6)M(z)T T于是右伏)=一(竿+05)班(女)+华叫(k-1) (6-7)于是得到解耦控制算法叫(女)=〃](k) (6—8)

u[(k—1)(6—9)(6-10)m2(k)=u2(k)+d2(<k)=〃2(k)一(丁+0.5)%(k)+u[(k—1)(6—9)(6-10)u](k)=u1(k-1)+P][et(k)-C](k-1)]+/r(k)+3回⑹-2et(k—1)+et(k-2)]u2(k)=u2(k-1)+P,[e2(k)-e2(k-1)]+l2e2(k)+D^e2{k}—2ez(k—\)+e2(k-2)\.控制器参数调试经前馈补偿解耦法解耦以后，两输入、两输入连续控制系统的方块结构图将等价于如图6.5所示系统，成为两个相互独立的单闭环控制系统，故调试可分以下两步进行：(1)在实际系统中，由于被控对象模型的误差，按前馈补偿解耦法设计的解耦算法的参数，需要按是否达到解耦效果进行调试。为此，先将两个PID控制器置为比例环节，分别加rl⑴和r2(t),测试解耦效果，调试解耦参数。(2)在解耦效果达到以后，两个PID控制器参数就可以分别按两个相互独立的单闭环控制系统各自整定。图6.5.关于对比分析上述解耦控制的PID控制结果同图6.2中去掉电阻用后的系统，用PID控制的实验结果相比较，以及同不加解耦的图6.2系统PID控制实验结果相比较。实验七最少拍控制算法的研究实验目的.学习并掌握最少拍控制器的设计和实现方法，并研究最少拍控制系统对三种典型输入的适应性及输出采样点间的纹波。.学习并掌握最少拍无纹波控制器的设计和实现方法，并研究输出采样点间的纹波消除以及最少拍无纹波控制系统对三种典型输入的适应性。—.实验内容.设计并实现对象具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制，并通过混合仿真实验研究该闭环控制系统对三种典型输入的适应性以及输出采样点间的纹波。.设计并实现对象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，以及系统对三种典型输入的适应性。三.实验步骤.设计并连接模拟由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据处理系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。.利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，分别测取惯性环节的放大倍数、时间常数以及积分环节的枳分时间常数。在上位机完成阶跃输入下最少拍控制计算与实验结果显示、记录。先完成阶跃输入下最少拍控制器的参数设计和调试，然后再用另外两种典型信号(等速与等加速)作为系统输入,观察系统输出并记录。.在上位机完成阶跃输入下最少拍无纹波控制器的计算与实验结果显示、记录。先完成阶跃输入下最少拍无纹波控制器的参数设计和调试，然后再用另外两种典型信号(等速与等加速)作为系统输入，观察系统输出并记录。.对记录的实验结果进行分析，写出实验报告。四.附录.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函数为G(s)=―-— (7-1)s(7]s+l)它可以用图7.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图7.2所示：

最少拍控制的效果对被控对象的参数变化非常敏感，实验中必须测取模拟对象的实际参数。.系统环节参数测试(1)惯性环节一公(s+1的参数测定Om图7.1y(t)图7.2测取图7Om图7.1y(t)图7.2阶跃响应的稳态值和阶跃信号幅值确定(和(。由确定长,其中〃一阶跃信号幅值Uy(8)一环节输出稳定值根据型口=0.63确定7；X(8)(2)积分环节时间常数的测定如要测图7.1第二个环节的积分时间常数，取同样阻值R2的电阻并联于C2两端，于是变成一个惯性环节」一，同(1)法测取乙，生@=0.63,。即积分时间常数。石s+1 %3)(3)系统K的确定于是对于式(7-1)中的K,有K=&。.等速输入下最少拍控制器的设计及其对其它典型输入的适应性见图7.2,对实验系统来说，加零阶保持器后对象的S传递函数为G(s)=s((sG(s)=s((s+l)(7-2)选择采样控制T,将上述S传递函数离散化，可得到加零阶保持器后对象的Z传递函数、^(T-T,+T]e-T,Tl)z~'+(Tl-Txer,r、^(T-T,+T]e-T,Tl)z~'+(Tl-Txer,r'-Ter,T^z1G(Z)=A : 777~: (IT)-T)考虑等速输入下最少拍无差条件，可以得到^(z)=z-l(2-z-,)l-^(z)=(l-z-')2(7-3)(7-4)(7-5)所以有O（z）=U(z)1 。⑵ (2-z-lXl-e-T/T'z-')EQ)G(z)fz)XACl-z-'Kl+Bz-')_1Z-a+Ze-T/^zT+e-r/nzy~~KAl+(B-l)z-'-Br2其中A=T+Tle'T,T'-Tl,B=(Tl-Tle-T,T>-Te-T'T')/A由此可得等速输入下最少拍算法：2u(k)=(1-B)u(k-1)+Bu(k—2)4 e(k)KA(7-6)\+2e-TIT'KA0-777；e(k—1)4—犬从-c(k—2)(7-7)图7.3a阶跃信号输入按等速输入下最少拍无差系统设计的控制器，在等速输入下可使闭环系统的输出在第二拍（即两个采样周期）跟上，此后在采样点上达到无差，见图7.3b）。对等加速输入来说，系统出现稳态误差，其稳态的输出误差值为片=1,见图7.3c）o7.3b等速信号输入图7.3c抛物线输入对阶跃输入来说，虽然输出在第二拍开始也达到无差，但在输出的第一拍*现了100%的超调，见图7.3a）7.3b等速信号输入图7.3c抛物线输入.等速输入下最少拍无纹波控制器的设计及其对其它典型输入的适应性按最少拍无差系统设计，最多只能达到采样点上无偏差，而不能保证采样点间无纹波。最少拍无纹波设计，不仅要做到采样点上无偏差，而且要做到采样点间无纹波。已经得到实验系统的加零阶保持器后对象的Z传递函数，如式(7-3)所示。根据等速输入下最少拍无纹波条件，可以得到^(z)=(l+fi2-l)(a,+a2z-l)z-1 (7—8)l-^(z)=(l-z-,)2(l+fe-') (7-9)两式联立求解确定a{,a2,b,取有q=两式联立求解确定a{,a2,b,取有q=B2+2B+\a7=—； 2B2+2B+\8(26+1)所以有O(z)=B@=欢z)_(1-产尸)(4+4尸E(z)G(z)l-0(z) KA(l-z-')(l+bz-')\+(b-Y)z'-bz2(7-10)由此可得等速输入下最少拍无纹波算法u(k)=(1-b)u(k-1)+bu(k—2)4——e(k)在不同典型输入下，按等速输入下最少拍无纹波条件设计系统的时域响应如图7.4a),b),c)所示。按等速输入下最少拍无纹波条件设计的系统与按等速输入下最少拍无差条件设计的系统相比较，可见：(1)在等速输入下，最少拍无纹波系统不仅做到采样点上无偏差，而且能做到采样点间无纹波。但是，其过渡过程比最少拍无差系统延长了一拍。(2)最少拍无纹波系统只在纹波问题上有改进，在对输入的适应性上，和最少拍无差系统一样，没有改善。图7.4a阶跃无纹波卜卜卜-卜h■:*he卜卜卜।图7.4b等速无纹波图7.4c抛物线无纹波实验八具有纯滞后系统的大林控制实验目的通过混合仿真实验，学习并掌握用于具有纯滞后系统的大林控制算法的设计及其实现。—.实验内容针对一个具有纯滞后的被控对象，设计并实现大林控制，并通过混合仿真实验观察振铃现象。三.实验步骤.设计并连接模拟具有一个惯性环节的被控对象的电路，利用C8051F060构成的数据处理系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接，利用上位机模拟被控对象的纯滞后。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。.编制程序并运行，完成所设计的大林算法的控制计算，观察系统输出中的振铃现象。.对实验结果进行分析，并写出实验报告。四.附录.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函数为G()(s)=7>+1阜+1(8-1)图8.1图8.1上式中，滞后环节"砥由上位机软件模拟，。为滞后时间，这里取e=,t为采样周期。对象传递函数的其余部分可以用图8.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图8.2所示,这里K=10,图8.22.大林算法根据被控对象的S传递函数式(8-1),大林算法选定_砥蜘)=£- 0=nT (8-2)"s+1"按控制要求选择。作为闭环控制的综合目标，与。(s)相对应的l-e-Ts。⑵=Z[ S(S)l-1_e-TITOz-i(8-3)而包含零阶保持器被控对象的S传递函数为l-e-TsKe-3s离散化后得到G(z)=Z[G(s)]=阜+1

K(l-e-T,T')z'n~'

\-e-T,T'z-'(8-4)于是可以得到大林算法控制器的Z传递函数一K(1—产)[1-e-T,T-z-'-(\-e-T,T^)z2]由此得到大林算法u(k)=e~T,T°u(k—1)+(1—e~T,T°)u(k—n—])(I—"77%)e-T/Tl(l-e-T/T°}+布F⑹-K(1V百)"I)(8-5)(8-6)实验九线性离散系统的全状态反馈控制实验目的.学习并掌握用极点配置方法设计线性离散系统的全状态反馈控制算法。.用混合仿真方法研究控制参数对系统性能的影响。二.实验内容.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。.通过混合仿真实验研究参数变化对系统性能的影响。三.实验步骤.设计并连接具有一个积分环节的二阶被控对象的模拟电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。.用极点配置方法，设计一给定的二阶系统的计算机控制全状态反馈系数；按设计的全状态反馈系数编写全状态反馈控制程序，运行，观察并记录该混合仿真系统的阶跃响应。.再次调用全状态反馈控制程序，改变全状态反馈系数后运行，观察并记录该混合仿真系统的阶跃响应的变化。.将以上实验结果与全数字仿真结果进行比较分析，并完成实验报告。四.附录1.典型二阶系统被控对象计算机控制的极点配置设计方法（1）典型二阶系统全状态反馈计算机控制系统的结构方块图实验用典型二阶系统全状态反馈计算机控制系统的结构方块图，如图9.1所示如图所示，该系统是一个采样控制系统。其被控对象是连续的，反馈信号经过采样、模数转换进入计算机，用计算机实现的数字控制器是离散的。控制器输出经过零阶保持

器恢复成模拟信号，加到被控对象上。(2)被控对象连续状态方程及其离散化为了设计被控对象控制器，需要根据给出的被控对象连续传递函数，对于。⑶二高,其连续方程如下:y(t)=X.(f), =u—x^写成状态空间表达式有：U1°~^)\X2)V?离散化后x(k+l)=Ax(k)+Bu(k) (9-2)其中离散化后x(k+l)=Ax(k)+Bu(k) (9-2)其中A(T)=<0,3B(T)=(0.610.63200.368(9-3)(9-4)注意：离散化过程中，已经把零阶保持器的作用考虑进去了。此处以采样时间Ts=ls为例。(3)加全状态反馈后闭环控制系统的特征方程，人 * / /x.(k)为加上全状态反馈，令"(k)=Kx(k)=(K女2)(“2(左)将此式代入式(9-2)可以得到x(k+l)=(A+8K)x(k) (9-5)10.632110.6321(0.368、00.368)+10.63241A+BK=1+0.368kl0.632+0.36此一10,632JI, 0.368+0.632原由此可得闭环特征方程(z-1-0.368jt,)(z-0.368-0.632&)-0.632勺(0.632+0.368a)=0(9—6)(4)理想极点和理想特征方程为了获得快速过渡过程，选择两个理想极点均处于单位圆的圆心，即，2=0,故理想特征方程为z2=0 (9-7)(5)全状态反馈的反馈系数确定为了使所设计的全状态反馈计算机控制系统获得快速过渡过程，令式(9-6)等于式(9-7),得到

(9-8)(z-1-0.368k1)(z-0.368-0.6320)-0.632k](0.632+0.368Z)=z2(9-8)从而确定全状态反馈的反馈系数占=-1.58,^=-1.24 (9-9)(6)控制算法〃(左)=-1.58内(左)一1.24*2(女) (9—10)图9.图9.22.实验系统设计系统实现方块图如图9.2所示：在本实验中可以取Ro=Ri=lOOk,Ci=10u,R2=500k,C2=2u。实验十二维模糊控制器实验目的.学习并掌握常用的二维模糊控制器的设计和实现。.用混合仿真方法研究常用的:维模糊控制器的特性，以及参数变化对过渡过程的影响。二.实验内容.以具有纯滞后的二阶系统为被控对象，设计一个二维模糊控制器。.利用实验设备设计并实现一个混合仿真系统。.利用上述混合仿真系统，完成二维模糊控制控制特性的研究，以及对不同对象的适应性研究。三.实验步骤.利用实验设备设计并实现一个采用模糊控制的混合仿真系统（1）利用实验箱，设计并连接模拟二阶被控对象的电路，并将该电路的输入与输出连接到模拟量输出与输入通道。再利用上位机提供的界面进行调试，使参数满足实验要求。同实验五，被控对象的纯滞后将由上位机程序模拟。（2）设计与编写模糊控制程序，熟悉并掌握模糊控制程序设计方法。（3）设计模糊控制器有关参数，运行上位机的模糊控制程序，观察对象输出；并对此模糊控制器参数进行调试，直至获得较满意的结果，作下记录。.用混合仿真方法研究二维模糊控制的控制特性（1）为改变被控对象结构，利用实验箱，设计并连接模拟一阶和三阶被控对象的电路，并将它们分别连接到模拟量通道，再利用上位机提供的界面进行调试，使参数满足实验要求。同实验五，被控对象的纯滞后将由上位机程序模拟。（2）利用一阶被控对象构成混合仿真系统，用1所记录的控制器参数运行程序，研究对象具有不同结构时的适应性。（3）利用三阶被控对象构成混合仿真系统，用1所记录的控制器参数运行程序，研究对象具有不同结构时的适应性。.对实验结果进行分析和比较，写出实验报告。四.附录.实验选择的典型被控对象及其模拟电路（1）具有纯滞后的二阶系统传递函数为G(s)=(率G(s)=(率+1)(力+1)=G2(s)e~TS(10—1)其中不含纯滞后部分的参考模拟电路如图10.1所示:(2)具有纯滞后的一阶系统传递函数为G(s)=—e5=G(s)e-"(10-2)Ts+l其中不含纯滞后部分的参考模拟电路如图10.2所示:(3)具有纯滞后的三阶系统传递函数为G(s)=(7>+1)(7>+1)(n5+1)e-w=G(s)=(7>+1)(7>+1)(n5+1)e-w=G3(s)e-TS(10-3)其中不含纯滞后部分的参考模拟电路如图10.3所示:图10.3.混合仿真系统结构混合仿真系统结构如图10.4所示如图所示，除虚线框内部分由电路模拟外，其它部分均由上位机和数据采集系统完成。

.二维模糊控制器图10.5所采用的二维模糊控制器的结构方块图如图10.5所示：所谓二维，指的是该控制器的输入是e和。，离散化即e(k)和e(k)-e(A-l),图中配心，阳分别是两维输入与一维输出的比例因子，%和%分别表示两维输入信号的整量化操作。Fuzzy规则可用控制规则表给出，见表10—1。表10—1模糊控制规则表dej-2-1012-432230-332220-222110-12110-10110-1-1110-1-1-220-1-1-2-230-2-2-2-340-3-2-2-3实验十一单神经元控制器实验目的.学习并理解单神经元控制器的原理和实现方法。.用混合仿真方法研究单神经元控制器的自适应特性，并研究改变参数对控制特性的影响。二.实验内容.以具有纯滞后的二阶系统为被控对象，设计一个单神经元控制器。.利用实验设备设计并实现一个混合仿真系统。.用上述混合仿真系统，完成单神经元控制自适应特性研究，以及对不同对象的适应性研究。三.实验步骤.利用实验设备设计并实现一个采用单神经元控制的混合仿真系统(1)利用实验箱，设计并连接模拟二阶被控对象的电路，并将该电路的输入与输出连接到C8051H)60模拟量输出与输入通道。再利用上位机提供的界面进行调试，使参数满足实验要求。同实验5,被控对象的纯滞后将由上位机程序模拟。(2)熟悉并掌握单神经元控制原理，编写运行单神经元控制程序。(3)设计单神经元控制器有关参数，运行单神经元控制程序，观察对象输出；并对此单神经元控制器参数进行调试，直至获得较满意的结果，作下记录。.用混合仿真方法研究单神经元控制的控制特性(1)为改变被控对象结构，利用实验箱，设计并连接模拟一阶和三阶被控对象的电路，并将它们分别连接到模拟量通道，再利用上位机提供的界面进行调试，使参数满足实验要求。同实验5,被控对象的纯滞后将由上位机程序模拟。(2)利用一阶被控对象构成混合仿真系统，用1所记录的控制器参数运行程序，研究对象具有不同结构时的适应性。(3)利用三阶被控对象构成混合仿真系统，用1所记录的控制器参数运行程序，研究对象具有不同结构时的适应性。.对实验结果进行分析和比较，写出实验报告。四.附录.实验选择的典型被控对象及其模拟电路参见实验十的附录lo

.混合仿真系统结构混合仿真系统结构如图11.1所示如图所示，除虚线框内部分由电路模拟外，其它部分均由上位机和数据采集系统完成。3.单神经元控制器单懈元懒牌I如图所示，除虚线框内部分由电路模拟外，其它部分均由上位机和数据采集系统完成。3.单神经元控制器单懈元懒牌I i图11.1单神经元控制器的结构模型如图11.2所示。转换器的输入为设定值r(A)单神经元控制器的结构模型如图11.2所示。转换器的输入为设定值r(A)与输出值y(A)的误差e(k)=r(k)-y(k),输出为神经元学习控制所需要的输入状态量尤1、x2>x3,分别取：X](k)—r(k)—y(k)-e(k)x2(k)=e(k)—e(k—1)x3(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)@为神经元各输入状态量所对应的权系数；神经元的阀值Q取为零；K为比例系数：神经元输出激发函数/()取线性截断函数，表示为：(11-D图11.2f(x)=X,

f(x)=X,

一乙,xNU,“X--Um(H-2)因此，单神经元控制器的输出控制量为:u(k)—u(ku(k)—u(k-1)+Am(女)=u(k-1)+(11-3)神经元的自适应功能是通过改变权系数。，来实现的，学习规则即是如何调整例的规则，它是神经元控制器的核心。在这里，学习算法借用最优控制中二次型性能指标的思想,在权重值的调整引入二次性能指标，实现对输出误差的约束控制。]A 1k(11-4)目标函数为：j(k)=-^[r(0-y(012=-^2e2(0(11-4)2；=i 2，=]为了保证权重值修正以，(k)相应于以伏)的负梯度方向进行，必须满足:(11-5)〃八〃、dJ(k)外―⑹F丽而(11-5)其中为学习速率，1>7>。综上而有单神经元控制算法为:e(k)=r(k)—y(k)x,(k)=e(k),x2(k)=e(k)~e(k-\),x3(k)=e(k)-2e(k-1)+e(k-2)3Aw(it)= 1)]，“(&)=u(k-1)+△〃(k)i=lY(L\a)i(k+l)=©⑹一-2 -Kx,⑹Au(%)@，(k+l)="+l)£|以(k+l)|i=l在推导过程中做了一定的近似化处理。4.补充说明本单神经元自适应算法的稳定条件是：0<rj<2(AAT)-'苴中A=(%(左)丫=(二也) 砥k) de(k)](a以幻J (a。0己生伏)a(ogJ该单神经元控制器实际上就是一类在线自适应PID控制，从△〃(幻=/你£例⑹%(&)]i=l=K((vl(k)xl(k)+(D2(k)x2(k)+^(k)x3(k)]即Au(k)=K(a),(k)e(k)+cal(k)[e(k)-e(k-l)]+03(k)[e(&)-2e(k-1)+e(k-2)]}比较可得到PID地参数分别为：Kq(k)=KpJ 积分系数1iK(o式k)=K「 比例系数Ka)3(k)=Kp7^ 微分系数实验一直流电机转速计算机控制实验一.实验目的：.熟悉并加深理解PID参数对系统动态性能的影响；.掌握数字PID控制方法：二.实验原理：|►Xe（k）PID",AZ.O.H被控对象\»C（tVIi i图1.1计算机控制闭环系统框图计算机控制系统的框图如图1.1所示，虚线框内部分由上位机和数据处理系统来实现。通过数字PID控制器来控制直流电机在给定一定的情况下，电机的转速按给定的转速稳定运转。三.实验设备：.ACCC-I型自动控制理论及计算机控制技术实验装置：.数字式万用表。四.实验内容和步骤：计算机控制闭环系统除了实际物理模型外，其它的控制部分由上位机的软件和数据处理器来实现。 功率转公c 十 十 • ' IOm' J/INOUT M转速测量图1.2被控对象的接线图.将ACCT-II面板和ACCT-III面板上的船形开关拨到“OFF”状态；.如图1.2所示，将ACCT-II面板上U3单元A/D、D/A转换器的D/A输出01接到ACCT-III面板上低压直流电动机调速中功率转换电路的输入，同时将转速测量电路的输出接到A/D输入II,由于功率转换电路和转速测量电路不共地，所以将输入和输出的负极短接后接到ACCT-II面板上的任一地线；.检查线路后，再将两块面板上的船形开关拨到“0N”状态；.打开LabVIEW计算机控制技术实验软件的界面（实验四数字PID控制器），系统连接上后，运行界面程序，采用试凑法，调节程序中的PID参数使得系统稳定，达到无静差。.改变给定信号的幅值，观测系统的动态特性。实验二水箱液位计算机控制实验一.实验目的：.熟悉并加深理解PID参数对系统动态性能的影响；.掌握数字PID控制方法；二.实验原理：图2.1图2.1计算机控制闭环系统框图计算机控制系统的框图如图2.1所示，虚线框内部分由上位机和数据处理系统来实现。通过数字PID控制器来实现在给定一定的情况卜.，水箱液位保持在给定的液位不变。三.实验设备:.ACCC-I型自动控制理论及计算机控制技术实验装置;.数字式万用表。四.实验内容和步骤:计算机控制闭环系统除了实际物理模型外，其它的控制部分由上位机的软件和数据处理器来实现。Om液位测I

理器来实现。Om液位测I

量输出!Im图2.2被控对象的接线图.将ACCT-n面板和ACCT-IV面板上的船形开关拨到“OFF”状态；.如图2.2所示，将ACCT-II面板上U3单元A/D、D/A转换器的D/A输出O1接到ACCT-IV面板上水泵输入，同时将液位测量的输出接到A/D输入H,由于水泵输入和液位测量输出不共地，所以将输入和输出的负极短接后接到ACCT-II面板上的任一地线；.检查线路后，再将两块面板上的船形开关拨到“ON”状态；.打开LabVIEW计算机控制技术实验软件的界面（实验四数字PID控制器），系统连接上后，运行界面程序，采用试凑法，调节程序中的PID参数使得系统稳定，达到无静差。.改变给定信号的幅值，观测系统的动态特性。第一章概述计算机控制实验上位机程序是与“ACCT-I型实验箱（或ACCC-I型实验装置）”配套的上位机控制程序。实验箱上配备有USB2.0接口，使用本软件前，计算机必须与实验箱通过USB口进行连接，并合上实验箱电源。脱离实验箱，本软件将无法正常使用。程序主界面（UserInterface）如图1.1所示。运宏险一AD与DA转换.6实验一A/D与D/A转换

曲江东:冒旧妆坦络白眼公司X-I模式图1.1实验界面ACCT-I型实验箱，内部包含有以C8051F060为核心的数据处理系统。上位机控制程序可以通过该数据处理系统完成8通道数据采集输入（同时采集最多2通道）和2通道检测波形输出（同时输出最多2通道）。在该实验系统的上位机上可以完成包括计算机控制实验所需的检测信号发生、数据采集、控制计算以及数据输出等任务，并提供虚拟示波器功能，将支持多种波形显示方式和后期图像数据处理。

1.1实验设置使用ACCT-I计算机控制实验上位机软件可以完成计算机控制的基础实验和高级的开放型实验。已提供控制算法程序支持的计算机控制实验有：实验一A/D与D/A转换实验二数字滤波实验三D(S)离散化方法的研究实验四数字PID控制算法的研究实验五串级控制算法的研究实验六解耦控制算法的研究实验七最少拍控制算法的研究实验八具有纯滞后系统的大林控制实验九线性离散系统的全状态反馈控制实验十二维模糊控制器实验十一单神经元控制器对以上每个实验的有关内容，包括：实验目的、实验内容、实验步骤和附录，在“计算机控制技术实验指导”中详细说明。1.2虚拟示波器ACCT-I计算机控制实验上位机软件提供了虚拟示波器功能，如图1.2所示:Ti：|2sT12ItoKP2:□o加她化2Ti：|2sT12ItoKP2:□o加她化2口”I图1.2实验界面设X拳«3开放型编程环境ACCT-I计算机控制实验系统为“计算机控制算法的研究”提供了一个自主编程的环境。在后面的章节中，将详细介绍上位机软件提供的LabVIEW软件所使用到的图形化编程语言（G语言）、编程方法以及应用实例。开放型编程境如图L3所示：图1.3程序结构LabVIEW编程语言采用（G语言编程）即图形化编程。用户可以自行设计计算机控制策略，通过图形化语言编程实现硬件端口控制、控制策略实现和数据显示等功能。其开放性和灵活性使用户可以设计并完成指定实验外的计算机控制策略。

4强大的帮助信息LabVIEW软件有本身软件编程的帮助信息，只要将鼠标放到控件上，“ContextHelp”帮助框即弹出来，如下图1.4.1,如果想要获得更多的信息可点击帮助框口中的“Clickhemformorehelp",即可打开图1.4.2所示帮助内容窗口；实验程序中的帮助信息，如图1.4.3所示，及时准确地提供系统的各类信息，如图1.4所示：图1.4.1LabVIEW帮助框

图1.4.2LabVIEW帮助内容图1.4.3帮助界面第二章安装指南及系统要求1安装指南计算机控制实验LABVIEW软件安装说明如下：1、首先安装LABVIEW应用软件，一般使用默认安装路径。2、应用软件安装后，安装LABVIEW软件控件工具包中的两个控件，安装序列号和其同一文件夹中的文本文件中。3,软件安装完毕后，然后再安装USB-ISP1581驱动程序，此驱动程序是计算机控制实验的硬件采集设备的USB2。。驱动程序，只有安装此驱动程序，上位机才能在检测到硬件USB设备。4、在以上步骤执行完后，我们将安装光盘中的user.lib文件夹复制到C:\ProgramFiles\NationalInstruments\LabVIEW7.0\,覆盖原有的user,lib文件.5、将ACCT文件夹复制到C:\ProgramFiles\NationalInstruments、。注意：安装时安装路径不能使用中文目录名，应全为英文目录。2系统要求操作系统：WIN2000建议配置：CPU：不低于PentiumII/K6内存：不低于256M显示器：17寸（推荐，最好19寸），分辨率为1024X768硬盘：程序需要至少1GB硬盘空间预装软件：LabVIEW7.0及附带工具包MicrosoftWord2002第三章LabVIEW编程及功能介绍1LabVIEW软件简介LabVIEW是实验室虚拟仪器集成环境(LaboratoryVirtualInstrumentEngineeringWorkbench)的简称，是美国国家仪器公司(NATIONALINSTRUMENTS,简称NI)的创新软件产品，也是目前应用最广、发展最快、功能最强的图形化软件集成开发环境。LabVIEW是一种图形化编程语言，又称G语言。其编写的程序称为虚拟仪器VI(VirtualInstrument),以.VI后缀。使用这种语言编程时，基本上不写程序代码，取而代之的是流程图。它尽可能利用了技术人员、科学家、工程师所熟悉的术语、图标和概念，因此，LabVIEW是一个面向最终用户的工具。它可以增强你构建自己的科学和工程系统的能力，提供了实现仪器编程和数据采集系统的便捷途径。使用它进行原理研究、设计、测试并实现仪器系统时，可以大大提高工作效率。2LabVIEW软件基础1.LabVIEW编程语言数据类型令LabVIEW数据类型数据类型决定数据的空间大小与操作方式。程序框图中每个端口对数据类型都有一定的要求。LabVIEW的基本数据类型有以下几种。1.1数值型数据类型标记颜色缺省值简要说明单精度浮点数SGL橙色0.0内存储格式32位双精度浮点数DBL橙色0.0内存储格式64位扩展精度浮点数EXT橙色0.0内存储格式80位复数单精度浮点数CSG橙色0.0+i0.0实部和虚部均为32位复数双精度浮点数CDB橙色0.0+i0.0实部和虚部均为64位复数扩展精度浮点数CXT橙色0.0+i0.0实部和虚部均为80位8位整型数18蓝色0取值范围T28〜12716位整型数116蓝色0取值范围-32,768~32,76732位整型数132蓝色0取值范围-2,147,483,648-2,147,483,6478位无符号整型数U8蓝色0取值范围0〜25516位无符号整型数U16蓝色0取值范围。〜65,53532位无符号整型数U32蓝色0取值范围。〜4,294,967,295数值型数据随精度和取值范围的不断扩大，占用的内存也不断增大。因此一般在设计程序时，在满足取值范围的前提F,尽可能的选用比较小的数据类型。当变量的取值范围不能确定时，可以取较大原数据类型以保证程序的安全性。1.2数组、簇和波形数组是同类型元素的集合。一个数组可以是一维或者多维，如果必要，每维最多可有吸一1个元素。可以通过数组索引访问其中的每个元素。索引的范围是0到〃-1,其中n是数组中元素的个数。图3—1所显示的是由数值构成的一维数组。注意第一个元素的索引号为0,第二个是1,依此类推。数组的元素可以是数据、字符串等，但所有元素的数据类型必须一致。index012345678910-elementarray1.23.28.28.04.85.16.01.02.51.7图3—1数组示意图簇（Cluster）是另一种数据类型，它的元素可以是不同类型的数据。它类似于C语言中的stuct。使用簇可以把分布在流程图中各个位置的数据元素组合起来，这样可以减少连线的拥挤程度。减少子VI的连接端子的数量。波形（Waveform）可以理解为一种簇的变形，它不能算是一种有普遍意义的数据类型,但非常实用。数组的创建及自动索引a）创建数组一般说来，创建一个数组有两件事要做，首先要建一个数组的“壳”（shell）,然后在这个壳中置入数组元素（数或字符串等）。如果'需要用一个数组作为程序的数据源，可以选择Functions»Array»ArrayConstant.将它放置在流程图中。然后再在数组框中放置数值常量、布尔数还是字符串常量。下图显

示了在数组框放入字符串常量数组的例子。左边是一个数组壳，中间的图上已经置入了字符串元素，右边的图反映了数组的第0个元素为：“ABC”，后两个元素均为空。图3—2数组的创建在前面板中创建数组的方法是，从Controls模板中选择Array&Cluster,把数组放置在前面板中，然后选择一个对象（例如数值常量）插入到数组框中。这样就创建了一个数值数组。也可以直接在前面板中创建数组和相应的控制对象，然后将它们复制或者拖曳到流程图中，创建对应的常数。还有很多在流程图中创建和初始化数组的方法，有些功能函数也可以生成数组。b）数组控制对象、常数对象和显示对象通过把数组与数值、布尔数、字符串或者簇组合在一起，可以在前面板和流程图中创建任何一种控制对象、常数对象和显示对象。数组元素不能是数组、图表或者图形。如果您想杳看一些数组的例子，请查看Examples\General\arrays.11b中的例子。c）自动索引For循环和While循环可以自动地在数组的上下限范围内编索引和进行累计。这些功能称为自动索引。在启动自动索引功能以后，当把某个外部节点的任何一维元素连接到循环边框的某个输入通道时，该数组的各个元素就将按顺序一个一个地输入到循环中。循环会对一维数组中的标量元素，或者二维数组中的一维数组等编制索引。在输出通道也要执行同样的工作一一数组元素按顺序进入一维数组，一维数组进入二维数组，依此类推。在默认情况下，对于每个连接到For循环的数组都会执行自动索引功能。可以禁止这个功能的执行，方法是用鼠标右键单击通道（输入数组进入循环的位置），在快捷菜单中选择DisableIndexing。数组功能函数LabVIEW提供了很多用于操作数组的功能函数，位于Functions»Array中。其中包括ReplaceArrayElement,>SearchIDArray>SortIDArray,ReverseIDArray和MultiplyArrayElements等等。a）创建数组 BuildArray函数（Functions»Array）,用于根据标量值或者其他的数组创建一个数组。

开始时，BuildArray函数具有一个标量输入端子。您可以根据需要向该功能函数中加入任意数量的输入，输入可以是标量或者数组。如果要添加其他的输入，用鼠标单击函数的左侧，在弹出菜单中选择AddElementInput或者AddArrayInput»还可以用变形工具来增大节点的面积(把移位工具放置在某个对象的边角就会变成变形光标)。也可以使用变形光标或者选择RemoveInput来删除输入。下图显示了利用流程图中的常数对象的值创建和初始化数组的两种方法。左侧的方法是，将5个字符串常数放入一个一维字符串数组中。右侧的方法是，将三组数值常数放入三个一维数值数组，再将这三个数组组成一个二维数组。这样最后产生的是一个3x3的数组，三列分别是3,4,7;-1,6,2;5,-2,8.。|Mond四[TuesdayWednesdayI |Mond四[TuesdayWednesdayI |Thifsd6ijhidayArrayofStrings还可以通过结合其他的含有标量元素的数组来创建数组。例如，假设有两个数组，三个标量元素，可把它们组成一个新的数组，顺序是：数组1,标量1,标量2,数组2,标量3»b)初始化数组(InitializeArray)——用于创建所有元素值都相等的数组。下图中，该功能函数创建了一个一维数组。b)element11321dimensionsizeelement11321dimensionsize11321InitializeArray口3叫1DArray]元素输入端子决定每个元素的数据类型和数值，维长度输入端子决定数组的长度，例如，假设元素类型是长整型，值为5,维长度为100,那么创建的数组是一个一维的、由100个值为5的长整型元素组成的数组。也可以从前面板控制端子、流程图常数或者程序其他部分的计算结果得到输入。创建和初始化一个多维数组的方法是，用鼠标右键单击函数的右下侧，在弹出菜单中选择AddDimension还可以使用变形光标来增大初始化数组节点的面积，为每个增