计算机控制技术实验指导书

TOC\o"1-5"\h\z\o"CurrentDocument"第一节系统概述 1\o"CurrentDocument"第二节硬件的组成及使用 2\o"CurrentDocument"第二章THBDC-1软件安装及使用说明 5\o"CurrentDocument"第一节THBDC-1软件安装说明 5\o"CurrentDocument"第二节THBDC-1软件的使用说明 13\o"CurrentDocument"第三节Bode软件的使用说明 43\o"CurrentDocument"第三章计算机控制技术实验 54\o"CurrentDocument"实验一A/D与D/A转换 54\o"CurrentDocument"实验二数字滤波器 58\o"CurrentDocument"实验三离散化方法研究 62\o"CurrentDocument"实验四数字PID调节器算法的研究 68\o"CurrentDocument"实验五串级控制算法的研究 72\o"CurrentDocument"实验六解耦控制算法的研究 75\o"CurrentDocument"实验七最少拍控制算法的研究 80\o"CurrentDocument"实验八具有纯滞后系统的大林算法 85\o"CurrentDocument"实验九线性离散系统的全状态反馈控制 89\o"CurrentDocument"实验十模糊控制系统 93\o"CurrentDocument"实验十一具有单神经元控制器的控制系统 97\o"CurrentDocument"实验十二二次型状态调节器 102\o"CurrentDocument"实验十三单闭环直流调速系统 106\o"CurrentDocument"实验十四步进电机转速控制 109\o"CurrentDocument"实验十五单闭环温度的恒值控制 112第一章THBDC-1控制理论-计算机控制技术实验平台简介第一节系统概述“THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验平台”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。该实验平台具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。实验台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、低频频率计、交/直流数字电压表、数据采集接口单元、步进电机单元、直流电机单元、温度控制单元、单容水箱、通用单元电路、电位器组等单元组成。上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、VBScript和JScript脚本编程器、实验仿真等多种功能于一体。其中虚拟示波器可显示各种波形，有X-T、X-Y、Bode图三种显示方式，并具有图形和数据存储、打印的功能，而VBScript脚本编程器提供了一个开放的编程环境，用户可在上面编写各种算法及控制程序。实验台通过电路单元模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统，并对控制系统进行仿真研究，使学生通过实验对控制理论及计算机控制算法有更深一步的理解,并提高分析与综合系统的能力。同时通过对本实验装置中四个实际被控对象的控制，使学生熟悉各种算法在实际控制系统中的应用。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；既有经典理论实验，又有现代控制理论实验；而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。数据采集部分则采用实验室或工业上常用的USB数据采集卡。它可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机USB通讯□匕其采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。第二节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平台提供电源。有±5V/0.5A、+15V/0.5A及+24V/1.0A五路，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主用于温度控制单元和直流电机单7Uo实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。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、低频函数信号发生器低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为Tl、T2、T3、T4四档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz〜3.3Hz、2.5Hz〜86.4Hz、49.8Hz〜1.7KHz、700Hz〜lOKHz三档，Vp_p值为16V。使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和幅值，并通过2号连接导线将其接到需要的位置。三、锁零按钮锁零按钮用于实验前运放单元中电容器的放电。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，其输出电压范围为-10〜+10V,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”单元的拔动开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调（选择正输出时，调RP1电位器；选择负输出时，调RP2电位器）的阶跃信号（当输出电压为IV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台上的直流数字电压表来进行测量。五、低频频率计低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：O.lHz-lO.OKHzo低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”（此时通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号）或“内测”（此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率）。另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。注：将“内测/外测"开关置于''外测"时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值的频率。此现象并不影响内外测频。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、20Vo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用压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz〜400kHz）、精度高（±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见实验平台所示“通用单元电路**”单元、”带调零端的运放单元”“反相器单元”和“无源元件单元”。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。通过接线和短路帽的选择，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>luF.10uF,其中通用单元电路二、三、九反向输入端有0.1uF电容，通用单元电路八反向输入端有4.7uF电容，可作带微分的环节。以通用单元为例，现在搭建一个积分环节，比例常数为1s。我们可以选择常用元件100k,10uF,T=lkX10uF=ls,其中通用单元电路二是满足要求的，把对应100k和10uF的插针使用短路帽连接起来，锁零按钮按下去先对电容放电，然后用二号导线把正单位阶跃信号输入到积分单元的输入端，积分电路的输出端接入反向器单元，保证输入、输出方向的一致性。观察输出曲线，其具体电路如下图所示。八、非线性单元由两个含有非线性元件的电路组成，一个含有双向稳压管，另一个含有两个单向二极管并且需耍外加正负15伏直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中10k、47k电位器由电位器组单元提供。例如47k电位器，既可由一号导线连接也可由二号导线连接电位器单元组中的可调电位器两个端点。R:Di200K-ER:Di200K-E以连接死区非线性环节为例，输入端与正电源端、输入端与负电源端分别为两个10k可调电位器的固定端，分别用导线连接：正电源所连电位器的可调端与D1相连，另一个可调端与D2相连。然后使用低频函数信号发生器输出10Hz\l6V的正弦波，用导线连接到非线性环节的输入端。实验前断开电位器与电路的连线，用万用表测量R的阻值，然后再接入电路中。九、零阶保持器零阶保持器为实验主面板上U3单元。它采用“采样-保持器''组件LF398,具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能，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、数据采集接口单元数据采集卡采用THBXD,它可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内，其采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。接口单元则放于实验平台内，用于实验平台与PC上位机的连接与通讯。数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。使用虚拟示波器观察•个模拟信号，可以用导线直接连接到接口中AD端(其中AD3和AD4两输入端有跟随器输入，而AD1和AD2通道没有，用户实验时可根据情况选择使用，但在选择AD3和AD4通道时，两个通道必须均有电信号输入，不能有悬空)；若使用采集卡中的信号源，用DA输出(即实验中我们通常将信号输入到AD1端，软件内部信号DA1输出)。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，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。

第二章THBDC-1软件安装及使用说明第一节THBDC-1软件安装说明一、运行环境项目描述CPUP4(2.2G)以上内存256M以上硬盘不限USB支持USB1.1最好USB2.0操作系统Windows2000最好WinXP显示设备17寸显卡要求64M以上二、软件安装首先从提供的光盘上安装USB驱动程序及应用软件，USB驱动程序安装和普通USB驱动安装没有分别。这里就简单说明下,首先插入USB线，系统就会自动提示安装，如下图：选择“从列表或指定位置安装”。点击下一步，如下图:

接到■的爱件向导濡逸簿第的凌素和安装逵『・r班里可称动言体郎姿.E-怖mjjp企曜黎中包括这个位置⑼)r：g-5d£«，t*zd>3，C,/▼],•,•丁宴厚素.氯要自己逢将要安然的芟动程序・IgdBS不龙保证亳所送春的驱《上一步0)|下一步08)>|取清|选择“不要搜索，我要自己选择安装的驱动程序”，点击下一步，如下:点击从磁盘安装，出现下图:找翎♦的"件向s逸舞饕为此硬件安装的设备器动总序F:：|：||接着点击“浏览”，从磁盘或桌面上找到要安装的驱动程序UsbCard.inf,n如下图:按上图点击“打开”，接着如下图:在上图中点击“确定”，出现如F图:点击"下一步"，出现下图:点击“仍然继续”，出现下图:点击“完成”，即USB驱动程序安装完毕。注：Usb驱动的安装方法对于不同的系统可能有不同的方法。Usb驱动安装好之后，接下来安装“THBDC-1”软件安装本软件双击setup,exe即进行安装。出现如下画面.：（图1）（图2）

（图3）（图4）安装过程中尽量采用默认安装，安装完成之后即点击关闭之后，会在桌面上显示一个快捷方式如下图6。THBDC-1系统如果提示需要而新启动电脑，请保存好各类文档，然后重新启动。第二节THBDC-1软件的使用说明一、THBDC-1软件在桌面上双击快捷方式打开软件界面"THBDC-1",或从开始菜单程序处找到"THBDC-1"单击它。飞文也Q)口iSUitS)«uo_s&eddxsMOPU_M/"7运行®飞文也Q)口iSUitS)«uo_s&eddxsMOPU_M/"7运行®…如果USB采集卡驱动没有装好或者usb线没有连接，启动时都会弹出警告对话框如下图。用户先点击确定，然后检查驱动安装步骤是否正确及usb线的两头是否连上，检查无误再重新启动。如果安装无误，点击"THBDC-1"则会打开登入窗口，如卜图:用户先正确填写自己的姓名，学号，填好后点击''确定”。（注释：在登入窗口填写的姓名和学号，会在报告生成器中自动生成相应的姓名和学号，无法重新改写，所以在做要提交实验报告的的实验时，一定要在登入窗口中正确填写姓名和学号，以免实验重做）。点击“确定”，进入如下界面：示波器窗口示波器窗口点击放大上图，图中最上面是各类菜单，其下是工具快捷方式。左边栏是示波器显示窗口，右面是参数和操作区，下面是状态显示窗口，用户可以通过菜单，工具快捷按钮，操作区按钮，完成对虚拟示波器的控制。初步了解了软件界面的情况之后，我们就可以开始实验操作了。一、系统从菜单的"系统吓面找到"开始采集"界面如下图：

开始采集前如想设置AD采用频率等参数，可以在控制区操作。AD数据缓存设置，可以在“系统”下找到“缓存设置”，弹出如下对话框：Urb数据长度——USB每次请求包的长度（最小64,最大2048,要求必须是64的整数倍）。（默认值是1024）一般不需要设置，在采用频率很低时,该值可以调低到512,256等合适的值，注意：只有系统停止采集状态时才允许缓存设置。缓存数据长度——每次送入示波器的数据长度（必须大于等于Urb数据长度，最大819200,要求是偶数）。缓存数据长度将影响示波器的数据刷新快慢,即缓存越长示波器刷新的越慢，反之亦然。默认值是4096,可以适当设置。信号发生器一信号发生器能够产生周期正弦波，方波，三角波，锯齿波,在产生波形前选择好“信号类型”，“信号频率”，“信号幅值”，“占空比”，“零电位偏移量”等参数，然后点击“启动”按钮后就可通过采集卡的DA1通道输出波形。频率在20Hz以下.信号发生器窗口如下图：

AD/DA实验——数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-10〜10V对应为0〜16383（A/D转换为14位）。其匚T0V为8192o其主要数据格式如下表所示（采用双极性模拟输入）：输入AD原始码（二进制）AD原始码（十六进制）求补后的码（十进制）正满度011111111111111FFF16383正满度一1LSB011111111111101FFE16382中间值（零点）0000000000000000008192负满度+1LSB1000000000000120011负满度1000000000000020000而DA转换时的数据转换关系为：-5〜5V对应为0〜4095（D/A转换为12位）,其数据格式（双极性电压输出时）为:输入D/A数据编码正满度111111111111正满度一1LSB111111111110中间值（零点）100000000000负满度+1LSB000000000001负满度000000000000如下图：在做AD转换实验时，输入电压为TOV,AD栏二进制值显示10000000000000,十进制显示0；输入0V时,AD栏二进制值显示00000000000000,十进制显示8192；输入电压为+10,AD栏二进制值显示01111111111111,十进制显示16383。做DA转换试验时，十进制栏输入4095,二进制栏输出111111111111,波形处于+5V位

置。十进制栏输入2048,二进制栏输出100000000000,波形处于0V位置。十进制栏输入0，二进制栏输出000000000000,波形处于-5V位置。Matlab仿真——在传递函数G（S）后的表达式中填写好传递函数的参数后（可参照实例函数的样式），选好“仿真模式”（有四种模式：X-T仿真，Bode图仿真，根轨迹仿真，极坐标仿真）后，点击“执行”后，通过MATLAB的后台数据处理，等待几秒钟后将会在右边的图形框中显现此函数仿真的波形，供用户参考。如下图：（注释：用户在用BodcChart软件做幅频特性实验时，手动采集拟合后的波形图可以和Matlab访真来对比）Bode图实验——单击此按钮，可以直接调出做幅频特性的Bode图软件。如下2图:Bode图软件如下:脚本编程——1.运行THBDCT软件，并选择菜单中的系统一脚本编程，即可打开脚本编程器，如下图所示:(1)点击“文件”->“新建”，用户可以在文本框内编写新的算法代码；(2)点击“文件”->“打开”，用户可以在文本框内按照一定路径打开已有的算法代码；(3)点击“文件”->“保存”，用户可以将新的算法代码按一定的路径保存起来;(4)在“编辑”下有撤消.复制,剪切,粘贴的功能,这里不做具体说明；(5)点击“调试”->“启动”，运行程序，并在示波器上输出波形；(6)点击“调试”->“停止”，停止运行程序.(7)点击“调试”->“步长设置”，将弹出一个对话框,可以设置步长.如下图：(8)在“语言”菜单下，有两中语言函数可以利用的.具体的如下第八，第九大条.下面是具体的实验：.使用导线，连接数据采集接口的AD1和DA1；并使用脚本编程器打开计算机控制算法VBS—基本波形中的正弦波脚本；且在脚本编程器的菜单语言选择VBScripto.将AD参数设置为：通道1,IKHz,并开始采集数据；打开脚本编程器的调试菜单的启动菜单，运行脚本。即THBDCT虚拟示波器上观察到输出的正弦波。如下图：.波形采集完成后，可选择脚本编程器调试菜单中的停止菜单，停止脚本输出。注意：脚本编程器可通过修改调试菜单中的步长设置，修改单步步长；本脚本编程楷支持VBScript和JScript,其中JScript的操作步骤和VBScript相似。报告生成器——做实验时如果采用登陆模式，在上面就会显示对应的学号、姓名(此姓名，学号是不可以更改的)，在写实验报告中如果要用到实验中的当前波形图，可以在对应参数区填入与当前实验相对应的参数,然后点击“保存当前实验波形”，如果还要保存其他实验波形的话，可以继续实验，同样在对应参数区填入对应参数，然后点击“保存当前实验波形”，实验完成后在报告生成器窗口中填写实验类别、实验名称、实验目的、实验讨论结果和学生所在班级,所有填写完之后点击“报告生成”，按一定的路径及以的格式来保存报告。如果只要交电子稿，就以文件的形式发送到老师指定的路径文件中，如果要打印提交的话，可以直接双击打开这份报告，在word中打印实验报告。此报告生成器还有两个功能：一是点击“插入其他位图波形”，可以插入其他波形与当前实验波形相比较：二是点击“可插入算法原代码”，可插入当前实验算法的原代码，以便与实验相对照。（工具栏有快捷方式）如下2个图：（注：在安装office2003时，一定要选择完全安装，切记不要选择典型安装,否则不能生成报告）：| WifeSIK:|dw：। :। ：r

波形保存一一保存当前整个示波器窗口及波形，以Bitmap文件类型保存。如下图：波形打印——如果用脑连了打印机的话，本软件有宜接打印的功能，可以直接打印出当前的主界面。在工具快捷栏也有打印机的图标，如下图：退出——实验完之后退出当前主界面。

二、示波器下的按钮功能1、幅值自动选择（点击一下，同时会出现表示符“ 表示已经选上）：调整示波器窗口始终随着波形的幅值满屏显示。取消（在选上的基础上在点击下，同时表示符消失，表示已取消）：取消自动调整，同时弹出对话框，设置最大，最小显示幅值。如下图：2、时基自动选择：调整示波器窗口始终随着波形的时间满屏显示；取消：取消自动调整。

3、暂停显示选择：暂停显示；取消：取消自动调整。3、波形同步选择：同步显示波形(注要：只有波形模式在PlotX,Plot(X1,X2),Plot(X1+X2)种模式下有效，其它模式不起作用)；取消：取消同步显示。

4、波形模式ChartX——单通道采集时，连续左移方式显示波形，同时在工具快捷方式栏下方中央会显示波形模式，如下图；PlotX——单通道采第时，连续一屏一屏从左到有刷新显示波形，此时波形显示长度就是缓存数据长度;单通道同步显示必须在此模式下，如下图;

Chart(Xl,X2) 双通道时，分别显示。显示原理同ChartX；Plot(Xl,X2)——双通道时，分别显示。显示原理同PlotX；Chart(Xl+X2) 双通道时，两波形叠加显示。显示原理同ChartX；Plot(Xl+X2)——双通道时，两波形叠加显示。显示原理同PlotX；Plot(Xl,X2)——双通道时，XI数值为时间轴，X2为幅值轴。显示原理同PlotX；AmpSpectrum(幅值谱) 信号的不同频率的幅度在频率序列上的表示,(注:一个方波信号)如下图：PowerSpectrum(功率谱) 以F(t)为电压在1欧姆电阻上不同频率上能量消耗的分布。同时快捷工具栏下方中央会显示波形模式，(注：接一个方波信号)如下图；

5、波形操作XY轴放大——在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的矩形波形窗口到满屏.此按钮在工具快捷方式栏也有显示，如下图：X轴放大——在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的时间轴区域波形到满屏。如下图:

Y轴放大——在此操作模式下，可以任意放大鼠标选定的幅值轴区域波形到满屏。如下图:波形抓取——在此抄做模式下，可以抓取当前实验波形.如下图:

十字跟踪——在此操作模式下，示波器会弹出两跟踪线。用户可以用鼠标拖动跟踪线到指定的位置，状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置。如下图：6、线型/点型改变波形的形状。即线型时连线显示，点型时，点式显示。7,波形复位复位放大缩小后的波形到原始状态。8、基准复位复位控制区里的水平，基准按钮到初始状态。9、波形清除清除当前实验波形，使得示波器窗口为空白，以便重新生成实验波形。10、波形复制波形拷贝到粘贴板。三、工具快捷栏其余按钮：如下图“开始”相当于“开始采集”的功能:- —向二H--匹 K«*> --“暂停”——使当前波形暂时停下来时，以便进行测量观察。要继续使波形移动的话，可以点击“开始”。

“停止”——使波形停止下来，重新开始实验。开始“系统”下的“信号发生器”的工具快捷方式如下图:开始“系统”下的“脚本编程”的工具快捷方式如下图:菜单栏“示波器”下“时基自动”的工具快捷方式。如果按钮陷下去,表示已在当前状态。菜单栏“示波器”下“X-t”和“X-Y”的工具快捷方式。如果按钮陷下去,表示已在当前状态。在第七大条有具体实例。四、帮助菜单下实验指导书一一本软件直接提供了每个实验的电子文档，用户在做实验时，可以按照实验指导书的步骤进行操作。如下两图：

试验指导书包括了试验目的，试验设备，试验内容，实验结果等（注：工具栏有快捷式）：如下图所示。软件使用说明书——包括THBDC-1软件安装软件使用说明书——包括THBDC-1软件安装和使用说明，及Bode图软件使用说明书。如卜2图：-is-_■‘・EasnsM>>BID由■‘・EasnsM>>BID由£>8BO幽・H*一SS® s.IsoKQ工•二。noocr健同度■U三e»•«■VAOM第一节THBDC1软件安装设明五、参数与操作区的一些按钮功能通道选择一选择AD采集的通道（通道1为USB采集卡的1通道，通道1—2为USB采集卡的1和2通道，此时双通道采集，每个通道的实际采样频率为设置采样频率的一半）。采样频率——设置采集卡的采样频率（注要：单位是K,即最小为1000Hz,最大可以达到250KHz）.采集卡的默认增益系数为1。分频系数——波形在Chart模式时，可以任意调节采样频率。该原理是等间隔均匀丢弃数据点。也即相当于降低了采样频率，该功能特点是不需要停止采集，随着滑动按钮的调节，可以马上看到调节结果。主要用在实验时对象信号频率很低，而实验又需要显示整个实验波形过程，这时通过滑动按钮可以调到合理的波形。（值1对应无分频，值20对应每缓存长度数据只显示1点）。窗口长度——调节Chart模式时的波形历史数据长度。基准平移一可以逻辑设置幅值的平移增量•双通道采集时可以用来分段显示波形。基准增益——可以逻辑设置幅值的比例系数。水平微调一开始测量之前，如果波形不在零点位置，可以调此微调，使波形处于零点位置。每一格代表0.01,调节范围在-0.1到0.1共0.2的范围。（注:此水平微调在窗口最大化时，才会显示出来）六、状态区的各栏注释状态栏第一格为系统运行状况信息栏，第二栏为当前波形实时分析的频率值（注要：双通道时，是指第一通道波形的频率），第三栏第四栏为卜字跟踪时，跟踪线XI与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值。第五栏和第六栏为卜字跟踪时，跟踪线X2与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值。第七栏第八栏为跟踪线X2与跟踪线XI的坐标值差，第九栏为|X2-X1|坐标值差的倒数。当X1X2刚好对应一个波形时，该倒数即为该波形的频率。七、工具栏中的X-t,X-Y的使用1、X-t的使用采用实验台上的通用实验单元，组建一个惯性环节，如F图所示：电路中的参数取：Rl=100K,R2=100K,Ro=200K,C=luF：将Ui端连接到阶跃信号输出端，U。端连接到数据采集口单元的AD1,且阶跃信号的输出幅值为2V；从开始菜单处打开软件界面“THBDC-1”，打开后软件界面如下图所示：将窗口长度的指针移向大，点击开始采集按钮，并按下阶跃按钮，输出2V的阶跃信号，即可记录如下图所示：注意：在X-t视图下，也可以采用双通道观察，具体操作步骤和单通道观察实验波形一致。2、X-Y的使用按照下图所示，连接实验电路:将r⑴连接到数据采集接口的AD1和低频函数信号发生器的正弦波输出端，c(t)端连接到数据采集接口的AD2o打开THBDC-1软件，将AD参数设置为：通道选择：通道(1・2),采样频率：50；点击开始采集按钮，并选择菜单中的示波器选项一波形模式一ChartXY,打开函数信号发生器的开关，输出正弦波，即可得到X・Y图：八、VBScript函数说明.初始化函数：Initialize(arg)调用方法：subInitialize(arg).算法运行函数：TakeOneStep(arg)调用方法：subTakeOneStep(arg).退出函数:Finalize(arg)调用方法：subFinalize(arg).模拟量输出函数：WriteDatavoltage,channels调用方法：WriteData0,1；此函数表明模拟量输出通道DA1输出0V。.模拟量测量函数：ReadData(channe1s)调用方法：ReadData(1)；此函数表明模拟量采集通道为ADI。.数字量输出函数：SetDOsign,channels调用方法：SetDOTURE,1；此函数表明数字量输出D01为1；sign的状态有TURE和FALSEo.转速测量函数：GetFS调用方法：GetFS；此函数用于测量第一通道的输入信号频率。九、JScript函数说明.初始化函数：Initialize(arg)调用方法：functionInitialize(arg).算法运行函数：TakeOneStep(arg)调用方法：functionTakeOneStep(arg).退出函数:Finalize(arg)调用方法：functionFinalize(arg).模拟量输出函数：WriteData(voltage,channels)调用方法：WriteData(0,1)；此函数表明模拟量输出通道DA1输出0V。.模拟量测量函数：ReadData(channels)调用方法：ReadData(l)；此函数表明模拟量采集通道为AD1。.数字量输出函数：SetDO(sign,channels)调用方法：SetDO(1,1)；此函数表明数字量输出D01为1(TURE)；sign的状态有1(TURE)和0(FALSE)两种。.转速测量函数:GetFS调用方法：GetFS；此函数用于测量第一通道的输入信号频率。十、脚本编程流程图

第三节Bode软件的使用说明从开始菜单处找到"THBDC-l"9U。一至eddX善WM9U。一至eddX善WM打开Ofhcesns新建Office文目文档(3ift>⑸iKfr(B)...打开软件界面"BodeChart",还有一种打开方式是从THBDC菜单栏里面“系统今Bode图实验”打开，打开之后软件界面如下图所示。菜单栏状态区

菜单栏状态区如果USB采集卡驱动没有装好或者usb线没有连接，启动时都会弹M警告对话框如下图所示。用户最好关闭连接好后，再重新启动。正确打开之后，先熟悉各个按钮，如下介绍：一、在文件菜单下：重新实验——如果实验效果不好,或者参数设错，可以点击“重新实验”，即重新开始，如下图：波形打印——实验完后，要打印此实验结果，可以直接点击“波形打印”。THBDC-1——点击此按钮，则将返回THBDC软件的登入窗口。如下2图:«wn»■E«wn»■E鬟录姓名：I登录字号：|确定| 取消|

退出——关闭当前窗口，退出Bode图。二、在操作菜单下：折线生成一一在手动采集下，把所需点采完之后，点击“折线生成”，则会把显示区的点依次连接起来。（同时折线生成的快捷方式如卜.图：）曲线拟合——按照所采集到的点，它会尽量的把这些点以光滑的曲线连接起来。波形拷贝——波形拷贝到粘贴板波形清除——清除此当前实验波形，以便市新做实验。坐标自动——调整幅频特性窗口始终随着波形的幅值满屏显示。波形恢复——复位放大缩小后的波形到原始状态，如下图:Q.MUMx**©MD关Hi)—MMt.HU* 'MBF K： 波形测量——在此操作模式下，示波器会弹出两跟踪线。用户可以用鼠标拖动跟踪线到指定的位置，状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置。如下图波形抓取——在此操作模式下，可以抓取当前实验波形,如卜图:三、状态区的各栏注释状态栏第一栏为前波形实时分析的输出频率值，第二栏为当前波形测量频率值,第三栏为角频率即幅频特性窗口的横轴，第四栏为幅值比，第五栏为采集进度即用户在做手动采集实验时可以察看这栏，一般采集的最佳时间在“数据采集”的显示百分比为70%〜90%之间。第六栏第七栏为波形测量卜字跟踪时，跟踪线XI与波形相交点的时角频率和幅值坐标值。初步了解了软件界面的情况之后，下面进行实验操作。实验前请检查：是否将实验电路的输入端和数据采集的A/D的第一通道并联，并且连接到正弦波信号的输出端。1、手动方式步骤如下：（1）点击开始采集:开启硬件数据的采集。（2）调节信号源到起始频率，如0.2Hz,等待到信号源信号稳定后，点击手动单采，等待，软件即会自动完成该频率点的频率，幅值比分析，并单点显示在波形窗口上。（3）继续增加调节信号源频率（如0.3Hz）,等信号源信号稳定后，点击手动单采，等待，软件即会自动完成该频率点的频率，幅值比分析，并单点显示在波形窗口上。（4）继续第2步骤，一直到关键频率点都完成。（5）点击停止采集，结束硬件采集任务。（6）点击曲线拟合或者折线连接，完成波特图的幅频特性图。（7）保存波形到画图板或者直接打印，即完成实验。

下面举例说明手动测量：(1)按照下图所示，连接实验电路:具体的实验参数如图所示，并将低频函数信号发生器的输出端连接到电路的r(t)端，地与实验台的地线连接起来，数据采集接口单元的AD1端连接到电路的《t)端。并将波形选择为正弦波输出，Vp-p为8V,频段选择为fl,(2)运行BodeChart软件，并设置AD配置参数：通道号：通道(1-2),采样频率：1000；(3)等待输出波形稳定，一般采集进度处于50%左右；点击手动单采按钮,并等待波形的采集完成。

(4)市复步骤3,多次增大函数信号发生器的输出波形频率，并采集不同频率点的Bode图相关参数。(5)在输出频率大于2Hz,先点击停止采集按钮，修改采样频率为5000；修改完毕后，点击开始采集按钮，继续单点采集数据。最后可得实验曲线。如下图所示：注意事项：1、实验前请检查：是否将实验电路的输入端和数据采集的A/D的第•通道并联，并且连接到正弦波信号的输出端。2、正弦波信号采用0.2Hz〜100Hz,且Vp-p为8.0〜9.5V。3、点击“手动单采”按钮最佳时间为“数据采集”的显示百分比为70%~90%之间。4、修改采样频率时，先点击“停止采集"按钮，修改采样频率后，点击“开始采集”钮，继续测量Bode图的关键点；5、正弦波的频率与采样频率的关系如下：6、正弦波的频率低于1Hz的时，采样频率为1000Hz；正弦波的频率在1Hz到10Hz的时，采样频率为5000Hz；正弦波的频率在10HzJlJ100Hz的时，采样频率为50000Hz。第三章计算机控制技术实验实验一A/D与D/A转换一、实验类型：验证性实验。二、实验目的.通过实验了解实验系统的结构与使用方法。.通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。三、实验内容.输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之。.在上位机输入一12位的二进制代码，完成通道的数模转换实验。四、实验要求熟悉THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验台的硬件和软件系统。能自行设计并实现模拟量输入通道和输出通道。熟悉软件编程环境和编程语言。五、实验仪器设备THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验台。THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）。PC机1台（含上位机软件“THBDC-1”）»六、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告后，方可进入实验室进行实验。七、实验步骤.启动实验台的“电源总开关”，打开±5、+15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“数据采集接口单元”的“AD1”通道，同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接至IJ接口单元的“AD2”输入端。2、将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为IVo.启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮。.点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始”按钮，观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为IV（可以使用面板上的直流数字电压表进行测量）时应为00001100011101（共14位，其中后几位将处于实时刷新状态）。调节阶跃信号的大小，然后继续观察AD转换器的转换结果，并与理论值（详见本实验附录）进行比较。.根据DA转换器的转换规律（详见本实验附录），在DA部分的编辑框中输入一组二进制代码（共12位，itn：110100111011）,用万用表或示波器测量采样卡接口输出端DA1的电压值。6实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。八、实验报告要求.对于给定的电压信号，记录模数转换的结果，并进行结果分析。.对于输入12位二进制信号，记录数模转换的结果，并分析之。九、思考题.模数转换器和数模转换器在控制系统中的作用有哪些？.模数转换器和数模转换器是否影响控制系统的精度？分析其原因？.标度变换在模拟量输入通道中起什么作用？十、附录.数据采集卡本实验台采用了THBXD数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为±10V、输出量程均为±5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其主要特点有：1）支持USB1.1协议，真正实现即插即用2）400KHzl4位A/D转换器，通过率为350K,12位D/A转换器，建立时间10ys3）4通道模拟量输入和2通道模拟量输出8k深度的FIFO保证数据的完整性8路开关量输入，8路开关量输出.AD/DA转换原理数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-10〜10V对•应为0〜16383（A/D转换为14位）。其中0V为8192o其主要数据格式如下表所示（采用双极性模拟输入）:输入AD原始码（二进制）AD原始码（十六进制）求补后的码（十进制）正满度011111111111111FFF16383正满度一1LSB011111111111101FFE16382中间值（零点）0000000000000000008192负满度+1LSB1000000000000120011负满度1000000000000020000而DA转换时的数据转换关系为：-5〜5V对应为0〜4095（D/A转换为12位）,其数据格式（双极性电压输出时）为:

输入D/A数据编码正满度111111111111正满度-1LSB111111111110中间值（零点）100000000000负满度+1LSB000000000001负满度000000000000.编程实现测试信号的产生利用上位机的“脚本编程器”可编程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..z、f27ry=Asin(初+(p),T-——co2）方波0<t<T[T]<t<T3）斜坡信号卜04f<7；,a为常量[0Tt<t<T4）抛物线信号丫=g/ 04f<（，a为常量0 7；<t<T这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下:dimtx,op,a'初始化函数subInitialize(arg)，初始化函数WriteDataO,!，对采集卡的输出端口DA1进行初始化tx=O‘对变量初始化endsubsubTakeOneStep(arg)，算法运行函数a=lop=0.5*a*tx*tx'0.1为时间步长tx=tx+0.1ifop>3then ，波形限幅tx=OendifWriteDataop,1 ，数据从采集卡的DAI端输出endsubsubFinalize(arg) ，退出函数WriteData0,1endsub通过改变变量tx、a的值可改变抛物线的上升斜率。其它典型信号的编程请参考“THBDCJ”安装目录下的“计算机控制算法VBS\基本波形”目录内参考示例程序。实验二数字滤波器一、实验类型：验证性实验。二、实验目的.熟悉并掌握THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。.通过实验熟悉数字滤波器的实现方法。.研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。三、实验内容.设计一个带尖脉冲(频率可变)干扰信号和正弦信号的模拟电路。.设计并调试一阶数字滤波器。.设计并调试高阶数字滤波器。四、实验原理.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：N Ny(〃)=>/(〃-(〃一')1=0 1=0.一阶数字滤波器及其数字化一阶数字滤波器的传递函数为Gf(s)=±@=—!—X(s)ct+1利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法：Ts Tsy(k)=—x(k)+(1 )y(k-1)r r其中Ts为采样周期，r为滤波器的时间常数。Ts和T应根据信号的频谱来选择。.高阶数字滤波器高阶数字滤波器算法很多，这里只给出一种加权平均算法：y(K)=Ax(K)+A2x(K-1)+A3x(K-2)+&x(K-3)其中权系数Aj满足：Z4=1。同样，4也根据信号的频谱来选择。/=1五、实验要求熟悉THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验台的硬件和软件系统。能自行设计滤波硬件电路系统，推导滤波算法的差分方程，并完成滤波算法的软件编程和实现。六、实验仪器设备THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验台。THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）。PC机1台（含上位机软件“THBDC-1”）。七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告后，方可进入实验室进行实验。八、实验步骤实验接线及准备启动计算机，在桌面双击图标THBDC-1,运行实验软件。启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将低频函数信号发生器单元输出端连接到采集卡的“AD1”通道，并选择方波输出。在虚拟示波器观测方波信号的频率和幅值，然后调节信号发生器中的“频率调节”和“幅度调节”电位器，使方波信号的频率和幅值分别为4Hz,2Vo然后断开与采集卡的连接，将低频函数信号发生器单元输出端连接到“脉冲产生电路”单元输入端，产生一个尖脉冲信号Uoo按图2-2连接电路，其中正弦信号来自数据采集卡的“DA1”输出端，尖脉冲信号来自U1单元的输出端。图2-2的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连,同时将数据采集卡的“DA2”输出端与“AD2”输入端相连。2、脚本程序运行 _点击软件工具栏上的“三卜按钮（脚本编程器），打开脚本编辑器窗口。在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“数字滤波”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为10mso点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”，用双踪示波器分别观察图2-2的输出端和数据采集卡输出端“DA2”的波形。调节信号发生器中的“频率调节”电位器，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。点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，修改算法程序中的参数Ts（注：修改Ts时要同步修改算法的运行步长）、Ti两个参数，然后再运行该程序，在示波器上再次观察参数变化对滤波效果的影响。对于高阶数字滤波器的算法编程实验，请参考本实验步骤2.2、2.3和2.4。不同的是打开的脚本程序文件名为“数字滤波（高阶）”，实验时程序可修改的参数为al、a2、皇和采样时间Ts。实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。九、实验报告要求.画出尖脉冲干扰信号的产生电路图。.编写一阶数字滤波器的脚本程序。.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。十、思考题.软件滤波和硬件滤波有什么区别和联系？.为什么要使用软件滤波？软件滤波有哪些方法？都使用在什么样的场合？.实现软件滤波要注意哪些问题？H-一、附录.尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图——~I——>0.01uFIDi10k口图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。.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（由上位机的“脚本编辑器”编程输出）输入到图2-2所示的两个输入端。200K 200K图2-2测试信号的产生电路图.一阶数字滤波器的程序编写与调试示例dimpv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti ，变量定义

subInitialize(arg)WriteData0,1opx=0subInitialize(arg)WriteData0,1opx=0endsubsubTakeOneStep(arg)pv=ReadData(1)opl=2*sin(x)x=x+0.1Ti=0.02Ts=0.01op2=Ts/Ti*pv+(l-Ts/Ti)*opxopx=op2ifop2>=4.9thenop2=4.9endififop2<=-4.9thenop2=-4.9endifWriteDataopl,1WriteDataop2,2输出，初始化函数，算法运行函数'采集卡通道1的测量值'正弦信号的产生，采样时间10ms，一阶数字滤波器的输出，正弦信号从DA1端口输出

，滤波后的信号从DA2端口，退出函数endsub，退出函数subFinalize(arg)WriteData0,1WriteData0,2endsub高阶数字滤波器的编程请参考“THBDC-1”安装目录下的“计算机控制算法VBS\计算机控制技术基础算法”目录内参考示例程序。实验三离散化方法研究一、实验类型：验证性实验。二、实验目的.学习并掌握数字控制器的设计方法；.熟悉将模拟控制器D(S)离散为数字控制器的原理与方法；.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。三、实验内容.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。.利用实验平台，设计一个数一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。.研究采样周期Ts变化时，不同离散化的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。其中对D(S)常用的离散化方法有：1)阶跃响应不变法2)双线性变换法3)后向差分变换法五、实验要求设计连续控制器D(S),采用各种离散化方法进行离散化，并进行软件编程和实现。六、实验仪器设备THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验台THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)PC机1台(含上位机软件“THBDC-1”)七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告后，方可进入实验室进行实验。八、实验步骤1、实验接线及准备按图3-2连接一个二阶被控对象的模拟电路。,用导线将该电路的输入端连接到数据采集卡的“DA1”输出端，电路的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连。待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态。2、脚本程序运行启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”，运行实验软件。顺序点击虚拟示波器界面上的“开始采集卜'按钮和工具栏上的“三卜按钮（脚本编程器）。在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBSVi+算机控制技术基础算法\D（S）离散化方法研究”文件夹下选中“阶跃响应不变法”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；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尸“锁零”状态。参考步骤2.3,用同样的方法分别运行后向差分法和双线性变换脚本程序，用虚拟示波器观察图3-2输出端的响应曲线。将采样周期Ts减小或增大，重复步骤2.3和2.4,用虚拟示波器观测采样周期Ts的减小或增大对系统阶跃响应的影响。如系统出现不稳定情况，记下此时的采样周期Ts和所采用的离散化方法。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。实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。注：为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的分频系数（一般调至刻度2）和选择"I"按钮（时基自动），以下实验相同。九、实验报告要求.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。.编写数字控制器（阶跃响应不变法）的脚本程序。.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63减小或增大对系统阶跃响应的影响。十、思考题.对比分析不同的离散化方法的区别与联系？如何选择不同的离散化方法设计数字式控制器？.什么情况下使用离散化方法来设计数字式控制器？.系统的采样周期如何进行选择，或者采用周期的选择依据是什么？H■■一、附录1.实验系统的原理框图、模拟电路图、及设计要求1）实验系统的原理框图和二阶被控对象的模拟电路图如图3-1与图3-2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实验电路参考单元：U7、U102）系统性能指标要求系统的速度误差系数K,>51/s,超调量410%,图3-1二阶对象的方框图图3-2二阶对象的模拟电路图实验电路参考单元：U7、U102）系统性能指标要求系统的速度误差系数K,>51/s,超调量410%,系统的调整时间（41s。据&,要求可得：limS―匕——=5，1。5(0.55+1)。=5G„(5)=10S(0.5S+l)S(S+2)令o（s）=立2,则校正后的开环传递函数为S+。。(5)=5+2 1010S(S+2)S(S+a)S(S+2“)由上式得con—V10,2&“=a>取，则

V2。=2上加=4.47V2O(S)=S+O(S)=S+4.474.471+0.22sl+0.5s八.1+0.5sx =0.45x 1+0.22s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D(S)=丛(1+R£S)x22=1+065，为使校正后的K、=5，要求对象K由5增至/?,(\+R2C2S), 1+0.22510。Ri=500K,G=luF。里=0.45，R2=220K,G=1"FRi实验电路参考单元：U8、U7、U9、UlkU142.D(S)的离散化算法图34数一模混合控制的方框图图3-3中D(S)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"(r)=L"s)]Su(kT)=us(kT)u(z)=Z[u(kT)]=Z[ux(kT)]“(AT)—数字滤波器在阶跃作用下输出响应的“(kT)一模拟滤波器在阶跃作用下输出响应的采样值%(AT)

U(Z)Z[us(kT)]L)(Z)=——= ： E(Z) ]i1-z〜” 1+0.55 1+0.5S 1 1.27vD(S)= >U(S)= =—+ 1+0.22S 5(1+0.225)SS+4.54"(fXl+l与eY54'] 1.27 _2.27-(1.27+1542-|"-1-z-1+l-e-454rz*'_(l-z^Xl-e-454^-1)据此得m-U(Z)-U(z)_2.27-(1.27+(1E(Z)- 1 -l-e454TZ-'1-z*1即U(k)=e<5"u(k-l)+2.27e(k)-(1.27+e-4547,)e(k-l)2)后向差分法令de(t)«e(k)-e(k-1),dt=T.de(t)e(k)-e(k-l)后向差分S与Z之间关系为S=L二一，代入D(S)表达式中得T1-Z-'始=O(Z)= T=IJ+0.5-0.5ZTE(Z)1+0.22且7+0221-^Z-T T+0.22于是得〃小 0.22〃八八T+0.5小 0.5 〃，、U(k)= U(k-1)+ e(k) e(k-\)3)双线性变换T+0.22 T+0.22T4-0.223)双线性变换由泰勒级数得65之1+工$,J5=1-二$2 2,-.Z«—^-nS=2x4^•或S=2x.1-4:代入D(s)得.TTZ+lT1+z*'1—-s221-Z-'D(Z)=亍XT^r=(1-ZT)+(1+ZT)T-l+0.22x2x!^>a^-)+0.44(l-Z-')T1+Z-'U(z)_ (1+T)-(1-7)ZT _ 1(l+n-Q-DZ-1E(z)一(0.44+T)-(0.44-T)Z-'-0.44+7*,0A4-T~0.44+Tnn 044-T 1+T \-T即u(k)=u(k-1)4- e(k)—-=—— -1)0.44+r0.44+T0.44+r实验四数字PID调节器算法的研究一、实验类型：设计性实验。二、实验目的.学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理。.学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理。.掌握具有数字P1D调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。三、实验内容.利用本实验平台，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；.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；.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枳分作用投入，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、实验仪器设备THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验台。THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）。PC机1台（含上位机软件“THBDC-1"）.六、实验要求连续PID控制算式离散化，编写PID控制程序，实现控制算法，并研究PID算法中各个参数的整定。实现控制系统的阶跃响应分别为无振荡哀减、振荡衰减、等幅振荡以及发散振荡。七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告后，方可进入实验室进行实验。八、实验报告要求.绘出实验中二阶被控对象在各种不同的PID控制下的响应曲线。.编写积分分离PID控制算法的脚本程序。.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。九、思考题.PID控制算式中的各个参数对控制效果有什么影响？.不同的PID控制算法之间有什么区别和联系？.PID控制算法在实际应用中要注意哪些问题？.如何进行PID控制参数的整定？十、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：10 5Cj(3)= —(s+l)(s+2)(j+1)(0.554-1)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实验电路参考单元：U7、U10.常规PID控制算法常规P1D控制位置式算法为〃⑹=kp{e⑹+J/⑴+ ⑹一e(k-1)]}对应的Z传递函数为D(Z)=22=七 + Z-)E(Z)P'l-z~'式中Kp--比例系数Ki=K二枳分系数，T采样周期pT.l=kn■微分系数pt其增量形式为“(A)=u(k-1)+Kp[e(k)-e(k-1)]+K,e(k)+Kd[e(k)-2e(k-1)+e(k-2)].积分分离PID控制算法系统中引入的积分分离算法时，枳分分离PID算法要设置分离阈Eo：当|e(kT)|《|Eo|时，采用PID控制，以保持系统的控制精度。当|e(kT)|>|氏|时，采用PD控制，可使bp减小。积分分离PID控制算法为：u(k)=K心*)+K«KjT)+K,Je(k)-e(k-1)式中(称为逻辑系数：当|e(k)|W|E0|时，Ke=l当|e(k)|>|E0|时，Ke=O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。.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。用扩充阶跃响应曲线法整定P1D参数的步骤如下：①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。②记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程，如下图所示。

③在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间T和被控对象时间常数Tx,以及它们的比值Tx/T然后查1r表确定控制器的Kp、K、人及采样周期T。控制度控制律TKpTiTd1.05PI0.1T0.84Tx/t0.34t一PID0.05t1.15Tx/t2.0t0.45t1.2PI0.2t0.78Tx八3.6t—PID0.16t1.0Tx/t1.9t0.55t1.5PI0.5t0.68Tx/t3.9t—PID0.34t0.85Tx/t1.62t0.82t扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的T、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、实验类型：验证性实验。二、实验目的.熟悉串级控制系统的原理，结构特点：.熟悉并掌握串级控制系统两个控制器参数的整定方法。三、实验内容.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。.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、实验原理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即副回路的输出量紧跟随着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c⑴最终等于给定值r（t）,而且使at）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，5亿）、D2（Z）是由计算机实现的数字调节器，而其控制规律用得较多的通常是PID调节规律。五、实验要求设计串级控制系统，实现离散化的串级控制算法，实现控制系统的阶跃响应分别为无振荡衰减、振荡哀减、等幅振荡以及发散振荡。六、实验仪器设备THBDC-1型控制理论•计算机控制技术实验台THBXD数据采集卡块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）PC机1台（含上位机软件“THBDC-1”）七、预习要求实验前学生必须自学有关仪器设备的使用方法及工作原理，明确实验内容及实验目的，须持实验预习报告后，方可进入实验室进行实验。八、实验步骤1、实验接线根据图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：用导线将图5-2的“ul”输出点与数据采集卡的输入端“AD1”相连，“u2”输出点与数据采集卡的输入端“AD2”相连，该电路的输入端则与数据采集卡的输出端“DA1”相连；待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处于“解锁”状态。2、脚本程序运行启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”，运行实验软件。顺序点击虚拟示波器界面上的“开始采集I”按钮和工具栏上的“三卜按钮（脚木编程器）。在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“串级控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms。点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”:用虚拟示波器观察图5-2中ul、u2输出端各自的响应曲线。然后用逐步逼近法（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时系统动态性能的影响。将串级控制的脚本程序语句“WriteDataopl,1”中的opl（加副控制器时）输出改为op（不加副控制器时蹦出，然后重复操作步骤2.4,并比较加副控制器前后被控参数的控制效果。实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。九、实验报告要求.绘出实验中二阶被控对象的模拟电路图。.根据串级控制器的算法编写脚本程序。.绘制实验中被控对象的输出波形。十、思考题.什么情况下需要采用串级控制？串级控制与单回路相比有什么优点？.串级控制系统的主回路和副回路如何选择？主回路和副I可路的采用周期如何选择？.串级控制系统如何才能顺利投入运行？控制器的参数如何整定？.串级控制和比值控制有什么区别和联系？

.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:G(5)=其传递函数为:G(5)=(0.55+1)(0.25+1).常规的PI控制算法常规的PI控制律为u(t)=Kr[e(t)+^-Je(r)Jr]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:u(k)=u(k-1)+p[e(k)-e(k-1)]+I(e(k)这里P、I参数分别为P=K/,,1fL图5-2二阶受控对象的模拟电路图实验电路参考单元：Ull、U13、U5.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、实验类型：验证性实验。二、实验目的.学习并熟