一计算机控制实验指导

目录

一•计算机控制实验指导

1.概述......................................................1

2.实验一A/D与D/A转换....................................3

3.实验二数字滤波.........................................7

4.实验三D(s)离散化方法的研究.............................9

5.实验四数字PID控制算法的研究............................13

6.实验五串级控制算法的研究...............................16

7.实验六解耦控制算法的研究...............................19

8.实验七最少拍控制算法的研究.............................23

9.实验八具有纯滞后系统的大林控制.........................28

10.实验九线性离散系统的全状态反馈控制....................30

H.实验十二维模糊控制器....................................33

12.实验十一单神经元控制器..................................36

二.计算机控制对象实验指导

1.实验一直流电机转速计算机控制实验........................39

2.实验二水箱液位计算机控制实验............................41

三.计算机控制软件说明

1.概述.....................................................43

2.安装指南及系统要求........................................48

3.LabVIEW编程及功能介绍.....................................49

5.附录........................................................78

7^3^计算机控制实验指导

概述

系统功能特点

1.以PC微机为操作台，高效率支持“计算机控制”的教学实验。

2.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。

3.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。

4.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口与PC微机连接。

1.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。

2.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

I

7^3^计算机控制实验指导

制技术软件说明》。

三.计算机控制实验系统实验内容

1.A/D与D/A转换

2.数字滤波

3.D⑸离散化方法的研究

4.数字PID控制算法的研究

5.串级控制算法的研究

6.解耦控制算法的研究

7.最少拍控制算法的研究

8.具有纯滞后系统的大林控制

9.线性离散系统的全状态反馈控制

10.二维模糊控制器

11.单神经元控制器

四.实验注意事项

1.实验开始前需要对实验箱上的运算放大器电路进行调零。

2.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01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T5V相连。

3.系统软件支持锁零信号设定。通过对01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。

4.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。

2

计算机控制实验指导

实验一A/D与D/A转换

实验目的

1.通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。

2.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

1.利用实验系统完成测试信号的产生

2.测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。

3.设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。

三.实验步骤

1.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；

2.利用实验设备产生0〜5V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；

3.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；

4.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；

5.对实验结果进行分析，并完成实验报告。

四.附录

1.C8051F060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）模拟I/O：C8051F060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

3

7^3^计算机控制实验指导

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。

2.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

由一个偏移电路环节(+3V)与放大器电路环节组成。

(3)模拟量输入通道输入端口：实验箱面板上，有模拟量输入通道输入端口II〜18。

3.实验设备中的模拟量输出通道.

(1)主要功能: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(-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01,02„

4.C8051F060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

4

7^3^计算机控制实验指导

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”。

5.两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R0=RI=R2,RJ

=R4O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1.4.a

所示,在12和II端分别得到如图14b、1.4.C所示互为倒相的周期信号。

R2R4

OiR。

R3一I.

++

0Ri

2++

12

图1.3

图1.4

6.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

5

计算机控制实验指导

，./、e2万

y=Asm{a>t+(p),T-——

co

(2)方波

A0<Z<7]

y=s

0Tx<t<T

(3)锯齿波

atQ<t<T

y=\X

0T]<t<T

(4)抛物线

,12

at~Q<t<T

y=<2x

0Tx<t<T

6

计算机控制实验指导

实验二数字滤波

实验目的

1.通过实验掌握数字滤波器设计方法。

2.学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。

二.实验内容

1.产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。

2.设计并调试数字化一阶惯性滤波器。

3.设计并调试高阶数字滤波器。

三.实验步骤

1.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：

2.根据信号频谱，设计并选择数字化一阶惯性滤波器的参数，编制并运行,阶惯性数

字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；

3.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；

4.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。

5.对实验结果进行分析，并完成实验报告.

四.附录

1.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：

2.一阶惯性滤波

器及其数字化

一阶惯性滤波器的传

递函数为：

计算机控制实验指导

\Jc(S)——*=-----

八X(S)TS+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(^)+(i--W-1)

TT

其中T为采样周期，「为滤波时间常数。T和「必须根据信号频谱来选择。

3.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(k)=Axx(k)+A2x(k-1)+A3x(k-2)+A4x(k-3)

4

其中权系数4满足：Z4=i,类似地，Ai必须根据信号频谱来选择。

/=1

4.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。

8

7^3^计算机控制实验指导

实验三D(s)离散化方法的研究

实验目的

1.学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。

2.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。

3.学习并掌握将模拟控制器D⑸离散化为数字控制器D(z)的方法。

4.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

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

6.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

9

7^3^计算机控制实验指导

的屏幕显示，并作记录。

7.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。

8.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。

9.对实验结果进行比较、分析和研究，写成实验报告。

四.附录

1.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)—§=5。(3—1)

0.25(0.55+1)s(s+2)

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)e(t)u(t)y(t)

D(s)G(s)

图3.1

按以下要求设计期望系统的开环对数幅频特性：

(1)超调量420%

(2)调节时间(过渡过程时间)ts<\s

(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

D(s)(3-2)

0.05s+1

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。

10

计算机控制实验指导

图3.2

2.计算机闭环控制系统的混合仿真

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。

图中电路可利用实验箱U9、U11等单元组成。其中0m端连实验箱U3单元01,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。

11

计算机控制实验指导

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34中,ZOH为零阶保持器,其传递函数为三(以后实验中均同此义)。

3.O(s)的离散化方法

(1)保持器等价

\-eTs10—(产+9方1

D(z)=Z[--------O(s)]

20T

s\-e-z-'

u(k)=e-20Tu(k-1)+1Oe伏)~(e-20T+9)e(k-1)

(2)匹配Z变换

21

对应D⑸的$|=-20、s2=-2,有Z]=e-2°'、z2=e^

K(l-e-2Tz-^

故。(Z)--207-1

1—ez

\--20T

从limO(s)=limD(z)确定K得长=e,,

S->0ZTll-e~2T

所以u(k)=e-2(ru4-WKek(-舸%kf

(3)一阶后向差分

z]-z।心*〜、0.5s+1后

以S=代入Z>(5)=有

T0.055+1

~、0.5+7—10.5+T-0.5Z-1

D(z)=

0.05+r-0.05z-10.05+r.0.05

1-z

0.05+r

0.050+3,0.5..

所以u(k)=t/(le-1+e(K4e(/e

0.0"0.④牙0+GT5

(4)双线性变换

2l-z~',~、0.55+1

以s------------r代入D(s)=-----------有

Tl+z-'0.055+1

i+r-g-nr1_i

O(z)

(-().I+T

0.1+7-o.i-Tk1.四工T

OA+T

〃(⑥舟(上喟？e(k

所以="]^Te也

12

计算机控制实验指导

实验四数字PID控制算法的研究

实验目的

1.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。

2.学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。

3.学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。

二.实验内容

1.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。

2.采用常规数字P1D控制，并用扩充响应曲线法整定控制器的参数。

3.采用积分分离PID控制，并整定控制器的参数。

三.实验步骤

1.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。

2.在上位机完成常规数字P1D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。

3.在上位机完成积分分离P1D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。

4.对实验结果进行分析，并完成实验报告。

四.附录

1.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

(s+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

13

计算机控制实验指导

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=lu,

2.常规数字PID控制算法

常规的PID控制律为〃«)=K[e(f)+；1e(f)力+7；

Jo

Tidt

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

呼)={e⑻+:之e(i)+?[e㈤-e(k-1)]}

4J=1I

简记为n(k)=p《辟为㈠@efe

i=\

这里P、1、D参数分别为P=K.,l=Kp\,D=K：

采用增量式形式有：

u(k)=u(k-1)4-P[e(k)—e(k-1)]+Ie(k)+D[e(k)—2e(k—1)4-e(k—2)]3积分

分离PID控制算法

设积分分离值为EI,则积分分离PID控制算法可表达为下式：

[Up(%)+u(k)+u(k)|e(左)|<EI

idk)-5tD

[〃〃(%)+%/)\e(k)\>EI

其中Up(k)=Pe(k)

Uj(k)=〃/(A-1)+Ie(k)

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。下面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。

14

计算机控制实验指导

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参数的步骤如下：

(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r,被控对象时间常数4以及它们

的比值7；/r,查表4-1控制器的Kp,Ki,

Kd及采样周期T。

(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

控制律TKp一1TD

PI0.1r0.847；/r0.34r—

1.05

PID0.05r1.157；/T2.0r0.45r

PI0.2r0.787；/r3.6r——

1.2

PID0.1671.0?；/r1.9r0.55r

PI0.5r0.687；/r3.9r—

1.5

PID0.34r0.857；/r1.62r0.82r

扩充响应曲线法通过测取阶跃响应曲线的「，TT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⑵。

(2)PID参数对性能的影响

增大比例系数Kp一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。

15

计算机控制实验指导

实验五串级控制算法的研究

实验目的

1.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。

2.熟悉并掌握串级控制系统的控制器参数整定方法。

二.实验内容

1.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。

2.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

1.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。

2.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。

3.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。

4.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。

5.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。

6.对实验结果进行分析，并完成实验报告。

四.附录

1.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成

20

实验系统被控对象的传递函数为

G(s)(0.05.v+l)(25+l)'7

它可以用图5.1所示电路来模拟

16

计算机控制实验指导

.z

Eg

17

7^3^计算机控制实验指导

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。

2.常规数字PI控制算法

常规的PI控制律为〃(，)=KJe(7)+/J；e(t)dt]

采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PI控制算法

KTk

简记为u(k)=Kpe(k)+-^-Ze(i)]

1，=1

或者u(k)=u(k-1)+P[e(k)-e(k-1)]4-Ie(k)

这里P、I参数分别为P=K0,I=K,T

p

PI]

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」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，直到控制系统性能满足要求为止

18

计算机控制实验指导

实验六解耦控制算法的研究

实验目的

1.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。

2.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。

二.实验内容

1.用前馈补偿解耦法设计一己知的两输入、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。

2.熟悉解耦控制系统的控制器参数调试方法。

3.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

1.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。

2.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。

3.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。

4.改变控制器参数，观测并记录实验结果。

5.对实验结果进行分析，并完成实验报告。

四.附录

Ml

1.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G(s)为:

]

G“（s）=

0.5s+1M2

G[2（S）=0

图6.1

19

计算机控制实验指导

G2](S)=0.5

G22(S)=/

(6-1)

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Ro=Ri=100k,

R-2—R3—500k,G=luF,&=

R5=100k,C2=1UF,Rfi=R7=

100k,R8=200k«

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：

2.前馈补偿解耦法

见图6.3,图中。2屹)和。2i(z)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。(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，不仅影响G而且影响。2；同样地，加2不仅影响G

而且影响G。

在图6.4中，为利用前馈补偿消除上述耦合影响，令

GW)+G2«)=0当此70

(6-2)

C21⑺+°22(。=0当MHO

20

计算机控制实验指导

图6.4

因而有性⑸+外⑸GG)=O

(6—3)

G2i(s)+D2[(s)G22(s)=0

从而得到连续的解耦网络数学模型

14G)、=

。(5)=(6-4)

4G)1)_g2l(^)

、G22(s)

在实验系统中,

°,(S)=-2^!,⑶=-^1^1=-0.5(0.15+1)=—(0.05s+0.5)

G“(s)G22G)

(12⑶、

用一阶差分法将。(s)离散化得到。(z)=l2V(6-5)

、Z)2|(Z)1,

-

甘“c/、八c/、0.05(1-z')cu*050.05T

其中。12(z)=0，Ai(z)-------------------0.5=+0・5)+-y-z

在实验系统中，

八d,(z)0.050.05_]

R.(z)==-(-----+0.5)+------z(6—6)

21M(z)TT

于是d(k)=一(竿+叫(k)+竿町(k-

20.5)1)(6—7)

于是得到解耦控制算法

町(女)=%(左)(6-8)

21

计算机控制实验指导

m(k)-u(k)+d(k)=%(左)一(^^+0.5)%(女)+〃

222i(左一1)(6-9)

其中

场(无)=场/-1)+用q(%)-q(左-1)]+/品⑻

(6-10)

+/5][C](k)—26|伏—1)+q(k—2)]

%(左)=%(%-1)+鸟回(左)一02(左一1)]+42(左)

(6—11)

+。2[，2(%)—2e?(Jk-1)+0(左一2)]

3.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rl(t)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

4.关于对比分析

述解耦控制的PID控制结果同图6.2中去掉电阻R8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。

22

计算机控制实验指导

实验七最少拍控制算法的研究

实验目的

1.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。

2.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。

二.实验内容

1.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。

2.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

1.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。

2.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积分时间常数。

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。

3.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。

4.对记录的实验结果进行分析，写出实验报告。

四.附录

1.被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成

K

实验系统被控对象的传递函数为G(s)=为彳环(7-1)

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：

23

计算机控制实验指导

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。

2.系统环节参数测In

试

(1)惯性环节」L-

率+1

的参数测定

测取图7.1中第一环节图7.1

模拟电路的阶跃响应，根据

图7.2

阶跃响应的稳态值和阶跃信号幅值确定(和7；。

由竺确定(,其中M一阶跃信号幅值

U

伏⑹一环节输出稳定值

根据业2=0.63确定(

(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，田口=0.63,T,即积分时间常数。

力+1%(°°)

(3)系统K的确定

K

于是对于式(7-1)中的K,有K=」。

3.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

1-e-%K

G(s)(7-2)

ss(小+1)

选择采样控制7,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

24

计算机控制实验指导

T,T-lT/T,T,T2

_K(T-TX+T.e-')z+(7]-T^-Te')z'

‘"'(1-zT)(l-izT)(7-3)

考虑等速输入卜一最少拍无差条件，可以得到

“(z)=z-l(2-z-1)(7-4)

1一。(z)=(l—Z、2(7-5)

U(z)1O(z)(2—zy-e"zT