计算机控制实验

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10ms；

2.3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；

2.4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；

2.5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a1、a2、a3和采样时间Ts。

2.6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。 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脚本程序。

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

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（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。

图2-2 测试信号的产生电路图

3．一阶数字滤波器的程序编写与调试示例

dim pv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti ‘变量定义 sub Initialize(arg) ‘初始化函数

WriteData 0 ,1 opx=0 end sub

sub TakeOneStep (arg) ‘算法运行函数

pv = ReadData(1) ‘采集卡通道1的测量值 op1=2*sin(x) ‘正弦信号的产生 x=x+0.1 Ti=0.02

Ts=0.01 ‘采样时间10ms op2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx ‘一阶数字滤波器的输出 opx=op2

if op2>=4.9 then op2=4.9 end if

if op2<=-4.9 then op2=-4.9 end if

WriteData op1 ,1 ‘正弦信号从DA1端口输出 WriteData op2 ,2 ‘滤波后的信号从DA2端口输出 end sub

sub Finalize (arg) ‘退出函数 WriteData 0 ,1 WriteData 0 ,2 end sub

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；

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

1．THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台

2．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) 3．PC机1台(含软件“THBDC-1”) 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．利用实验平台，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

2．系统性能指标要求

系统的速度误差系数Kv?5 1/s ，超调量?p?10%，系统的调整时间ts?1s 据Kv要求可得：

limSs?0K0?5 ，K0?5

S(0.5S?1)510?

S(0.5S?1)S(S?2) G0(S)?令D(S)?S?2，则校正后的开环传递函数为 S?a2?nS?21010D(S)????

S?aS(S?2)S(S?a)S(S?2??n)由上式得 ?n?10，2??n?a，取?＝D(S)?12，则a?21210?4.47

S?221?0.5s1?0.5s ???0.45?S?4.474.471?0.22s1?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)?R2(1?R1C1S)1?0.5S?2.2?，为使校正后的Kv?5，要求对象K由5增至

R1(1?R2C2S)1?0.22S10。

R1?500K，C1＝1uF

R2?0.45，R2?220K（实际可取200K电阻），C2＝1uF R13．D(S)的离散化算法

图3-4 数—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

1u(t)?L?1[D(s)]

su(kT)?us(kT)

u(z)?Z[u(kT)]?Z[us(kT)]

u(kT)－数字滤波器在阶跃作用下输出响应的u(kT) us(kT)－模拟滤波器在阶跃作用下输出响应的采样值us(kT)

D(Z)?U(Z)Z[us(kT)]?

1E(Z)1?z?1?D(S)?1?0.5S11.271?0.5S??， U(S)?

S(1?0.22S)SS?4.541?0.22Su(t)?1?1.27e?4.54t

11.272.27?(1.27?e?4.54t)z?1u(z)???

1?z?11?e?4.54Tz?1(1?z?1)(1?e?4.54tz?1)据此得