计算机控制实验

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：

105? G(S)?

(s?1)(s?2)(s?1)(0.5s?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

2．常规PID控制算法

常规PID控制位置式算法为

TTku(k)?kp{e(k)??e(i)?d[e(k)?e(k?1)]}

Tii?1T对应的Z传递函数为

U(z)1D(Z)??KP?Ki?Kd(1?Z?1)?1E(Z)1?z式中Kp---比例系数 TKi=Kp积分系数，T采样周期

TiKd＝Kp

Td微分系数 T其增量形式为

u(k)?u(k?1)?Kp[e(k)?e(k?1)]?Kie(k)?Kd[e(k)?2e(k?1)?e(k?2)] 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PID控制，以保持系统的控制精度。

当 │e(kT)│>│E0│时，采用PD控制，可使δp减小。积分分离PID控制算法为： u(k)?Kpe(k)?KeKi?e(jT)?Kd[e(k)?e(k?1)

j?0k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。用扩充阶跃响应曲线法整定PID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τ和被控对象时间常数Tx，以及它们的比值Tx/τ，然后查下表确定控制器的KP、Ki、Kd及采样周期T。 控制度 1.05 PID PI 1.2 PID PI 1.5 PID 0.34τ 0.85Tx/τ 1.62τ 0.82τ 扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的τ、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。

5．位置式PID数字控制器程序的编写与调试示例

dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op ‘变量定义 sub Initialize(arg) ‘初始化函数 WriteData 0 ,1 mx=0 pvx=0 end sub

sub TakeOneStep (arg) ‘算法运行函数

pv = ReadData(1) ‘采集卡AD1通道的测量值 sv=2 ‘给定值 K=0.8 ‘比例系数P Ti=5 ‘积分时间常数I Td=0 ‘微分时间常数D Ts=0.1 ‘采集周期 ei=sv-pv ‘控制偏差

0.16τ 0.5τ 1.0Tx/τ 0.68Tx/τ 1.9τ 3.9τ 0.55τ — 0.05τ 0.2τ 1.15Tx/τ 0.78Tx/τ 2.0τ 3.6τ 0.45τ — 控制律 PI T 0.1τ KP 0.84Tx/τ Ti 0.34τ Td — q0=K*ei ‘比例项 if Ti=0 then mx=0 q1=0 else

mx=K*Ts*ei/Ti ‘当前积分项 end if

q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts ‘'微分项 q1=q1+mx

if q1>4.9 then ‘积分限幅，以防积分饱和 q1=4.9 end if

if q1<-4.9 then q1=-4.9 end if

pvx=pv ‘pvx为测量值的前项 op=q0+q1+q2 ‘PID控制器的输出 if op<=-4.9 then ‘输出值限幅 op=-4.9 end if if op>=4.9 then op=4.9 end if

WriteData op ,1 ‘输出值给DA1通道 end sub

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

位置式PID、积分分离PID控制算法的编程请参考“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\\数字PID调器算法”目录内参考示例程序。

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

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．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、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：（1）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；（2）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“u1”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；

1.3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