1、、乙刖百本指導書是配合自動化專業本科生專業課計算機控制技術的課堂教學而編寫的實驗教材，通過實驗的驗證能夠使學生了解和掌握計算機控制的硬件技術和軟件編程方法。本書共設計了七大類實驗，第一類中包含過程通道和數據采集處理方面的幾個內容；第二類為數字PWM殳生器和直流電機調速控制的開環實驗；第三類包含幾種數字PID閉環控制實驗；第四類中有兩種數字調節器直接設計方法的實驗；第五類是一個溫度控制系統；第六類是隨動系統實驗；第七類是過程控制系統的研究；實驗五至實驗七的內容是帶有被控對象的控制系統。七個實驗的全部學時大于計劃學時，教師和學生對所做的實驗內容可以選擇以滿足實驗計劃學時為準。通過實驗學生鞏固了課堂

2、教學的內容，也為今后實際工作打下了一定技術基礎。本指導書由王尚君、毛一心老師共同編寫，穆志純教授進行了嚴格的審閱工作。由于計算機性能的快速提高，計算機控制的技術手段也在不斷出新，書中難免存在不足之處，敬請讀者批評指正。編者2007年10月目錄刖日1目錄2實驗一過程通道和數據采集處理4一、輸入與輸出通道41. AD轉換實驗'52. DA轉換實驗'7二、信號的采樣與保持'91 .零階保持實驗'92 .直線插值實驗*'113 .二次曲線插值實驗*'11三、數字濾波151 .一階慣性實驗162 .四點加權實驗*16實驗二開環系統的數字程序控制19數字PW

3、M發生器和直流電機調速控制19一、實驗目的19二、實驗內容'19三、實驗所用儀表及設備19四、實驗原理及步驟20五、思考題21六、實驗報告內容及要求121實驗三數字PID閉環控制22數字PID控制算法22積分分離法PID控制23帶死區的PID控制*27簡易工程法整定PID參數30擴充臨界比例度法30擴充響應曲線法32實驗四數字調節器直接設計方法36最小拍控制系統36一、實驗目的36二、實驗所用儀表及設備'36三、實驗原理及內容36有紋波最小拍控制系統37無紋波最小拍控制系統38四、實驗步驟40五、思考題41六、實驗報告內容及要求41實驗一過程通道和數據采集處理為了實現計算機對生

4、產過程或現場對象的控制，需要將對象的各種測量參數按要求轉換成數字信號送入計算機；經計算機運算、處理后，再轉換成適合于對生產過程進行控制的量。所以在微機和生產過程之間，必須設置信息的傳遞和變換的連接通道，該通道稱為過程通道。它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數字量輸入通道、數字量輸出通道。模擬量輸入通道：主要功能是將隨時間連續變化的模擬輸入信號變換成數字信號送入計算機，主要有多路轉化器、采樣保才e器和a/d轉換器等組成。模擬量輸出通道：它將計算機輸出的數字信號轉換為連續的電壓或電流信號，主要有D/A轉換器和輸出保持器組成。數字量輸入通道：控制系統中，以電平高低和開關通斷等兩位狀態表示的信號稱

5、為數字量，這些數據可以作為設備的狀態送往計算機。數字量輸出通道：有的執行機構需要開關量控制信號（如步進電機），計算機可以通過I/O接口電路或者繼電器的斷開和閉合來控制。輸入與輸出通道本實驗教程主要介紹以A/D和D/A為主的模擬量輸入輸出通道，A/D和D/A的芯片非常多，這里主要介紹人們最常用的ADC0809和TLC7528、實驗目的1 .學習A/D轉換器原理及接口方法，并掌握ADC0809芯片的使用2 .學習D/A轉換器原理及接口方法，并掌握TLC7528芯片的使用二、實驗內容1 .編寫實驗程序，將5V+5V的電壓作為ADC0809的模擬量輸入，將轉換所得的8位數字量保存于變量中。2 .編寫實

6、驗程序，實現D/A轉換產生周期性三角波，并用示波器觀察波形。三、實驗設備+PC機一臺，TD-ACCS驗系統一套，i386EX系統板一塊四、實驗原理與步驟1. A/D轉換實驗ADC0809芯片主要包括多路模擬開關和A/D轉換器兩部分，其主要特點為：單電源供電、工作時鐘CLOCK®高可達到1200KHz、8位分辨率，8個單端模擬輸入端，TTL電平兼容等，可以很方便地和微處理器接口。TD-ACCt學系統中的ADC0809芯片，其輸出八位數據線以及CLOCK線已連到控制計算機的數據線及系統應用時鐘IMCLKIMHz）上。其它控制線根據實驗要求可另外連接（A、B、C、STR/OE、EOCIN0

7、IN7）。根據實驗內容的第一項要求，可以設計出如圖1.1-1所示的實驗線路圖。單次階躍模數轉換單元控制計算機圖1.1-1上圖中，AD0809的啟動信號“STR是由控制計算機定時輸出方波來實現的。“OUT1表示386EX內部1#定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期=定時器時常。圖中ADC0809芯片輸入選通地址碼A、B、C為“儂態，選通輸入通道IN7;通過單次階躍單元的電位器可以給A/D轉換器輸入5V+5V的模擬電壓；系統定時器定時1ms輸出方波信號啟動A/D轉換器,并將A/D轉換完后的數據量讀入到控制計算機中，最后保存到變量中。參考流程：主程序初始化系統定時器(1ms)延時取A/D值，送至變量

8、中圖1.1-2參考程序：請參照隨機軟件中的example目錄中ACC1-1-1.ASM文件實驗步驟與結果：(1)打開聯機操作軟件，參照流程圖，在編輯區編寫實驗程序。檢查無誤后編譯、鏈接。(2)按圖1.1-1接線(注意：圖中畫“o”的線需用戶自行連接)，連接好后，請仔細檢查，無錯誤后方可開啟設備電源。(3)裝載完程序后，系統默認程序的起點在主程序的開始語句。用戶可以自行設置程序起點，可先將光標放在起點處，再通過調試菜單項中設置起點或者直接點擊設置起點圖標，即可將程序起點設在光標處。(4)加入變量監視，具體步驟為：打開“設置”菜單項中的“變量監視”窗口或者直接點擊“變量監視”圖標，將程序中定義的全

9、局變量“AD3AD。加入到變量監視中。在查看菜單項中的工具欄中選中變量區或者點擊變量區圖標，系統軟件默認選中寄存器區，點擊“變量區”可查看或修改要監視的變量。(5)在主程序JMPAGAIN語句處設置斷點。具體操作為：先將光標置于要設斷點的語句，然后在調試菜單項中選擇“設置斷點/刪除斷點(B)”或者直接點擊“設置斷點/刪除斷點”圖標，即可在本語句設置或刪除斷點。(6)打開虛擬儀器菜單項中的萬用表選項或者直接點擊萬用表圖標，選擇“電壓檔”用示波器單元中的“CH1'表筆測量圖1.1-1中的模擬輸入電壓"Y'端，點擊虛擬儀器中的“運行”按鈕，調節圖1.1-1中的單次階躍中的電

10、位器，確定好模擬輸入電壓值。-5V（7）做好以上準備工作后，運行程序（打開“調試”菜單項中的“運行到斷點/運行”或者點擊“運行到斷點/運行”圖標），程序將在斷點處停下，查看變量“AD（KADg的值，取平均值記錄下來，改變輸入電壓并記錄，最后填入表1.1-1中。表中“（）”中的數字量供參考。表1.1-1模擬輸入電壓（V）對應的數字量（H）-5(00)(00)一4(1A)(18)-3(33)(31)-2(4C)(4C)1(66)(66)0(80)(7F)+1(99)99+2(B3)B3+3(CDCD+4(E6)E6+5(FF)FF得到的實驗實際值:模擬輸入電壓（V）對應的數字量（H）-4.9500

11、0-4.05617-3.01032-2.0114D1.00265-0.0017F+1.00599、9A+2.010B6+3.009DOD1+3.919E7+4.848FF本節實驗僅僅就軟件的相關功能做簡單介紹，該軟件的具體操作與說明請詳見本實驗教程的“第1部分第4章聯機軟件說明”。2. D/A轉換實驗本實驗采用TLC7528芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出數模轉換器。其主要參數如下：轉換時間100ns,滿量程誤差1/2LSB,參考電壓10V+10V,供電電壓+5V+15V,輸入邏輯電平與TTL兼容。實驗平臺中的TLC7528的八位數據線、寫線和通道選擇控制線已接至控制計算機的總線上。片選

12、線預留出待實驗中連接到相應的I/O片選上，具體如圖1.1-3。實驗步驟及結果：(1)參照流程圖1.1-4編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接并裝載到控制計算機中。(2)運行程序，用示波器觀測輸出波形。圖1.1-5以上電路是TLC7528雙極性輸出電路，輸出范圍5V+5V。“W10痢”W10為別為A路和B路的調零電位器，實驗前先調零，往TLC7528的A口和B口中送入數字量80H,分別調節“W10痢”W102電位器，用萬用表分別測“OUT1和“OUT2'的輸出電壓，應在0mV左右。參考流程：主程序變量初始枇延時變量遞加，送D/A輸出圖1.1-4，參考程序：請參照隨機軟件中的example目

13、錄中的ACC1-1-2.ASM文件信號的采樣與保持一、實驗目的1 .熟悉信號的采樣和保持過程2 .學習和掌握香農(采樣)定理3 .學習用直線插值法和二次曲線插值法還原信號二、實驗內容1 .編寫程序，實現信號通過A/D轉換器轉換成數字量送到控制計算機，計算機再把數字量送到D/A轉換器輸出。2 .編寫程序，分別用直線插值法和二次曲線插值法還原信號。三、實驗設備+PC機一臺，TD-AC改驗系統一套，i386EX系統板一塊四、實驗原理與步驟零階保持香農(采樣)定理：若對于一個具有有限頻譜(|W|<Wmax)的連續信號f進行采樣，當采樣頻率滿足Ws2WmaxM,則采樣函數f*(t)能無失真地恢復到

14、原來的連續信號f(t)oWmax*信號的最高頻率，Ws為采樣頻率。實驗線路圖：本實驗中，我們將具體來驗證香農定理。可設計如下的實驗線路圖，圖中畫的線需用戶在實驗中自行接好，其它線系統已連好。ST1IDTt'OEI二A巡D<T3，土口管網二，C；-彳«!r皿:13KCLK1At)里皿JCEK2OUTLKih.itir.圖1-2-1上圖中，控制計算機的“OUT1表示386EX內部1#定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期=定時器時常，"IRQ7'表示386EX內部主片8259的“7”號中斷，用作采樣中斷。這里，正弦波單元的“OUT端輸出周期性的正弦波信號，通

15、過模數轉換單元的“IN7”端輸入，系統用定時器作為基準時鐘(初始化為10ms),定時采集“IN7”端的信號，轉換結束產生采樣中斷，在中斷服務程序中讀入轉換完的數字量，送到數模轉換單元，在“OUT1端輸出相應的模擬信號。由于數模轉換器有輸出鎖存能力，所以它具有零階保持器的作用。采樣周期T=TKX10msTK的范圍為01FFH,通過修改TK就可以靈活地改變采樣周期，后面實驗的采樣周期設置也是如此。參考程序流程：基于上面的實驗線路，可以設計如下的參考程序流程。需研中斷忖芥匕.序零訃圖均1圖12-2實驗參考程序：請參照隨機軟件中的example目錄中的ACC1-2-1.ASM*信號的還原原理(1)實驗

16、原理從香農定理可知，對于信號的采集，只要選擇恰當的采樣周期，就不會失去信號的主要特征。在實際應用中，一般總是取實際采樣頻率Ws比2Wma歡，如：W610Wma)c但是如果采用插值法恢復信號，就可以降低對采樣頻率的要求，香農定理給出了采樣頻率的下限，但是用不同的插值方法恢復信號需要的采樣頻率也不相同。直線插值法(取Ws>5Wmax)利用式1.2-1在點(X0,Y0)和(X1,Y1)之間插入點(X,Y)Y=Y0+K(XX0)式1.2-1Y1W0其中：K=X1X0X1-X0為采樣間隔，Y1-Y0分別為X1和X0采樣時刻的AD采樣值二次曲線插值法(取Ws>3Wmax)丫2，0Y1-Y0(一

17、)X2-X0X1-X0X2-X1Y=Y0+(X-X0)K1+K2(X-X1)式1.2-2Y1-Y0其中K1=xiX0，K2=(2)實驗線路圖設計為了驗證上面的原理，可以設計如下的實驗線路圖，圖中畫的線需用戶在實驗中自行接好，其它線系統已連好。正翻糊榭娘124上圖中，控制計算機”OUT1表示386EX內部1#定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期=定時器時常，"IRQ7'表示386EX內部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷。這里，正弦波單元的“OUT'端輸出周期性正弦波信號，通過模數單元的“IN7”端輸入，系統用定時器作為基準時鐘(初始化為10ms),定時采集“IN7”

18、端的信號，并通過控制機算計讀取轉換完后的數字量，再送到數模轉換單元，由“OUT1端輸出相應的模擬信號。采樣周期T=TKXl0m§TK的范圍為01FFH。(3)參考程序流程圖設計曰。中物職芥斤二也曲線幡修)栗H中新咀務彩厚1口懂瞄NO圖實驗參考程序：直線插值法參照隨機軟件中的example目錄中的ACC1-2-2.ASM文件，二次曲線插值法請參照隨機軟件中的example目錄實驗步驟及結果1.采樣與保持(1)參考流程圖1.2-2編寫零階保持程序，編譯、鏈接。(2)按照實驗線路圖1.2-1接線，檢查無誤后開啟設備電源。(3)用示波器的表筆測量正弦波單元的“OUT端，調節正弦波單元的調幅、

19、調頻電位器及撥動開關，使得“OUT端輸出幅值為3V,周期1S的正弦波。得到的實驗波形如下所示:*iy團寄存名名I河QGF卜療標身止也推wwwitnqdu,izom力示波色.科q室年4V笠$叫曲門IffiSIInSF即Z5DSES霓IFCFZFSFbPF際IF叩時間/略電的格(4)加載程序到控制機中，將采樣周期變量“Tk”加入到變量監視中，運行程序，用示波器的另一路表筆觀察數模轉換單元的輸出端“OUT1。“OUT1端的參考波形如圖1.2-5所示。v-4I榮桿點零子母再(5)增大采樣周期，當采樣周期>0,5S時，即Tk>32H時，運行程序并觀測數模轉換單元的輸出波形應該失真，記錄此時的

20、采樣周期，驗證香農定理。Tk=34H,得到的波形如下所示:*2.信號的還原(1)參考流程圖1.2-3分別編寫直線插值和二次曲線插值程序，并編譯、鏈接。(2)按照線路圖1.2-4接線，檢查無誤后，開啟設備電源。調節正弦波單元的調幅、調頻電位器，使正弦波單元輸出幅值為3V,周期1S的正弦波。|T1-T2|-117.2ms1/1T1-T2I=&53HlIV17輯=1.026GBl口K一一-k-/z(laG1Ih1fa1b11M¥rih>1hd1ri'l1iii'/1b1fcrlbJh>ihri1d_jtV)ibiaiiiji1in1h1/i><

21、;/.I:500ms潞CH2:如潞(3)分別裝載并運行程序，運行程序前將采樣周期變量Tk加入到變量監視中，方便實驗中觀察和修改。用示波器觀察數模轉換單元的輸出，和零階保持程序的運行效果進行比較二次曲線插值直線插值零階保持圖1.2-6由上述結果可以看出：在采樣頻率Ws=10WmaxB寸，用三種方法還原信號，直線插值要好于零階保持，二次曲線插值好于直線插值。采用合理的插值算法可以降低信號的失真度，在允許的范圍內可以有效地降低對采樣頻率的要求。直線插值:fT1-T2|-117.2ms|V1-V2|-512J6mvMFNT2|=HiT:500ms4SCH1:CH2:lv4S二次曲線插值：(4)在(3)

22、中是在同一采樣頻率下，比較三種方法還原信號的效果，實驗中也可比較一種還原方法在不同采樣頻率下的效果。對于零階保持來說：當采樣頻率信號頻率的10倍時，即Tk：。XIS,Tk<OAH口對于直線插值來說：當采樣頻率信號頻率的5倍時，即Tk<1XIS,Tk<14HB號的還原效果較好。對于二次曲線插值來說：當采樣頻率信號頻率的3倍時，即Tk&13X1STk<21H言號的還原效果較好數字濾波、實驗目的1 .學習和掌握一階慣性濾波2 .學習和掌握四點加權濾波二、實驗內容分別編寫一階慣性濾波程序和四點加權濾波程序，將混合干擾信號的正弦波送到數字濾波器，并用示波器觀察經過濾波后的

23、信號。三、實驗設備+PC機一臺，TD-AC改驗系統一套，i386EX系統板一塊四、實驗原理與步驟一般現場環境比較惡劣，干擾源比較多，消除和抑制干擾的方法主要有模擬濾波和數字濾波兩種。由于數字濾波方法成本低、可靠性高、無阻抗匹配、靈活方便等特點，被廣泛應用，下面是一個典型數字濾波的方框圖：圖13-11.濾波器算法設計一階慣性濾波：1相當于傳函S1的數字濾波器，由一階差分法可得近似式YK=(1-a)XK+(a)YK-1XK當前采樣時刻的輸入YK當前采樣時刻的輸出YK-1:前一采樣時刻的輸出T:采樣周期，1-a=1四點加權濾波算法為：4YK=A1XK+A2XK-1+A3XK-2+A4XK-3式中工A

24、1=1)i3XK當前采樣時刻的輸入XK-1:前一采樣時刻的輸入YK當前采樣時刻的輸出2 .參考流程圖：黑蜂中新程序聚嶂電*程序主程停一箭崢)點加實驗中的參數：1a、a、A1、A2、A3、A4為十進制2位小數（BCD碼）,取值范圍：0.000.99,只須對應存入0099。程序中將其轉換成二進制小數，再按算式進行定點小數運算。實驗參考程序：一階慣性請參照隨機軟件中的example目錄中的ACC1-3-1.ASM四點加權參照ACC1-3-2.ASM3 .實驗線路圖：圖中畫的線需用戶在實驗中自行接好，運放單元需用戶自行搭接。£髓尊根4七拄,討書或圖敕耨救單元H13-3上圖中，控制計算機的“O

25、UT1表示386EX內部1#定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期=定時器時常，"IRQ7'表示386EX內部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷。電路中用RC電路將S端方波微分，再和正弦波單元產生的正弦波疊加。注意R點波形不要超過土5V,以免數字化溢出。計算機對有干擾的正弦信號R通過模數轉換器采樣輸入，然后進行數字濾波處理，去除干擾，最后送至數模轉換器變成模擬量C輸出。實驗步驟及結果1 .參照流程圖分別編寫一階慣性和四點加權程序，檢查無誤后編譯、鏈接。2 .按圖1.3-3接線，檢查無誤后開啟設備電源。調節正弦波使其周期約為2S,調信號源單元使其產生周期為100ms的干擾信號（

26、從“NC端引出），調節接線圖中的兩個47K電位器使正弦波幅值為3V,干擾波的幅值為0.5V。-悵W%由:.上11.尸JHTlH51.j1Mli1riLaiFhiIi,11L,一.fj，Ml洲M1,J工ifT1s4&CH2;MS3 .分別裝載并運行程序，運行前可將“TK'加入到變量監視中，方便實驗中觀察和修改。用示波器觀察R點和C點，比較濾波前和濾波后的波形。一階慣性：Tk=01力示港事回®AX-DATADS-AXDSAX.OOOODS,AXAX,OFFSSIOOSCSI1*AX234.4ms4,27Hi|V1-V2|-1J135V附煙=1模"時阻用3nMs.

27、Tk=08運行J停止|w*Mtarodu.匚cm四點加權:Tk=01H|:,Jr£J|k楓M-M-F口Lhjli1h產U.b.i.i產u11.1.1jI匕Jw.屈fvwVwIVVV21-1.028VT1-T2I-234.4msMT1-T2i4,"Hi1s4&CH1,2丫格CH2:24sTk=0.8|WV2|-1.026v1s4&CH1.MSCH2:24g4 .如果濾波效果不滿意，修改參數，再運行程序，觀察實驗效果7數項目、Tk16進制Ts(ms)1-aaA1A2A3A4濾波前后正弦幅值比濾波前后干擾幅值比一階慣性01510903/30.5/0.1084010

28、903/2.150.5/0四點加權015303020203/30.5/0.40840303020203/30.5/0.2不適當的應用數字濾波反而會降低控制效果，甚至造成系統不穩定。在實際應用中，對于參數變化緩慢的（如溫度）可用慣性濾波，對于參數變化快的信號可用加權平均濾波。實驗二開環系統的數字程序控制數字PWM發生器和直流電機調速控制一、實驗目的掌握脈寬調制(PWM)的方法。二、實驗內容用程序實現脈寬調制，并對直流電機進行調速控制。三、實驗設備+PC機一臺，TD-AC改驗系統一套，i386EX系統板一塊四、實驗原理與步驟1.PWM(PulseWidthModulation)簡稱脈寬調制(見圖2

29、.1-1)。即,通過改變輸出脈沖的占空比，實現對直流電機進行調速控制。VHVL圖2.1-12.實驗線路圖：圖中畫的線需用戶在實驗中自行接好，其它線系統已連好。烷幀圖2.1-2里磯唯元因2.2-2圖中，“DOUT0表示386EX的I/O管腳P1.4,輸出PWM永沖經驅動后控制直流電機本實驗中，由系統產生1ms的定時中斷。在中斷處理程序中完成PWM脈沖輸出。最后通過控制計算機的數字量輸出端DOUT3I腳來模擬PWM輸出，并經達林頓管輸出驅動直流電機，實現脈寬調制。3.參考流程圖好布中隔111舒程序4PWM在生，恪科DOVTO-I匚工«“古-C精耀、工tF稀的rX>I_7TCM門VK

30、W一實驗參考程序：ACC2-2-1.ASM請參照隨機軟件中的example目錄中的圖2.1-3實驗步驟1 .參考實驗線路圖的說明及流程圖2.1-3,編寫相應的主程序及PWM子程序，檢查無誤后編譯、鏈接。2 .按圖2.1-2接線，檢查無誤后開啟設備的電源。3 .裝載程序，將全局變量TK（PWM周期）和PWM_T（占空比）加入監視，以便實驗過程中修改。4 .運行程序，觀察電機運行情況。5 .終止程序運行，加大脈沖寬度，即將占空比PWM_夜大，重復第3步，再觀察電機的運行情況，此時電機轉速應加快。電機每轉動一圈，“HR端（霍爾元件的輸出端）就會輸出一個脈沖，用虛擬儀器中示波器的一路表筆測“HR端的脈

31、沖信號可算出電機此時的轉速。Tk=0C8H;PWM_T=14H;FPWM=01H;HR6 .注意：在程序調試過程中，有可能隨時停止程序運行，此時DOUT0的狀態應保持上次的狀態。當DOUTM1時，直流電機將停止轉動；當DOUTM0時，直流電機將全速轉動，如果長時間直流電機處于全速轉動，可能會導致電機單元出現故障，所以在停止程序運行時，最好將連接DOUT0勺排線拔掉或按系統復位鍵。五、實驗思考題本實驗中是通過改變脈沖的占空比，周期"變的方法來改變電機轉速的，還有什么辦法能改變電機的轉速，應該怎么實現？答：由U=(Ton*Uref)/T公式可以看出除了以上方式，可以通過改變參考電壓大小的

32、方式，或者T和占空比均改變的方式。實驗三數字PID閉環控制按閉環系統誤差信號的比例、積分和微分進行控制的調節器簡稱為PID調節器(也叫PID控制器)。它是在連續系統中技術成熟、應用最為廣泛的一種調節器。隨著計算機技術的飛速發展，PID控制算法可以用計算機程序實現了，而這進一步拓寬了PID調節器的應用領域，出現了各種新型數字PID控制器。本章將從多個方面來開展數字PID控制器的實驗研究。數字PID控制算法在模擬調節系統中，PID算法表達式為:I de(t)u(t)=Kpe(t)e(t)dtTdII Ti,dt在計算機系統中，離散的數字PID算法可以表示為位置式PID控制算式，或增量式PID控制算

33、式。位置式PID控制算式為：TkTdu(k)=Kp|e(k)+£e(j)+(e(k)e(k1)-Ti修T一T:采樣周期，k：采樣序號，u(k)：第k次采樣調節器輸出，e(k)：第k次采樣誤差值，e(k1)：第(k-1)次采樣誤差值增量式PID控制算式為：u(k)=u(k)u(k-1)TTd：u(k)=Kp(e(k)-e(k-1)e(k)(e(k)-2e(k-1)e(k-2)一TiT增量式與位置式相比具有以下優點：1 .增量式算法與最近幾次采樣值有關，不需要進行累加，因此，不易產生累積誤差，控制效果較好。2 .增量式中，計算機只輸出增量，誤動作(計算機故障或干擾)影響小。3 .在位置式

34、中，由手動到自動切換時，必須使輸出值等于執行機構的初始值，而增量式只與本次的誤差值有關，更易于實現手動到自動的無擾動切換。4 .增量式控制算法因其特有的優點在控制系統中應用比位置式更加廣泛。積分分離法PID控制一、實驗目的1 ,了解PID參數對系統性能的影響。2 .學習湊試法整定PID參數。3 .掌握積分分離法PID控制規律二、實驗設備PC機一臺，TD-ACC實驗系統一套，i386EX系統板一塊三、實驗原理和內容圖3.21圖3.21是一個典型的PID閉環控制系統方框圖，其硬件電路原理及接線圖可設計如下，圖中畫的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。圖3.22上圖中，控制計算機的“

35、OUT1表示386EX內部1#定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期=定時器時常，"IRQ7'表示386EX內部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“DIN0”表示386EX的I/O管腳P1.0,在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。這里，系統誤差信號E通過模數轉換單元“IN7”端輸入，控制機的定時器作為基準時鐘(初始化為10ms),定時采集“IN7”端的信號，并通過采樣中斷讀入信號E的數字量，并進行PID計算，得到相應的控制量，再把控制量送到數模轉換單元，由“OUT1端輸出相應的模擬信號，來控制對象系統。本實驗中，采用位置式PID算式。在一般的PID控制中，當有較大的擾動

36、或大幅度改變給定值時，會有較大的誤差，以及系統有慣性和滯后，因此在積分項的作用下，往往會使系統超調變大、過渡時間變長。為此，可采用積分分離法PID控制算法，即：當誤差e(k)較大時，取消積分作用；當誤差e(k)較小時才將積分作用加入。圖10.23是積分分離法PID控制實驗的參考程序流程圖。主程序采樣中斷服務程序圖3.23實驗參考程序：請參照隨機軟件中的example目錄中的ACC3-2-1.ASM為了便于實驗參數的調整，下面討論PID參數對系統性能的影響：（1）增大比例系數Kp一般將加快系統的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比例系數會使系統有較大的超調，并產生振蕩，使系統穩定性變

37、壞。（2）增大積分時間參數Ti有利于消除靜差、減小超調、減小振蕩，使系統更加穩定，但系統靜差的消除將隨之減慢。（3）增大微分時間參數Td有利于加快系統響應，使超調量減小，系統穩定性增加，但系統對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應。在調整參數時，可以使用湊試法。參考以上參數對控制過程的影響趨勢，對參數實行“先比例，后積分，再微分”的步驟。（1）首先整定比例部分。將比例系數Kp由小變大，并觀察相應的系統響應，直到響應曲線超調小、反應快。如果系統沒有靜差，或者靜差小到允許的范圍內，那么只需比例調節器即可。（2）如果在比例調節的基礎上系統的靜差不能滿足要求，則須加入積分作用。整定時首先置積分時間

38、Ti為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數KP縮小（如80%）,然后減小積分時間，使靜差得到消除。如果動態性能（過渡時間短）也滿意，則需PI調節器即可。（3）若動態性能不好，則需加入微分作用。整定時，使微分時間Td從0變大，并相應的改變比例系數和積分時間，逐步湊試，直到滿意結果由于PID三個參數有互補作用，減小一個往往可由幾個增大來補償，因此參數的整定值不唯一，不同的參數組合完全有可能得到同樣的效果。四、實驗步驟1 .參考流程圖3.23編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接。2 .按照實驗線路圖3.22接線，檢查無誤后開啟設備電源。3 .調節信號源中的電位器及撥動開關，使信號源輸出幅值為2V,周

39、期6s的方波。確定系統的采樣周期以及積分分離值。4 .裝載程序，將全局變量TK（采樣周期）、EI（積分分離值）、KP（比例系數）、TI（積分系數）和TD（微分系數）加入變量監視，以便實驗過程中觀察和修改。5 .運行程序，將積分分離值設為最大值7FH（相當于沒有引入積分分離），用示波器分別觀測輸入端R和輸出端。6 .如果系統性能不滿意，用湊試法修改PID參數，直到響應曲線滿意，并記錄響應曲線的超調量和過渡時間。7 .修改積分分離值為20H,記錄此時響應曲線的超調量和過渡時間，并和未引入積分分離值時的響應曲線進行比較。8 .將6和7中的較滿意的響應曲線分別保存，在畫板、PHOTOSHOP中處理后粘

40、貼到WORD,方便形成實驗報告。五、實驗結果及分析EI近7DTI7E7F5000uuufl001805第百旨，'三itJ堆地國圖引入積分前圖引入積分后從上圖中可以看出，引入積分分離法后，降低了系統輸出的超調量,并縮短了調節時間。*帶死區的PID控制一、實驗目的掌握帶死區的PID控制規律二、實驗設備PC機一臺，TD-ACC實驗系統一套，i386EX系統板一塊三、實驗原理及內容1 .在計算機控制系統中，某些系統為了避免過于頻繁的控制動作，為了消除由于頻繁動作所引起的振蕩，通常采用帶死區的PID控制系統，該系統實際上是一個非線性控制系統。其基本思想是：可以按實際需要設置死區B,當誤差的絕對值

41、e(k)|WB時，P(K)為0,U(K)也為常值，實際應用中，常值是由經驗值來確定的；當e(k)>B時，P(K)=e(k),U(K)以PID運算的結果輸出。圖3.312 .參考流程圖主程序PID子程序采樣中斷服務程序圖3.32實驗參考程序：請參照隨機軟件中的example目錄中的ACC3-33.33。1.ASM3.圖3.31所示的方框圖，其硬件電路原理及接線圖見圖控制計算機圖3.33四、實驗步驟1 .參照圖3.32的流程圖編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接。2 .按照實驗線路圖3.33接線，檢查無誤后開啟設備電源。調節信號源中的電位器和撥動開關，使信號源輸出幅值為4V,周期6s的方波。3

42、 .裝載程序，將全局變量TK（采樣周期）、EI（積分分離值）、KP（比例系數）、TI（積分系數）、TD（微分系數）、PT（死區變量值）和CONSTt值）加入變量監視，以便實驗過程中觀察和修改。4 .運行程序，將死區寬度B（PT）設為最小值00H（相當于沒有引入死區控制），用示波器分別觀測控制量輸出端U（即數模轉換單元的“OUT1端）和對象輸出端C5 .如果系統性能不滿意，用湊試法修改PID參數，直到響應曲線?兩忌、06 .修改死區寬度B（PT）為02H,用示波器分別觀測控制量輸出端U（即數模轉換單元的“OUT1端）和對象輸出端C,記錄并和積分分離時的響應曲線進行比較五、實驗結果及分析圖3.33

43、由上圖可以看出，帶死區的PID控制響應曲線C產生了輕微的振蕩，但其偏差在規定范圍內；控制量U的輸出動作頻率比積分分離時明顯的降低了，從而降低了機械的磨損。如果死區寬度B值取得太大，則系統將產生較大的滯后；如果B值取得太小，使調節器輸出過于頻繁，達不到預期的效果。簡易工程法整定PID參數在連續系統中，模擬調節器的參數整定方法很多，但簡單易行的還是簡易工程法。這種方法的優點是整定參數時不必依賴被控對象的數學模型，實際情況也是很難準確地得到數學模型的。簡易工程法是由經典的頻率法簡化而來的，雖然稍微粗糙，但簡單易行，非常適用于現場應用。常用的方法包括擴充臨界比例度法和擴充響應曲線法。一、實驗目的1 .

44、學習并掌握擴充臨界比例度法整定PID參數2 .學習并掌握擴充響應曲線法整定PID參數。實驗設備PC機一臺，TD-ACC實驗系統一套，i386EX系統板一塊三、實驗原理及內容1 .擴充臨界比例度法1)實驗原理擴充臨界比例度法是對模擬調節器中的臨界比例度法的推廣，在工程實踐中最常用，其參數整定步驟如下：(1)選擇一個足夠小的采樣周期T,一般取系統純滯后時間的1/10以下。(2)使系統閉環工作，只用比例控制，增大比例系數Kp直到系統等幅振蕩，記下此時的臨界比例系數Kp濟口臨界振蕩周期Tu(見圖3.4-1)。(3)選擇控制度(1.052.0)。控制度指數字調節器和模擬調節器控制效果之比。(4)根據控制

45、度，查表3.41計算出采樣周期T和Kp、Ti、Td表3.41控制度TKpTiTd1.050.014Tu0.63Kpu0.49Tu0.14Tu1.20.043Tu0.47Kpu0.47Tu0.16Tu1.50.09Tu0.34Kpu0.43Tu0.20Tu2.00.16Tu0.27Kpu0.40Tu0.22Tu2)實驗設計圖3.42是一個PID閉環控制系統的實驗電路原理及接線圖，圖中畫的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。其相應的程序流程圖和3.2節中的圖3.23是一樣的，實驗中的參數取值范圍規定為：參數名稱TKPTITD取值范圍一1FFH0FFFFH17FFFH07FFFH實際

46、量綱102550ms01倍10ms327.67s0ms327.67s圖3.42上圖中，控制計算機的“OUT1表示386EX內部1#定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期=定時器時常，"IRQ7'表示386EX內部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“DIN0”表示386EX的I/O管腳P1.0,在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。本實驗中，將針對該閉環系統應用臨界比例度法來整定PID參數。2 .擴充響應曲線法1)實驗原理擴充響應曲線法是模擬調節器的響應曲線法的一種擴充，也是一種常用的工程整定方法。其參數整定步驟如下：(1)使數字調節器不接入系統，讓系統處于手動操作狀態，當

47、系統穩定在某一值處后，給對象一個階躍輸入。(2)用儀表記錄下被調量在階躍輸入下的整個響應曲線，見圖3.43o圖中“日”表示對象的時間常數；“1表示對象的純滯后時常(4)根據所得的日、工，查表3.42計算出采樣周期T和Kp、Ti表3.42控制度TTiTd1.050.05T1.15%2.00T0.45丁1.20.16t1.0%1.90t0.55T1.50.3470.85%1.6270.6572.00.60t0.60%1.50t0.82丁2）實驗設計同樣，圖3.44也是一個PID閉環控制系統的實驗電路原理及接線圖，圖中畫的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。其相應的程序流程圖和3.2

48、節中的圖3.23是一樣的。本實驗中，將針對該閉環系統應用擴充響應曲線法來整定PID參數。圖3.44中，控制計算機的“OUT1表示386EX內部1#定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期=定時器時常，"IRQ7'表示386EX內部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“DIN0”表示386EX的I/O管腳P1.0,在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。控制計算機實驗中，參考程序中的參數取值范圍規定為:參數名稱TKpTiTd取值范圍17FH0800H11FFH01FFH實際量綱101270ms08倍10ms5110s0ms-5110ms圖3.44四、實驗步驟1 .擴充臨界比例度法

49、(1)編寫程序，檢查無誤后編譯、鏈接并裝載程序。實驗程序請參照隨機軟件中的example目錄中的ACC3-41.ASM(2)按照實驗線路圖3.42接線，調節信號源使其輸出幅值為3V,周期6s的方波。(3)由于模擬對象的慣性時常約為250ms取采中¥周期T=10ms(4)裝載程序，將全局變量TK(采樣周期)、EI(積分分離值)、KP(比例系數)、TI(積分系數)和TD(微分系數)加入變量監視，以便實驗過程中觀察和修改。(5)運行程序且只用比例控制(EI=0,Td=0),%由小變大，使系統等幅振蕩，記下此時的臨界比例系數&U和臨界振蕩周期Tuo(6)查表3.41,選擇控制度2.0

50、,計算出采樣周期T和&、Ti、Td。(7)將參數重新寫入PID控制程序，運行程序并用示波器觀測輸入和輸出，如果控制效果不太滿意，可適當結合湊試法調整參數，直到滿意為止。2 .擴充響應曲線法(1)參照圖3.45接線，調節器先不接入系統中。圖中畫的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。(3)用示波器測量系統輸出“C”，并記錄下波形。在響應曲線最大斜率處作切線，用游標測量，作圖求得滯后時間七和對象時常00計算出“日，查表3.42,控制度選擇2.0時可求得數字調節器的Kp、TiTd以及采樣周期T的初始值。(4)按照圖3.4-4接線，將數字調節器接入系統，將以上得到的參數R、Ti、

51、Td和T重新寫入程序中，然后編譯、鏈接。實驗程序請參照隨機軟件中的example目錄中的ACC3-42.ASM口叵I岡力承波能|V1-V21-5175mM-V2|-5V6fflv10T1-T3I-2H3HZ派行|殍止蝌*上口一酊%J3峭何mIK改口T|P林www上司odu.c口m（5）裝載程序，將全局變量TK（采樣周期）、EI（積分分離值）、KP（比例系數）、TI（積分系數）和TD（微分系數）加入變量監視，以便實驗過程中觀察和修改。（6）運行程序，用示波器測量系統輸出“C',觀察數字調節器在這組參數下的控制效果，若不理想，可適當調整參數，直到控制效果滿意為止。五、實驗思考題如何利用擴充

52、響應曲線法實現P、I、D參數自整定？答:首先不接入數字調節器，讓系統處于手動狀態，當系統穩定在一個點之后，給對象一個階躍輸入，得到響應曲線，通過該曲線得到對象的時間常數和對象的純滯后時間，通過查表得到PID的三個參數。實驗四數字調節器直接設計方法由于控制任務的需要，當所選擇的采樣周期比較大或對控制質量要求比較高時，就要從被控對象的特性出發，直接根據采樣系統理論來設計數字調節器，這種方法稱為直接數字設計方法。直接數字設計比模擬化設計更具有一般的意義，它完全是根據采樣系統的特點進行分析與綜合，并導出相應的控制規律的。最小拍控制系統一、實驗目的1 .掌握最小拍有紋波控制系統的設計方法。2 .掌握最小拍無紋波控制系統的設計方法。二、實驗設備PC機一臺，T4ACC實驗系統一套，i386EX系統板一塊三、實驗原理及內容典型