1、控制理论及计算机控制技术实验平台使用说明书第一部分 THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台使用说明书第一章 系统概述“THBCC-1型信号与系统控制理论及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、低频函数信号发生器、函数信号发生器、阶跃信号发生器、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、通用单元电路、电位器组等单元组成
2、。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、实验报告生成器等多种功能于一体。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和JScript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。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；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；信号与系统实验除了信号的分解与合成、信号的采
3、样与恢复、各种滤波器等实验外，还增加了滤波器间的相互转换，全通滤波器、信号的无失真传输等新的实验内容；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通讯口上，其采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。 第二章 硬件的组成及使用一、直流稳压电源“THBCC-1”实验平台有两个直流稳压电源，主要用于给实验平台提供电源。其中一个直流稳压电源有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
4、开关分别由相应的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主要用于温度控制单元和直流电机单元。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钮子开关拔到“开”的位置。另一个直流稳压电源的功能与前一个相比，是无+24V直流电源。实验时，也可通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。二、阶跃信号发生器“THBCC-1”实验平台有两个阶跃信号发生器，主要提供实验时的给定阶跃信号，其输出电压范围约为-10V+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”单元的钮子开关来实现。当按下复位按钮时，单元的输出端输出一个可调(
5、选择正输出时，调节RP1电位器；选择负输出时，调节RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当不按复位按钮时，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左面板的直流数字电压表来进行测量，同时可通过2号连接导线将阶跃信号接到需要的位置三、函数信号发生器“THBCC-1”实验平台有两个函数信号发生器，一个为低频函数信号发生器，主要用于低频信号输出；另一个为函数信号发生器，主要用于高频输出。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、斜坡信号和抛物坡信号（其中斜坡、抛物坡信号在T1
6、档输出）。输出频率分为T1、T2、T3三档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz3.3Hz、2Hz70Hz、64Hz2.5KHz三档，Vp-p值为14V。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。而用于高频输出的函数信号发生器主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号，输出频率分为T1、T2、T3三档，其中正弦波频率可达90k左右，Vp-p值为14V。四、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
7、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。注：在实验时，必须用2号导线将通用单元（U3U14）的G输出端与U0输出端相连时，锁零按钮才有效。五、频率计“THBCC-1”实验平台有两个频率计，一个为低频频率计，主要用于测量低频函数信号发生器的输出频率，另个为数字频率计，主要用于测量函数信号发生器的高频信号频率，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：0.1Hz9999.99Hz。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
8、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”和“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。数字频率计的使用与低频频率计的使用方法类似，但其测频范围为：1Hz300KHz。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、20V。当自锁
9、开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压源，测量范围为：020V；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，这时可用于测量交流电压源，测量范围为：020V，它具有频带宽（10Hz400kHz）、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U2U19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。通过不同的连线，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、
10、100k、200k、510k；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10Uf。以组建积分环节为例，积分环节的时间常数为1s。首先确定带运放的单元，且其前后的元器件分别为100K、10uF（T=100K10uF=1s），通过观察通用单元电路二可满足要求，然后将100K和10uF两引脚对应的插针使用2号线连接起来。实验前先按下“锁零按钮”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。然后按下“锁零按钮”和阶跃信号输出按钮，用示波器观察输出曲线，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
11、含有双向稳压管，另一个含有两个单向二极管并且需要外加正负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。电位器的使用可由2号导线将电位器引出端点接入至相应电路中。但在实验前先断开电位器与电路的连线，用万用表测量好所需R的阻值，然后再接入电路中。九、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USB接口上，其采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度为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上，用于实验平台与PC上位
12、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一个模拟信号，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，两个通道必须同时有电信号输入，不能有悬空）。另外，上位机软件编写的信号发生器，由数据采集卡的DA1输出。十、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。十一、扫频电源1.开启电源开关
13、，显示器显示“P” 1、按“扫速”键，显示器显示“SPEED O”，表明选定了第0档扫速，功能指示中的“扫频速度”指示灯亮。 2、连续按动“扫速”键10次，显示器末位分别显示1F，并周而复始从0到F 切换，一共有11档扫频速度可选择。 3、按“全程扫”键，显示器显示“”；功能指示中的“全域扫频”指示灯亮，表明“扫频电源输出”端口已有幅度基本稳定的按选定的某档扫速在全程范围内进行扫频的正弦波信号，扫频（即输出频率递增）过程则由“频标指示器”（由15只绿色发光二极管LED等组成）指示出相应的频段。注：在扫频过程中，除按“复位”键外，按其它任何键都不会改变当前的状态。 1、按“复位”键后，并按 “换
14、档”键，功能指示中的红色“点频换档”指示灯亮，选定点频步进区段（共有7个区段），此时显示器显示“F ”，其中为07中的某一个数。 2、按“点频”键，功能指示中的红色“点频”指示灯亮，信号输出口便有相应的某一频率的正弦波信号输出。 3、连续按动“点频”键，显示器的2、3位将交替显示“一_”和“_”表明输出信号频率在该区段内循环递增变化。 例如：按“复位”键后，再按“换档”键，在选定了第0档步进区段后，按一下“点频”键，显示器显示 “一_ F 0”，再按一下“内测频”键，显示器将显示“F .”，约经2秒后，显示器显示 “F000015”，表明输出正弦信号频率为15Hz，再按动两次“点频”键，输出频
15、率改变为16Hz，随后每按两次“点频”键，输出信号频率将增加1Hz，在按下“内测频”键后，功能指示中的亮灯也相应地切换为“内测频率”指示灯处。在上例中，如选定了第1区段后按一下“点频”键，输出频率为510Hz，随后每按一下“点频”键，输出频率随之递增约6Hz。其它各档操作与上类似，只是步幅随区段不同而随之改变。实验一 A/D与D/A转换一、实验目的1通过实验了解实验系统的结构与使用方法；2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。二、实验设备1THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台2THBXD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)3P
16、C机1台(含软件“THBCC-1”)三、实验内容1输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；2在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换实验。四、实验步骤1. 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”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；2、将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V；3. 启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；4. 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
17、卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为1V(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；5. 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个十进制数据（如2457，其范围为04095），然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小；6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。五、附 录1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
18、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) 400KHz14位A/D转换器，通过率为350K，12位D/A转换器，建立时间10s3) 4通道模拟量输入和2通道模拟量输出4) 8k深度的FIFO保证数据的完整性5) 8路开关量输入，8路开关量输出2. 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：-1010V对应为016383(A/D转换为14位)。其中0V为8192。其主
19、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01 1111 1111 11111FFF16383正满度1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中间值（零点）00 0000 0000 000000008192负满度+1LSB10 0000 0000 000120011负满度10 0000 0000 000020000 而DA转换时的数据转换关系为：-55V对应为04095(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1111 1111 1111正满度1LSB1111
20、 1111 1110中间值（零点）1000 0000 0000负满度+1LSB 0000 0000 0001负满度0000 0000 00003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 ，2) 方波 3) 斜坡信号 ，a为常量4) 抛物线信号，a为常量这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下：dim tx,op,a 初始化函数sub Initialize(arg) 初始化函数 WriteData 0 ,1 对采集卡的输出端口DA1进行初始化tx=0 对变量初始化end su
21、bsub TakeOneStep (arg) 算法运行函数 a=1op=0.5*a*tx*tx tx=txif op3 then 波形限幅 tx=0 end ifWriteData op ,1 数据从采集卡的DA1端口输出end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1 end sub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“THBCC-1”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PID调节器算法的研究一、实验目的1学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理；2学习并熟悉积分分离PID控制
22、算法的原理；3掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验设备1THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台2THBXD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)3PC机1台(含软件“THBCC-1”) 三、实验内容1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；2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；3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
23、（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积分作用投入，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、实验步骤1、实验接线按图4-1和图4-2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1相连，电路的输入与数据采集卡的输
24、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2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件；“”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)；“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数字PID调器算法”文件夹下选中“位置式PID”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； “启动”；用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲线；点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，利用扩充响应曲线法（参考本实验附录4）整定PID
25、控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响；2.6 参考步骤2.4、2.4和2.5，用同样的方法分别运行增量式PID和积分分离PID脚本程序，并整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后观察参数的变化对系统动态性能的影响。另外在积分分离PID程序运行过程中，注意不同的分离阈值tem对系统动态性能的影响；2.7 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。2编写积分分离PID控制算法的脚本程序。3分析常规PID控制算法与积分分离PID控制算
26、法在实验中的控制效果。七、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： 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控制位置式算法为对应的Z传递函数为式中Kp-比例系数Ki=积分系数，T采样周期Kd微分系数其增量形式为 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p减小。积分分离PID控制算法为：式中K
27、e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： 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
28、，并使之稳定下来。 记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程，如下图所示。 在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间和被控对象时间常数Tx，以及它们的比值Tx/，然后查下表确定控制器的KP、Ki、Kd及采样周期T。控制度控制律TKPTiTdPIPIDPIPIDPIPID扩充阶跃响应曲线法通过测取响应曲线的、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WriteDa
29、ta 0 ,1mx=0pvx=0end subsub 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 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 q14.9 then 积分限幅，以防积分饱和 q1end ifif q1-4.9 th
30、en q1end 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 end ifWriteData op ,1 输出值给DA1通道end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1end sub位置式PID、积分分离PID控制算法的编程请参考“THBCC-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。实验三 最少拍控制算法研究一、实验目的1学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；2研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；3熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。二、实验设备1THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线
