THBDC-1计算机控制技术实验指导书(A4).docVIP

PAGE PAGE 8 THBDC-1计算机控制技术实验指导书 实验一 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 1/s ，超 调量，系统的调整时间s 据Kv要求可得： ， 令，则校正后的开环传递函数为 由上式得 ，，取，则 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 ，为使校正后的，要求对象K由5增至10。 ， ，（实际可取200K电阻）， 3、的离散化算法 图3-4 数—模混合控制的方框图 图3-3中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 －数字滤波器在阶跃作用下输出响应的 －模拟滤波器在阶跃作用下输出响应的采样值 ， 据此得 即 2) 后向差分法 令 ， 后向差分S与Z之间关系为 ，代入D(S)表达式中得 于是得 3) 双线性变换 由泰勒级数得 ， ，代入D(s)得 即 五、实验步骤 1、实验接线及准备 1.1 按图3-2连接一个二阶被控对象的模拟电路； 1.2，用导线将该电路的输入端连接到数据采集卡的“DA1”输出端，电路的输出端与数据采集卡的“AD1 1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态； 2、脚本程序运行 2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1” 2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)； 2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“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\D(S)离散化方法研究”文件夹下选中“阶跃响应不变法”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；点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；弹起锁零按钮使其处于“解锁”状态，用虚拟示波器观察图3-2输出端的响应曲线。结束本次实验后按下锁零按钮使其处于“锁零”状态； 2.4参考步骤2.3，用同样的方法分别运行后向差分法和双线性变换脚本程序，用虚拟示波器观察图3-2输出端的响应曲线； 2.5将采样周期Ts减小或增大，重复步骤2.3和2.4，用虚拟示波器观测采样周期Ts的减小或增大对系统阶跃响应的影响。如系统出现不稳定情况，记下此时的采样周期Ts和所采用的离散化方法； 2.6按图3-3连接二阶被控对象在加入模拟控制器（PI