微型计算机控制技术实验

微型计算机控制技术

实验指导书

王新江 编

济南大学

自动化与电气工程学院

二0一五年四月

目 录

前 言 ┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅3 第一部分 THBDC-1信号与系统·自控理论·计算机控制技术实验平台

使用说明

第一章 系统概述 ┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅4 第二章 硬件的组成及使用┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅5 第三章 THBDC-1软件使用说明┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅8 第一节 THBDC-1软件的使用说明 ┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅ 8 第二节Bode 软件的使用说明┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅ 34 第二部分 THBCC-1信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台

实验指导书（下） — 微型计算机控制技术

实验一、数字PID调节器算法的研究┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅43 实验二、最少拍控制算法研究┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅48 实验三、直流电机PID控制┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅53 实验四、步进电机转速控制┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅57 实验五、温度PID控制┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅60

附录 ┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅┅63

前 言

《微机计算机控制系统》是电气自动化专业教学中一门重要的专业课，在学好理论课的同时，通过一定数量的实验，可以进一步巩固所学的知识，加深对理论知识的理解。此实验指导书的内容，密切结合《微机控制技术》领域的工程实践，其内容适合于自动控制专业、电气专业、机电一体化专业。

《微机计算机控制系统》实验是《微机计算机控制系统》理论课的一部分，它的主要任务是：

1、通过实验进一步理解和掌握《微机控制技术》的基本概念、知识要点，控制系统的分析和设计方法。

2、学习和掌握使用VBScript语言编程能力。

3、提高在控制系统中PID参数整定能力以及应用计算机的能力和水平。

为配合《微机计算机控制系统》实验课程，THBDC-1信号与系统·控制理论·计算机控制技术实验平台打破了以往基于模拟机或某个单一系统对象进行《微机控制技术》实验的落后方式，突破性地把《微机计算机控制系统》实验与计算机结合起来，创造了以计算机为核心的教学实验系统，结合配套的《微机计算机控制系统》教学实验软件包，使学生在实验过程中，既能自己设计电路、动手搭接电路，又可通过观察曲线来增加感性认识，同时学习了计算机知识，如果学生自己编制脚本程序进行实验，效果更佳。

由于《微机计算机控制系统》课程所具有的显著的实践性和实用性以及综合性，要求每一个前来做实验的学生必须提前做好充分的实验预习准备。 写出预习实验报告。

本实验指导书所涉及的《微机计算机控制系统》实验，涵盖了《微机计算机控制系统》实验教学大纲所要求的实验。

在编写实验指导书的过程中，得到了控制学院教师同仁的大力协助，在此特表感谢。在使用本书的过程中若发现有不足之处或者产生改进建议，欢迎赐教，以便再版时予以更正。 编 者

2014年3月

第二部分 THBCC-1信号与系统·自控理论及计算机控制技术 实验平台实验指导书 – 计算机过程控制系统实验指导书

实验一 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

1．THBCC-1型 信号与系统 控制理论及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“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（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

1.1按图1-1和图1-2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；

1.2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

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件； 2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“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\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

2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图1-2输出端的响应曲线；

2.5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

”按钮和工具栏上的 “

” 按钮(脚本

100ms；

图1-1 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： G(S)=

105

=

(s+1)(s+2)(s+1)(0.5s+1)

它的模拟电路图如下图所示

图1-2 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

T

u(k)=kp{e(k)+

Ti

∑e(i)+

i=1

k

Td

[e(k) e(k 1)]} T

对应的Z传递函数为

1U(z) 1

D(Z)==KP+Ki+K(1 Z)d

E(Z)1 z 1式中Kp---比例系数

Ki=KpT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：

k

u(k)=Kpe(k)+KeKi∑e(jT)+Kd[e(k) e(k 1)

j=0

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1-3 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，如图1-4所示。

图1-4

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 α=K*τ / Tx，然后查表1-1确定控制器的KP、Ki、Kd及采样周期T。

K为系统放大系数（本实验中等于5）。

表1-1

控制度1.05

ταττ τατ1.2

ταττ τατ1.5

ταττ

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 q0=K*ei ‘比例项

控制律KPTiTd

τατ

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“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 直流电机PID控制

一、实验目的

1．掌握用PID控制规律的直流调速系统的调试方法； 2．了解PWM调制、直流电机驱动电路的工作原理。 二、实验设备

1．THBCC-1型 信号与系统 控制理论及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“THBCC-1”) 三、实验原理

直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。

功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅（晶闸管）。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的静摩擦等优点。

PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理： 1．PWM的工作原理

图1-1 PWM的控制电路

上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国Silicon General公司生产的专用 PWM控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图1-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。

2．功放电路

直流电机PWM输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。

3．反馈接口

在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感应输出。

4．直流电机控制系统如图1-3所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律（通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。

图1-2 SG3525内部结构

图1-3 直流电机控制系统

四、实验步骤

1、实验接线

1.1 用导线将直流电机单元24V的“+” 输入端接到直流稳压电源24V的“+”端； 1.2 用导线将直流电机单元0～5V的“+”输入端接到数据采集卡的“DA1”的输出端，同时将UO的“+”(霍耳输出)输出端接到数据采集卡的“AD1”处；

1.3打开实验平台的电源总开关。 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。 2.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“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“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“直流电机”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50ms；

”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本

2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察直流电机的运行情况。

2.4 当直流电机的转速稳定在设定值后，再点击“脚本编辑器”窗口上 “停止”按钮，重新配置P、I、D的参数或改变算法的运行步长，并再次运行算法程序，观察直流电机的运行情况；

2.5 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。 五、实验报告要求

1．画出直流电机控制系统的方框图。

2．分析P、I、D控制参数对直流电机运行的影响。 六、参考程序

dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op

sub Initialize(arg) WriteData 0 ,1 mx=0 pvx=0 end sub

sub TakeOneStep (arg) pv = GetFS TTTRACE "转速=%f",pv sv=35 K=2 Ti=2 Td=0

Ts=0.05 ei=(sv-pv )/20 TTRACE "ei=%f", ei

q0=K*ei if Ti=0 then mx=0 q1=0 else

mx=K*Ts*ei/Ti end if

q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts q1=q1+mx if q1>3.5 then q1=3.5 end if

if q1<-3.5 then '初始化函数 '算法运行函数

'电机的控制的转速，该转速在20～35左右 '采集周期50ms '比例项 '当前积分项 '微分项 '当前积分限幅，以防积分饱和

q1=-3.5 end if pvx=pv

op=q0+q1+q2 '当前输出值 if op<=1 then '输出值限幅 op=1 end if if op>=3.5 then op=3.5 end if

WriteData op ,1 TTRACE "op=%f", op end sub

sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub

'退出函数

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