THKKL-6型 《计算机控制技术》实验指导书

THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱

目 录

第一部分 使用说明书 ........................................................................................................................ 1 第一章 系统概述 ............................................................................................................................ 1 第二章 硬件的组成及使用 ............................................................................................................ 2 第二部分 实验指导书 ...................................................................................... 错误！未定义书签。 第二章 计算机控制技术基础实验 ................................................................................................ 5 实验一 A/D与D/A转换 ............................................................................................................ 5 实验二 数字滤波器 ..................................................................................................................... 7 实验三 离散化方法研究 ............................................................................................................. 9 实验四 数字PID调节器算法的研究 ...................................................................................... 13 实验五 串级控制算法的研究 ................................................................................................... 17 实验六 解耦控制算法的研究 ................................................................................................... 20 实验七 最少拍控制算法研究 ................................................................................................... 24 实验八 具有纯滞后系统的大林控制 ....................................................................................... 27 实验九 线性离散系统的全状态反馈控制 ............................................................................... 30 实验十 模糊控制系统 ............................................................................................................... 33 实验十一 具有单神经元控制器的控制系统 ........................................................................... 36 实验十二 二次型状态调节器 ................................................................................................... 40 实验十三 单闭环直流调速系统 ............................................................................................... 43 实验十四 步进电机转速控制系统 ........................................................................................... 46 实验十五 单闭环温度恒值控制系统 ....................................................................................... 48 附 录 上位机软件使用流程 ............................................................................................................ 50

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第一部分 使用说明书 第一章 系统概述

“THKKL-6”型控制理论及计算机控制技术实验箱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。该实验箱具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。

实验箱的硬件部分主要由直流稳压电源、低频信号发生器、阶跃信号发生器、交/直流数字电压表、电阻测量单元、示波器接口、CPU（51单片机）模块、单片机接口、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。

数据采集部分采用USB2.0接口，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机USB通讯口上，有4路单端A/D模拟量输入，转换精度为12位；2路D/A模拟量输出，转换精度为12位；上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、Bode图等多种功能于一体。

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；既有经典控制理论实验，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；

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第二章 硬件的组成及使用

一、直流稳压电源

直流稳压电源主要用于给实验箱提供电源。有+5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/2.0A四路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主要用于温度控制单元。

实验前，启动实验箱左侧的电源总开关。并根据需要将+5V、±15V、+24V钮子开关拔到―开‖的位置。

实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。 二、低频信号发生器

低频信号发生器主要输出有正弦信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号四种波形信号。输出频率由上位机设置，频率范围0.1 Hz ~100Hz。可以通过幅度调节电位器来调节各个波形的幅度，而斜坡和抛物波信号还可以通过斜率调节电位器来改变波形的斜率。 三、锁零按钮

锁零按钮用于实验前运放单元中电容器的放电。使用时用二号实验导线将对应的接线柱与运放的输出端连接。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，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。

四、阶跃信号发生器

阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围约为-15V~+15V，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。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，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箱上的直流数字电压表来进行测量。 五、电阻测量单元

可以通过输出的电压值来得到未知的电阻值，本单元可以在实验时方便地设置电位器的阻值。当钮子开关拨到×10k位置时，所测量的电阻值等于输出的电压值乘以10，单位为千欧。当钮子开关拨到×100k位置时，所测量的电阻值等于输出的电压值乘以100，单位为千欧。

注：为了得到一个较准确的电阻值，应该选择适当的档位，尽量保证输出的电压与1V更接近。

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；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz～400kHz）、精度高（1kHz时：±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

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通用单元电路具体有“通用单元1”～“通用单元6”、“反相器单元”和“系统能控性与能观性分析”等单元。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。通过不同的接线，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、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=100k×10uF=1s），通过观察―通用单元1‖可满足要求，然后将100k和10uF通过实验导线连接起来。

实验前先按下―锁零按钮‖对电容放电，然后用2号导线将单位阶跃信号输出端接到积分单元的输入端，积分电路的输出端接至反向器单元，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

由一个含有两个单向二极管并且需要外加±15V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、采样保持器

它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后再由零阶保持器输出的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。 十、单片机控制单元

主要用于计算机控制实验部分，其作用为计算机控制算法的执行。主要由单片机（AT89S52）、AD采集（AD7323，四路12位，电压范围：-10V~+10V）和DA输出（LTC1446，两路12位，电压范围：-10V~+10V）三部分组成。发光二极管可显示AD转换结果（由具体程序而定）。

十一、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。 十二、数据采集卡

采用ADUC7021和CY68013芯片组成，支持4路AD（-10V~+10V）采集，两路DA（-10V~+10V）输出。采样频率为40k，转换精度为12位，配合上位机可进行常规信号采集显示、模拟量输出、频率特性分析等功能。

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注意事项：

1． 每次连接线路前要关闭电源总开关。

2． 按照实验指导书连接好线路后，仔细检查线路是否连接正确、电源有无接反。如确认无误后方可接通电源开始实验。

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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 控制律 PI 1.05 1.2 PID PI PID T 0.1τ 0.05τ 0.2τ 0.16τ kP 0.84Tx/τ 1.15Tx/τ 0.78Tx/τ 1.0Tx/τ Ti 3.4τ 2.0τ 3.6τ 1.9τ Td — 0.45τ — 0.55τ 15 天煌科技 天煌教仪

THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱 1.5 PI PID 0.5τ 0.34τ 0.68Tx/τ 0.85Tx/τ 3.9τ 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。

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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．THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；

2． PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)； 3．51单片机下载线； 4．USB数据线。 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：一、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；二、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的输入端连接到单片机控制单元的“AO1”输出端，电路的“u1”输出端与单片机控制单元的“AI1”和示波器单元的―通道1‖输入端相连；“u2”输出端与单片机控制单元的“AI2”和示波器单元的“通道2”输入端相连；

1.3 待检查电路接线无误后，打开电源总开关，并按下锁零按钮使其处于―锁零‖状态； 2．程序运行

2.1 打开电源开关，启动计算机，运行所有实验软件；

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2.2 打开“实验05串级控制”的工程文件，阅读并理解程序。然后编译、下载程序； 2.3 弹起锁零按钮使其处于“解锁”状态，用虚拟示波器观察u1 、u2输出端各自的响应曲线。可以利用逐步逼近法（参考本实验附录3的参数整定）整定串级控制系统的主调节器和副调节器相应的P、I、D参数。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；

2.4 将串级控制的程序语句“LTC1446(op1*1000,0);”中的op1(加副控制器时)输出改为op(不加副控制器时)输出，然后重复操作步骤2.3，并比较加副控制器前后被控参数的控制效果；

2.5 实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。

注：每次重新进行实验时要先按下锁零按钮，再对单片机进行复位，然后弹起锁零按钮进行实验。 六、实验报告要求

1．绘出实验中二阶被控对象的模拟电路图； 2．根据串级控制器的算法编写程序； 3．绘制实验中被控对象的输出波形。 七、附录

1．被控对象的传递函数及模拟电路

被控对象的传递函数与模拟电路图如图5-2所示。

5其传递函数为：G(s)?

(0.5s?1)(2s?1)2．常规的PI控制算法

常规的PI控制律为 u(t)?Kp[e(t)?1te(?)d?] ?0Ti对于用一阶差分法离散后，可以得到常规数字PI的控制算法：

u(k)?u(k?1)?p[e(k)?e(k?1)]?Ie(k)

这里P、I参数分别为P?Kp，I?KpT Ti

图5-2 二阶受控对象的模拟电路图

3．逐步逼近整定法的整定步骤

1) 外环断开，把内环当作一个单闭环控制系统，并按单闭环控制系统的PID控制器参数的整定方法，整定内环PID控制器的参数。

2) 将内环PID控制器参数置于整定值上，闭合外环。如把内环当作外环中的一个等效环节，

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则外环又成为一个单闭环控制系统，再按单闭环控制系统的PID控制参数的整定方法（如扩充响应曲线法），整定外环PID控制器的参数。

3) 将外环PID控制参数置于整定值上，闭合外环，再按以上方法整定内环PID控制器的参数。至此，完成了一次逼近循环。如控制系统性能已满足要求，参数整定即告结束。否则，就回到步骤2）。如此循环下去，逐步逼近，直到控制系统的性能满足要求为止。

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实验六 解耦控制算法的研究

一、实验目的

1．学习并熟悉多变量耦合系统的结构及特点；

2．掌握一种常用的多变量系统解耦控制算法的设计和实现方法。 二、实验设备

1．THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；

2． PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)； 3．51单片机下载线； 4．USB数据线。 三、实验内容

1．利用实验箱，用前馈补偿解耦法设计一已知的双输入，双输出有耦合被控对象的解耦控制系统（可参考本实验附录），并完成它的混合仿真。

2．熟悉解耦控制系统的控制器参数调试方法。 3．对系统引入解耦装置前后的性能作比较。 四、实验原理

在现代工业设备(过程)中，其输入量和输出量往往是多个，且它们相互间有耦合作用，相互影响。对于这类多变量有耦合的被控对象如按单输入-单输出系统的设计，一般难于实现良好的控制效果。为此，人们在按单回路系统设计前，先设计一个解耦装置，以消除对象输入-输出间不需要的耦合关系，使各个控制量只控制自己针对的那个被控制量，对其它的被控制量不产生任何影响，这就是解耦控制的基本设计思路，它的数学理论是矩阵对角化。下面为一个双输入-双输出有耦合的被控对象结构图。

图6-1 双输入-双输出相互耦合对象的结构方框图

图中C1、C2为系统的两个受控量，m1、m2为它们的控制量。由图可看知，m1除影响C1

外，对C2也有影响；同样m2对C2、C1均有影响。系统中存在的这种耦合关系往往导致系统不能正常工作。

解耦装置常用的设计方法有对角线矩阵法、单位矩阵法、前馈补偿法。这里用前馈补偿法进行设计，对应系统的方框图如图6-2所示。

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图6-2 加入解耦装置后系统的方框图

由图6-2不难看出，为了消除上述耦合的影响，所设的解耦装置应满足下列的关系式： u1D21(S)G22(S)?u1G21(S)?0，m1=u1+u12 (1)

u2D12(S)G11(S)?u2G12(S)?0，m2=u2+u21 (2)

由式(1)、(2)可得

G(S)D21(S)??21 (3)

G22(S)D12(S)??G12(S) (4) G11(S)故解耦装置的传递函数阵为

?1D12(S)???1D(S)?????1???G21(S)?D21(S)??G22(S)个相互独立的单闭环控制系统。

?G12(S)?G11(S)?

??1??经前馈补偿解耦以后，两输入、两输出连续控制系统的方块图将等价于如图6-3所示的两

图6-3 加解耦装置后受控系统的等价方框图

五、实验步骤

1．实验接线

1.1根据图6-4连接双输入、双输出有耦合被控对象的模拟电路；

1.2 用导线将该电路的两个输入端“m1”、“m2”分别与单片机控制单元的“AO1” “AO2”输出端相连；电路的“C1”输出端与单片机控制单元的“AI1”和示波器单元的“通道1”输入端相连；“C2”输出端与单片机控制单元的“AI2”和示波器单元的“通道2”输入端相连；

1.3 待检查电路接线无误后，打开电源总开关，并按下锁零按钮使其处于“锁零”状态； 2．程序运行

2.1 打开电源开关，启动计算机，运行所有实验软件；

2.2 打开“实验06解耦控制”的工程文件，阅读并理解程序。然后编译、下载程序； 2.3 弹起锁零按钮使其处于“解锁”状态，用虚拟示波器观察图6-4中输出端C1、C2的响

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应曲线；

2.4 修改PID算法中的P、I参数，重复步骤2.3，然后与步骤2.3的实验结果相比较； 2.5 更改参考程序中的“i=0”（ i=1时加解藕装置；i=0时不加解藕装置），再重新编译、下载程序。用示波器观察图6-4中输出端C1、C2的响应曲线。并与步骤2.3的操作相比较，对比解耦装置加入前后的响应曲线；

2.6 实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。

注：每次重新进行实验时要先按下锁零按钮，再对单片机进行复位，然后弹起锁零按钮进行实验。 六、实验报告

1．画出双输入、双输出被控对象的电路图； 2．根据解耦装置及PID控制器的算法编写程序； 3．画出解耦装置加入前后被控对象两输出端的响应曲线； 4．推导前馈补偿法设计解耦装置的传递函数矩阵。 七、附录

1．双输入-双输出有耦合的被控对象及解耦装置的设计 双输入-双输出有耦合的被控对象如图6-4所示。

图6-4 被控对象的模拟电路图

电路单元：通用单元3、通用单元5、通用单元6、通用单元4、通用单元2、通用单元1和反向器单元。

由图6-1和图6-4可得 G11(S)?10.5，G12(S)? (5)

0.5S?10.5S?111， G22(S)? (6) G21(S)?2S?12S?1于是由(3)、(4)、 (5)、(6)系列公式可得：

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D21(S)??G21(S)?1

G22(S)G12(S)D12(S)????0.5

G11(S)故解耦装置的实际传递函数为 D(S)??D12(S)??1?0.5? ????1??11??D21(S)?12．控制器参数调试

经前馈补偿解耦后，双输入、双输出有耦合的连续控制系统就等价于两个相互独立的单闭环控制系统，调试可分以下两步进行：

1) 将两个PID控制器设置为比例控制，分别加r1(t)和r2(t)，调试解耦参数，测试解耦效果。 2) 在解耦效果满足要求后，两个PID控制器的参数就可以分别按两个相互独立的单闭环控制系统各自去整定。

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实验七 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

1．THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；

2． PC机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro”)； 3．51单片机下载线； 4．USB数据线。 三、实验内容

1．设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制。

2．设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波控制，并通过混合仿真实验，观察该闭环控制系统输出采样点间纹波的消除。 四、实验原理及设计

在离散控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。最少拍系统，也称为最小调整时间系统或最快响应系统。它是指系统对应于典型的输入具有最快的响应速度，被控量能经过最少采样周期达到设定值，且稳态误差为定值。显然，这样对系统的闭环脉冲传递函数?(z)提出了较为苛刻的要求，即其极点应位于Z平面的坐标原点处。

1最少拍控制算法

计算机控制系统的方框图为：

图7-1 最少拍计算机控制原理方框图

根据上述方框图可知，有限拍系统的闭环脉冲传递函数为：

?(z)??e(z)?C(z)D(z)HG(z) (1) ?R(z)1?D(z)HG(z)E1(z)1??1??(z) (2) R(z)1?D(z)HG(z)由(1) 、(2)解得： D(z)??(z)

?e(z)HG(z)?k随动系统的调节时间也就是系统误差e1(kt)达到零或为一恒值所需的时间，由Z变换定义可知：E1(Z)??e(KT)z1k?0??e1(0)?e1(T)z?1?e1(2T)z?2????e1(kT)z?k???

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