1、計算機控制技術(shù)實驗報告學(xué) 院 自動化學(xué)院 專業(yè)班級    自1303 同組成員 姓  名   學(xué)  號  2016年 6月目 錄實驗一 過程通道和數(shù)據(jù)采集處理3一、輸入與輸出通道31. AD 轉(zhuǎn)換實驗42. DA 轉(zhuǎn)換實驗17二、信號的采樣與保持201. 零階保持實驗20三、數(shù)字濾波241. 一階慣性實驗24實驗二 開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)字程序控制29數(shù)字PWM 發(fā)生器和直流電機調(diào)速控制29一、實驗?zāi)康?9二、實驗容29三、實驗所用儀表及設(shè)備29四、實驗原理及步驟29五、思考題33實驗三 數(shù)字PID閉環(huán)控

2、制33數(shù)字PID控制算法33積分分離法PID控制34簡易工程法整定PID 參數(shù)41擴充臨界比例度法42擴充響應(yīng)曲線法43實驗一 過程通道和數(shù)據(jù)采集處理為了實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)過程或現(xiàn)場對象的控制，需要將對象的各種測量參數(shù)按要求轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號送入計算機；經(jīng)計算機運算、處理后，再轉(zhuǎn)換成適合于對生產(chǎn)過程進(jìn)行控制的量。所以在微機和生產(chǎn)過程之間，必須設(shè)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(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道。模擬量輸入通道：主要功能是將隨時間連續(xù)變化的模擬輸入信號變換成數(shù)字信號送入計算機，主要有多路轉(zhuǎn)化器、采樣保持器和A/D 轉(zhuǎn)換器等組成。模擬量

3、輸出通道：它將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電壓或電流信號，主要有D/A 轉(zhuǎn)換器和輸出保持器組成。數(shù)字量輸入通道：控制系統(tǒng)中，以電平高低和開關(guān)通斷等兩位狀態(tài)表示的信號稱為數(shù)字量，這些數(shù)據(jù)可以作為設(shè)備的狀態(tài)送往計算機。數(shù)字量輸出通道：有的執(zhí)行機構(gòu)需要開關(guān)量控制信號 (如步進(jìn)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。一、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)A/D 轉(zhuǎn)換器原理及接口方法，并掌握ADC0809 芯片的使用2學(xué)習(xí)D/

4、A 轉(zhuǎn)換器原理及接口方法，并掌握TLC7528 芯片的使用二、實驗容1編寫實驗程序，將5V +5V 的電壓作為ADC0809 的模擬量輸入，將轉(zhuǎn)換所得的8 位數(shù)字量保存于變量中。2編寫實驗程序，實現(xiàn)D/A 轉(zhuǎn)換產(chǎn)生周期性三角波，并用示波器觀察波形。三、實驗設(shè)備PC 機一臺，TD-ACC+實驗系統(tǒng)一套，i386EX 系統(tǒng)板一塊四、實驗原理與步驟1A/D 轉(zhuǎn)換實驗ADC0809 芯片主要包括多路模擬開關(guān)和A/D 轉(zhuǎn)換器兩部分，其主要特點為：單電源供電、工作時鐘CLOCK 最高可達(dá)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-ACC+教

5、學(xué)系統(tǒng)中的ADC0809 芯片，其輸出八位數(shù)據(jù)線以及CLOCK 線已連到控制計算機的數(shù)據(jù)線及系統(tǒng)應(yīng)用時鐘1MCLK (1MHz) 上。其它控制線根據(jù)實驗要求可另外連接 (A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0IN7)。根據(jù)實驗容的第一項要求，可以設(shè)計出如圖1.1-1 所示的實驗線路圖。單次階躍 模數(shù)轉(zhuǎn)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(xiàn)的。“OUT1” 表示386EX 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“1”狀態(tài)，選通輸入通道IN7；通過單次階躍單元的

6、電位器可以給A/D 轉(zhuǎn)換器輸入5V +5V 的模擬電壓；系統(tǒng)定時器定時1ms 輸出方波信號啟動A/D 轉(zhuǎn)換器，并將A/D 轉(zhuǎn)換完后的數(shù)據(jù)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 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(jié)果：(1) 打開聯(lián)機操作軟件，參照流程圖，在編輯區(qū)編寫實驗程序。檢查無誤后編譯、。(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(xì)檢查，無錯誤后方可開啟設(shè)備電源。(3) 裝載完程序后，系統(tǒng)默認(rèn)程序的起點在主程序的開始語句。用戶可以自行設(shè)置程序起點，可先將光標(biāo)放

7、在起點處，再通過調(diào)試菜單項中設(shè)置起點或者直接點擊設(shè)置起點圖標(biāo)，即可將程序起點設(shè)在光標(biāo)處。(4) 加入變量監(jiān)視，具體步驟為：打開“設(shè)置”菜單項中的“變量監(jiān)視”窗口或者直接點擊“變量監(jiān)視”圖標(biāo)，將程序中定義的全局變量“AD0AD9”加入到變量監(jiān)視中。在查看菜單項中的工具欄中選中變量區(qū)或者點擊變量區(qū)圖標(biāo)，系統(tǒng)軟件默認(rèn)選中寄存器區(qū)，點擊“變量區(qū)”可查看或修改要監(jiān)視的變量。(5) 在主程序JMP AGAIN 語句處設(shè)置斷點。具體操作為：先將光標(biāo)置于要設(shè)斷點的語句，然后在調(diào)試菜單項中選擇“設(shè)置斷點/刪除斷點(B)”或者直接點擊“設(shè)置斷點/刪除斷點”圖標(biāo)，即可在本語句設(shè)置或刪除斷點。(6) 打開虛擬儀器菜單

8、項中的萬用表選項或者直接點擊萬用表圖標(biāo)，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(diào)節(jié)圖1.1-1 中的單次階躍中的電位器，確定好模擬輸入電壓值。-5V(7) 做好以上準(zhǔn)備工作后，運行程序(打開“調(diào)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(biāo))，程序?qū)⒃跀帱c處停下，查看變量“AD0AD9”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(shù)字量供參考。表1.1-1 模擬輸入電壓 (V) 對應(yīng)的數(shù)字量 (H)5 014 1A3 342 4D1 660 7F1 9

9、92 B53 CE4 E85 FF本節(jié)實驗僅僅就軟件的相關(guān)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(lián)機軟件說明”。 具體情況如下面截圖所示（因為電壓波動，電壓取近似值-5V+5V）： 圖1.1-3.實驗測量過程實驗數(shù)據(jù)與參考數(shù)據(jù)基本吻合2D/A 轉(zhuǎn)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(shù)模轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù)如下：轉(zhuǎn)換時間100ns ，滿量程誤差1/2 LSB ，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(shù)據(jù)線、寫線和通道選擇控制線已接至控制計算機的總線

10、上。片選線預(yù)留出待實驗中連接到相應(yīng)的I/O 片選上，具體如圖1.1-3。實驗步驟及結(jié)果： (1) 參照流程圖 1.1-4 編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、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1.1-6 以上電路是TLC7528 雙極性輸出電路，輸出圍5V +5V 。“W101”和“W102”分別為A 路和B 路的調(diào)零電位器，實驗前先調(diào)零，往TLC7528 的A 口和B 口中送入數(shù)字量80H， 分別調(diào)節(jié)“W101”和“W102”電位器，用萬用表分別測“OUT1 ”和“OUT2 ”的輸出電壓，應(yīng)在0mV 左右。參考流程： 主程序圖1.1-4參考程序：請參照隨機軟件中的ex

11、ample 目錄中的ACC1-1-2.ASM 文件。圖1.1-6 示波器的輸出波形信號的采樣與保持一、實驗?zāi)康?熟悉信號的采樣和保持過程2學(xué)習(xí)和掌握香農(nóng) (采樣) 定理3學(xué)習(xí)用直線插值法和二次曲線插值法還原信號二、實驗容1編寫程序，實現(xiàn)信號通過A/D 轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到控制計算機，計算機再把數(shù)字量送到D/A 轉(zhuǎn)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(shè)備PC 機一臺，TD-ACC+實驗系統(tǒng)一套，i386EX 系統(tǒng)板一塊四、實驗原理與步驟零階保持香農(nóng) (采樣) 定理：若對于一個具有有限頻譜 (|W|<Wmax) 的連續(xù)信號f (t)進(jìn)行采樣，當(dāng)采樣頻率滿

12、足 Ws2Wmax 時，則采樣函數(shù)f*(t) 能無失真地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號f(t)。Wmax 為信號的最高頻率，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(nóng)定理?？稍O(shè)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(tǒng)已連好。上圖中，控制計算機的“OUT1”表示386EX 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 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，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的“IN7” 端輸入,系統(tǒng)用定時器作為基準(zhǔn)時鐘 (初始化為10ms) ，定時采集“IN7”端的信

13、號，轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn)生采樣中斷，在中斷服務(wù)程序中讀入轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，在“OUT1” 端輸出相應(yīng)的模擬信號。由于數(shù)模轉(zhuǎn)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= TK ×10ms，TK 的圍為01 FFH，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(shè)置也是如此。參考程序流程：基于上面的實驗線路，可以設(shè)計如下的參考程序流程。實驗參考程序：請參照隨機軟件中的example 目錄中的ACC1-2-1.ASM 文件。實驗步驟及結(jié)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、。(2) 按照實驗線路圖1.2-1 接線，檢查無誤

14、后開啟設(shè)備電源。(3) 用示波器的表筆測量正弦波單元的“OUT”端，調(diào)節(jié)正弦波單元的調(diào)幅、調(diào)頻電位器及撥動開關(guān)，使得“OUT”端輸出幅值為3V，周期1S 的正弦波。(4) 加載程序到控制機中，將采樣周期變量“Tk”加入到變量監(jiān)視中，運行程序，用示波器的另一路表筆觀察數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出端“OUT1”?！癘UT1”端的參考波形如圖1.2-5 所示。Tk=0Ah(5) 增大采樣周期，當(dāng)采樣周期>0.5S 時，即Tk>32H 時，運行程序并觀測數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出波形應(yīng)該失真，記錄此時的采樣周期，驗證香農(nóng)定理。Tk=34H數(shù)字濾波一、實驗?zāi)康?. 學(xué)習(xí)和掌握一階慣性濾波2. 學(xué)習(xí)和掌握四點加

15、權(quán)濾波二、實驗容分別編寫一階慣性濾波程序和四點加權(quán)濾波程序，將混合干擾信號的正弦波送到數(shù)字濾波器，并用示波器觀察經(jīng)過濾波后的信號。三、實驗設(shè)備PC 機一臺，TD-ACC+實驗系統(tǒng)一套，i386EX 系統(tǒng)板一塊四、實驗原理與步驟一般現(xiàn)場環(huán)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(shù)字濾波兩種。由于數(shù)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(yīng)用，下面是一個典型數(shù)字濾波的方框圖：控制計算機模數(shù)轉(zhuǎn)換IN7數(shù)模轉(zhuǎn)換 OUT1濾波器算法設(shè)計一階慣性濾波：相當(dāng)于傳函的數(shù)字濾波器，由一階差分法可得近似式 YK =(1a)XK +(a)YK1 XK： 當(dāng)前采樣時刻的輸入

16、YK： 當(dāng)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 = 2參考流程圖：實驗中的參數(shù)：1a、a、A1、A2、A3、A4 為十進(jìn)制2 位小數(shù)（BCD 碼），取值圍：0.00 0.99，只須對應(yīng)存入0099。程序中將其轉(zhuǎn)換成二進(jìn)制小數(shù)，再按算式進(jìn)行定點小數(shù)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。 3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。上圖中，控制計算機的“OUT1”表示386EX 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 部主片8259 的7 號

17、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(chǎn)生的正弦波疊加。注意R 點波形不要超過±5V，以免數(shù)字化溢出。計算機對有干擾的正弦信號R 通過模數(shù)轉(zhuǎn)換器采樣輸入，然后進(jìn)行數(shù)字濾波處理，去除干擾，最后送至數(shù)模轉(zhuǎn)換器變成模擬量C 輸出。實驗步驟及結(jié)果1. 參照流程圖分別編寫一階慣性和四點加權(quán)程序，檢查無誤后編譯、。2. 按圖1.3-3 接線，檢查無誤后開啟設(shè)備電源。調(diào)節(jié)正弦波使其周期約為2S，調(diào)信號源單元使其產(chǎn)生周期為100ms 的干擾信號(從“NC”端引出)，調(diào)節(jié)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。3. 分別裝載并運行程序，運

18、行前可將“TK”加入到變量監(jiān)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=01Tk=084. 如果濾波效果不滿意，修改參數(shù)，再運行程序，觀察實驗效果。參數(shù)Tk 16進(jìn)制Ts (ms) 1-a a A1 A2 A3 A4 濾波前后正弦幅值比濾波前后干擾幅值比項目一階慣性01 5 10 90 3/3 0.5/0.1 08 40 10 90 3/2.15 0.5/0 四點加權(quán)01 5 30 30 20 20 3/3 0.5/0.4 08 40 30 30 20 20 3/3 0.5/0.2 不適當(dāng)?shù)膽?yīng)用數(shù)字濾波反而會降低控制效果，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定

19、。在實際應(yīng)用中，對于參數(shù)變化緩慢的 (如溫度) 可用慣性濾波，對于參數(shù)變化快的信號可用加權(quán)平均濾波。實驗二 開環(huán)系統(tǒng)的數(shù)字程序控制數(shù)字PWM 發(fā)生器和直流電機調(diào)速控制一、實驗?zāi)康恼莆彰}寬調(diào)制 (PWM) 的方法。二、實驗容用程序?qū)崿F(xiàn)脈寬調(diào)制，并對直流電機進(jìn)行調(diào)速控制。三、實驗設(shè)備PC 機一臺，TD-ACC+實驗系統(tǒng)一套，i386EX 系統(tǒng)板一塊四、實驗原理與步驟1PWM (Pulse Width Modulation) 簡稱脈寬調(diào)制 (見圖2.1-1) 。即，通過改變輸出脈沖的占空比，實現(xiàn)對直流電機進(jìn)行調(diào)速控制。VH VL 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

20、系統(tǒng)已連好。圖2.1-2圖中，“DOUT0”表示386EX 的I/O 管腳P1.4，輸出PWM 脈沖經(jīng)驅(qū)動后控制直流電機。本實驗中，由系統(tǒng)產(chǎn)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(shù)字量輸出端DOUT0 引腳來模擬PWM 輸出，并經(jīng)達(dá)林頓管輸出驅(qū)動直流電機，實現(xiàn)脈寬調(diào)制。3參考流程圖圖2.1-3實驗參考程序：請參照隨機軟件中的example 目錄中的ACC2-2-1.ASM。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(yīng)的主程序及PWM 子程序，檢查無誤后編譯、。2按圖2.1-2 接線，檢查無誤后開啟設(shè)備的電源。3裝載程序，將全局變量TK (

21、PWM 周期) 和PWM_T ( 占空比)加入監(jiān)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_T 變大，重復(fù)第3 步，再觀察電機的運行情況，此時電機轉(zhuǎn)速應(yīng)加快。電機每轉(zhuǎn)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”端的脈沖信號可算出電機此時的轉(zhuǎn)速。Tk=0C8H; PWM_T=14H;FPWM=01H;HRTk=0C8H; PWM_T=32H;FPWM=01H;6注意：在程序調(diào)試過程中，有可能隨時停止程序運行，此時DOUT0 的狀態(tài)應(yīng)保持上次的狀態(tài)。當(dāng)DOUT0 為1 時，直流電機將停止轉(zhuǎn)動

22、；當(dāng)DOUT0 為0 時，直流電機將全速轉(zhuǎn)動，如果長時間直流電機處于全速轉(zhuǎn)動，可能會導(dǎo)致電機單元出現(xiàn)故障，所以在停止程序運行時，最好將連接DOUT0 的排線拔掉或按系統(tǒng)復(fù)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T 不變的方法來改變電機轉(zhuǎn)速的，還有什么辦法能改變電機的轉(zhuǎn)速，應(yīng)該怎么實現(xiàn)？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方式或者周期T均改變的方式實驗三 數(shù)字PID閉環(huán)控制按閉環(huán)系統(tǒng)誤差信號的比例、積分和微分進(jìn)行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為PID調(diào)節(jié)器 (也叫PID控制器)。它是在連續(xù)系統(tǒng)術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。隨著計

23、算機技術(shù)的飛速發(fā)展，PID控制算法可以用計算機程序?qū)崿F(xiàn)了，而這進(jìn)一步拓寬了PID調(diào)節(jié)器的應(yīng)用領(lǐng)域，出現(xiàn)了各種新型數(shù)字PID控制器。本章將從多個方面來開展數(shù)字PID控制器的實驗研究。數(shù)字PID控制算法 在模擬調(diào)節(jié)系統(tǒng)中，PID算法表達(dá)式為： 在計算機系統(tǒng)中，離散的數(shù)字PID算法可以表示為位置式PID控制算式，或增量式PID控制算式。位置式PID控制算式為： T：采樣周期，k：采樣序號，u (k)：第k次采樣調(diào)節(jié)器輸出，e (k)：第k次采樣誤差值，e (k1)：第 (k1) 次采樣誤差值增量式PID控制算式為： 增量式與位置式相比具有以下優(yōu)點：1增量式算法與最近幾次采樣值有關(guān)，不需要進(jìn)行累加，因

24、此，不易產(chǎn)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在位置式中，由手動到自動切換時，必須使輸出值等于執(zhí)行機構(gòu)的初始值，而增量式只與本次的誤差值有關(guān)，更易于實現(xiàn)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(yōu)點在控制系統(tǒng)中應(yīng)用比位置式更加廣泛。積分分離法PID控制一、實驗?zāi)康?了解PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2學(xué)習(xí)湊試法整定PID參數(shù)。3掌握積分分離法PID控制規(guī)律二、實驗設(shè)備PC機一臺，TDACC實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊三、實驗原理和容圖3.21圖3.21是一個典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖，其硬件電路原理及接線圖可設(shè)計如下

25、，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“OUT1”表示386EX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 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(tǒng)誤差信號E通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元“IN7”端輸入，控制機的定時器作為基準(zhǔn)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(shù)字量，并進(jìn)行PID計算，得到相應(yīng)的控制量，再把控制量送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，由“OUT1”端輸出相應(yīng)的模擬信號，來控

26、制對象系統(tǒng)。本實驗中，采用位置式PID算式。在一般的PID控制中，當(dāng)有較大的擾動或大幅度改變給定值時，會有較大的誤差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，因此在積分項的作用下，往往會使系統(tǒng)超調(diào)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(dāng)誤差e ( k ) 較大時，取消積分作用；當(dāng)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。圖3.23實驗參考程序：請參照隨機軟件中的example目錄中的ACC321.ASM。為了便于實驗參數(shù)的調(diào)整，下面討論PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響：(1) 增大比例系數(shù)KP一般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于

27、減小靜差。但過大的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。(2) 增大積分時間參數(shù)TI有利于消除靜差、減小超調(diào)、減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的消除將隨之減慢。(3) 增大微分時間參數(shù)TD有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng)對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。在調(diào)整參數(shù)時，可以使用湊試法。參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)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(shù)KP由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到響應(yīng)曲線超調(diào)小、反應(yīng)快。如果系統(tǒng)沒有靜差，或者靜差小到允許的圍，那么只需比例調(diào)節(jié)器即可。(2) 如果在

28、比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)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TI為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數(shù)KP縮小 (如80)，然后減小積分時間，使靜差得到消除。如果動態(tài)性能 (過渡時間短) 也滿意，則需PI調(diào)節(jié)器即可。(3) 若動態(tài)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(yīng)的改變比例系數(shù)和積分時間，逐步湊試，直到滿意結(jié)果由于PID三個參數(shù)有互補作用，減小一個往往可由幾個增大來補償，因此參數(shù)的整定值不唯一，不同的參數(shù)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、。2按照實驗線路圖3.22接線，檢查無誤后開啟設(shè)

29、備電源。3調(diào)節(jié)信號源中的電位器及撥動開關(guān)，使信號源輸出幅值為2V，周期6S的方波。確定系統(tǒng)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(shù))、TI (積分系數(shù))和TD (微分系數(shù)) 加入變量監(jiān)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(shè)為最大值7FH (相當(dāng)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C。6如果系統(tǒng)性能不滿意，用湊試法修改PID參數(shù)，直到響應(yīng)曲線滿意，并記錄響應(yīng)曲線的超調(diào)量和過渡時間。7修改積分分離值為20H，記錄此時響應(yīng)曲線的超調(diào)量和過渡時間，并和未引入積分分離值時的響應(yīng)曲線進(jìn)行比較。8將6和7中

30、的較滿意的響應(yīng)曲線分別保存，在畫板、PHOTOSHOP中處理后粘貼到WORD中，方便形成實驗報告。五、實驗結(jié)果及分析（1）未引入積分分離TK DB05H;采樣周期EI DB 7FH;積分分離值KP DW5000H;比例系數(shù)TI DW0018H;積分系數(shù)TD DW0008H;微分系數(shù)（2）引入積分分離TK DB05H;采樣周期EI DB 30H;積分分離值KP DW5000H;比例系數(shù)TI DW0018H;積分系數(shù)TD DW0008H;微分系數(shù)TK DB05H;采樣周期EI DB 7FH;積分分離值KP DW2000H;比例系數(shù)TI DW0050H;積分系數(shù)TD DW0005H;微分系數(shù)TK D

31、B05H;采樣周期EI DB 20H;積分分離值KP DW2000H;比例系數(shù)TI DW0050H;積分系數(shù)TD DW0005H;微分系數(shù)TK DB05H;采樣周期EI DB 20H;積分分離值KP DW2000H;比例系數(shù)TI DW0025H;積分系數(shù)TD DW0005H;微分系數(shù)從上圖中可以看出，引入積分分離法后，降低了系統(tǒng)輸出的超調(diào)量，并縮短了調(diào)節(jié)時間。簡易工程法整定PID參數(shù)在連續(xù)系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器的參數(shù)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(yōu)點是整定參數(shù)時不必依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型，實際情況也是很難準(zhǔn)確地得到數(shù)學(xué)模型的。簡易工程法是由經(jīng)典的頻率法簡化而來的，雖然稍微粗糙

32、，但簡單易行，非常適用于現(xiàn)場應(yīng)用。常用的方法包括擴充臨界比例度法和擴充響應(yīng)曲線法。一、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并掌握擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)。2學(xué)習(xí)并掌握擴充響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)。二、實驗設(shè)備PC機一臺，TDACC實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊三、實驗原理及容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(diào)節(jié)器中的臨界比例度法的推廣，在工程實踐中最常用，其參數(shù)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(tǒng)純滯后時間的1/10以下。(2) 使系統(tǒng)閉環(huán)工作，只用比例控制，增大比例系數(shù)KP直到系統(tǒng)等幅振蕩，記下此時的臨界比例系數(shù)KPU和臨界振蕩周期TU (見圖3.41)

33、。圖3.41(3) 選擇控制度 (1.052.0)。控制度指數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器控制效果之比。(4) 根據(jù)控制度，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(shè)計圖3.42是一個PID閉環(huán)控制系統(tǒng)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(yīng)的程序流程圖和3.2節(jié)中的圖3.2

34、3是一樣的，實驗中的參數(shù)取值圍規(guī)定為：參數(shù)名稱TKPTITD取值圍1FFH0FFFFH17FFFH07FFFH實際量綱102550ms01倍10ms327.67s0ms327.67s圖3.42上圖中，控制計算機的“OUT1”表示386EX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 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(huán)系統(tǒng)應(yīng)用臨界比例度法來整定PID參數(shù)。2擴充響應(yīng)曲線法1) 實驗原理擴充響應(yīng)曲線法是模擬調(diào)節(jié)器的響應(yīng)曲線法的一種擴充，也是一種常用的

35、工程整定方法。其參數(shù)整定步驟如下：(1) 使數(shù)字調(diào)節(jié)器不接入系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)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(diào)量在階躍輸入下的整個響應(yīng)曲線，見圖3.43。圖3.43圖中“”表示對象的時間常數(shù)；“”表示對象的純滯后時常(4) 根據(jù)所得的、，查表3.42計算出采樣周期T和KP、TI、TD表3.42 控制度TKPTITD1.050.051.152.000.451.20.161.01.900.551.50.340.851.620.652.00.600.601.500.822) 實驗設(shè)計同樣，圖3.44也是一個PID閉環(huán)控制系統(tǒng)的實驗電路原理及接線圖，圖中

36、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(yīng)的程序流程圖和3.2節(jié)中的圖3.23是一樣的。本實驗中，將針對該閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用擴充響應(yīng)曲線法來整定PID參數(shù)。圖3.44中，控制計算機的“OUT1”表示386EX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 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。實驗中，參考程序中的參數(shù)取值圍規(guī)定為：參數(shù)名稱TKPTITD取值圍17FH0800H11FFH01FFH實際量綱101270ms08倍10ms5110s0ms5110ms圖3.44四、實驗步驟1擴充臨界比例度法(1) 編寫程序，檢查無誤后編譯、并裝載程序。實驗程序請參照隨機軟件中的example目錄中的ACC341.ASM。(2) 按照實驗線路圖3.42接線，調(diào)節(jié)信