【導(dǎo)讀】單元的CH1測(cè)孔測(cè)量波形，詳見(jiàn)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)第二章虛擬示波器部分。在軟件包中還提供了匯編程序和C語(yǔ)言編寫(xiě)的幾個(gè)范例，作為用戶編寫(xiě)程序。值；再次點(diǎn)擊開(kāi)始，將繼續(xù)轉(zhuǎn)換及顯示，滿17次后回到原點(diǎn)顯示。屏幕上X軸表示模/數(shù)轉(zhuǎn)換的序號(hào)，Y軸表示該次模/數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。的電壓值應(yīng)與輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元的輸入通道電壓相同。輸入通道可由用戶自行選擇，默認(rèn)值為IN4。連接好線路后就可。產(chǎn)生的正弦波信號(hào)采樣，并通過(guò)上位機(jī)顯示。征，無(wú)法使信號(hào)復(fù)原，。這不但是為了保證信號(hào)的完整，而且是為了保證有較好的頻率分辨率。調(diào)節(jié)B5單元的“設(shè)定電位器1”，使之方波頻率為80Hz左右。②在顯示與功能選擇單元中，按上排右按鍵選擇“方波/正弦波”的指示燈亮，按下表記錄下各種頻率的采樣周期下的輸出波形。

　　

【正文】 STST KSG 注：由于被控對(duì)象（包括電機(jī)和電機(jī)驅(qū)動(dòng)功率放大器、測(cè)電機(jī)轉(zhuǎn)速傳感器及 F/V 轉(zhuǎn)換器）有離散性，本實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的被控對(duì)象的響應(yīng)曲線（圖 519），不能代表所有的 AEDKLabACT自控 /計(jì)控原理實(shí)驗(yàn)箱，如要精確測(cè)量，應(yīng)對(duì)每臺(tái)實(shí)驗(yàn)箱進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)定和辯識(shí)。 ⑵ 求取數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器控制參數(shù) PK 、 IT 、 DT A) 在圖圖 513 被控對(duì)象響應(yīng)曲線上測(cè)得 t1 和 t2。 據(jù)式（ 513）確認(rèn) 0T 和 ? 。 ST ? ， ?? B) 求得數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器控制參數(shù) PK 、 IT 、 DT （工程整定） 據(jù)式（ 514）取數(shù)字 PID 調(diào)節(jié)器控制參數(shù) PK 、 IT 、 DT Kp=， Ti=， Td= ⑶ 用模擬被控對(duì)象構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn) 圖 5110 用模擬被控對(duì)象構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)模擬電路 實(shí)驗(yàn)步驟： 注：‘ S ST’ 用“短路套”短接！ 構(gòu)造模擬電路：按圖 5110 安置短路套及測(cè)孔聯(lián)線，表如下： （ a）安置短路套 （ b）測(cè)孔聯(lián)線 模塊號(hào) 跨接座號(hào) 1 A3 S2， S7， S9， S10， S11 2 A5 S3， S10， S12 1 模擬輸入 B2 單元（ OUT1）→ A5（ H1） 2 運(yùn)放級(jí)聯(lián) A5（ OUTA）→ A3（ H1） 3 模擬輸出 A3（ OUT）→ B7 輸入（ IN4） 運(yùn)行、觀察、記錄： ① 運(yùn)行 LABACT 程序，選擇 控制系統(tǒng) 菜單下的 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 ， 就會(huì)彈出速度示波器的界面，點(diǎn)擊 開(kāi)始 后將自動(dòng)加載相應(yīng)源文件，然后設(shè)定‘轉(zhuǎn)速’參數(shù)和 PID控制系數(shù)Kp 、 TI、 TD 后，點(diǎn)擊 發(fā)送 ， 即可 實(shí)現(xiàn)閉環(huán)調(diào)速 。注 :為了使實(shí)驗(yàn)觀察更為方便，本實(shí)驗(yàn)采用周期性輸出。 ② 在程序運(yùn)行中，隨時(shí)可修改‘轉(zhuǎn)速’參數(shù)和控制系數(shù) Kp 、 TI、 TD，然后點(diǎn)擊 發(fā)送 ，本實(shí)驗(yàn)機(jī)將按新的控制參數(shù)運(yùn)行實(shí)驗(yàn) ，無(wú)須 點(diǎn)擊 停止 。 但該新參數(shù) 都將在下一個(gè)周期參加運(yùn)行。 ③ 如要觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，則點(diǎn)擊 停止 。點(diǎn)擊 停止 后，標(biāo)尺 才能出現(xiàn)。 ④ 該實(shí)驗(yàn)的顯示界面中 “控制系數(shù)”欄設(shè)置范圍：比例系數(shù) Kp（ ~） 、調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 TI（ ~） 、調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間 TD（ ~）。 ⑤ 該實(shí)驗(yàn)已規(guī)定采樣周期 T=4mS ； “控制 系 數(shù)”欄的 Kp 、 TI、 TD 已設(shè)定： Kp=， Ti=， Td=；轉(zhuǎn)速： 40 50=2021轉(zhuǎn) /分。 用模擬被控對(duì)象構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線 1，見(jiàn)圖 5111。 注：每次重新 開(kāi)始 后，必須再次點(diǎn)擊 發(fā)送， 才能運(yùn)行實(shí)驗(yàn) ！ 圖 5111 用模擬被控對(duì)象構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線 1 實(shí)驗(yàn)測(cè)孔聯(lián)線 運(yùn)行、觀察、記錄： ① 運(yùn)行 LABACT 程序，選擇 控制系統(tǒng) 菜單下的 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目 ， 就會(huì)彈出速度示波器的界面，點(diǎn)擊 開(kāi)始 后將自動(dòng)加載相應(yīng)源文件，然后設(shè)定‘轉(zhuǎn)速’參數(shù)和 PID控制系數(shù)Kp 、 TI、 TD 后，點(diǎn)擊 發(fā)送 ， 即可 實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速 。注 :為了使實(shí)驗(yàn)觀察更為方便，本實(shí)驗(yàn)采用周期性輸出。 ② 在程序運(yùn)行中，隨時(shí)可修改‘轉(zhuǎn)速’參數(shù)和控制系數(shù) Kp 、 TI、 TD，然后點(diǎn)擊 發(fā)送 ，實(shí)現(xiàn)直流電機(jī)的閉環(huán)調(diào)速，無(wú)須 點(diǎn)擊 停止 ；只有在需觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果時(shí)，才需點(diǎn)擊 停止 。 ③ 該實(shí)驗(yàn)的顯示界面中 “控制系數(shù)”欄的比例系數(shù) Kp（ ~） 、調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間 TI（ 1~199mS） 、調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間 TD（ 0~200mS）；均可由用戶在界面上直接修改，以獲得理想的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。改變 Kp 、 TI、 TD這些參數(shù)后，只要再次點(diǎn)擊“ 發(fā)送 ”鍵，即可使實(shí)驗(yàn)機(jī)按照新的控制參數(shù)運(yùn)行。 注：無(wú)論實(shí)驗(yàn)過(guò)程在何時(shí)，都可點(diǎn)擊 發(fā)送 ，但該新參數(shù) 都將在下一個(gè)周期參加運(yùn)行。 ④ 該實(shí)驗(yàn)已規(guī)定采樣周期 T=4mS ； “控制 系 數(shù)”欄的 Kp 、 TI、 TD 已設(shè)定： Kp=， Ti=92， Td=14；轉(zhuǎn)速： 40 50=2021 轉(zhuǎn) /分。 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲線 1，見(jiàn)圖 5114。 1 電機(jī)輸入 A2（ OUTB）→ C2 單元（電機(jī)輸入） 2 測(cè)速 C2 單元電機(jī)輸出（電壓）→ B7 輸入（ IN4） 圖 5114 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)的輸出響應(yīng)曲 線 1 注 1：完成本實(shí)驗(yàn)后應(yīng)立即把直流電機(jī)輸入線拔掉，以免長(zhǎng)期使用 造成直流電機(jī)損壞。 注 2：如在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中發(fā)現(xiàn)直流電機(jī)失控了，應(yīng)立即斷開(kāi)電源開(kāi)關(guān)，重新開(kāi)始。 說(shuō)明：把‘用 MATLAB 仿真閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)’輸出響應(yīng)曲線（圖 516）與‘用模擬被控對(duì)象構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)’輸出響應(yīng)曲線（圖 5111）相比對(duì)，輸出響應(yīng)曲線十分接近，說(shuō)明本實(shí)驗(yàn)程序是正確。但與‘實(shí)際 電機(jī) 構(gòu)成的閉環(huán)調(diào)速實(shí)驗(yàn)’輸出響應(yīng)曲線（圖 5114）相比對(duì)時(shí)，感到誤差較大，這是因?yàn)楸緦?shí)驗(yàn)對(duì)系統(tǒng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)辯識(shí)有誤，從圖 519的被控對(duì)象的響應(yīng) 曲線上也可看出有誤差，實(shí)際上被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型應(yīng)是更高價(jià)的系統(tǒng)組成，這里就不再研究了。 虛擬示波器的截圖 在虛擬示波器界面上第二排圖標(biāo)工具欄左起第 22 個(gè)（黃色問(wèn)號(hào)的右邊）加上了示波器的截圖按扭，截圖后需要命名保存，默認(rèn)則保存到 C 盤(pán) AEDK 目錄下，格式為 BMP 圖象文件，可以雙擊直接查看，方便老師學(xué)生直接將保存的圖，粘貼到文檔之中。 （ 2） 電機(jī) （ 3） 5V （ 4） （ 5） 3V 實(shí)驗(yàn)心得與體會(huì)： 通過(guò)本次實(shí)驗(yàn)， 我們了解了，直流電動(dòng)機(jī)閉環(huán)控制隨動(dòng)系統(tǒng)的組成和工作原理，對(duì) 速度控制隨動(dòng)系統(tǒng)對(duì)象的數(shù)學(xué)模型實(shí)驗(yàn)辯識(shí)及建立 有了較深的理解。求出傳遞函數(shù)以后，對(duì)采樣周期進(jìn)行選擇，通過(guò) MATLAB 仿真可以得到點(diǎn)擊轉(zhuǎn)速的響應(yīng)曲線。 調(diào)節(jié)器輸出過(guò)大，被限幅后使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生較大的非線性失真 ，以此可以減小 KP 來(lái)調(diào)節(jié)，從而得到響應(yīng)曲線。 實(shí)驗(yàn)八 溫度閉環(huán)控制實(shí)驗(yàn) 一．實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1． 鞏固閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本概念。 2． 掌握溫度的一種采集方法。 3． 掌握 PID 算法數(shù)字化的方法和編程。 4． 了解、掌握消除系統(tǒng)積分飽和的‘遇限削弱積分法’ 使用方法。 二．實(shí)驗(yàn)原理及說(shuō)明 1. PID 控制 按偏差的比例、積分、微分控制（簡(jiǎn)稱 PID 控制）是過(guò)程控制中應(yīng)用最廣的一種控制規(guī) 則。由 PID 控制規(guī)則構(gòu)成的 PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值 U 與實(shí)際輸出值 Y 構(gòu)成控制偏差： e=U—Y 按比例（ P）、積分（ I）、微分（ D）通過(guò)線性組合構(gòu)成控制量。 PID控制算法的模擬表達(dá)式是： P t K e t T e t dt Tde tdtpI Dt( ) ( ) ( ) ( )? ? ????????10 （ 521） 式中， Pt() ——調(diào)節(jié)器的輸出信號(hào)； et() ——調(diào)節(jié)器的偏差信號(hào)； KP ——調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)； TI ——調(diào)節(jié)器的積分時(shí)間常數(shù)； TD ——調(diào)節(jié)器的微分時(shí)間常數(shù)； 在實(shí)際應(yīng)用中，根據(jù)對(duì)象特征和控制要求，也可靈活改變其結(jié)構(gòu)，取其一部分構(gòu)成控制，例如：比例（ P）調(diào)節(jié)器、比例積分（ PI）調(diào)節(jié)器、比例微分調(diào)節(jié)器（ PD）等。 比例調(diào)節(jié)器 是一種最簡(jiǎn)單的調(diào)節(jié)器。它具有反應(yīng)快、無(wú)滯后的特點(diǎn)，抗干擾，使 被控參 數(shù)穩(wěn)定在給定值附近。但是，對(duì)于具有自平衡系統(tǒng)（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)為一有限值）的被控對(duì)象存在靜差。對(duì)于某一給定系統(tǒng)，當(dāng)負(fù)荷變化時(shí)，靜差大小與比例作用的強(qiáng)弱有關(guān)。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但 KP 過(guò)大時(shí)，會(huì)使動(dòng)態(tài)質(zhì)量變差，引起控制量振蕩甚至導(dǎo)致閉死不穩(wěn)定。 比例積分調(diào)節(jié)器 是在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上增加積分調(diào)節(jié)規(guī)律。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的實(shí)質(zhì)是調(diào)節(jié)器輸出的變化速度與輸入偏差的大小成正比。只要有偏差，調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號(hào)就不斷變化，執(zhí)行器就不斷動(dòng)作，直至偏差信號(hào)消除。因此，積分作用能消除比例調(diào)節(jié)器的靜差。但是積分調(diào)節(jié)動(dòng)作緩慢，其調(diào)節(jié)作用總是滯后于偏差信號(hào)的變化。 在上述 PI 調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)就構(gòu)成了 PID 調(diào)節(jié)器 。微分調(diào)節(jié)作用可以克服積分調(diào)節(jié)作用緩慢性，避免積分作用可能降低系統(tǒng)響應(yīng)速度的缺點(diǎn)。另外，微分調(diào)節(jié)的加入有助于減小超調(diào)、克服振蕩，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。 2. PID 算法 的數(shù)字實(shí)現(xiàn) 由于 DDC（ Direct Digital Control）系統(tǒng)是一種時(shí)間離散控制系統(tǒng)。因此，為了用計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)式（ 521）必須將其離散化，（詳見(jiàn)第 節(jié)〈標(biāo)準(zhǔn) PID 控制算法〉） 用數(shù)字形式的差分方程來(lái)代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程： ? ??????? ????? ??nj DIPneneTTjeTTneKnP 0 )1()()()()( （ 522） 式中： T —采樣周期； Pn() —第 n 次采樣時(shí)計(jì)算機(jī)輸出； en() —第 n 次采樣時(shí)的偏差值； en( )?1 —第 n1 次采樣時(shí)的偏差值； n ——采樣序號(hào)， n=0， 1， 2，?。 離散化的 PID 位置控制算式表達(dá)式為： P(k) )]1()([)()( 0 ????? ?? kEkEKjeKkEK DkjIP （ 523） 式中： 微分系數(shù)。積分系數(shù)； ?????? PDDPII KTTKKTTK 確定了 K K KP I D, 和 的值后，由式（ 523）還可得離散化的位置型 P 控制、 PI 控制和PD 控制的編程表達(dá)式。它們編程框圖也只需在該圖的基礎(chǔ)上稍作刪減即可。 3．遇限削弱積分法 由于溫度閉環(huán)控制是一種變化十分緩慢的控制系統(tǒng)，因此它很容易產(chǎn)生積分飽和，在積分項(xiàng)的作用下，往往將使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超調(diào)量和長(zhǎng)時(shí)間波動(dòng)。為此，本實(shí)驗(yàn)采用了 ’遇限削弱積分 ’的方法來(lái)消除積分飽和。該方法是在實(shí)驗(yàn)進(jìn)行前先設(shè)定一個(gè)積分量 |)(| 0??Kj jeKi 閥值為 0P ，則式中 ??kj jeKi 0 )( 有： ??????????????????0000000 )()(,)()(PjeKiPPjeKijeKijeKi kjkjkjkj ， （ 524） 式（ 524）表示在計(jì)算、控制過(guò)程中，一旦積分量達(dá)到閥值 0P 時(shí)，它將不再增加。 詳見(jiàn)《微型計(jì)算機(jī)控制技術(shù)及應(yīng)用》（高等教育出版社，徐大誠(chéng)等著） 按本實(shí)驗(yàn)所規(guī)定的參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)后，可以看出超調(diào)量和波動(dòng)受到了有效的控制。見(jiàn)圖 524所示。 4．實(shí)現(xiàn) 溫度 PID 控制 根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，即加溫速率（上升時(shí)間）、超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間及誤差，選擇 P I D 控制參數(shù)、積分控制量實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，觀察溫度控制曲線。溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖見(jiàn)圖 521。 圖 521 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖 當(dāng)給定溫度 U（ k）接入后（即在 溫度示波器的界面上設(shè)置‘目標(biāo)值’）， 與當(dāng)前溫度值 U（ t）（溫度模塊的溫度采集輸出經(jīng) 模 /數(shù) 轉(zhuǎn)換 器（ B7） 輸出值）相比較，其差值 e（ t）在計(jì)算機(jī)中進(jìn)行 PID 計(jì)算，解算成 P（ t），并形成數(shù)字化輸出 P（ k）對(duì)溫度模塊加熱，達(dá)到 溫度 閉環(huán)控制 。 風(fēng)扇是一個(gè)非線性元件，因此不參與溫度閉環(huán)控制，僅僅為了對(duì)被控對(duì)象快速冷卻而設(shè)置的。 本實(shí)驗(yàn)機(jī)實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制 系統(tǒng) 由 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器（ B7）單元和溫控模塊（ C3）（包括加熱、冷卻機(jī)構(gòu)和測(cè)溫）組成。 本模塊采用裝在散熱器下的熱傳感器（熱敏電阻）進(jìn)行測(cè)溫，當(dāng)溫度上升，則電阻值減小，輸出電壓增加， 由 模 /數(shù)轉(zhuǎn)換器對(duì)其模擬電壓進(jìn)行摸 /數(shù)轉(zhuǎn)換，送 CPU 控制模塊 實(shí)現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。 本實(shí)驗(yàn)機(jī)中的溫控對(duì)象，可以近似地看作是一個(gè)積分環(huán)節(jié)，其時(shí)間常數(shù) Ti 約為 210秒左右，由于溫控的時(shí)間與環(huán)境溫度有關(guān)，因此時(shí)間常數(shù) Ti 與環(huán)境溫度有關(guān)。 對(duì)溫控對(duì)象的加熱采用脈寬調(diào)制（ PWM）方式進(jìn)行，即由一個(gè)軟件減法計(jì)數(shù)器的‘符號(hào)位’進(jìn)行控制。當(dāng)溫控程序啟動(dòng)后，每個(gè)采樣周期開(kāi)始時(shí)，減法計(jì)數(shù)器的‘符號(hào)位’被置‘ 1’，經(jīng)鎖存器 74LS73 的 Q8輸出“ 1”驅(qū)動(dòng)加熱電路工作，對(duì)溫控對(duì)象加熱，同時(shí)把計(jì)算結(jié)果 P（ k）值送至減法計(jì)數(shù)器，然后由定時(shí)脈沖進(jìn)行減 1。當(dāng)計(jì)數(shù)器被減至 0 后，‘符號(hào)位’為變成‘ 0’，鎖存器 74LS73 的 Q8 輸出“ 0”，關(guān)閉加熱電路，停止加熱。該計(jì)算結(jié)果 P（ k）值還送到‘ 溫度閉環(huán)控制’ 實(shí)驗(yàn)界面上，實(shí)時(shí)顯示。 P（ k）值越大，加熱時(shí)間越長(zhǎng)，當(dāng) P（ k） ? 255 時(shí)，則全程加熱； P（ k）值越小，加熱時(shí)間越短，當(dāng) P（ k） ? 0 時(shí)，則加熱時(shí)間為 0。調(diào)節(jié)器輸出 P(k) 值的有效范圍為 0~255。 加熱電路由 72LS273 的 Q8 輸出控制，該電壓驅(qū)動(dòng)達(dá)林頓復(fù)合晶體