离散化方法研究实验含仿真图.doc
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实验三离散化方法研究
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
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”输入端相连;
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”,运行实验软件;
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(PID校正装置)后的模拟电路,并在其输入端输入2V的阶跃信号,然后观察其响应曲线,并与前面2.3和2.4步骤中采用数字控制器的实验曲线相比较;
2.7实验结束后,关闭脚本编辑器窗口,退出实验软件。
注:
为了更好的观测实验曲线,实验时可适当调节软件上的分频系数(一般调至刻度2)和选择“”按钮(时基自动),以下实验相同。
仿真结果:
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- 关 键 词:
- 离散 方法 研究 实验 仿真