计算机控制技术实验报告册.doc

核自学院 电气工程及其自动化 计算机控制系统 实验报告 23 计算机控制技术实验报告册学院：sss专业：电气工程及其自动化班级：ss姓名：xxxx学号：xxxx实验一 d/a数模转换实验一、实验目的1掌握数模转换的基本原理。2熟悉12位d/a转换的方法。二、实验仪器1el-at-ii型计算机控制系统实验箱一台2pc计算机一台三、实验内容通过a/d&d/a卡完成12位d/a转换的实验，在这里采用双极性模拟量输出，数字量输入范围为：04096，模拟量输出范围为：5v+5v。转换公式如下：uo= vref - 2vref(211k11+210k10+.+20k0)/ 212vref=5.0v例如：数字量=000110011001 则k11=1,k10=0,k9=1,k8=0,k7=1,k6=1,k5=0,k4=1,k3=0,k2=0,k1=0,k0=1模拟量uo= vref - 2vref(211k11+210k10+.+20k0)/ 212=4.0v四、实验步骤1连接a/d、d/a卡的da输出通道和ad采集通道。a/d、d/a卡的da1输出接a/d、d/a卡的ad1输入。检查无误后接通电源。2启动计算机，在桌面双击图标 computerctrl或在计算机程序组中运行computerctrl软件。3测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。4在实验项目的下拉列表中选择实验一d/a数模转换实验, 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。5在参数设置对话框中设置相应的实验参数后，在下面的文字框内将算出变换后的模拟量， 6. 点击确定，在显示窗口观测采集到的模拟量。并将测量结果填入下表1-1: 数字量 模拟量 理论值 实测值405 4.01 3.94 110 4.73 4.66 1200 2.07 2.00 2300 -0.62 -0.72 表1-1五、实验结果实验得出数字量与模拟量的对应曲线如下图1-1： 图1-1六、实验结果分析表1-1中计算出理论值，与实验结果比较，分析产生误差的原因系仪器误差。七、实验心得 本次试验需要进行的连电路、实验软件操作都比较简单，但对于实验原理我们应有更加深刻的理解，对于实验箱内部的d/a转换原理要有所思考，不能只满足与简单的实验表象，而应思考更深层次的问题。实验二 a/d模数转换实验一、实验目的1掌握模数转换的基本原理。2熟悉10位a/d转换的方法。二、实验仪器1el-at-ii型计算机控制系统实验箱一台2pc计算机一台三、实验内容通过a/d&d/a卡完成10位d/a转换的实验，在这里采用双极性模拟量输入，模拟量输入范围为：5v+5v，数字量输出范围为：01024。转换公式如下：数字量=（vref模拟量）/2vref210 其中vref是基准电压为5v。例如：模拟量=1.0v 则数字量=（5.01.0）/（25.0）210=409(十进制)四、实验步骤1.连接a/d、d/a卡的da输出通道和ad采集通道。a/d、d/a卡的da1输出接a/d、d/a卡的ad1输入。检查无误后接通电源。2.启动计算机，在桌面双击图标 computerctrl或在计算机程序组中运行computerctrl软件。3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。4. 在实验项目的下拉列表中选择实验二a/d数模转换实验, 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框5.在弹出的参数窗口中填入想要变换的模拟量，点击变换，在下面的文字框内将算出变换后的数字量。6.点击确定，在显示窗口观测采集到的数字量。并将测量结果填入下表2-1:模拟量数字量理论值实测值-2.45762650.20.5460459.22.5256253.9 表2-1五、实验结果画出模拟量与数字量的对应曲线如图2-1：图2-1六、实验结果分析 表2-1中计算出理论值，与实验结果比较，分析产生误差的原因系仪器误差、实验软件的精度误差。七、实验心得 本次试验需要进行的连电路、实验软件操作都比较简单，但对于实验原理我们应有更加深刻的理解，对于实验箱内部的a/d转换原理要有所思考，不能只满足与简单的实验表象，而应思考更深层次的问题。实验三 数字pid控制一、实验目的1研究pid控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2研究采样周期t对系统特性的影响。3研究i型系统及系统的稳定误差。二、实验仪器1el-at-ii型计算机控制系统实验箱一台2pc计算机一台三、实验内容1系统结构图如3-1图。图3-1 系统结构图图中 gc（s）=kp（1+ki/s+kds） gh（s）=（1e-ts）/s gp1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+1） gp2（s）=1/（s（0.1s+1）2开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应gp1（s）,图3-3对应gp2（s）。 图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图23被控对象gp1（s）为“0型”系统，采用pi控制或pid控制，可使系统变为“i型”系统，被控对象gp2（s）为“i型”系统，采用pi控制或pid控制可使系统变成“ii型”系统。 4当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。 5pi调节器及pid调节器的增益 gc（s）=kp（1+k1/s） =kpk1(（1/k1）s+1) /s =k(tis+1)/s式中 k=kpki , ti=（1/k1）不难看出pi调节器的增益k=kpki，因此在改变ki时，同时改变了闭环增益k，如果不想改变k,则应相应改变kp。采用pid调节器相同。6“ii型”系统要注意稳定性。对于gp2（s）,若采用pi调节器控制，其开环传递函数为 g（s）=gc（s）gp2（s） =k（tis+1）/s1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足ti0.1，即k1107pid递推算法 如果pid调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下： u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=kp（1+kit+（kd/t） q1=kp（1+（2kd/t） q2=kp（kd/t）t-采样周期四、实验步骤 1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。电路的输入u1接a/d、d/a卡的da1输出，电路的输出u2接a/d、d/a卡的ad1输入。检查无误后接通电源。2.启动计算机，在桌面双击图标 computerctrl或在计算机程序组中运行computerctrl软件。3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。4. 在实验项目的下拉列表中选择实验三数字pid控制, 鼠标单击鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置窗口。5.输入参数kp, ki, kd（参考值kp=1, ki=0.02, kd=1）。6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变kp, ki, kd的数值和与其相对应的性能指标sp、ts的数值。7.取满意的kp,ki,kd值，观查有无稳态误差。8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图3-3)。电路的输入u1接a/d、d/a卡的da1输出，电路的输出u2接a/d、d/a卡的ad1输入，将纯积分电容的两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。 9.重复4-7步骤。10.计算kp，ki，kd取不同的数值时对应的sp、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲线及时域性能指标，记入表中：实验结果参数%ts（ms）阶跃响应曲线kpkikd10.03110%220见图3110.05130%300见图3-250.02140%200见图3-310.03165%800见图3-450.05160%680见图3-5五实验结果根据所测数据，可作出下图所示结果： 图 31 图3-2 图33 图3-4 图3-5 六实验分析：由实验结果可知，比例控制能提高系统的动态响应速度，迅速反应误差，但比例控制不能消除稳态误差。kp的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是消除稳态误差，因为只要系统存在误差，积分作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，知道偏差为零，积分作用就停止，但积分作用太强会使系统超调量加大，甚至使系统出现振荡。微分控制与偏差的变化率有关，它可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。实验四 数字滤波器实验一、实验目的 1研究数字滤波器对系统稳定性及过渡过程的影响。 2熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。3掌握数字滤波器的设计方法。4了解数字滤波器的通带对系统性能的影响。二、实验仪器1el-at-ii型计算机控制系统实验箱一台2pc计算机一台三、实验内容 1需加入串联超前校正的开环系统电路及传递函数（1）实验电路 图51 需加入串联超前校正的开环系统电路图(2) 系统开环传递函数图52 系统开环结构图(3) 系统闭环结构图图53 系统闭环结构图(4) 数字滤波器的递推公式模拟滤波器的传函： t1s+1 t2s+1 利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：uk=q0xuk-1+q1xek+q2xek-1q0=(t-2t2)/(t+2t2) q1=(t+2t1)/(t+2t2) q2=(t-2t1)/(t+2t2) t=采样周期 t1=超前时间常数 t2=滞后时间常数 2 需加入串联滞后校正的开环系统电路及传递函数（1） 实验电路图54 需加入串联滞后校正的开环系统电路图（2） 系统开环传递函数 图55 系统开环结构图（3） 系统闭环结构图：图56 系统闭环结构图 （4） 数字滤波器的递推公式模拟滤波器的传递函数： t1s+1 t2s+1 利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：uk=q0uk-1+q1ek+q2ek-1q0=(t-2t2)/(t+2t2) q1=(t+2t1)/(t+2t2) q2=(t-2t1)/(t+2t2) t=采样周期 t1=超前时间常数 t2=滞后时间常数 四、实验步骤1.启动计算机，在桌面双击图标 computerctrl或在计算机程序组中运行computerctrl软件。2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。超前校正3.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-1)。电路的输入u1接a/d、d/a卡的da1输出，电路的输出u2接a/d、d/a卡的ad1输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。检查无误后接通电源。4. 在实验项目的下拉列表中选择实验五五、数字滤波器，鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框，选择超前校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量sp和调节时间ts。5.重复步骤4，改变参数设置，将所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中：超前常数性能指标0.0150.0350.0550.075阶跃响应曲线见图4-1见图4-2见图4-3见图4-4%55%20%10%0tp（毫秒）200200200200ts（毫秒）600400160100滞后校正6.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-4)。电路的输入u1接a/d、d/a卡的da1输出，电路的输出u2接a/d、d/a卡的ad1输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。检查无误后接通电源。7. 在实验项目的下拉列表中选择实验五五、数字滤波器，鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框，选择滞后校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量sp和调节时间ts。8.重复步骤7,改变参数设置，将所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中：滞后常数性能指标0.0030.0050.007阶跃响应曲线见图4-5见图4-6见图4-7%50%20%10%tp（秒）180180200ts（秒）1600400200五、实验结果 画出所做实验的模拟图，结构图。 图4-1 图4-2 图4-3 图4-4 图4-5 图4-6 图4-7六、实验结果分析 加数字滤波器前系统的稳定特性较差，输出波形不稳定。从响应曲线中分析校正后的结果可知加入超前、之后校正环节后系统稳定性提高，输出波形稳定。实验五 大林算法一、实验目的1掌握大林算法的特点及适用范围。2了解大林算法中时间常数t对系统的影响。二、实验仪器1el-at-ii型计算机控制系统实验箱一台2pc计算机一台三、实验内容1实验被控对象的构成： （1）惯性环节的仿真电路及传递函数 g(s)=-2/(t1+1) t1=0.2 （2）纯延时环节的构成与传递函数 g(s)=e-nt t=采样周期 n为正整数的纯延时个数 由于纯延时环节不易用电路实现，在软件中由计算机实现。 图61 被控对象电路图 （3）被控对象的开环传函为： g(s)=-2e-nt/(t1+1) 2大林算法的闭环传递函数： go(s)=e-nt/(ts+1) t=大林时间常数 3大林算法的数字控制器：d(z)=(1-et/t)(1-e-t/t1z-1)/k(1-e-t/t1)1-e-t/tz-1-(1-e-t/t)z-n-1 设k1=e-t/t k2=e-t/t1 t1=0.2 t=大林常数 k=2 (k-kk2)uk=(1-k1)ek-(1-k1)k2ek-1+(k-kk2)k1uk-1+(k-kk2)(1-k1)uk-n-1四、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 computerctrl或在计算机程序组中运行computerctrl软件。2测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。3量对象的模拟电路(图6-1)。电路的输入u1接a/d、d/a卡的da1输出，电路的输出u2接a/d、d/a卡的ad1输入。检查无误后接通电源。4在实验项目的下拉列表中选择实验六六、大林算法, 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框，在参数设置窗口设置延迟时间和大林常数，点击确认在观察窗口观测系统响应曲线。测量系统响应时间ts和超调量sp。5 复步骤4，改变参数设置，将所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中：性能指标参数设置阶跃响应曲线%ts（秒）tp（秒）延迟时间大林常数10.5见图5-1020060020.5见图5-20100530200.5见图5-3060080010.1见图5-401001200五、实验结果画出闭环的阶跃响应曲线如下图： 图5-1 图5-2 图5-3 图5-4 五实验结果分析 大林算法是针对含有纯滞后的控制对象的算法，调节延迟时间和大林常数找到最佳系统，找到整定值，使超调量最小，动态响应更迅速，调整时间最小化，并可以提高系统的稳定性。实验六 炉温控制实验一、实验目的 1了解温度控制系统的特点。 2研究采样周期t对系统特性的影响。 3研究大时间常数系统pid控制器的参数的整定方法。二、实验仪器1el-at-ii型计算机控制系统实验箱一台2pc计算机一台3炉温控制实验对象一台三、炉温控制的基本原理1 系统结构图示于图71。图71 系统结构图 图中 gc（s）=kp（1+ki/s+kds） gh（s）=（1e-ts）/s gp（s）=1/（ts+1） 2系统的基本工作原理 整个炉温控制系统由两大部分组成，第一部分由计算机和a/d&d/a卡组成，主要完成温度采集、pid运算、产生控制可控硅的触发脉冲，第二部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压的可在0140v内变化。可控硅的导通角为05ch。温度传感是通过一只热敏电阻及其放大电路组成的，温度越高其输出电压越小。 外部led灯的亮灭表示可控硅的导通与闭合的占空比时间，如果炉温温度低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。 第二部分电路原理图见附录一。 3pid递推算法 ： 如果pid调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下： uk=kpek+kiek2+kd(ek-ek-1),其中ek2是误差累积和。四、实验内容： 1设定炉子的温度在一恒定值。 2调整p、i、d各参数观察对其有何影响。五、实验步骤1启动计