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电子技术实验（五）指导书（计算机控制技术实验）物理科学与工程技术学院电子技术教研室(2007年4月26日星期四)目 录实验一 D/A、A/D转换2实验二 数字PID控制6实验三 大林算法11实验四 电机调速14实验五 步进电机控制18实验六 数字滤波器19附录一 电机控制电路原理图24实验一 D/A、A/D转换一、实验目的1掌握数模、模数转换转换的基本原理。2熟悉12位D/A转换、10位A/D转换的方法。二、实验仪器设备1EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台2PC计算机一台三、实验原理1、D/A转换器是把输入的数字量转换为与输入量成比例的模拟信号的器件，在图中，整个电路由若干个相同的支电路组成，每个支电路有两个电阻和一个开关，开关S-i是按二进制“位”进行控制。当该位为“1”时，开关将加权电阻与输出端接通；该位为“0”时，开关与接通。图1 梯形电阻解码网络原理图由于接地，为虚地，所以流过每个权电阻Ri的电流依次是.由于端输出的总电流是置“1”各位加权电流的总和，端输出的总电流是置“0”各位加权电流的总和，所以当D/A转换器输入为全“1”时，和分别为 当运算放大器的反馈电阻等于反相输入电阻R时，其输出模拟电压对与任意二进制码，其输出模拟电压为式中， 或 ，由上式便可得到相应的模拟量输出。D/A转换器的主要参数：（1）分辨率 分辨率越高，转换时对输入模拟信号的反应就越灵敏。分辨率通常用数字量的位数来表示。分辨率为8位，表示它可以对满量程的的增量作出反应。所以n位二进制最低位具有的权值就是它的分辨率。（2）稳定时间（3）输出电平（4）输出编码D/A转换器输出方式：（1）单极性输出在电压输出型的D/A转换器中，因其片内含有一级运算放大器，已经将模拟电流量转换为模拟电压量输出，因而属于单极性输出类。而在电流输出型的D/A转换器中，为了保证梯形电阻网络各支路压降保持不变，必须将接“虚地”。因此，常常将电流输出型的D/A转换器的电流输出端，与一电压放大器相连接，而构成单极性的电压输出方式。图2 单极性电压输出的连接方式对于8位单极性连接输出方式，其输入数字量与输出电压之间的关系为：D为输入数字量，应取绝对值。（2）双极性输出在随动系统中，例如伺服电机控制系统，由偏差产生的控制量，不仅与其大小有关，而且还与控制量的极性有关，因而要求D/A转换器为负载提供双极性电压的输出方式双极性输出的转换器，通常采用补码二进制、偏移码二进制和符号数值等编码方式。在图2的基础上，再加一级电压放大器，如图3所示，就构成了D/A转换器的双极性输出的连接方式。在图3中，运算放大器A2的作用是把运算放大器A1的单极性输出电压转变为双极性电压输出的。根据数字电路运算放大器基本知识，对于图3二级运算放大器来说，经R1向A2提供的偏置电流I1的方向，是与A1的输出电流I2的方向相反。这样，输入运算放大器A2负极性端的电流应为I1、I2的代数和。因而，可求出双极性输出十，8位D/A转换器的输出电压为由于，所以，有图3 双极性电压输出的连接方式在式中，为单极性连接时的输出电压，这样，将对于8位D/A转换器按双极性输出连接时，其输入数字量D与输出电压之间的关系应为： 2、A/D转换器是接收模拟信号并将其瞬时幅值转换为数字信号的器件，也是实现采样和量化过程的、连接模拟部件和数字部件的界面器件。工作原理：逐次逼近式A/D转换器工作原理的基本特点是：二分搜索，反馈比较，逐次逼近。它的基本思想与生活中的天平称重思想极为相似。 利用一套标准的“电压砝码”，这些“电压砝码”的大小，相互间成二进制关系。把这些已知的“电压砝码”由大到小连续与未知的被转换电压相比较，并将比较结果以数字形式送到逻辑控制电路予以鉴别，以便决定“电压砝码”的去留，直至全部“电压砝码”都试探过为止。最后，所有留下的“电压砝码”加在一起，便是被转换电压的结果。逐次逼近式A/D转换器的工作原理图如图4 所示。它由电压比较器、转换器、逐次逼近寄存器、逻辑控制和输出缓冲锁存器等部分组成。图 4 逐次逼近式A/D的原理图当计算机发出“启动转换”命令时，SAR寄存器和输出缓冲器清零，故D/A输出也为零。此时控制电路先设定SAR中的最高位为“l”，其余位为“0”，此预测数据送往D/A转换器，转换成电压，然后和输人模拟电压在比较器中比较，若，说明预置结果正确，应予保留；若，则预置结果错误，应予清除。然后按上述方法继续对次高位及后续各位依次进行预置、比较和判断，决定该位是“1”还是“0”，直至确定SAR最低位为止。这个过程完成后，便发出转换结束信号。此时SAR寄存器从最高位到最低位都试探过一遍的最终值便是AD转换的结果。四、实验内容1、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：例如：数字量=0110011001 则=0，=1，=1，=0，=0，=1，=1，=0，=0，=1模拟量 2、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=（模拟量）/2 其中是基准电压为5V。例如：模拟量=1.0V 则数字量=（5.01.0）/（25.0）=409(十进制)五、实验步骤D/A转换 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 Cybernation_C或在计算机程序组中运行Cybernation_C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在实验课题下拉菜单中选择实验一D/A数模转换实验, 鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。5在弹出的参数窗口中填入想要变换的数字量，点击变换，在下面的文字框内将算出变换后的模拟量。6点击运行，在显示窗口观测采集到的模拟量。并将测量结果填入下表: 数字量 模拟量 理论值 实测值A/D转换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 Cybernation_C或在计算机程序组中运行Cybernation_C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.在实验课题下拉菜单中选择实验二A/D模数转换实验, 鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。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.点击运行，在显示窗口观测采集到的数字量。并将测量结果填入下表:模拟量数字量理论值实测值六、实验报告要求1画出数字量与模拟量的对应曲线。2计算出理论值，将其与实验结果比较，分析产生误差的原因。3画出模拟量与数字量的对应曲线。4计算出理论值，将其与实验结果比较，分析产生误差的原因。七、预习要求1熟悉数模转换的原理。2学习数模转换的转换方法。实验二 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、实验仪器设备1EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台2PC计算机一台三、实验内容按偏差的比例、积分和微分进行控制的调节器（简称为PID调节器、也称PID控制器）1系统结构图如 1图。图 1 系统结构图图中 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,图3-3对应。100k100k图 2 开环系统结构图1100k100k图 3 开环系统结构图23被控对象为“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 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 式中 , 不难看出PI调节器的增益，因此在改变时，同时改变了闭环增益，如果不想改变,则应相应改变。采用PID调节器相同。 6“II型”系统要注意稳定性。对于,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为 为使用环系统稳定，应满足0.1，即107PID递推算法 如果PID调节器输入信号为，其输送信号为,则离散的递推算法如下： 其中 采样周期观察PID调节器参数(比例控制系数、积分控制系数、微分控制参数）对控制性能的影响。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 Cybernation_C或在计算机程序组中运行Cybernation_C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.在实验课题下拉菜单中选择实验三数字PID控制, 鼠标单击实验课题将弹出实验课题参数设置窗口。5.输入参数, , （参考值=1, =0.02, =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, , 的数值和与其相对应的性能指标sp、ts的数值。 7.取满意的, , 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。检查无误后接通电源。 9.重复4-7步骤。 10.计算, , 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阶跃响应曲线五、实验报告要求 1画出所做实验的模拟电路图。 2当被控对象为时，取过渡过程为最满意时的时, , ,画出校正后的Bode图，查出相稳定裕量g和穿越频率wc。 3总结一种有效的选择, , 方法，以最快的速度获得满意的参数。六、预习要求1熟悉PID控制器系统的组成。2熟悉PID控制器的参数对系统稳定性的影响。七、PID软件流程图图中 为误差，为上一次的误差，为误差的累积和，是控制量实验三 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、实验仪器设备1EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台2PC计算机一台三、实验内容生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间。对象的纯滞后时间对控制系统的控制性能极为不利。它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。当对象的纯滞后时间与对象的惯性时间常数之比，即 时，采用常规的PID控制，很难获得良好的控制性能。因此，就用到大林算法。大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数，相当于一个延时环节和一个惯性环节相串联。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 T1=0.2 （2）纯延时环节的构成与传递函数 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 1 被控对象电路图 （3）被控对象的开环传函为： 2大林算法的闭环传递函数： =大林时间常数 3大林算法的数字控制器： 设 （被控对象时间常数） 闭环系统时间常数 =大林常数 四、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 Cybernation_C或在计算机程序组中运行Cybernation_C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选中 实验课题 大林常数 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。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）延迟时间大林常数五、实验报告要求 1分析开环系统下的阶跃响应曲线。 2画出闭环的阶跃响应曲线，并求出超调和响应时间。3分析大林时间常数对系统稳定性的影响。六、大林算法软件流程图图中 为误差，为上一次的误差，是控制量，是上一次的控制量，是上N+1次的控制量。实验四 电机调速一、实验目的1了解直流电机调速系统的特点。2研究采样周期T对系统特性的影响。3研究电机调速系统PID控制器的参数的整定方法。二、实验仪器设备1EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台2PC计算机一台3直流电机控制实验对象一台三、控制的基本原理 1系统结构图示于图81。图1 系统结构图图中 2系统的基本工作原理 整个电机调速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，主要完成速度采集、PID运算、产生控制电枢电压的控制电压，第二部分由传感器信号整形，控制电压功率放大等组成。电机速度控制的基本原理是：通过D/A输出-2.5v+2.5v的电压控制7812的输出，以达到控制直流电机电枢电压的目的。速度采集由一对红外发射、接收管完成，接收管输出脉冲的间隔反应了电机的转速。 第二部分电路原理图见附录。 3PID递推算法 ：如果PID调节器输入信号为，其输送信号为,则离散的递推算法如下：其中是误差累积和。四、实验内容 1、设定电机的速度在一恒定值。 2、调整P、I、D各参数观察对其有何影响。五、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 Cybernation_C或在计算机程序组中运行Cybernation_C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 20芯的扁平电缆连接实验箱和控制对象，检查无误后，接通实验箱电源。开环控制4 选中实验课题电机调速实验开环控制实验菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。在参数设置窗口设置给定电压，及电机控制对象的给定转速，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，观测波形的变化，记入下表：性能指标给定电压阶跃响应曲线%Tp（秒）Ts（秒）闭环控制6 选中实验课题电机调速实验闭环控制实验菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。在参数设置窗口设置电机控制对象的给定温度以及Ki、Kp、Kd值，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。7重复步骤6，改变PID参数，观测波形的变化，记入下表中：性能指标参数阶跃响应曲线%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd六、实验报告要求 1记录过渡过程为最满意时的, , 并画出其响应曲线。 2分析此情况下的超调量、响应时间及稳态误差。 3总结一种对电机控制系统有效的选择, , 方法，以最快的速度获得满意的参数。七、电机调速控制软件流程图图中 为误差，为上一次的误差，为误差的累积和，是控制量实验五 步进电机控制一、实验目的1了解步进电机的工作原理。2掌握步进电机的驱动及编程方法。二、实验仪器设备1EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台2PC计算机一台3步进电机控制实验对象一台三、步进电机的基本工作原理： 步进电机又叫脉冲电动机，它接受脉冲数字信号，每来一个脉冲，步进电动机就走一步。步进电动机分旋转式和直线式两类。步进电机多为永磁感应式，有两相、四相、六相等多种，实验所用电机为两相四拍式，通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转，驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速：图 1如图1所示，每相电流为0.2A,相电压为5V，两相四拍通电顺序如下： 相顺序ABCD01100101102001131001反方向旋转 正方向旋转表中，“1”代表通电，“0”代表断电，箭头向下代表正转，箭头向上代表反转。因此，只要把这张通电状态表放在存储器的某一区域，在驱动步进电机工作时，依次读取某一指定工作方式的通电状态字送到步进电动机驱动器即可。四、实验原理： 1让表示X轴方向的电机转动，表示X轴方向的位移，位移的多少由电位器转换成电压，由A/D采集后送入计算机作为X轴方向的实际位移。 2让表示Y轴方向的电机转动，表示Y轴方向的位移，位移的多少由电位器转换成电压，由A/D采集后送入计算机作为Y轴方向的实际位移。五、实验内容： 1、设定X、Y轴的起点和终点坐标，让步进电机在平面画出一条直线。 2、设定圆心坐标和半径，让步进电机在平面画出一个圆。 注意：X轴方向的范围：0199。Y轴方向的范围：0199。六、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 Cybernation_C或在计算机程序组中运行Cybernation_C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 20芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检查无误后，接通实验箱电源。4 选中实验课题步进电机菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。在参数设置窗口设置设置起点坐标、终点坐标值。点击确认在观测窗口观测指针的旋转方向和旋转格数是否和设置值一致。5 观测步进电机控制对象的指针旋转是否和软件的旋转一致。七、实验报告要求1说明步进电机的工作原理。2分析实际画出的曲线出现误差的原因。实验六 数字滤波器一、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、实验仪器设备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1 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2 系统开环结构图（3） 系统闭环结构图 图 3 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： 利用双线性变换得数字滤波器的递推公式： =采样周期 =超前时间常数 =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