(完整word版)计算机控制技术实验报告_组

1、科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803实验一A/D 与 D/A 转换一、实验目的1通过实验了解实验系统的结构与使用方法；2通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二、实验设备1 THBCC-1 型 信号与系统?控制理论及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“ THBCC-1 ” )三、实验内容1输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；2在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换实验。四、实验原理1数据采集卡本实验台采用了

2、THBXD数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为±10V 、输出量程均为±5V 。该采集卡为用户提供4 路模拟量输入通道和2 路模拟量输出通道。其主要特点有：1) 支持USB1.1协议，真正实现即插即用2) 400KHz14 位 A/D 转换器，通过率为350K ， 12 位 D/A 转换器，建立时间10 s3) 4 通道模拟量输入和 2 通道模拟量输出4) 8k 深度的 FIFO 保证数据的完整性5) 8 路开关量输入， 8 路开关量输出2. AD/DA 转换原理数据采

3、集卡采用“ THBXD ” USB 卡，该卡在进行A/D 转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-10 10V 对应为 0 16383(A/D 转换为 14 位 )。其中0V 为 8192。其主要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入 )：输入AD 原始码 ( 二进AD 原始码 ( 十六进求补后的码 (十进制 )制 )制 )正满度01 1111 1111 11111FFF16383正满度 1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中间值（零点）00 0000 0000 000000008192负满度 +1LSB10 0000 0000 000120011负满度10 000

4、0 0000 000020000而 DA 转换时的数据转换关系为： -5 5V 对应为 0 4095(D/A 转换为 12 位) ，其数据格式 (双极性电压输出时 )为：输入D/A 数据编码正满度1111 1111 1111正满度 1LSB1111 1111 1110中间值（零点）1000 0000 0000负满度 +1LSB0000 0000 0001负满度0000 0000 0000科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803五、实验步骤1. 启动实验台的“电源总开关” ，打开± 5、± 15V 电源。将 “阶跃信号发生器” 单

5、元输出端连接到 “数据采集接口单元“的“ AD1 ”通道 ,同时将采集接口单元的“ DA1 ”输出端连接到接口单元的“ AD2 ”输入端；2、将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V ；3. 启动计算机，在桌面双击图标“ THBCC-1 ”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；4. 点击软件“系统”菜单下的“ AD/DA 实验”，在 AD/DA 实验界面上点击“开始”按钮，观测采集卡上 AD 转换器的转换结果，在输入电压为1V( 可以使用面板上的直流数字电压表进行测量)时应为00001100011101(共 14 位，其中后几位将处于实时刷新状态)。调节阶跃信号的大小，然后继续观察AD

6、 转换器的转换结果，并与理论值(详见实验原理 )进行比较；5. 根据 DA 转换器的转换规律(详见本实验附录) ，在 DA 部分的编辑框中输入一个十进制数据（如 2457，其范围为0 4095），然后虚拟示波器上观测DA 转换值的大小；6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验结果1、 A/D 转换结果AD二进制十进制DA十进制二进制0000101111010089482457100110011001000011000011018973341911010101101100001011110011894721841000100010000000101011101088904032

7、1111110000000000101110011089343958111101110110（ 1） 00001011110100科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 2012239108032、 D/A 转换结果、(2) 3958科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803实验二数字 PID 调节器算法的研究一、实验目的1学习并熟悉常规的数字PID 控制算法的原理；2学习并熟悉积分分离PID 控制算法的原理；3掌握具有数字PID 调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验设备1 THBCC-1 型 信号与系统?控制理

8、论及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“ THBCC-1 ” )三、实验内容1利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；2采用常规的PI 和 PID 调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能；3对系统采用积分分离PID 控制，并整定调节器的参数。四、实验原理在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是PID 控制器，它是按偏差的比例（ P）、积分（ I）、微分（D ）组合而成的控制规律。而数字PID 控制器则是由模拟PID 控制规

9、律直接变换所得。在 PID 控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积分，往往使之产生过大的超调量，这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进的PID 算法，如积分分离 PID 算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当控制量接近给定值时才将积分作用投入，以消除静差，提高控制精度。这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。五、实验步骤1、实验接线1.1 按图 4-1 和图 4-2 连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；图 4-1数 -模混合控制系统的方框图图 4-2被控二阶对象的模拟电路图被控对象的传递函数为：G(S)105(s1)( s

10、2)( s1)(0.5s1)1.2该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1 相连，电路的输入与数据采集卡的输出端DA1 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， 并将锁零单元的锁零按钮处于“解锁” 状态。科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 2012239108032、脚本程序运行2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-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“计算机控制算法计算机控制技术基础算法 数字 PID 调器算法”文件

11、夹下选中“位置式PID ”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；2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲线；2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，利用扩充响应曲线法 （参考本实验附录 4）整定 PID 控制器的 P、 I、 D 及系统采样时间 Ts 等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响；2.6 参考步骤 2.4、2.4 和 2.5，用同样的方法分别运行增量式 PID 和积分分离 PID 脚本程序， 并整定 PID 控制器的 P、 I、

12、D 及系统采样时间 Ts 等参数，然后观察参数的变化对系统动态性能的影响。另外在积分分离 PID 程序运行过程中，注意不同的分离阈值tem 对系统动态性能的影响；2.7 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验结果(a)位置式 PID 控制响应曲线科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803(b) 增量式 PID 控制响应曲线(c)积分分离PID 控制响应曲线科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803积分分离PID 控制算法与常规PID 控制算法相对比，通过实验结果可知：积分分离PID 控制算法

13、的控制效果要比常规PID控制算法控制效果控制效果要好。七、位置式PID控制算法的脚本程序dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op sub Initialize(arg)变量定义初始化函数WriteData 0 ,1mx=0pvx=0end subsub TakeOneStep (arg)pv = ReadData(1)sv=2K=0.8Ti=5Td=0Ts=0.1ei=sv-pvq0=K*eiif Ti=0thenmx=0q1=0elsemx=K*Ts*ei/Tiend ifq2=K*Td*(pvx-pv)/Tsq1=q1+mxif q1>4.9 t

14、henq1=4.9end ifif q1<-4.9 thenq1=-4.9end ifpvx=pvop=q0+q1+q2if op<=-4.9 thenop=-4.9end ifif op>=4.9 thenop=4.9end ifWriteData op ,1算法运行函数采集卡 AD1 通道的测量值给定值比例系数P积分时间常数I微分时间常数D采集周期控制偏差比例项当前积分项'微分项积分限幅，以防积分饱和 pvx为测量值的前项PID 控制器的输出输出值限幅输出值给 DA1 通道科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803end

15、 subsub Finalize (arg)退出函数WriteData 0 ,1end sub科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803实验三最少拍控制算法研究一、实验目的1学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；2研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；3熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。二、实验设备1 THBCC-1 型 信号与系统?控制理论及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“ THBCC-1 ” )三、实验内容1设计并实现具有

16、一个积分环节的二阶系统的最少拍控制。2设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波控制，并通过混合仿真实验，观察该闭环控制系统输出采样点间纹波的消除。四、实验原理在离散控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。最少拍系统，也称为最小调整时间系统或最快响应系统。它是指系统对应于典型的输入具有最快的响应速度，被控量能经过最少采样周期达到设定值，且稳态误差为定值。显然，这样对系统的闭环脉冲传递函数(z) 提出了较为苛刻的要求，即其极点应位于Z平面的坐标原点处。1最少拍控制算法计算机控制系统的方框图为：图 7-1 最少拍计算机控制原理方框图根据上述方框图可知，有限拍系统的闭环脉冲传递函数为：C(

17、z)D (z)HG( z)(z)(1)R( z)1D (z)HG(z)E1 (z)1(2)e (z)1 (z)R(z)1 D( z) HG(z)由 (1) 、 (2)解得：D( z)( z)e (z)HG( z)随动系统的调节时间也就是系统误差e1(kt ) 达到零或为一恒值所需的时间，由Z 变换定义可知：E1(Z )e1(kT )Z ke1 (0) e1 (T ) Z 1 e1(2T ) Z 2e1 (kT )Z kk 0科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803有限拍系统就是要求系统在典型的输入信号作用下，当KN 时， e1 (kT ) 恒为零或

18、恒为一常量。N 为尽可能小的正整数，为了实现这个目标，对不同的输入信号，必须选择不同的e ( z) 传递函数，由理论分析得：R( z)1e ( z)1z11 z1R( z)Tz 1e ( z)(1 z1)2(1z 1 ) 2R( z)T 2 z 1 (1 z 1 )e ( z) (1 z 1 )32(1z 1 ) 32等速输入下最小拍控制器的设计对于一二阶受控对象加零阶保持器后对象的传递函数为：1 e TSKHG (S)S(T1S 1)S选择采样周期T ，将上述传递函数离散后得HG( Z) K(T T1T1e T / T1 )Z 1(T1T1e T / T1Te T / T1 ) Z 2(3)

19、(1Z1 )(1 eT/T1Z 1)因为输入是单位斜坡信号，所以选择：e ( z) (1z 1 ) 2( z) 1e ( z) 2z 1z 2U (z)( z)(2Z1 )(1e T / T1 Z 1 )D( z)e (z)HG (z)KA (1Z 1)(1BZ 1)E( z)1 2 (1 2e T / T1 ) Z 1e T / T1 Z2(4)KA1( B1)Z 1BZ 2其中 A T T1e T / T1T1， B(T1T1e T / T1Te T / T1 ) / A由此可得等速输入下最少拍算法的控制量为u(k)=(1-B)u(k-1)+Bu(k-2)+2e(k )12e T / T1

20、e( k1)e T / T1e(k 2)(5)KAKAKA按等速输入下最少拍无差系统设计的控制器，在等速输入可使闭环系统的输出在第二拍（即两个采样周期）跟上，此后在采样点上达到无差。但对于其它典型输入的适应性较差。4等速输入下最小拍无纹波控制器的设计按最少拍无差系统设计，最多只能达到采样点上无偏差，而不能保证相邻两采样点间无纹波。最少拍无纹波设计，不仅要做到采样点上无偏差，而且要做到采样点间无纹波。根据式 (3) 以及等速输入下最少拍无纹波的条件，可以求得：(z)(1Bz 1 )( a1a2 z 1 )z 1科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803

21、1(z)(1z 1 ) 2 (1 bz 1 )两式联立求解得3B2， a2(2B1)， bB (B1)a12 B 1B 22 B 1B 22 B 1B 2所以有D( z)U ( z)(z)(1e T / T1 Z1 )(a1a2 z 1 )E( z)e ( z) HG (z)KA(1Z 1)(1bZ 1 )1 a1( a2a1e T / T1 )Z 1a2e T / T1 Z 2KA1(b1)Z 1bZ 2由此可得等速输入下最少拍无纹波的算法：a1a2a1eT /T1a2 eT /T1u (k)(1 b )u(k1)bu(k2)e( k)e(k 1)e(k 2)KAKAKA五、实验步骤1、实验

22、接线1.1 根据图 7-1 连接一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶被控对象的模拟电路；图 7-1二阶被控对象的模拟电路图实验系统被控对象的传递函数为：G(S)K0.5S(T1S1)S(S1)其中： R1=200K ， R2=100K ， R3=100K ， C1=10uF ，C2=10uF计算机控制系统的方框图为：图 7-2 最少拍计算机控制原理方框图1.2 用导线将该电路的输出端与数据采集卡的输入端“AD1 ”相连，电路的输入端与数据采集卡的输出端“ DA1 ”相连，数据采集卡的输出端“DA2 ”与输入端“ AD2 ”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，并将锁零单

23、元的锁零按钮处于“解锁” 状态。2、脚本程序运行2.1 启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1 ”，运行实验软件；2.2 点击虚拟示波器界面上的“”按钮对二阶被控对象的电路进行测试，分别测取惯性环节的放大系数、时间常数以及积分环节的积分时间常数；2.3 打开工具栏上的“” 按钮 (脚本编程器 )；在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“最少拍算法(有纹波 )”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 200ms；2.4 点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用

24、虚拟示波器观察图7-1 输出端与采集卡的输出端“ DA2 ”科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803的实验波形；2.5 点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，同时在窗口上点击“打开” 按钮， 在“计算机控制算法计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“最少拍算法(无纹波 )”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后在“脚本编辑器”窗口上点击“启动”按钮，用示波器观察图7-1输出端与采集卡的输出端“DA2 ”的实验波形；2.6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验结果1二阶被控对象的电路图。见图7-1二阶被控对象的模拟电路图2根据最少拍有纹

25、波控制的算法编写脚本程序。dim sv,pv,op,opx,opxx,ei,eix,eixx,Ts,A,B,k,Ti,x sub Initialize(arg)变量定义初始化函数WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2opx=0opxx=0eix=0eixx=0end subsub TakeOneStep (arg)算法运行函数pv = ReadData(1)采集卡 AD1 、2 通道的测量值sv=sv+0.03斜坡信号的产生Ts=0.2采集周期if sv>=4.8 thensv=4.8斜坡输出的最大值end ifei=sv-pv控制偏差Ti=1k=0.5C=exp(-T

26、s/Ti)A=Ts+Ti*C-TiB=(Ti-Ti*C-Ts*C)/Aop=(1-B)*opx+B*opxx+2*ei/(k*A)-(1+2*C)*eix/(k*A)+C*eixx/(k*A)控制输出值eixx=eixeix=eiopxx=opxopx=opif op<=-4.9 then输出值限幅op=-4.9end ifif op>=4.9 then科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803op=4.9end ifWriteData op ,1输出值给DA1 通道WriteData sv ,2斜坡信号给DA2 通道end subsub

27、 Finalize (arg)退出函数WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2end sub3最少拍有纹波、无纹波控制时系统输出响应曲线。(a)最少拍有纹波控制响应曲线科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803(b)最少拍无纹波控制响应曲线科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803实验四单闭环直流调速系统一、实验目的1掌握用PID 控制规律的直流调速系统的调试方法；2了解 PWM 调制、直流电机驱动电路的工作原理。二、实验设备1 THBCC-1 型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平

28、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“ THBCC-1 ” )三、实验原理直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅（晶闸管）。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的静摩擦等优点。PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理：1 PWM的工作原理图 13-1 PWM 的控

29、制电路上图所示为SG3525 为核心的控制电路，SG3525 是美国 Silicon General 公司生产的专用PWM 控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图13-2 所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur 的大小，在A 、B 两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180 度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。2功放电路直流电机PWM 输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V 的直流电压功放电路

30、驱动。3反馈接口在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感应输出。4直流电机控制系统如图 13-3 所示， 由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号， 经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较， 所得的差值按照一定的规律（通常为 PID ）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。科目：计算机控制技术实验班级：电气F1203姓名：徐晖学号： 201223910803图 13-2 SG3525 内部结构图 13-3直流电机控制系统四、实验步骤1、实验接线1.1用导线将直流电机单元24V

31、 的“ +” 输入端接到直流稳压电源24V 的“ +”端；1.2用导线将直流电机单元0 5V 的“ +”输入端接到数据采集卡的“DA1 ”的输出端，同时将 UO 的“+” (霍耳输出 )输出端接到数据采集卡的“AD1 ”处；1.3打开实验平台的电源总开关。2、脚本程序运行2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-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“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“直流电机”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50ms；2.3 点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察直流电机的运行情况。2.4 当直流电机的