第四章 计算机控制技术实验

计算机控制技术实验 班级：电信131 姓名：高博言 学号：201301242 7 模/数转换实验 一．实验目的 1、 了解模/数转换器A/D芯片ADC0809转换性能及编程。 2、 编制程序通过0809采样输入电压并转换成数字量值。 二．实验说明 模/数转换实验框图见图4-2-1所示。 图4-2-1    模/数转换实验框图 模/数转换器（B8单元）提供IN4~IN7端口，供用户使用，其中IN4、IN5有效输入电平为0V～+5V，IN6和IN7为双极性输入接法，有效输入电平为-5V～+5V，有测孔引出。 二．实验内容及步骤 （1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为模/数转换器（B7）输入信号： B1单元中的电位器左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨上（+5V）。 （2）测孔联线：B1（Y）→模/数转换器B7（IN4）（信号输入）。 （3）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的模/数转换实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后，在虚拟示波器屏幕上显示出即时模/数转换二进制码及其对应的电压值；再次点击开始，将继续转换及显示，满17次后回到原点显示。 屏幕上X轴表示模/数转换的序号，Y轴表示该次模/数转换的结果。每次转换后将在屏幕出现一个“*”，同时在“*”下显示出模/数转换后的二进制码及对应的电压值，所显示的电压值应与输入到模/数转换单元（B7）的输入通道电压相同。每转换满17次后，将自动替代第一次值。输入通道可由用户自行选择，默认值为IN4。 数/模转换实验 一．实验目的 1、 掌握数/模转换器DAC0832芯片的性能、使用方法及对应的硬件电路。 2、 编写程序控制D/A输出的波形，使其输出周期性的三角波。 二．实验说明 数/模转换实验框图见图4-1-1所示。 图4-1-1  数/模转换实验框图 三．实验内容及步骤 在实验中欲观测实验结果时，只要运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的数/模转换实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，可选用虚拟示波器 （B3）单元的CH1测孔测量波形，详见实验指导书第二章虚拟示波器部分。 测孔连线 数/模转换器（B2）单元OUT2→虚拟示波器（B3）输入端CH1（选X1档）。 4.3.1 采样实验 一．实验目的   了解模拟信号到计算机控制的离散信号的转换—采样过程。 二、实验内容及步骤 采样实验框图构成如图4-3-1所示。本实验将函数发生器（B5）单元“方波输出”作为采样周期信号， 正弦波信号发生器单元（B5）输出正弦波，观察在不同的采样周期信号对正弦波采样的影响。 图4-3-1 采样实验框图 实验步骤： （1）将函数发生器（B5）单元的正弦波输出作为系统输入，方波输出作为系统采样周期输入。 ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过上排右按键选择“方波/正弦波”的指示灯亮，（B5）模块“方波输出”测孔和“正弦波输出”测孔同时有输出。‘方波’的指示灯也亮，调节B5单元的“设定电位器1”，使之方波频率为80Hz左右（D1单元右显示）。 ②再按一次上排右按键，“正弦波”的指示灯亮（‘方波’的指示灯灭），B5的量程选择开关S2置上档，调节“设定电位器2”，使之正弦波频率为0.5Hz（D1单元右显示）。调节B5单元的“正弦波调幅”电位器，使之正弦波振幅值输出电压= 2.5V左右（D1单元左显示）。 （3）构造模拟电路：按图4-3-1安置短路套及测孔联线，表如下。 1 正弦波信号输入 B5（正弦波输出SIN）→B3（虚拟示波器）CH1（选X1档） 2 采样周期信号 B5（方波输出）→B8输入（IRQ6） （4）运行、观察、记录： ① 复核输入信号：运行LABACT程序，选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”（Alt+W）项，弹出双迹示波器的界面，点击开始，用虚拟示波器观察系统输入信号（正弦波和方波）。 ② 再运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择采样实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，即可选用本实验配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形 ③ 在显示与功能选择（D1）单元中，按上排右按键选择“方波/正弦波”的指示灯亮，‘方波’的指示灯也亮，调节B5单元的“设定电位器1”，慢慢降低采样周期信号频率，观察输出波形。 四．#实验#要求： 按下表记录下各种频率的采样周期下的输出波形。 采样周期（Hz） 80 60 40 20 10 5 下列各图是采样周期逐渐减小的波形： 实验：本次实验我们了解了模拟信号到计算机控制的离散信号的转换采样过程。通过对不同的频率采样来看采样频率越高，采样点数越密，所得离散信号就越逼近于原信号。采样频率过低，采样点间隔过远，则离散信号不足以反映原有信号波形特征，无法使信号复原，所以采样的频率对采样信号的显示的质量是决定性因素。采样频率越高，越接近信号的真实形状，频率越低失真越严重。         同时还了解，保持器的功能，更形象的理解了保持器的功能的概念。做实验要保证好系统稳定的条件，如果特征方程的根都在左半s平面，即特征根都具有负实部，则系统稳定。还要注意采样周期t对系统稳定性的影响。 4.5 数字PID控制实验 4.5.1 标准PID控制算法 一．实验要求 1. 了解和掌握连续控制系统的PID控制的原理。 2. 了解和掌握被控对象数学模型的建立。 3. 了解和掌握数字PID调节器控制参数的工程整定方法。 4. 观察和在标准PID控制系统中，P.I.D参数对系统性能的影响。 二．实验内容及步骤 ⑴ 确立模型结构   本实验采用二个惯性环节串接组成实验被控对象，T1=0.2S，T2=0.5S  Ko=2。               ⑵ 被控对象参数的确认 被控对象参数的确认构成如图4-5-10所示。本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器，矩形波输出（OUT）施加于被测系统的输入端R，观察矩形波从0V阶跃到+2.5V时被控对象的响应曲线。 图4-5-10    被控对象参数的确认构成 实验步骤：注：将‘S ST’用‘短路套’短接! ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ② B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度>2秒（D1单元左显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V左右（D1单元右显示）。 ④ 构造模拟电路：按图4-5-10安置短路套及测孔联线，表如下。 （a）安置短路套                  （b）测孔联线 模块号 跨接座号 1 A5 S5，S7，S10 2 A7 S3，S7，S9，P 3 B5 ‘S-ST’ 1 输入信号R B5（OUT）→A5（H1） 2 运放级联 A5A（OUTA）→A7（H1） 3 示波器联接 ×1档 B5（OUT）→B3（CH1） 4 A7A（OUTA）→B3（CH2） ⑤ 运行、观察、记录： A)先运行LABACT程序，选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”（Alt+W）项，弹出双迹示波器的界面，点击开始，用虚拟示波器观察系统输入信号。 图4-5-11    被控对象响应曲线 B) 在图4-5-112被控对象响应曲线上测得t1和t2。 通常取，从图中可测得 通常取，从图中可测得     式中，=0.3，=0.7 据上式确认和。， C) 求得数字PID调节器控制参数、、（工程整定法） 据上式求得数字PID调节器控制参数、、 Kp=1.28，Ti=0.36，Td=0.055 ⑶ 数字PID闭环控制系统实验 数字PID闭环控制系统实验构成见图4-5-12，观察和分析在标准PID控制系统中，P.I.D参数对系统性能的影响，分别改变P.I.D参数，观察输出特性，填入实验报告， 图4-5-12    数字PID闭环控制系统实验构成 实验步骤：注：将‘S ST’用‘短路套’短接! ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ② B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度≥2秒（D1单元左显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V（D1单元右显示）。 ④ 构造模拟电路：按图4-5-12安置短路套及测孔联线，表如下。 a）安置短路套                        （b）测孔联线 模块号 跨接座号 1 A1 S4，S8 2 A2 S1，S6 3 A5 S5，S7，S10 4 A7 S3，S7，S9，P 5 B5 ‘S-ST’ 1 输入信号R B5（OUT）→A1（H1） 2 运放级联 A1（OUT）→A2（H1） 3 送调节器输入 A2A（OUTA）→B7（IN7） 4 调节器输出 B2（OUT2）→A5（H1） 5 运放级联 A5A（OUTA）→A7（H1） 6 负反馈 A7A（OUTA）→A2（H2） 7 中断 B5（S）→B8（IRQ6） 8 锁零 B5（S）→ B8（A） 9 B8（/A）→ B8（IRQ5） 10 示波器联接 ×1档 B5（OUT）→B3（CH1） 11 A7A（OUTA）→B3（CH2） （3） 运行、观察、记录： ① 运行LABACT程序，选择 微机控制菜单下的数字PID控制实验下的标准PID控制选项，会弹出虚拟示波器的界面，设置采样周期T=0.05秒,然后点击开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。 ② 在程序运行中，设置Kp=0.33，Ti=0.36，Td=0.055，然后点击发送。 ③ 点击停止，观察实验结果。 ⑷ 数字PID调节器控制参数的修正 采样周期保持T=0.015秒，为了使系统的响应速度加快，可增大比例调节的增益Kp（设Kp=2.4）；又为了使系统的超调不致于过大，牺牲一点稳态控制精度，增加点积分时间常数Ti=0.5，微分时间常数Td不变，观察实验结果。 实验：通过本次试验，我们对PID控制有了进一步的了解，PID控制即在一个控制系统中，采用比例积分控制，它能够很好的描述一个闭环控制系统，在他的传递函数g（s）难以用其他式子描述的情况。知道了怎样用PID控制带时延的一阶或二阶惯性环节的控制对象的模型的建立。建立好了模型才更容易进行广义对象的脉冲传递函数的取求，以及后续的PID的整定，以及对系统性能的影响的分析和研究。 4.7  大林算法 4.7.1  大林算法（L=2） 一．实验目的 1．了解和掌握数字控制器的原理和直接设计方法。 2．了解和掌握用Z传递函数建立后向差分方程的方法。 3．完成对大林算法控制系统的设计及控制参数Ki、Pi的计算。 4．理解和掌握大林算法中有关振铃产生的原因及消除的方法。 5．观察和分析大林算法控制系统的输出波形是否符合设计要求。 二．实验内容及步骤 本实验用于观察和分析输入为阶跃信号时被测系统的大林算法控制特性。     大林算法的设计目标是设计一个数字调节器，使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节的串联，并期望整个闭环系统的纯滞后时间和被控对象的滞后时间相同，并且，纯滞后时间与采样周期是整数倍关系。 振铃现象是指数字控制器的输出以接近1/2采样频率的频率大幅度衰减振荡。 ⑴ 确立被控对象模型结构     本实验采用二个惯性环节串接组成实验被控对象，T1、T2分别为二个惯性环节的时间常数。 设T1=0.2S，T2=0.5S ，Ko=5，其传递函数为：              ⑵ 被控对象参数的确认 这种被控对象在工程中普遍采用阶跃输入实验辨识的方法确认T0和。 图4-7-1    被控对象参数的确认构成 实验步骤：注：将‘S ST’用‘短路套’短接! ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ② B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度>2秒（D1单元左显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V左右（D1单元右显示）。 ④ 构造模拟电路：按图4-7-1安置短路套及测孔联线，表如下。 （a）安置短路套                        （b）测孔联线 模块号 跨接座号 1 A3 S3，S8，S9，10， 2 A5 S5，S7，S10 3 B5 ‘S-ST’ 1 输入信号R B5（OUT）→A5（H1） 2 运放级联 A5A（OUTA）→A3（H1） 3 示波器联接 ×1档 B5（OUT）→B3（CH1） 4 A3（OUT）→B3（CH2） ⑤ 运行、观察、记录： A)先运行LABACT程序，选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”（Alt+W）项，弹出双迹示波器的界面，点击开始，用虚拟示波器观察系统输入信号。 图4-7-2    被控对象响应曲线 在图4-7-2被控对象响应曲线上测得t1和t2。按Yo(∞)=2.5V： 取，从图中可测得； 取，从图中可测得。 据上式确认和：To=0.567，。 ⑶ 确定采样周期 τ为用阶跃输入实验辨识后的被控对象纯滞后时间，为了简化计算，设其τ为采样周期T的整数倍，即τ=LT。由于，设L=2，则取采样周期T≈0.08秒。 ⑷ 求取广义对象的脉冲传递函数 T1=0.2S，T2=0.5S ，Ko=5，采样周期T=0.08秒，求得广义对象的脉冲传递函数：                 注：在计算脉冲传递函数时，必须保证小数点后四位有效数，否则将影响控制精度，下同。 ⑸ 求取闭环系统的脉冲传递函数 设Tm=0.4，L=2 ，采样周期T=0.08秒，求得闭环系统的脉冲传递函数：                                     ⑹求取数字调节器D(Z)的脉冲传递函数 数字调节器D(Z)的脉冲传递函数： ⑺ 数字调节器的脉冲传递函数标准解析式 设计算机输入为E(z)，输出为U(z)），列出数字控制器的脉冲传递函数标准解析式：                   ⑻ 建立后向差分方程 UK=KOEK + K1EK-1 + K2EK-2 + K3EK-3 - P1UK-1 - P2UK-2 - P3UK-3      式中EK~EK-3为误差输入；UK-1~UK-3为计算机输出。（与取值范围：－2.55~+2.55） 后向差分方程的各项系数： ⑼ 大林算法控制实验 大林算法闭环控制系统构成如图4-7-2所示。观察矩形波从0V阶跃到+2.5V时被测系统的控制特性。 图4-7-2  大林算法系统构成 实验步骤：注：将‘S ST’用‘短路套’短接! ① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。 ② B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度>2秒（D1单元左显示）。 ③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V左右（D1单元右显示）。 ④ 构造模拟电路：按图4-5-16安置短路套及测孔联线，表如下。 （a）安置短路套                        （b）测孔联线 模块号 跨接座号 1 A1 S4，S8 2 A2 S1，S6 3 A3 S2，S8，S9，S10， 4 A5 S5，S7，S10 5 B5 ‘S-ST’ 1 输入信号R B5（OUT）→A1（H1） 2 运放级联 A1（OUT）→A2（H1） 3 送调节器输入 A2A（OUTA）→B7（IN7） 4 调节器输出 B2（OUT2）→A5（H1） 5 运放级联 A5A（OUTA）→A3（H1） 6 负反馈 A3（OUT）→A2（H2） 7 中断 B5（S）→B8（IRQ6） 8 锁零 B5（S）→ B8（A） 9 B8（/A）→ B8（IRQ5） 10 显示 B2（OUT2）→B3（CH2） 11 A3（OUT）→ B3（CH1） ⑤ 运行、观察、记录 A、大林算法 ① 运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的大林算法下的L=2选项，会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序。 ② 控制参数设定 该实验的显示界面中已设定采样周期 T=0.08S ， “计算”栏设定控制参数： ③ 观察被测系统输入/数字调节器D(Z)的输出时域特性 从图中可了解到数字调节器D(Z)对系统的输入滞后了2拍（0.08秒×2=0.16秒），及振铃幅度。 ④ 观察被测系统输出/数字调节器D(Z)/系统的输出时域特性 从图中可了解到校正后闭环系统的时间常数=0.4秒，无超调，符合设计要求。 B、振铃消除 ⑴．找出数字调节器D(Z)左半平面的极点： 令左半平面的极点的Z=1，使之消除振铃现象，可得下式：     可列出后向差分方程的各项系数： ⑵．大林算法闭环控制系统实验构成如图4-7-2所示，构造模拟电路同上。 、  ⑶． 运行、观察、记录： 同上运行实验程序。     控制参数设定：该实验的显示界面中已设定采样周期 T=0.08S ， “计算公式”栏设定控制参数： ① 观察被测系统输入/数字调节器D(Z)的输出时域特性 从图中可了解到数字调节器D(Z)对系统的输入滞后了2拍（0.08秒×2=0.16秒），及振铃幅度大大减小。 ② 观察被测系统输出/数字调节器D(Z)/系统的输出时域特性 从图中可了解到校正后闭环系统的时间常数=0.44秒，略有增加，並略有超调。 实验心得：在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则,在老师讲解时就会听不懂,这将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间.比如做应变片的实验,你要清楚电桥的各种接法,如果你不清楚,在做实验时才去摸索,这将使你极大地浪费时间,使你事倍功半.做实验时,一定要亲力亲为,务必要将每个步骤,每个细节弄清楚,弄明白,实验后,还要复习,思考,这样,你的印象才深刻,记得才牢固,否则,过后不久你就会忘得一干二净,这还不如不做.做实验时,老师还会根据自己的亲身体会,将一些课本上没有的知识教给我们,拓宽我们的眼界,使我们认识到这门课程在生活中的应用是那么的广泛.          通过这次测试技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅