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：2013012427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。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）。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。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．实验报告要求：按下表记录下各种频率的采样周期下的输出波形。下列各图是采样周期逐渐减小的波形：采样周期（Hz）80604020105图4-3-1采样实验框图实验总结：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.观察和分析在标准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=0.5SKo=2。SeTKsG1S110.2S21S5.01)(000⑵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‘SST’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）。②B5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1A5S5，S7，S102A7S3，S7，S9，P3B5‘S-ST’1输入信号RB5（OUT）→A5（H1）2运放级联A5A（OUTA）→A7（H1）3示波器联接×1档B5（OUT）→B3（CH1）4A7A（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）(3.0)(010YtY，从图中可测得0.36S1t通常取）(7.0)(020YtY，从图中可测得0.84S2t0.84730.3567t-1.204t)]t(y1[ln-)]t(y1[ln)]t(y1[lnt)]t(y1[nt0.8473tt)]t(y1[ln-)]t(y1[lnttT212010201102122010120式中，)t(y10=0.3，)t(y20=0.7据上式确认0T和。ST567.00，S158.0C)求得数字PID调节器控制参数PK、IT、DT（工程整定法）)/0.2(1)/0.37()/0.6(1)/0.5()/2.5(]27.0)/(35.1[10000200000TTTTTTTTTTKKDIP据上式求得数字PID调节器控制参数PK、IT、DTKp=1.28，Ti=0.36，Td=0.055⑶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‘SST’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）。②B5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（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。模块号跨接座号1A1S4，S82A2S1，S63A5S5，S7，S104A7S3，S7，S9，P5B5‘S-ST’1输入信号RB5（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）9B8（/A）→B8（IRQ5）10示波器联接×1档B5（OUT）→B3（CH1）11A7A（OUTA）→B3（CH2）实验心得：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：10.2S51S5.01)(0sG⑵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‘SST’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）。②B5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