《計(jì)算機(jī)控制技術(shù)》

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書班級：姓名： 學(xué)號：2016年10月14日實(shí)驗(yàn)一 A/D和D/A轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、本實(shí)驗(yàn)說明A/D和D/A的工作原理。 2、掌握原理的基礎(chǔ)上用編程方法實(shí)現(xiàn)A/D和D/A轉(zhuǎn)換。 3、掌握編程及實(shí)際調(diào)試的方法。二、實(shí)驗(yàn)所需部件： x86系列兼容計(jì)算機(jī)，MATLAB軟件。三、實(shí)驗(yàn)要求：1、弄清A/D，D/A轉(zhuǎn)換的工作原理。 2、輸入數(shù)字量，進(jìn)行D/A、A/D轉(zhuǎn)換，記錄輸出轉(zhuǎn)換后的模擬量值。3、記錄實(shí)驗(yàn)曲線，觀察結(jié)果。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理對D/A、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行軟件仿真。2、編寫轉(zhuǎn)換程序，實(shí)驗(yàn)過程中進(jìn)行調(diào)試。3、觀察記錄輸出的結(jié)果，與理論計(jì)算值相比較。五、實(shí)驗(yàn)

2、過程1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理對D/A、A/D轉(zhuǎn)換進(jìn)行軟件仿真。根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求設(shè)計(jì)的A/D和D/A轉(zhuǎn)換的仿真框圖。A/D轉(zhuǎn)換器是以ADC0809為模型設(shè)計(jì)的，有八路模擬信號通道選擇開關(guān)，內(nèi)部有抽樣、量化和編碼器。D/A轉(zhuǎn)換器是以DAC0832為模型設(shè)計(jì)的。工作過程為：八路模擬信號源通過選擇開關(guān)，選擇其中的一路模擬信號進(jìn)入A/D轉(zhuǎn)換器，在A/D轉(zhuǎn)換器中對模擬信號進(jìn)行抽樣、量化和編碼處理，輸出數(shù)字信號。數(shù)字信號再進(jìn)入D/A轉(zhuǎn)換器中，輸出模擬信號。A/D和D/A轉(zhuǎn)換的仿真框圖如圖1所示。圖1 A/D和D/A轉(zhuǎn)換的仿真框圖整個(gè)系統(tǒng)使用Simulink進(jìn)行仿真，仿真模型如下，具體的部件后面介紹。圖2 A/D和D/A

3、轉(zhuǎn)換的Simulink系統(tǒng)仿真模型圖3 基準(zhǔn)電壓為5V的ADC0809的Simulink仿真模型圖4 基準(zhǔn)電壓為5V的DAC0832的Simulink仿真模型2、A/D和D/A轉(zhuǎn)化中的主要功能模塊 模型中實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能模塊：圖5 A/D轉(zhuǎn)換中主要功能模塊Zero-Order Hold模塊完成的是對模擬信號的抽樣：抽樣定理指出：設(shè)一個(gè)連續(xù)模擬信號m(t)中的最高頻率fH ,則以間隔時(shí)間T1/2 fH 的周期性沖激脈沖對它抽樣時(shí)，m(t)將被這些抽樣值所完全確定?；謴?fù)原信號的條件是：f 2 fH。 Quantizer模塊的作用是對抽樣信號進(jìn)行量化。Integer to Bit Convert

4、er模塊的作用是進(jìn)行二進(jìn)制編碼。已知轉(zhuǎn)換器的基準(zhǔn)電壓為5V，位數(shù)為8位。將模擬電壓信號為0.421V抽樣、量化、編碼成二進(jìn)制數(shù)據(jù)，由于存在量化誤差，故 A/D轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制碼00010101。 模型中實(shí)現(xiàn)A/D轉(zhuǎn)換的功能模塊：圖6 D/A轉(zhuǎn)換中主要功能模塊Bit Integer to Converter模塊的作用是將二進(jìn)制碼轉(zhuǎn)換為模擬量。將上訴A/D轉(zhuǎn)換得到的二進(jìn)制碼00010101進(jìn)行模擬化。輸出的模擬量為0.4118V。3、8位和12位轉(zhuǎn)換器比較與輸入的0.421V進(jìn)行對比發(fā)現(xiàn)有了誤差，該誤差是量化引起的，如果A/D和D/A均采用12位則誤差會大大降低。將Constant8和Consta

5、nt10中的數(shù)據(jù)量改為819，并將Integer to Bit Converter模塊和Bit Integer to Converter模塊改為12位。則同樣的0.421V輸入，數(shù)字量輸出為0001 0101 1001，模擬量輸出為0.4212，精確度現(xiàn)在提高。圖7 12位轉(zhuǎn)換輸出結(jié)果4、輸入為正弦波時(shí)候的輸出結(jié)果同樣轉(zhuǎn)換器的位數(shù)為8位，圖8為輸入正弦波，圖9為輸出正弦波?？梢娸斎胼敵鲇忻黠@的誤差，就是上述所講的量化引起的。圖8 輸入正弦波圖9 輸出正弦波5、模塊參數(shù)設(shè)置Constant模塊1：Constan value設(shè)為18中的任意數(shù)字，開關(guān)信號通道作用；Constant模塊27：Cons

6、tan value設(shè)為05V中的任意數(shù)字，作為模擬量輸入；Constant模塊8、10：Constan value設(shè)為51。若設(shè)置轉(zhuǎn)換器為12位時(shí)，該值應(yīng)設(shè)為819；Zero-Order Hold模塊：Sample Time為1Quantizer模塊：Quantization interval為1；Treat as gain when linearizing使能；Integer to Bit Converter模塊：Number of bits per integer設(shè)為8；Buffer模塊：Output buffer size設(shè)為1；Buffer overlap設(shè)為0；Initial con

7、ditions設(shè)為0；Buffer1模塊：Output buffer size設(shè)為8；Buffer overlap設(shè)為0；Initial conditions設(shè)為0；Reshape模塊：Output dimensionality設(shè)為1-D array；Bit to Integer Converter模塊：Number of bits per integer設(shè)為8。六、心得體會實(shí)驗(yàn)二 控制系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、學(xué)習(xí)使用MATLAB命令對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真的方法。 2、掌握對系統(tǒng)中數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的方法以及數(shù)字濾波技術(shù)。 3、掌握編程及實(shí)際調(diào)試的方法。二、實(shí)驗(yàn)所需部件： x86系列兼容計(jì)算機(jī)

8、，MATLAB軟件。三、實(shí)驗(yàn)要求：1、建立如下圖所示一階系統(tǒng)控制模型并進(jìn)行系統(tǒng)仿真。2、數(shù)字濾波技術(shù)在控制系統(tǒng)中的實(shí)現(xiàn)。3、記錄實(shí)驗(yàn)結(jié)果并分析。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求建立一階系統(tǒng)控制模型。2、編寫程序，實(shí)驗(yàn)過程中數(shù)字濾波。3、觀察記錄輸出的結(jié)果。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄輸出數(shù)據(jù)和圖表并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。六、實(shí)驗(yàn)過程1、采用Simulink建立如圖所示一階系統(tǒng)控制模型并進(jìn)行系統(tǒng)仿真：一階系統(tǒng)控制Simulink仿真模型如圖1所示：由圖可知，一階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為GS=3S1+3S=3S+3，轉(zhuǎn)換為離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)并仿真。圖1 一階系統(tǒng)控制Simulink仿真模型觀察輸出結(jié)果輸入為階躍響應(yīng)時(shí)候，輸

9、入波形和輸出波形如圖1、2所示。圖2 階躍響應(yīng)輸入波形圖3 階躍響應(yīng)經(jīng)過系統(tǒng)后輸出波形可以看出經(jīng)過系統(tǒng)有，階躍響應(yīng)的高頻部分變得圓滑了。即該系統(tǒng)相當(dāng)于一階數(shù)字濾波器。2、使用Matlab程序，建立該一階系統(tǒng)控制模型并進(jìn)行系統(tǒng)仿真。MATLAB程序如下:%模型建立num=3; %傳遞函數(shù)分子den=1,3; %傳遞函數(shù)分母T=0.1; %采樣周期step(num,den)gs=tf(num,den) %傳遞函數(shù)模型建立gz=c2d(gs,T,'zoh') %轉(zhuǎn)化為離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)模型%模型特性figure(1);z,p,k=tf2zp(num,den) %求零極點(diǎn)pzmap(

10、gs) %零極點(diǎn)圖gridpzmap(gz) %零極點(diǎn)圖gridrlocus(gs) %根軌跡圖gridrlocus(gz) %根軌跡圖grid%時(shí)間響應(yīng)figure(2);impulse(gs) %單位脈沖響應(yīng)impulse(gz) %離散單位脈沖響應(yīng)step(gs) %單位階躍響應(yīng)step(gz) %離散單位階躍響應(yīng)% %頻率響應(yīng)figure(3);freqs(num,den) %頻率響應(yīng)freqz(num,den) %頻率響應(yīng)%closefigure(4);bode(gs) %波特圖bode(gz) %波特圖輸出結(jié)果為:建立傳遞函數(shù)模型gs和轉(zhuǎn)化為離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)模型gz如下；零極點(diǎn)

11、分布圖為：時(shí)間響應(yīng)和頻率響應(yīng)分別是：3、采用Simulink建立如圖所示二階系統(tǒng)控制模型并進(jìn)行系統(tǒng)仿真：一階系統(tǒng)控制Simulink仿真模型如圖4所示：由圖可知，一階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為GS=25S(S+4)1+25S(S+4)=25S2+4S+25，轉(zhuǎn)換為離散系統(tǒng)脈沖傳遞函數(shù)并仿真。圖4 二階系統(tǒng)控制Simulink仿真模型觀察輸出結(jié)果輸入為階躍響應(yīng)時(shí)候，輸入波形和輸出波形圖如5所示。圖5 階躍響應(yīng)經(jīng)過二階系統(tǒng)的輸入和輸出波形跟一階系統(tǒng)的輸出波形進(jìn)行對比，發(fā)現(xiàn)進(jìn)過二階系統(tǒng)的輸出波形具有衰減振蕩的瞬態(tài)過程。并且具有相對較高的超調(diào)量和較長的調(diào)整時(shí)間。查資料可知，二階系統(tǒng)引入速度反饋校正以后，可以減

12、小系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間，但有時(shí)會增大系統(tǒng)的上升時(shí)間。七、心得體會實(shí)驗(yàn)三 PID參數(shù)整定實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?1、研究PID控制器參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程影響。2、研究采樣周期T對系統(tǒng)特性影響。3、研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)穩(wěn)定誤差。二、實(shí)驗(yàn)所需部件： x86系列兼容計(jì)算機(jī)，MATLAB軟件。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖3.1所示。 圖3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖3.2 開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1（接地電阻1K） 開環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖如圖3.2和圖3.3所示，其中圖3.2對應(yīng)Gp1(s)，圖3.3對應(yīng)Gp2(s)。 圖3.3 開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2（接地電阻5K）被控對象Gp1(s)為“0型”系統(tǒng), 采用PI控制或PID控制

13、，可使系統(tǒng)變?yōu)椤癐型”系統(tǒng)，被控對象Gp2(s)為“I型”系統(tǒng)，采用PI控制或PID控制，可使系統(tǒng)變?yōu)椤癐I型”系統(tǒng)。當(dāng)r(t)=1(t)時(shí)（實(shí)際是方波），研究其過渡過程。四、實(shí)驗(yàn)步驟：1、啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行MATLAB軟件。2、使用MATLAB/Simulink 進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)。3、輸入?yún)?shù)Kp，Ki，Kd（參考值Kp=1，Ki=0.02，Kd=1）。4、參數(shù)設(shè)置完成, 點(diǎn)擊確認(rèn)后觀察響應(yīng)曲線。若不滿意，改變Kp，Ki，Kd的數(shù)值和與其相對應(yīng)的性能指標(biāo)pts的數(shù)值。5、取滿意的Kp，Ki，Kd值，觀察有無穩(wěn)態(tài)誤差。6、重復(fù)3-5步驟。7、計(jì)算Kp，Ki, Kd取不同的數(shù)值時(shí), 對應(yīng)的pTs的數(shù)值

14、，測量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線, 及時(shí)域性能指標(biāo)，記入下表中： 系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)參數(shù)pTsKpKiKd五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄輸出數(shù)據(jù)和圖表并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。六、實(shí)驗(yàn)過程1、設(shè)計(jì)被控對象Gp1S=50.5S+10.1S+1=100S+2S+10時(shí)候的PID系統(tǒng)Simulink仿真圖，如圖1所示。圖1 被控對象為Gp1(S)的Simulink仿真圖其中延時(shí)函數(shù)模塊為Gh(s)函數(shù)，這系統(tǒng)中設(shè)定延時(shí)時(shí)間為T=0.1，輸入信號為一階躍信號。2、 針對圖1中PID系統(tǒng)的PID參數(shù)整定過程：常用的參數(shù)整定方法有理論整定法和實(shí)驗(yàn)整定法兩類，其中常用的實(shí)驗(yàn)整定法由臨界比例度法、實(shí)驗(yàn)試湊法等。在此處選用臨界比例度法進(jìn)行整定

15、，臨界比例法又叫做Ziegler-Nichols法，是目前使用較廣的一種整定PID方法。實(shí)驗(yàn)步驟：1) 把PID調(diào)節(jié)器的積分環(huán)節(jié)和微分環(huán)節(jié)斷開(即設(shè)置Ki=Kd=0），將比例度置較大的數(shù)值，把系統(tǒng)投入閉環(huán)運(yùn)行，然后將調(diào)節(jié)器比例度Kp由大逐漸減小，得到等幅振蕩過程（輸出響應(yīng)為振蕩減弱時(shí)候增大Kp值，振蕩增強(qiáng)時(shí)候減小Kp值，來回幾次即可得到等幅振蕩輸出）。這時(shí)候的Kp叫做臨界比例度Kpcrit，兩個(gè)波峰之間的時(shí)間即為臨界振蕩周期Tcrit。2) 根據(jù)Kpcrit和Tcrit的值，運(yùn)用表1中的經(jīng)驗(yàn)公式，計(jì)算出調(diào)節(jié)器各個(gè)參數(shù)Kp、Ti和Td的值，再得出Kp、Ki和Kd的值。表1控制器KpTiTdP0.

16、5Kpcrit-PI0.45Kpcrit0.85Tcrit-PID0.6Kpcrit0.5Tcrit0.12Tcrit3) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果設(shè)置調(diào)節(jié)器的參數(shù)值。運(yùn)行之后，即可得到響應(yīng)曲線。最后通過微調(diào)Kp、Ki和Kd的值，令響應(yīng)曲線滿足系統(tǒng)要求。根據(jù)以上的步驟，調(diào)Kp為1.429時(shí)候得出的響應(yīng)曲線為：圖2 等幅振蕩圖將圖像的數(shù)據(jù)保存到Matlab數(shù)據(jù)工作區(qū)，從工作區(qū)中的ScopeData變量中可以看出曲線各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，故可得Kpcrit=1.429、Tcrit=0.623s。根據(jù)表1來對該系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行整定，結(jié)果如下。只進(jìn)行P參數(shù)時(shí)候，根據(jù)表1計(jì)算出的PID參數(shù)：Kp=0.7145、Ki=0

17、、Kd=0，響應(yīng)曲線如圖2-1。從圖中可以看出響應(yīng)曲線的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間都較大，故應(yīng)該對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。對計(jì)算出的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整之后（Kp=0.55、Ki=0、Kd=0）響應(yīng)曲線如圖2-2。圖2-1 理論P(yáng)參數(shù)調(diào)節(jié)圖2-2 調(diào)整后P參數(shù)調(diào)節(jié)只進(jìn)行PI參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)候，根據(jù)表1計(jì)算出的PID參數(shù)：Kp=0.6431、Ki=1.8884、Kd=0，響應(yīng)曲線如圖3-1。從圖中可以看出響應(yīng)曲線的超調(diào)量達(dá)到了70%，一般的系統(tǒng)允許的超調(diào)量為10%-20%之間，并且調(diào)節(jié)過程中的振蕩較多。故應(yīng)該對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。對計(jì)算出的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整之后（Kp=0.45、Ki=0.7、Kd=0）響應(yīng)曲線如圖3

18、-2，相比較可以看出，調(diào)整后的響應(yīng)曲線明顯地要好于沒有調(diào)整的，經(jīng)計(jì)算調(diào)整后的超調(diào)量僅為17.5%，調(diào)整時(shí)間也僅為2.5s。圖3-1 理論P(yáng)I參數(shù)調(diào)節(jié)圖3-2 調(diào)整后PI參數(shù)調(diào)節(jié)進(jìn)行PID參數(shù)調(diào)節(jié)時(shí)候，根據(jù)表1計(jì)算出的PID參數(shù)：Kp=0.8574、Ki=3.2103、Kd=0.0748，響應(yīng)曲線如圖4-1。從圖中可以看出響應(yīng)曲線的超調(diào)量達(dá)到了56%，同樣超調(diào)量太高。故應(yīng)該對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。對計(jì)算出的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整之后（Kp=0.86、Ki=0.95、Kd=0.07）響應(yīng)曲線如圖4-2，相比較可以看出，調(diào)整后的響應(yīng)曲線明顯地要好于沒有調(diào)整的，經(jīng)計(jì)算調(diào)整后的超調(diào)量僅為14%，調(diào)整時(shí)間也僅為

19、1.8s。PID調(diào)節(jié)后的響應(yīng)曲線的效果要好于PI調(diào)節(jié)過得。圖4-1 理論P(yáng)ID參數(shù)調(diào)節(jié)圖4-2 調(diào)整后PID參數(shù)調(diào)節(jié)將六種PID調(diào)節(jié)的參數(shù)和響應(yīng)曲線的指標(biāo)統(tǒng)計(jì)與下表中。其中數(shù)據(jù)中的超調(diào)量p和調(diào)整時(shí)間Ts，可以從ScopeData的數(shù)據(jù)中直接讀出。表2 PID整定數(shù)據(jù)表控制器KpKiKdpTs計(jì)算值P0.71450050%2.5s調(diào)整后P0.550018.75%2.5s計(jì)算值PI0.64311.8884069.5%5.1s調(diào)整后PI0.450.7017.5%2.5s計(jì)算值PID0.85743.21030.074856%2.3s調(diào)整后PID0.860.950.0714%1.8s3、設(shè)計(jì)被控對象Gp

20、2S=1S0.1S+1=10SS+10時(shí)候的PID系統(tǒng)Simulink仿真圖，如圖5所示。圖5 被控對象為Gp2(S)的Simulink仿真圖(1) 僅調(diào)節(jié)Kp值，使得輸出響應(yīng)曲線為等幅振蕩曲線。經(jīng)過調(diào)節(jié)的Kp=11.36時(shí)，輸出的響應(yīng)曲線為圖6：圖6 輸出等幅振蕩響應(yīng)曲線將圖像的數(shù)據(jù)保存到Matlab數(shù)據(jù)工作區(qū)，從工作區(qū)中的ScopeData變量中可以看出曲線各個(gè)點(diǎn)的數(shù)據(jù)，故可得Kpcrit=11.36、Tcrit=0.72s。根據(jù)表1來對該系統(tǒng)的PID參數(shù)進(jìn)行整定，結(jié)果如下。只進(jìn)行P參數(shù)時(shí)候，根據(jù)表1計(jì)算出的PID參數(shù)：Kp=5.68、Ki=0、Kd=0，響應(yīng)曲線如圖7（左）。從圖中可以看出響應(yīng)曲線的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間都較大，故應(yīng)該對PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整。對計(jì)算出的PID參數(shù)進(jìn)行調(diào)整之后（Kp=0.55、Ki=0、Kd=0）響應(yīng)曲線如圖7（右）。圖7 P參數(shù)調(diào)整前后響應(yīng)曲線（右為調(diào)