精密測控技術(shù)與系統(tǒng)實驗指導書(最后版)

1、精密測控技術(shù)與系統(tǒng)實驗指導書靳斌 編西華大學電氣信息學院測控系二00五年八月編前 言精密測控技術(shù)與系統(tǒng)是測控專業(yè)本科生的一門專業(yè)課，學習本課程的目的在于地將前3年多所學知識，如數(shù)電、模電、c語言、單片機、傳感器、自動控制等門知識系統(tǒng)化的總結(jié)和應用，目的是使本科生學會系統(tǒng)化地學會應用這些知識，并且學會設計測控系統(tǒng)，尤其是精密測控系統(tǒng)。由于各行各業(yè)自動化程度提高對測控技術(shù)工程師的需求不斷增加，同時對測控工程師的設計能力、分析能力、實際動手能力要求越來越高。精密測控技術(shù)與系統(tǒng)作為微機系統(tǒng)系列課程的總結(jié)性課程，其實驗教學尤為重要，針對本學院的實際情況和教學目的，編寫了本課程的實驗指導書。由于這門課程是

2、第一次開設，實驗項目選取包括硬件、軟件、數(shù)據(jù)分析，因為測控專業(yè)的本科生在學習本課程時，也在學習智能儀器課程，因此軟件仿真平臺采用智能儀器采用的KEIL C。實驗中分別介紹了分立式FV變換，噪聲濾除，回歸分析，自動控制算法仿真，RS232在實驗中，要求學生在讀懂電路、參考程序的前提下，動腦動手，編寫程序，在原硬件線路基礎上實現(xiàn)新的功能。學生在完成每個實驗中，要求記錄實驗過程。在完成每個實驗后，要求分析實驗方法和結(jié)果，并要求總結(jié)出實驗的心得體會。 在編寫本書的過程中得到了電氣信息學院領(lǐng)導的大力支持，同時也得到了測控系同事們的幫助和關(guān)心，在此表示衷心地感謝! 編者2005.8.2目 錄第一部分 精密

3、測控技術(shù)與系統(tǒng)實驗指導書4實驗一：分立式VF變換器建立和數(shù)據(jù)記錄4實驗二：分立元件VF變換器數(shù)據(jù)處理實驗6實驗三：PID算法作用于一階慣性對象的數(shù)值仿真實驗9實驗四：分立式VF變換器的電路模擬12第二部分 實驗報告14實 驗 報 告(實驗 1 )15實 驗 報 告(實驗 2 )20實 驗 報 告(實驗 3 )23實 驗 報 告(實驗 4 )28第一部分 “精密測控技術(shù)與系統(tǒng)”實驗指導書 實驗一：分立式VF變換器建立和數(shù)據(jù)記錄一、實驗目的：1、 明白為什么用VF變換器。2、 掌握用實驗板搭建實驗單元電路的方法。3、 明白分立式VF變換器的原理。4、 采用不同頻率的輸入信號，記錄分立式V

4、F變換器的電壓輸出。二、實驗儀器設備：使用萬用表，YB1624功率信浩發(fā)生器，示波器，電阻，電容，三極管等。三、實驗內(nèi)容及步驟：1、按照圖1.1在插線板上建立分立式FV變換器。2、對照圖仔細1.1插線板插線是否正確，在老師確定后才可接通電源。3、把輸入端信號發(fā)生器，選用TTL檔，可調(diào)節(jié)信號頻率輸出，并用示波器觀察波形 。4、 電源電壓選在5V，用萬用表測量電壓。5、 改變頻率輸入（從50Hz開始，每次增加20Hz），用萬用表測量電壓并記錄。四、電路原理圖： 圖1.1 分立式VF變換器原理圖五、實驗結(jié)果（實驗數(shù)據(jù)）：1、 電路連接成功，向老師顯示電路。2、 改變輸入的信號頻率，測量輸出端電壓，并

5、記錄，至少30組數(shù)據(jù)。3、在坐標紙繪制輸入信號頻率和輸出電壓的的關(guān)系曲線。思考題：1、 測量二極管的導通壓降，三極管CE之間的飽和壓降，分析它們對頻率-電壓特性的影響， 用什么型號的二極管、三極管FV變換特性最好？2、 C1、C2、R1的取值，對FV變換特性有什么影響？實驗報告：參見實驗報告內(nèi)容進行。實驗二：分立元件VF變換器數(shù)據(jù)處理實驗一、實驗目的：掌握VF變換器的實驗數(shù)據(jù)的處理方法，用線性回歸法，判斷其線性度。掌握KEIL C 編程和uVersion 的調(diào)試技術(shù)，掌握線性回歸的編程方法。二、實驗原理：設定線形方程為： (1)0次系數(shù) (2)1次系數(shù) (3)線性相關(guān)系數(shù) (4)三、實驗儀器設

6、備：KAIL C 軟件 和 PC機。四、實驗內(nèi)容及步驟：1、打開uVersin 2開發(fā)編程環(huán)境和調(diào)試環(huán)境，COPY HELLO目錄進行修改程序。2、按照(2),(3),(4)式，編制程序，計算b0，b1，r。3、并且把計算的b0，b1代入(1)式，計算測量的輸出電壓與計算的輸出電壓的誤差。五、示例源程序#include <REG52.H> /* special function register declarations */ /* for the intended 8051 derivative */#include <stdio.h> /* prototype de

7、clarations for I/O functions */#include "math.h"#ifdef MONITOR51 /* Debugging with Monitor-51 needs */char code reserve 3 _at_ 0x23; /* space for serial interrupt if */#endif /* Stop Exection with Serial Intr. */ /* is enabled */*-The main C function. Program execution startshere after sta

8、ck initialization.-*/ float b0,b1,Gama,ThiGema;void main (void) float X32,Y32,Error32; int i,j; float xmean=0,ymean=0;/x輸入數(shù)據(jù) 頻率 均值,y 電壓輸出 均值 float x2mean=0,y2mean=0; /平方 的均值 float xy_sum=0; int N=9; float temp1=0,temp2=0,temp3=0;/*-Setup the serial port for 1200 baud at 16MHz.-*/#ifndef MONITOR51 SC

9、ON = 0x50; /* SCON: mode 1, 8-bit UART, enable rcvr */ TMOD |= 0x20; /* TMOD: timer 1, mode 2, 8-bit reload */ TH1 = 221; /* TH1: reload value for 1200 baud 16MHz */ TR1 = 1; /* TR1: timer 1 run */ TI = 1; /* TI: set TI to send first char of UART */#endif/手工輸入實驗數(shù)據(jù)X0=0, X1=1,X2=2,X3=3,X4=4,X5=5,X6=6,

10、X7=7,X8=8;Y0=0,Y1=10,Y2=20,Y3=30,Y4=40,Y5=50,Y6=60,Y7=70,Y8=80; for(i=0;i<N;i+) xmean +=Xi;ymean +=Yi;x2mean += Xi*Xi;y2mean += Yi*Yi;xy_sum += Xi*Yi; xmean /=N;ymean /=N; /平均值 x2mean /=N;y2mean /=N; /平方的平均值 b1 = ( xy_sum - N * xmean *ymean)/(N*x2mean - N *xmean*xmean); b0 = ymean - xmean * b1; f

11、or(j=0;j<N;j+) temp1 +=(Xi-xmean)*(Yi-ymean); temp2 +=(Xi-xmean)*(Xi-xmean); temp3 +=(Yi-ymean)*(Yi-ymean); Gama = temp1/(sqrt(temp2*temp3); temp1=0; for(i=0;i<N;i+) Errori = (b0+b1*Xi) - Yi;temp1 +=Errori*Errori; ThiGema = sqrt(temp1/(N-2); while (1) ;六、實驗結(jié)果（實驗數(shù)據(jù)）：1、編譯連接運行成功，向老師顯示計算結(jié)果。2、并將實驗結(jié)

12、果寫在實驗報告。七、實驗結(jié)果分析：1、 從線性相關(guān)系數(shù)說明什么？2、 從計算測量的輸出電壓與計算的輸出電壓的誤差，說明什么？思考題： 能否采用2次、3次曲線擬合實驗數(shù)據(jù)，精度會怎樣？實驗報告：參見實驗報告要求進行。實驗三：PID算法作用于一階慣性對象的數(shù)值仿真實驗一、實驗目的：掌握數(shù)值PID控制算法和1階慣性對象數(shù)值仿真算法。掌握Visual C+ 編程和調(diào)試技術(shù)，掌握PID控制算法的編程方法。二、實驗原理：1階慣性對象的傳遞函數(shù)為： (1)1階慣性對象的微分方程為： (2)1階慣性對象的差分方程為： (3)位置型PID差分公式為： (4) 圖3.1 控制流程圖三、實驗儀器設備：Visual

13、C+ 軟件 和 PC機。四、實驗內(nèi)容及步驟：1、打開Visual C+開發(fā)編程環(huán)境和調(diào)試環(huán)境，新建一個工程，按照示例程序進行編寫自己的程序。2、按照(3)式編制一階慣性環(huán)節(jié)的輸入輸出程序，按照(4)式編制PID控制算法的輸入輸出程序，。3、給定3組 PID參數(shù) ，計算y的變化并且繪制3條相應曲線。五、示例源程序int i; float Error_i=0,Pre_Error_i=0; /誤差 前一個誤差 float Y_i,Y_i_1; /溫度采集值，前一個溫度采集值 float U_i; /控制量 float P_p; /比例控制量 float P_i=0; /積分控制量 float P_d

14、; /微分控制量float K =0.5;/靜態(tài)增益float T =10; /慣性時間 單位：秒float Delat =3; /采樣間隔時間 單位：秒float Kp =2;/2; /比例系數(shù)float Ki =0.01;/0.01; /積分系數(shù)float Kd =3;/3; /微分系數(shù)float R =100 ; / 設定需求量float U1000,TT1000; /存儲控制量 和 溫度數(shù)據(jù) FILE *fp1,*fp2; fp1 =fopen("d:Ctr.dat","wt");fp2 =fopen("d:TT.dat",&

15、quot;wt"); Y_i=0; for(i=0;i<1000;i+) Error_i = R - Y_i; /最新 誤差 P_p = Kp * Error_i; / 比例 控制量 P_i += Ki * Error_i; /積分 控制量 P_d = Kd * ( Error_i - Pre_Error_i); /微分 控制量 U_i = P_p + P_i + P_d; /總 控制量 Y_i_1 = Y_i + (K *U_i- Y_i)*Delat/ T;/在 U_i 作用 下 1階慣性環(huán)節(jié) 輸出/ Ui = U_i;/ TTi =Y_i_1; Pre_Error_i =

16、 Error_i;/最新 誤差 存入 前1個 誤差 Y_i = Y_i_1; /最新溫度 存入 前1個 溫度/ printf("i= %d,Ui =%f ,TTi=%f n",i,Ui,TTi); / printf("i= %d,Ui =%f ,TTi=%f n",i,U_i,Y_i); fprintf(fp1,"%5.1f n",U_i); fprintf(fp2,"%5.1f n",Y_i); fclose (fp1); fclose(fp2);六、實驗結(jié)果（實驗數(shù)據(jù)）：1、編譯連接運行成功，向老師顯示計算結(jié)果

17、。2、并將實驗結(jié)果記錄在實驗報告。3、繪制溫度變化曲線。4、繪制控制量變化曲線。七、實驗結(jié)果分析：1、 從溫度變化曲線說明什么？2、 從控制量變化曲線說明什么？應該如何選擇PID參數(shù)？思考題： PID的各部分在控制中起什么作用？如何修改PID控制公式？實驗報告：參見實驗報告要求進行。實驗四：分立式VF變換器的電路模擬一、實驗目的：1、 明白為什么用VF變換器。2、 掌握用Protel 99 仿真實驗電路的方法。3、 明白分立式VF變換器的原理。4、 采用不同C1,C2,R1, 輸入頻率,輸入電壓，電源電壓，記錄分立式VF變換器的電壓輸出。二、實驗儀器設備：Protel 99軟件 和 計算機。三

18、、實驗內(nèi)容及步驟：1、Protel 99中建立 new Project。2、加載仿真庫 Design Explorer 99 SELibrarySchSim.ddb。3、按照圖4.1畫電路圖。4、 設定脈沖電源的的幅度，周期，占空比。設定電源電壓。5、按Simulate,中的Setup,選擇Transient/Fourier,選擇起始時間，結(jié)束時間，步長時間，按Run Analyse,開始仿真。6、采用不同C1,C2,R1, 輸入頻率,輸入電壓，電源電壓，記錄分立式VF變換器的電壓輸出。四、電路原理圖： 圖4.1 分立式VF變換器原理圖五、實驗結(jié)果（實驗數(shù)據(jù)）：1、電路連接成功，向老師顯示電路

19、。2、采用不同C1,C2,R1, 輸入頻率,輸入電壓，電源電壓，記錄分立式VF變換器的電壓輸出。3、在坐標紙繪制輸入信號頻率和輸出電壓的的關(guān)系曲線。思考題：1、 用實驗2的分析程序，做線性回歸分析。實驗報告：參見實驗報告內(nèi)容進行。第二部分 實驗報告 成績： 電氣信息學院實 驗 報 告(實驗 1 )課程名稱： 指導教師： 日期： 學生姓名： 專業(yè)： 班級： 學號： 實驗名稱：分立式VF變換器建立和數(shù)據(jù)記錄一、實驗預習：1、畫圖分析分立元件的FV變換器，實現(xiàn)FV變換的原理。2、寫出分立元件FV變換器的變換公式，并分析說明。二、實驗儀器設備：使用萬用表，YB1624功率信浩發(fā)生器，示波器，

20、電阻，電容，三極管等。三、實驗內(nèi)容及步驟：1、按照圖1.1在插線板上建立分立式FV變換器。2、對照圖仔細1.1插線板插線是否正確，在老師確定后才可接通電源。3、把輸入端信號發(fā)生器，選用TTL檔，可調(diào)節(jié)信號頻率輸出，并用示波器觀察波形 。 4、 電源電壓選在5V，用萬用表測量電壓。5、 改變頻率輸入（從50Hz開始，每次增加20Hz），用萬用表測量電壓并記錄。四、實驗結(jié)果（實驗數(shù)據(jù)）：1 電路連接成功，向老師顯示所連接的電路。3、 改變輸入信號頻率，測量輸出電壓。第1組數(shù)據(jù)：實驗條件：C10.1uR1 5KC210u二極管型號和導通壓降0.6V三極管的型號和導通壓降0.6V輸入信號的電壓幅度5.

21、4V電源電壓5.13V序號輸入頻率輸出電壓15089mv270125mv390161mv4110202mv5130242mv6150280mv7170316mv8190352mv9200384102504601130055412350652134007381445083415500936165501040176001134186501247197001355207501477218001587228501699239001823249501962251000209026105022202711002360281150248029120026003012502730311300286032135

22、02950271400307028145031602915003270301550334031160034203216503520第2組數(shù)據(jù)：C1R1C2二極管型號和導通壓降三極管的型號和導通壓降輸入信號的電壓幅度電源電壓序號輸入頻率輸出電壓1234567891011121314151617181920212223242526272829303132序號輸入頻率輸出電壓1718192021222324252627282930313217181920212223242526272829303132五、實驗結(jié)果分析：為什么采用不同的C1,C2,R1試驗數(shù)據(jù)不同。八、實驗心得體會：成績： 電氣信息學

23、院實 驗 報 告(實驗 2 )課程名稱： 指導教師： 日期： 學生姓名： 專業(yè)： 班級： 學號： 實驗名稱： 分立FV變換器相關(guān)性數(shù)據(jù)處理算法實驗一、實驗目的：掌握線性回歸處理算法。找到輸入頻率和輸出電壓的相關(guān)性。掌握KEIL C 編程和uVersion 的調(diào)試技術(shù)。二、線性回歸算法軟件清單： 三、實驗儀器設備：KAIL C 軟件系統(tǒng)和PC機。四、實驗內(nèi)容及步驟：1、打開uVersin 2開發(fā)編程環(huán)境和調(diào)試環(huán)境，COPY HELLO目錄進行修改程序。2、編譯連接，單步執(zhí)行指令。按F10鍵就可單步執(zhí)行語句。3、觀察“變量”窗口中各變量的變化，修改“變量”窗口中各變量。五、實驗結(jié)果（實驗數(shù)據(jù)）：1

24、、編譯連接運行成功，向老師顯示計算結(jié)果。2、記錄數(shù)值試驗的結(jié)果。b0= b1= r= 當采用上訴參數(shù)時，輸出電壓與計算的輸出電壓的誤差序號測量輸出電壓計算輸出電壓序號測量輸出電壓計算輸出電壓1172183194205216227238249251026112712281329143015311632七、實驗結(jié)果分析：1、從實驗數(shù)據(jù)說明輸入頻率和輸出電壓的線性度如何？有什么問題需要解決？八、實驗心得體會：成績： 電氣信息學院實 驗 報 告(實驗 3 )課程名稱： 指導教師： 日期： 學生姓名： 專業(yè)： 班級： 學號： 實驗名稱：PID算法作用于一階慣性對象的數(shù)值仿真實驗一、實驗目的：掌握PID算法，并用PID算法編制程序控制1階慣性對象。學習使用Visual C+調(diào)試程序二、實驗預習部分： 1寫出位置式PID公式的離散形式，并詳細解釋各部分的功能？2寫出1階慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。并寫出相應的微分方程和差分方程？3寫出在Visual C+ 環(huán)境建立項目的方法？ 增加菜單的方法？增加窗口函數(shù)的方法？三、寫出實現(xiàn)算法的軟件清單，并說明： 三、實驗儀器設備：Visual C+和PC機。四、實