第四章 計算機控制技術(shù)實驗

1、計算機控制技術(shù)實驗班級：電信131姓名：高博言學(xué)號：2013012427模/數(shù)轉(zhuǎn)換實驗一實驗?zāi)康?、 了解模/數(shù)轉(zhuǎn)換器A/D芯片ADC0809轉(zhuǎn)換性能及編程。2、 編制程序通過0809采樣輸入電壓并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量值。二實驗說明模/數(shù)轉(zhuǎn)換實驗框圖見圖4-2-1所示。圖4-2-1 模/數(shù)轉(zhuǎn)換實驗框圖模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（B8單元）提供IN4IN7端口，供用戶使用，其中IN4、IN5有效輸入電平為0V+5V，IN6和IN7為雙極性輸入接法，有效輸入電平為-5V+5V，有測孔引出。二實驗內(nèi)容及步驟 （1）將信號發(fā)生器（B1）的幅度控制電位器中心Y測孔，作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（B7）輸入信號：B1單元中的電位器左邊K3

2、開關(guān)撥下（GND），右邊K4開關(guān)撥上（+5V）。（2）測孔聯(lián)線：B1（Y）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器B7（IN4）（信號輸入）。（3）運行、觀察、記錄：運行LABACT程序，選擇微機控制菜單下的模/數(shù)轉(zhuǎn)換實驗項目，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后，在虛擬示波器屏幕上顯示出即時模/數(shù)轉(zhuǎn)換二進制碼及其對應(yīng)的電壓值；再次點擊開始，將繼續(xù)轉(zhuǎn)換及顯示，滿17次后回到原點顯示。屏幕上X軸表示模/數(shù)轉(zhuǎn)換的序號，Y軸表示該次模/數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。每次轉(zhuǎn)換后將在屏幕出現(xiàn)一個“*”，同時在“*”下顯示出模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的二進制碼及對應(yīng)的電壓值，所顯示的電壓值應(yīng)與輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元（B7）的輸入通道電壓相同。每轉(zhuǎn)換滿17次后，將自

3、動替代第一次值。輸入通道可由用戶自行選擇，默認值為IN4。 數(shù)/模轉(zhuǎn)換實驗一實驗?zāi)康?、 掌握數(shù)/模轉(zhuǎn)換器DAC0832芯片的性能、使用方法及對應(yīng)的硬件電路。2、 編寫程序控制D/A輸出的波形，使其輸出周期性的三角波。二實驗說明數(shù)/模轉(zhuǎn)換實驗框圖見圖4-1-1所示。圖4-1-1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換實驗框圖三實驗內(nèi)容及步驟在實驗中欲觀測實驗結(jié)果時，只要運行LABACT程序，選擇微機控制菜單下的數(shù)/模轉(zhuǎn)換實驗項目，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相應(yīng)源文件，可選用虛擬示波器（B3）單元的CH1測孔測量波形，詳見實驗指導(dǎo)書第二章虛擬示波器部分。測孔連線數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（B2）單元OUT2虛擬示波器

4、（B3）輸入端CH1（選X1檔）。4.3.1 采樣實驗一實驗?zāi)康?了解模擬信號到計算機控制的離散信號的轉(zhuǎn)換采樣過程。二、實驗內(nèi)容及步驟采樣實驗框圖構(gòu)成如圖4-3-1所示。本實驗將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元“方波輸出”作為采樣周期信號， 正弦波信號發(fā)生器單元（B5）輸出正弦波，觀察在不同的采樣周期信號對正弦波采樣的影響。圖4-3-1 采樣實驗框圖實驗步驟： （1）將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的正弦波輸出作為系統(tǒng)輸入，方波輸出作為系統(tǒng)采樣周期輸入。 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過上排右按鍵選擇“方波/正弦波”的指示燈亮，（B5）模塊“方波輸出”測孔和“正弦波輸出”測孔同時有輸出。方波的指示燈也亮，調(diào)

5、節(jié)B5單元的“設(shè)定電位器1”，使之方波頻率為80Hz左右（D1單元右顯示）。再按一次上排右按鍵，“正弦波”的指示燈亮（方波的指示燈滅），B5的量程選擇開關(guān)S2置上檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器2”，使之正弦波頻率為0.5Hz（D1單元右顯示）。調(diào)節(jié)B5單元的“正弦波調(diào)幅”電位器，使之正弦波振幅值輸出電壓= 2.5V左右（D1單元左顯示）。（3）構(gòu)造模擬電路：按圖4-3-1安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。1正弦波信號輸入B5（正弦波輸出SIN）B3（虛擬示波器）CH1（選X1檔）2采樣周期信號B5（方波輸出）B8輸入（IRQ6）（4）運行、觀察、記錄： 復(fù)核輸入信號：運行LABACT程序，選擇界面的“工具”

6、菜單選中“雙跡示波器”（Alt+W）項，彈出雙跡示波器的界面，點擊開始，用虛擬示波器觀察系統(tǒng)輸入信號（正弦波和方波）。 再運行LABACT程序，選擇微機控制菜單下的采樣和保持菜單下選擇采樣實驗項目，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相應(yīng)源文件，即可選用本實驗配套的虛擬示波器（B3）單元的CH1測孔測量波形 在顯示與功能選擇（D1）單元中，按上排右按鍵選擇“方波/正弦波”的指示燈亮，方波的指示燈也亮，調(diào)節(jié)B5單元的“設(shè)定電位器1”，慢慢降低采樣周期信號頻率，觀察輸出波形。四實驗報告要求：按下表記錄下各種頻率的采樣周期下的輸出波形。采樣周期（Hz）80604020105下列各圖是采樣周

7、期逐漸減小的波形：實驗總結(jié)：本次實驗我們了解了模擬信號到計算機控制的離散信號的轉(zhuǎn)換采樣過程。通過對不同的頻率采樣來看采樣頻率越高，采樣點數(shù)越密，所得離散信號就越逼近于原信號。采樣頻率過低，采樣點間隔過遠，則離散信號不足以反映原有信號波形特征，無法使信號復(fù)原，所以采樣的頻率對采樣信號的顯示的質(zhì)量是決定性因素。采樣頻率越高，越接近信號的真實形狀，頻率越低失真越嚴重。 同時還了解，保持器的功能，更形象的理解了保持器的功能的概念。做實驗要保證好系統(tǒng)穩(wěn)定的條件，如果特征方程的根都在左半s平面，即特征根都具有負實部，則系統(tǒng)穩(wěn)定。還要注意采樣周期t對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。4.5 數(shù)字PID控制實驗4.5.1 標

8、準PID控制算法一實驗要求1. 了解和掌握連續(xù)控制系統(tǒng)的PID控制的原理。2. 了解和掌握被控對象數(shù)學(xué)模型的建立。3. 了解和掌握數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制參數(shù)的工程整定方法。4. 觀察和分析在標準PID控制系統(tǒng)中，P.I.D參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。二實驗內(nèi)容及步驟 確立模型結(jié)構(gòu) 本實驗采用二個慣性環(huán)節(jié)串接組成實驗被控對象，T1=0.2S，T2=0.5S Ko=2。 被控對象參數(shù)的確認被控對象參數(shù)的確認構(gòu)成如圖4-5-10所示。本實驗將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元作為信號發(fā)生器，矩形波輸出（OUT）施加于被測系統(tǒng)的輸入端R，觀察矩形波從0V階躍到+2.5V時被控對象的響應(yīng)曲線。圖4-5-10 被控對象參數(shù)的

9、確認構(gòu)成實驗步驟：注：將S ST用短路套短接! 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 B5的量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度2秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 2.5V左右（D1單元右顯示）。 構(gòu)造模擬電路：按圖4-5-10安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A5S5，S7，S102A7S3，S7，S9，P3B5S-ST1輸入信號RB5（OUT）A5（H1）2運放級聯(lián)A5A（OUTA）A7（H1）3示波器聯(lián)接1檔B5（OUT）B3（CH1）

10、4A7A（OUTA）B3（CH2） 運行、觀察、記錄：A)先運行LABACT程序，選擇界面的“工具”菜單選中“雙跡示波器”（Alt+W）項，彈出雙跡示波器的界面，點擊開始，用虛擬示波器觀察系統(tǒng)輸入信號。圖4-5-11 被控對象響應(yīng)曲線B) 在圖4-5-112被控對象響應(yīng)曲線上測得t1和t2。通常取，從圖中可測得通常取，從圖中可測得 式中，=0.3，=0.7據(jù)上式確認和。，C) 求得數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制參數(shù)、（工程整定法）據(jù)上式求得數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制參數(shù)、Kp=1.28，Ti=0.36，Td=0.055 數(shù)字PID閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗數(shù)字PID閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗構(gòu)成見圖4-5-12，觀察和分析在標準

11、PID控制系統(tǒng)中，P.I.D參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響，分別改變P.I.D參數(shù)，觀察輸出特性，填入實驗報告，圖4-5-12 數(shù)字PID閉環(huán)控制系統(tǒng)實驗構(gòu)成實驗步驟：注：將S ST用短路套短接! 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 B5的量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度2秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 2.5V（D1單元右顯示）。 構(gòu)造模擬電路：按圖4-5-12安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A1S4，S82A2S1，S63A5S5，S7，S

12、104A7S3，S7，S9，P5B5S-ST1輸入信號RB5（OUT）A1（H1）2運放級聯(lián)A1（OUT）A2（H1）3送調(diào)節(jié)器輸入A2A（OUTA）B7（IN7）4調(diào)節(jié)器輸出B2（OUT2）A5（H1）5運放級聯(lián)A5A（OUTA）A7（H1）6負反饋A7A（OUTA）A2（H2）7中斷B5（S）B8（IRQ6）8鎖零B5（S） B8（A）9B8（/A） B8（IRQ5）10示波器聯(lián)接1檔B5（OUT）B3（CH1）11A7A（OUTA）B3（CH2）（3） 運行、觀察、記錄： 運行LABACT程序，選擇微機控制菜單下的數(shù)字PID控制實驗下的標準PID控制選項，會彈出虛擬示波器的界面，設(shè)置采樣

13、周期T=0.05秒,然后點擊開始后將自動加載相應(yīng)源文件，運行實驗程序。 在程序運行中，設(shè)置Kp=0.33，Ti=0.36，Td=0.055，然后點擊發(fā)送。 點擊停止，觀察實驗結(jié)果。 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制參數(shù)的修正采樣周期保持T=0.015秒，為了使系統(tǒng)的響應(yīng)速度加快，可增大比例調(diào)節(jié)的增益Kp（設(shè)Kp=2.4）；又為了使系統(tǒng)的超調(diào)不致于過大，犧牲一點穩(wěn)態(tài)控制精度，增加點積分時間常數(shù)Ti=0.5，微分時間常數(shù)Td不變，觀察實驗結(jié)果。實驗心得：通過本次試驗，我們對PID控制有了進一步的了解，PID控制即在一個控制系統(tǒng)中，采用比例積分控制，它能夠很好的描述一個閉環(huán)控制系統(tǒng)，在他的傳遞函數(shù)g（s）難以用

14、其他式子描述的情況。知道了怎樣用PID控制帶時延的一階或二階慣性環(huán)節(jié)的控制對象的模型的建立。建立好了模型才更容易進行廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)的取求，以及后續(xù)的PID的整定，以及對系統(tǒng)性能的影響的分析和研究。4.7 大林算法4.7.1 大林算法（L=2）一實驗?zāi)康?了解和掌握數(shù)字控制器的原理和直接設(shè)計方法。2了解和掌握用Z傳遞函數(shù)建立后向差分方程的方法。3完成對大林算法控制系統(tǒng)的設(shè)計及控制參數(shù)Ki、Pi的計算。4理解和掌握大林算法中有關(guān)振鈴產(chǎn)生的原因及消除的方法。5觀察和分析大林算法控制系統(tǒng)的輸出波形是否符合設(shè)計要求。二實驗內(nèi)容及步驟本實驗用于觀察和分析輸入為階躍信號時被測系統(tǒng)的大林算法控制特性。

15、大林算法的設(shè)計目標是設(shè)計一個數(shù)字調(diào)節(jié)器，使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個延遲環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，并期望整個閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間和被控對象的滯后時間相同，并且，純滯后時間與采樣周期是整數(shù)倍關(guān)系。振鈴現(xiàn)象是指數(shù)字控制器的輸出以接近1/2采樣頻率的頻率大幅度衰減振蕩。 確立被控對象模型結(jié)構(gòu) 本實驗采用二個慣性環(huán)節(jié)串接組成實驗被控對象，T1、T2分別為二個慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。 設(shè)T1=0.2S，T2=0.5S ，Ko=5，其傳遞函數(shù)為： 被控對象參數(shù)的確認這種被控對象在工程中普遍采用階躍輸入實驗辨識的方法確認T0和。圖4-7-1 被控對象參數(shù)的確認構(gòu)成實驗步驟：注：將S ST用短路套短接

16、! 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 B5的量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度2秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 2.5V左右（D1單元右顯示）。 構(gòu)造模擬電路：按圖4-7-1安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A3S3，S8，S9，10，2A5S5，S7，S103B5S-ST1輸入信號RB5（OUT）A5（H1）2運放級聯(lián)A5A（OUTA）A3（H1）3示波器聯(lián)接1檔B5（OUT）B3（CH1）4A3（OUT）B3（CH2） 運行、觀察

17、、記錄：A)先運行LABACT程序，選擇界面的“工具”菜單選中“雙跡示波器”（Alt+W）項，彈出雙跡示波器的界面，點擊開始，用虛擬示波器觀察系統(tǒng)輸入信號。圖4-7-2 被控對象響應(yīng)曲線 在圖4-7-2被控對象響應(yīng)曲線上測得t1和t2。按Yo()=2.5V：取，從圖中可測得；取，從圖中可測得。據(jù)上式確認和：To=0.567，。 確定采樣周期為用階躍輸入實驗辨識后的被控對象純滯后時間，為了簡化計算，設(shè)其為采樣周期T的整數(shù)倍，即=LT。由于，設(shè)L=2，則取采樣周期T0.08秒。 求取廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)T1=0.2S，T2=0.5S ，Ko=5，采樣周期T=0.08秒，求得廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)

18、： 注：在計算脈沖傳遞函數(shù)時，必須保證小數(shù)點后四位有效數(shù)，否則將影響控制精度，下同。 求取閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)設(shè)Tm=0.4，L=2 ，采樣周期T=0.08秒，求得閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖傳遞函數(shù)： 求取數(shù)字調(diào)節(jié)器D(Z)的脈沖傳遞函數(shù)數(shù)字調(diào)節(jié)器D(Z)的脈沖傳遞函數(shù)： 數(shù)字調(diào)節(jié)器的脈沖傳遞函數(shù)標準解析式 設(shè)計算機輸入為E(z)，輸出為U(z)），列出數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)標準解析式： 建立后向差分方程UK=KOEK + K1EK-1 + K2EK-2 + K3EK-3 - P1UK-1 - P2UK-2 - P3UK-3 式中EKEK-3為誤差輸入；UK-1UK-3為計算機輸出。（與取值范圍：2.

19、55+2.55）后向差分方程的各項系數(shù)： 大林算法控制實驗大林算法閉環(huán)控制系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-7-2所示。觀察矩形波從0V階躍到+2.5V時被測系統(tǒng)的控制特性。圖4-7-2 大林算法系統(tǒng)構(gòu)成實驗步驟：注：將S ST用短路套短接! 在顯示與功能選擇（D1）單元中，通過波形選擇按鍵選中矩形波（矩形波指示燈亮）。 B5的量程選擇開關(guān)S2置下檔，調(diào)節(jié)“設(shè)定電位器1”，使之矩形波寬度2秒（D1單元左顯示）。 調(diào)節(jié)B5單元的“矩形波調(diào)幅”電位器使矩形波輸出電壓= 2.5V左右（D1單元右顯示）。 構(gòu)造模擬電路：按圖4-5-16安置短路套及測孔聯(lián)線，表如下。（a）安置短路套 （b）測孔聯(lián)線模塊號跨接座號1A1S

20、4，S82A2S1，S63A3S2，S8，S9，S10，4A5S5，S7，S105B5S-ST1輸入信號RB5（OUT）A1（H1）2運放級聯(lián)A1（OUT）A2（H1）3送調(diào)節(jié)器輸入A2A（OUTA）B7（IN7）4調(diào)節(jié)器輸出B2（OUT2）A5（H1）5運放級聯(lián)A5A（OUTA）A3（H1）6負反饋A3（OUT）A2（H2）7中斷B5（S）B8（IRQ6）8鎖零B5（S） B8（A）9B8（/A） B8（IRQ5）10顯示B2（OUT2）B3（CH2）11A3（OUT） B3（CH1） 運行、觀察、記錄A、大林算法 運行LABACT程序，選擇微機控制菜單下的大林算法下的L=2選項，會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相應(yīng)源文件，運行實驗程序。 控制參數(shù)設(shè)定該實驗的顯示界面中已設(shè)定采樣周期 T=0.08S ，“計算公式”欄設(shè)定控制參數(shù)： 觀察被測系統(tǒng)輸入/數(shù)字調(diào)節(jié)器D(Z)的輸出時域特性從圖中可了解到數(shù)字調(diào)節(jié)器D(Z)對系統(tǒng)的輸入滯后了2拍（0.08秒2=0.16秒），及振鈴幅度。 觀察被測系統(tǒng)輸出/數(shù)字調(diào)節(jié)器D(Z)/系統(tǒng)的輸出時域特性從圖中可了解到校正后閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)