計算機控制技術(shù)實驗報告報告

1、 .實驗一 A/D與D/A轉(zhuǎn)換一、實驗?zāi)康?通過實驗了解實驗系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與使用方法；2通過實驗了解模擬量通道中模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換的實現(xiàn)方法。二、實驗設(shè)備1THBCC-1型 信號與系統(tǒng)控制理論及計算機控制技術(shù)實驗平臺2THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機1臺(含軟件“THBCC-1”)三、實驗容1輸入一定值的電壓，測取模數(shù)轉(zhuǎn)換的特性，并分析之；2在上位機輸入一十進制代碼，完成通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換實驗。四、實驗原理1數(shù)據(jù)采集卡本實驗臺采用了THBXD數(shù)據(jù)采集卡。它是一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，卡上裝有14Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和12Bit分辨率的D/A

2、轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換器的輸入量程均為±10V、輸出量程均為±5V。該采集卡為用戶提供4路模擬量輸入通道和2路模擬量輸出通道。其主要特點有：1) 支持USB1.1協(xié)議，真正實現(xiàn)即插即用2) 400KHz14位A/D轉(zhuǎn)換器，通過率為350K，12位D/A轉(zhuǎn)換器，建立時間10s3) 4通道模擬量輸入和2通道模擬量輸出4) 8k深度的FIFO保證數(shù)據(jù)的完整性5) 8路開關(guān)量輸入，8路開關(guān)量輸出2. AD/DA轉(zhuǎn)換原理數(shù)據(jù)采集卡采用“THBXD”USB卡，該卡在進行A/D轉(zhuǎn)換實驗時，輸入電壓與二進制的對應(yīng)關(guān)系為：-1010V對應(yīng)為016383(A/D轉(zhuǎn)換為14位)。其中0V為8192。其主

3、要數(shù)據(jù)格式如下表所示(采用雙極性模擬輸入)： 輸入AD原始碼(二進制)AD原始碼(十六進制)求補后的碼(十進制)正滿度01 1111 1111 11111FFF16383正滿度1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中間值（零點）00 0000 0000 000000008192負滿度+1LSB10 0000 0000 000120011負滿度10 0000 0000 000020000 而DA轉(zhuǎn)換時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：-55V對應(yīng)為04095(D/A轉(zhuǎn)換為12位)，其數(shù)據(jù)格式(雙極性電壓輸出時)為： 輸入D/A數(shù)據(jù)編碼正滿度1111 1111 1111正滿度1LSB1111

4、 1111 1110中間值（零點）1000 0000 0000負滿度+1LSB 0000 0000 0001負滿度0000 0000 0000五、實驗步驟1. 啟動實驗臺的“電源總開關(guān)”，打開±5、±15V電源。將“階躍信號發(fā)生器”單元輸出端連接到“數(shù)據(jù)采集接口單元“的“AD1”通道,同時將采集接口單元的“DA1”輸出端連接到接口單元的“AD2”輸入端；2、將“階躍信號發(fā)生器”的輸入電壓調(diào)節(jié)為1V；3. 啟動計算機，在桌面雙擊圖標“THBCC-1”軟件，在打開的軟件界面上點擊“開始采集”按鈕；4. 點擊軟件“系統(tǒng)”菜單下的“AD/DA實驗”，在AD/DA實驗界面上點擊“開始

5、”按鈕，觀測采集卡上AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在輸入電壓為1V(可以使用面板上的直流數(shù)字電壓表進行測量)時應(yīng)為00001100011101(共14位，其中后幾位將處于實時刷新狀態(tài))。調(diào)節(jié)階躍信號的大小，然后繼續(xù)觀察AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并與理論值(詳見實驗原理)進行比較；5. 根據(jù)DA轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換規(guī)律(詳見本實驗附錄)，在DA部分的編輯框中輸入一個十進制數(shù)據(jù)（如2457，其圍為04095），然后虛擬示波器上觀測DA轉(zhuǎn)換值的大?。? 實驗結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。六、實驗結(jié)果1、A/D轉(zhuǎn)換結(jié)果AD二進制十進制DA十進制二進制000010111101008948245710011001

6、10010000110000110189733419110101011011000010111100118947218410001000100000001010111010889040321111110000000000101110011089343958111101110110（1）000010111101002、D/A轉(zhuǎn)換結(jié)果、 (2) 3958實驗二 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究一、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并熟悉常規(guī)的數(shù)字PID控制算法的原理；2學(xué)習(xí)并熟悉積分分離PID控制算法的原理；3掌握具有數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的實驗和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。二、實驗設(shè)備1THBCC-1型 信號與系統(tǒng)控制理論及

7、計算機控制技術(shù)實驗平臺2THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機1臺(含軟件“THBCC-1”) 三、實驗容1利用本實驗平臺，設(shè)計并構(gòu)成一個用于混合仿真實驗的計算機閉環(huán)實時控制系統(tǒng)；2采用常規(guī)的PI和PID調(diào)節(jié)器，構(gòu)成計算機閉環(huán)系統(tǒng)，并對調(diào)節(jié)器的參數(shù)進行整定，使之具有滿意的動態(tài)性能；3對系統(tǒng)采用積分分離PID控制，并整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。四、實驗原理在工業(yè)過程控制中，應(yīng)用最廣泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）組合而成的控制規(guī)律。而數(shù)字PID控制器則是由模擬PID控制規(guī)律直接變換所得。在PID控制規(guī)律中，引入積分的目的是

8、為了消除靜差，提高控制精度，但系統(tǒng)中引入了積分，往往使之產(chǎn)生過大的超調(diào)量，這對某些生產(chǎn)過程是不允許的。因此在工業(yè)生產(chǎn)中常用改進的PID算法，如積分分離PID算法，其思想是當被控量與設(shè)定值偏差較大時取消積分控制；當控制量接近給定值時才將積分作用投入，以消除靜差，提高控制精度。這樣，既保持了積分的作用，又減小了超調(diào)量。五、實驗步驟1、實驗接線1.1按圖4-1和圖4-2連接一個二階被控對象閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路；圖4-1 數(shù)-?；旌峡刂葡到y(tǒng)的方框圖圖4-2 被控二階對象的模擬電路圖被控對象的傳遞函數(shù)為：1.2該電路的輸出與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端AD1相連，電路的輸入與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端DA1相連；1.3待檢

9、查電路接線無誤后，打開實驗平臺的電源總開關(guān)，并將鎖零單元的鎖零按鈕處于“解鎖”狀態(tài)。2、腳本程序運行2.1啟動計算機，在桌面雙擊圖標“THBCC-1”，運行實驗軟件；2.2順序點擊虛擬示波器界面上的“”按鈕和工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)；2.3在腳本編輯器窗口的文件菜單下點擊“打開”按鈕，并在“計算機控制算法VBS計算機控制技術(shù)基礎(chǔ)算法數(shù)字PID調(diào)器算法”文件夾下選中“位置式PID”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長設(shè)置”，將腳本算法的運行步長設(shè)為100ms； 2.4點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動”；用虛擬示波器觀察圖4-2輸出端的響應(yīng)曲線

10、；2.5點擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，利用擴充響應(yīng)曲線法（參考本實驗附錄4）整定PID控制器的P、I、D及系統(tǒng)采樣時間Ts等參數(shù)，然后再運行。在整定過程中注意觀察參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響；2.6 參考步驟2.4、2.4和2.5，用同樣的方法分別運行增量式PID和積分分離PID腳本程序，并整定PID控制器的P、I、D及系統(tǒng)采樣時間Ts等參數(shù)，然后觀察參數(shù)的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。另外在積分分離PID程序運行過程中，注意不同的分離閾值tem對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響；2.7 實驗結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。6、 實驗結(jié)果(a)位置式PID控制響應(yīng)曲線(b)增量式PID控制響應(yīng)

11、曲線(c)積分分離PID控制響應(yīng)曲線積分分離PID控制算法與常規(guī)PID控制算法相對比，通過實驗結(jié)果可知：積分分離PID控制算法的控制效果要比常規(guī)PID控制算法控制效果控制效果要好。7、 位置式PID控制算法的腳本程序dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op 變量定義sub Initialize(arg) 初始化函數(shù)WriteData 0 ,1mx=0pvx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法運行函數(shù)pv = ReadData(1) 采集卡AD1通道的測量值 sv=2 給定值 K=0.8 比例系數(shù)P Ti=5 積分時間常數(shù)I T

12、d=0 微分時間常數(shù)D Ts=0.1 采集周期 ei=sv-pv 控制偏差 q0=K*ei 比例項 if Ti=0 then mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti 當前積分項 end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts '微分項 q1=q1+mx if q1>4.9 then 積分限幅，以防積分飽和 q1=4.9end ifif q1<-4.9 then q1=-4.9end if pvx=pv pvx為測量值的前項op=q0+q1+q2 PID控制器的輸出if op<=-4.9 then 輸出值限幅 op=-4.9end ifif op

13、>=4.9 then op=4.9end ifWriteData op ,1 輸出值給DA1通道end subsub Finalize (arg) 退出函數(shù)WriteData 0 ,1end sub實驗三 最少拍控制算法研究一、實驗?zāi)康?學(xué)習(xí)并熟悉最少拍控制器的設(shè)計和算法；2研究最少拍控制系統(tǒng)輸出采樣點間紋波的形成；3熟悉最少拍無紋波控制系統(tǒng)控制器的設(shè)計和實現(xiàn)方法。二、實驗設(shè)備1THBCC-1型 信號與系統(tǒng)控制理論及計算機控制技術(shù)實驗平臺2THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機1臺(含軟件“THBCC-1”)三、實驗容1設(shè)計并實現(xiàn)具有一個積分環(huán)

14、節(jié)的二階系統(tǒng)的最少拍控制。2設(shè)計并實現(xiàn)具有一個積分環(huán)節(jié)的二階系統(tǒng)的最少拍無紋波控制，并通過混合仿真實驗，觀察該閉環(huán)控制系統(tǒng)輸出采樣點間紋波的消除。四、實驗原理在離散控制系統(tǒng)中，通常把一個采樣周期稱作一拍。最少拍系統(tǒng)，也稱為最小調(diào)整時間系統(tǒng)或最快響應(yīng)系統(tǒng)。它是指系統(tǒng)對應(yīng)于典型的輸入具有最快的響應(yīng)速度，被控量能經(jīng)過最少采樣周期達到設(shè)定值，且穩(wěn)態(tài)誤差為定值。顯然，這樣對系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)提出了較為苛刻的要求，即其極點應(yīng)位于Z平面的坐標原點處。1最少拍控制算法計算機控制系統(tǒng)的方框圖為：圖7-1 最少拍計算機控制原理方框圖根據(jù)上述方框圖可知，有限拍系統(tǒng)的閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為： (1) (2)由(1)

15、、(2)解得： 隨動系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時間也就是系統(tǒng)誤差達到零或為一恒值所需的時間，由Z變換定義可知：有限拍系統(tǒng)就是要求系統(tǒng)在典型的輸入信號作用下，當時，恒為零或恒為一常量。N為盡可能小的正整數(shù)，為了實現(xiàn)這個目標，對不同的輸入信號，必須選擇不同的傳遞函數(shù)，由理論分析得： 2等速輸入下最小拍控制器的設(shè)計 對于一二階受控對象加零階保持器后對象的傳遞函數(shù)為： 選擇采樣周期T，將上述傳遞函數(shù)離散后得 (3)因為輸入是單位斜坡信號，所以選擇： (4)其中 ，由此可得等速輸入下最少拍算法的控制量為u(k)=(1-B)u(k-1)+Bu(k-2)+ (5)按等速輸入下最少拍無差系統(tǒng)設(shè)計的控制器，在等速輸入可使閉環(huán)系

16、統(tǒng)的輸出在第二拍（即兩個采樣周期）跟上，此后在采樣點上達到無差。但對于其它典型輸入的適應(yīng)性較差。4等速輸入下最小拍無紋波控制器的設(shè)計按最少拍無差系統(tǒng)設(shè)計，最多只能達到采樣點上無偏差，而不能保證相鄰兩采樣點間無紋波。最少拍無紋波設(shè)計，不僅要做到采樣點上無偏差，而且要做到采樣點間無紋波。 根據(jù)式(3)以及等速輸入下最少拍無紋波的條件，可以求得： 兩式聯(lián)立求解得，所以有 由此可得等速輸入下最少拍無紋波的算法： 五、實驗步驟1、實驗接線1.1根據(jù)圖7-1連接一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成的二階被控對象的模擬電路；圖7-1 二階被控對象的模擬電路圖實驗系統(tǒng)被控對象的傳遞函數(shù)為：其中：R1=200K，R2

17、=100K，R3=100K，C1=10uF，C2=10uF計算機控制系統(tǒng)的方框圖為：圖7-2 最少拍計算機控制原理方框圖1.2用導(dǎo)線將該電路的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的輸入端“AD1”相連，電路的輸入端與數(shù)據(jù)采集卡的輸出端“DA1”相連，數(shù)據(jù)采集卡的輸出端“DA2”與輸入端“AD2”相連；1.3待檢查電路接線無誤后，打開實驗平臺的電源總開關(guān)，并將鎖零單元的鎖零按鈕處于“解鎖”狀態(tài)。2、腳本程序運行2.1啟動計算機，在桌面雙擊圖標“THBCC-1”，運行實驗軟件；2.2點擊虛擬示波器界面上的“”按鈕對二階被控對象的電路進行測試，分別測取慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)、時間常數(shù)以及積分環(huán)節(jié)的積分時間常數(shù)；2.3打開

18、工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)；在腳本編輯器窗口的文件菜單下點擊“打開”按鈕，并在“計算機控制算法VBS計算機控制技術(shù)基礎(chǔ)算法”文件夾下選中“最少拍算法(有紋波)”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長設(shè)置”，將腳本算法的運行步長設(shè)為200ms； 2.4點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動”；用虛擬示波器觀察圖7-1輸出端與采集卡的輸出端“DA2”的實驗波形； 2.5點擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，同時在窗口上點擊“打開”按鈕，在“計算機控制算法VBS計算機控制技術(shù)基礎(chǔ)算法”文件夾下選中“最少拍算法(無紋波)”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后

19、在“腳本編輯器”窗口上點擊“啟動”按鈕，用示波器觀察圖7-1輸出端與采集卡的輸出端“DA2”的實驗波形；2.6 實驗結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。6、 實驗結(jié)果1 二階被控對象的電路圖。見圖7-1 二階被控對象的模擬電路圖2 根據(jù)最少拍有紋波控制的算法編寫腳本程序。dim sv,pv,op,opx,opxx,ei,eix,eixx,Ts,A,B,k,Ti,x 變量定義sub Initialize(arg) 初始化函數(shù)WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2opx=0opxx=0eix=0eixx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法運行函

20、數(shù)pv = ReadData(1) 采集卡AD1、2通道的測量值sv=sv+0.03 斜坡信號的產(chǎn)生Ts=0.2 采集周期if sv>=4.8 thensv=4.8 斜坡輸出的最大值end if ei=sv-pv 控制偏差Ti=1k=0.5C=exp(-Ts/Ti)A=Ts+Ti*C-TiB=(Ti-Ti*C-Ts*C)/Aop=(1-B)*opx+B*opxx+2*ei/(k*A)-(1+2*C)*eix/(k*A)+C*eixx/(k*A) 控制輸出值eixx=eixeix=eiopxx=opxopx=opif op<=-4.9 then 輸出值限幅op=-4.9end ifi

21、f op>=4.9 thenop=4.9end if WriteData op ,1 輸出值給DA1通道WriteData sv ,2 斜坡信號給DA2通道end subsub Finalize (arg) 退出函數(shù)WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2end sub3最少拍有紋波、無紋波控制時系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線。(a) 最少拍有紋波控制響應(yīng)曲線(b)最少拍無紋波控制響應(yīng)曲線實驗四 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一、實驗?zāi)康?掌握用PID控制規(guī)律的直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試方法；2了解PWM調(diào)制、直流電機驅(qū)動電路的工作原理。二、實驗設(shè)備1THBCC-1型 信號與系統(tǒng)控制理論及計算機控制技術(shù)實

22、驗平臺2THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機1臺(含軟件“THBCC-1”)三、實驗原理直流電機在應(yīng)用中有多種控制方式，在直流電機的調(diào)速控制系統(tǒng)中，主要采用電樞電壓控制電機的轉(zhuǎn)速與方向。功率放大器是電機調(diào)速系統(tǒng)中的重要部件，它的性能及價格對系統(tǒng)都有重要的影響。過去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大機或可控硅（晶閘管）?，F(xiàn)在基本上采用晶體管功率放大器。PWM功率放大器與線性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流電機的靜摩擦等優(yōu)點。PWM調(diào)制與晶體管功率放大器的工作原理：1PWM的工作原理圖13-1 PWM的控制電路上圖所示為SG3525為

23、核心的控制電路，SG3525是美國Silicon General公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成芯片，其部電路結(jié)構(gòu)及各引腳如圖13-2所示，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，其部包含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。調(diào)節(jié)Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個幅度相等、頻率相等、相位相互錯開180度、占空比可調(diào)的矩形波（即PWM信號）。它適用于各開關(guān)電源、斬波器的控制。2功放電路直流電機PWM輸出的信號一般比較小，不能直接去驅(qū)動直流電機，它必須經(jīng)過功放后再接到直流電機的兩端。該實驗裝置中采用直流15V的直流電壓功放電路驅(qū)動。3反饋接口在直流電機控制系統(tǒng)中，在直流電機的軸上貼有

24、一塊小磁鋼，電機轉(zhuǎn)動帶動磁鋼轉(zhuǎn)動。磁鋼的下面中有一個霍爾元件，當磁鋼轉(zhuǎn)到時霍爾元件感應(yīng)輸出。4直流電機控制系統(tǒng)如圖13-3所示，由霍耳傳感器將電機的速度轉(zhuǎn)換成電信號，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡變換成數(shù)字量后送到計算機與給定值比較，所得的差值按照一定的規(guī)律（通常為PID）運算，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸出控制量，供執(zhí)行器來控制電機的轉(zhuǎn)速和方向。圖13-2 SG3525部結(jié)構(gòu)圖13-3 直流電機控制系統(tǒng)四、實驗步驟1、實驗接線1.1 用導(dǎo)線將直流電機單元24V的“+” 輸入端接到直流穩(wěn)壓電源24V的“+”端；1.2 用導(dǎo)線將直流電機單元05V的“+”輸入端接到數(shù)據(jù)采集卡的“DA1”的輸出端，同時將UO的“+”(霍耳輸出

25、)輸出端接到數(shù)據(jù)采集卡的“AD1”處；1.3打開實驗平臺的電源總開關(guān)。2、腳本程序運行2.1啟動計算機，在桌面雙擊圖標“THBCC-1”，運行實驗軟件。2.2 順序點擊虛擬示波器界面上的“”按鈕和工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)；2.3在腳本編輯器窗口的文件菜單下點擊“打開”按鈕，并在“計算機控制技術(shù)應(yīng)用算法”文件夾下選中“直流電機”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長設(shè)置”，將腳本算法的運行步長設(shè)為50ms；2.3點擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動”；觀察直流電機的運行情況。2.4 當直流電機的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值后，再點擊“腳本編輯器”窗口上 “停止”按鈕，重新配置P、I、D的參數(shù)或改變算法的運行步長，并再次運行算法程序，觀察直流電機的運行情況；2.5 實驗結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。五、實驗結(jié)果1畫出直流電機控制系統(tǒng)的方框圖。如圖13-3所示2 分析P、I、D控制參數(shù)對直