计算机控制技术实验报告-组

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实验一 A/D与D/A转换

一、实验目的

1．通过实验了解实验系统的结构与使用方法；

2．通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。 二、实验设备

1．THBCC-1型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根) 3．PC机1台(含软件“THBCC-1”) 三、实验容

1．输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之； 2．在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换实验。 四、实验原理

1．数据采集卡

本实验台采用了THBXD数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为±10V、输出量程均为±5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其主要特点有：

1) 支持USB1.1协议，真正实现即插即用

2) 400KHz14位A/D转换器，通过率为350K，12位D/A转换器，建立时间10μs 3) 4通道模拟量输入和2通道模拟量输出 4) 8k深度的FIFO保证数据的完整性 5) 8路开关量输入，8路开关量输出 2. AD/DA转换原理

数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：-10～10V对应为0～16383(A/D转换为14位)。其中0V为8192。其主要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入)：

输入 正满度 正满度－1LSB 负满度+1LSB 负满度 AD原始码(二进制) 01 1111 1111 1111 01 1111 1111 1110 10 0000 0000 0001 10 0000 0000 0000 AD原始码(十六进制) 1FFF 1FFE 0000 2001 2000 求补后的码(十进制) 16383 16382 8192 1 0 中间值（零点） 00 0000 0000 0000 而DA转换时的数据转换关系为：-5～5V对应为0～4095(D/A转换为12位)，其数据格式(双极性电压输出时)为：

输入 正满度 正满度－1LSB 中间值（零点） 负满度+1LSB 负满度 Word 文档资料

D/A数据编码 1111 1111 1111 1111 1111 1110 1000 0000 0000 0000 0000 0001 0000 0000 0000 .

五、实验步骤

1. 启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“数据采集接口单元“的“AD1”通道,同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；

2、将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V；

3. 启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮； 4. 点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始”按钮，观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为1V(可以使用面板上的直流数字电压表进行测量)时应为

00001100011101(共14位，其中后几位将处于实时刷新状态)。调节阶跃信号的大小，然后继续观察AD转换器的转换结果，并与理论值(详见实验原理)进行比较；

5. 根据DA转换器的转换规律(详见本实验附录)，在DA部分的编辑框中输入一个十进制数据（如2457，其围为0～4095），然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小；

6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。 六、实验结果

1、A/D转换结果 AD 二进制 00001011110100 00001100001101 00001011110011 00001010111010 00001011100110 十进制 8948 8973 8947 8890 8934 DA 十进制 2457 3419 2184 4032 3958 二进制 100110011001 110101011011 100010001000 111111000000 111101110110 Word 文档资料

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（1）00001011110100

2、D/A转换结果、

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(2) 3958

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实验二 数字PID调节器算法的研究

一、实验目的

1．学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理； 2．学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理；

3．掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。 二、实验设备

1．THBCC-1型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根) 3．PC机1台(含软件“THBCC-1”) 三、实验容

1．利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；

2．采用常规的PI和PID调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能；

3．对系统采用积分分离PID控制，并整定调节器的参数。 四、实验原理

在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、积分（I）、微分（D）组合而成的控制规律。而数字PID控制器则是由模拟PID控制规律直接变换所得。

在PID控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积分，往往使之产生过大的超调量，这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进的PID算法，如积分分离PID算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当控制量接近给定值时才将积分作用投入，以消除静差，提高控制精度。这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。 五、实验步骤

1、实验接线

1.1按图4-1和图4-2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路；

图4-1 数-模混合控制系统的方框图

图4-2 被控二阶对象的模拟电路图

被控对象的传递函数为：

G(S)?

105 ?(s?1)(s?2)(s?1)(0.5s?1)1.2该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1相连，电路的输入与数据采集卡的输出端DA1相连； 1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处于“解锁”状态。

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2、脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件； 2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“

”按钮和工具栏上的 “

” 按钮(脚本编程器)；

2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\\计算机控制技术基础算法\\数字PID调器算法”文件夹下选中“位置式PID”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑

器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲线； 2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，利用扩充响应曲线法（参考本实验附录4）整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响；

2.6 参考步骤2.4、2.4和2.5，用同样的方法分别运行增量式PID和积分分离PID脚本程序，并整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后观察参数的变化对系统动态性能的影响。另外在积分分离PID程序运行过程中，注意不同的分离阈值tem对系统动态性能的影响；

2.7 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。 六、实验结果

(a)位置式PID控制响应曲线

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(b)增量式PID控制响应曲线

(c)积分分离PID控制响应曲线

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积分分离PID控制算法与常规PID控制算法相对比，通过实验结果可知：积分分离PID控制算法的控制效果要比常规PID控制算法控制效果控制效果要好。 七、位置式PID控制算法的脚本程序

dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op ‘变量定义 sub Initialize(arg) ‘初始化函数 WriteData 0 ,1 mx=0 pvx=0 end sub

sub TakeOneStep (arg) pv = ReadData(1) sv=2 K=0.8 Ti=5 Td=0 Ts=0.1 ei=sv-pv q0=K*ei if Ti=0 then mx=0 q1=0 else

mx=K*Ts*ei/Ti end if

q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts q1=q1+mx

if q1>4.9 then q1=4.9 end if

if q1<-4.9 then q1=-4.9 end if

pvx=pv op=q0+q1+q2 if op<=-4.9 then op=-4.9 end if

if op>=4.9 then op=4.9 end if

WriteData op ,1 Word 文档资料

‘算法运行函数

‘采集卡AD1通道的测量值 ‘给定值 ‘比例系数P ‘积分时间常数I ‘微分时间常数D ‘采集周期 ‘控制偏差 ‘比例项 ‘当前积分项 ‘'微分项 ‘积分限幅，以防积分饱和 ‘pvx为测量值的前项 ‘PID控制器的输出 ‘输出值限幅 ‘输出值给DA1通道

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end sub

sub Finalize (arg) ‘退出函数 WriteData 0 ,1 end sub

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实验三 最少拍控制算法研究

一、实验目的

1．学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法； 2．研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成； 3．熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。 二、实验设备

1．THBCC-1型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根) 3．PC机1台(含软件“THBCC-1”) 三、实验容

1．设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制。

2．设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波控制，并通过混合仿真实验，观察该闭环控制系统输出采样点间纹波的消除。 四、实验原理

在离散控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。最少拍系统，也称为最小调整时间系统或最快响应系统。它是指系统对应于典型的输入具有最快的响应速度，被控量能经过最少采样周期达到设定值，且稳态误差为定值。显然，这样对系统的闭环脉冲传递函数?(z)提出了较为苛刻的要求，即其极点应位于Z平面的坐标原点处。

1．最少拍控制算法

计算机控制系统的方框图为：

图7-1 最少拍计算机控制原理方框图

根据上述方框图可知，有限拍系统的闭环脉冲传递函数为：

?(z)?C(z)D(z)HG(z)? (1) R(z)1?D(z)HG(z)?e(z)?E1(z)1??1??(z) (2) R(z)1?D(z)HG(z)由(1) 、(2)解得： D(z)??(z)

?e(z)HG(z)随动系统的调节时间也就是系统误差e1(kt)达到零或为一恒值所需的时间，由Z变换定义可知：

E1(Z)??e1(kT)Z?k?e1(0)?e1(T)Z?1?e1(2T)Z?2????????e1(kT)Z?k???????

k?0?Word 文档资料

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有限拍系统就是要求系统在典型的输入信号作用下，当K?N时，e1(kT)恒为零或恒为一常量。N为尽可能小的正整数，为了实现这个目标，对不同的输入信号，必须选择不同的?e(z)传递函数，由理论分析得：

R(z)?1? 1?z?1?e(z)?1?z?1

Tz?1?12?(z)?(1?z) R(z)? ?e?12(1?z)T2z?1(1?z?1)?13?(z)?(1?z) R(z)? ?e?132(1?z)2．等速输入下最小拍控制器的设计

对于一二阶受控对象加零阶保持器后对象的传递函数为：

1?e?TSK HG(S)??SS(T1S?1) 选择采样周期T，将上述传递函数离散后得

(T?T1?T1e?T/T1)Z?1?(T1?T1e?T/T1?Te?T/T1)Z?2 HG(Z)?K (3) ?T/T1?1?1(1?Z)(1?eZ)因为输入是单位斜坡信号，所以选择：

?12 ?e(z)?(1?z)

?1?2 ?(z)?1??e(z)?2z?z

U(z)?(z)(2?Z?1)(1?e?T/T1Z?1) D(z)? ???1?1E(z)?e(z)HG(z)KA(1?Z)(1?BZ)12?(1?2e?T/T1)Z?1?e?T/T1Z?2 (4) ?KA1?(B?1)Z?1?BZ?2其中 A?T?T1e?T/T1?T1，B?(T1?T1e?T/T1?Te?T/T1)/A

由此可得等速输入下最少拍算法的控制量为

21?2e?T/T1e?T/T1u(k)=(1-B)u(k-1)+Bu(k-2)+e(k)?e(k?1)?e(k?2) (5)

KAKAKA按等速输入下最少拍无差系统设计的控制器，在等速输入可使闭环系统的输出在第二拍（即两个采样周期）跟上，此后在采样点上达到无差。但对于其它典型输入的适应性较差。

4．等速输入下最小拍无纹波控制器的设计

按最少拍无差系统设计，最多只能达到采样点上无偏差，而不能保证相邻两采样点间无纹波。最少拍无纹波设计，不仅要做到采样点上无偏差，而且要做到采样点间无纹波。

根据式(3)以及等速输入下最少拍无纹波的条件，可以求得： ?(z)?(1?Bz)(a1?a2z)z

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?1?1?1 .

1??(z)?(1?z)(1?bz) 两式联立求解得

a1?3B?2，?(2B?1)，B(B?1) a?b?2B2?2B?1B2?2B?1B2?2B?1?12?1所以有

(1?e?T/T1Z?1)(a1?a2z?1)U(z)?(z) D(z)? ??E(z)?e(z)HG(z)KA(1?Z?1)(1?bZ?1)?T/T)Z?1?a2e?T/TZ?2 ?1a1?(a2?a1eKA1?(b?1)Z?1?bZ?211由此可得等速输入下最少拍无纹波的算法：

a1a2?a1e?T/T1a2e?T/T1 u(k)?(1?b)u(k?1)?bu(k?2)?e(k)?e(k?1)?e(k?2)

KAKAKA五、实验步骤

1、实验接线

1.1根据图7-1连接一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶被控对象的模拟电路；

图7-1 二阶被控对象的模拟电路图

实验系统被控对象的传递函数为：

G(S)?K0.5 ?S(T1S?1)S(S?1)其中：R1=200K，R2=100K，R3=100K，C1=10uF，C2=10uF 计算机控制系统的方框图为：

图7-2 最少拍计算机控制原理方框图

1.2用导线将该电路的输出端与数据采集卡的输入端“AD1”相连，电路的输入端与数据采集卡的输出端“DA1”相连，数据采集卡的输出端“DA2”与输入端“AD2”相连；

1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处于“解锁”状态。 2、脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件； 2.2点击虚拟示波器界面上的“2.3打开工具栏上的 “

”按钮对二阶被控对象的电路进行测试，分别测取惯性环节的

放大系数、时间常数以及积分环节的积分时间常数；

” 按钮(脚本编程器)；在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在

“计算机控制算法VBS\\计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“最少拍算法(有纹波)”脚本程序并打开，阅读、

2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察图7-1输出端与采集卡的输出端“DA2”的实验波形；

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理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为200ms；

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2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，同时在窗口上点击“打开”按钮，在“计算机控制算法VBS\\计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“最少拍算法(无纹波)”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后在“脚本编辑器”窗口上点击“启动”按钮，用示波器观察图7-1输出端与采集卡的输出端“DA2”的实验波形；

2.6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。 六、实验结果

1．二阶被控对象的电路图。

见图7-1 二阶被控对象的模拟电路图

dim sv,pv,op,opx,opxx,ei,eix,eixx,Ts,A,B,k,Ti,x ‘变量定义 WriteData 0 ,1 WriteData 0 ,2 opx=0 opxx=0 eix=0 eixx=0 end sub

sub TakeOneStep (arg) ‘算法运行函数

pv = ReadData(1) ‘采集卡AD1、2通道的测量值 sv=sv+0.03 ‘斜坡信号的产生 Ts=0.2 ‘采集周期 if sv>=4.8 then

sv=4.8 ‘斜坡输出的最大值 end if

ei=sv-pv ‘控制偏差 Ti=1 k=0.5 C=exp(-Ts/Ti) A=Ts+Ti*C-Ti B=(Ti-Ti*C-Ts*C)/A

op=(1-B)*opx+B*opxx+2*ei/(k*A)-(1+2*C)*eix/(k*A)+C*eixx/(k*A) ‘控制输出值 eixx=eix eix=ei opxx=opx opx=op

if op<=-4.9 then ‘输出值限幅

op=-4.9 end if

if op>=4.9 then

op=4.9 end if

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2．根据最少拍有纹波控制的算法编写脚本程序。

sub Initialize(arg) ‘初始化函数

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WriteData op ,1 ‘输出值给DA1通道 WriteData sv ,2 ‘斜坡信号给DA2通道 end sub

sub Finalize (arg) ‘退出函数

WriteData 0 ,1 WriteData 0 ,2 end sub

3．最少拍有纹波、无纹波控制时系统输出响应曲线。

(a)最少拍有纹波控制响应曲线

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(b)最少拍无纹波控制响应曲线

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实验四 单闭环直流调速系统

一、实验目的

1．掌握用PID控制规律的直流调速系统的调试方法； 2．了解PWM调制、直流电机驱动电路的工作原理。 二、实验设备

1．THBCC-1型 信号与系统?控制理论及计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根) 3．PC机1台(含软件“THBCC-1”) 三、实验原理

直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。

功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅（晶闸管）。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流电机的静摩擦等优点。

PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理： 1．PWM的工作原理

图13-1 PWM的控制电路

上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国Silicon General公司生产的专用

PWM控制集成芯片，其部电路结构及各引脚如图13-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它适用于各开关电源、斩波器的控制。

2．功放电路

直流电机PWM输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。

3．反馈接口

在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转到时霍尔元件感应输出。

4．直流电机控制系统如图13-3所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律（通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。

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图13-2 SG3525部结构

图13-3 直流电机控制系统

四、实验步骤

1、实验接线

1.1 用导线将直流电机单元24V的“+” 输入端接到直流稳压电源24V的“+”端；

1.2 用导线将直流电机单元0～5V的“+”输入端接到数据采集卡的“DA1”的输出端，同时将UO的“+”(霍耳输出)输出端接到数据采集卡的“AD1”处；

1.3打开实验平台的电源总开关。 2、脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件。 2.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“

”按钮和工具栏上的 “

” 按钮(脚本编程器)；

2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“直流电机”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为50ms；

2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察直流电机的运行情况。

2.4 当直流电机的转速稳定在设定值后，再点击“脚本编辑器”窗口上 “停止”按钮，重新配置P、I、D的参数或改变算法的运行步长，并再次运行算法程序，观察直流电机的运行情况；

2.5 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。 五、实验结果

1．画出直流电机控制系统的方框图。

如图13-3所示

2．分析P、I、D控制参数对直流电机运行的影响。

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(a) 直流电机测量曲线

分析：

P:比例环节 I:积分环节 D:微分环节

控制系统由于引入了比例—积分—微分控制器后，由于引入了一个位于坐标原点的极点，可以使系统无差度曾加1，同时，由于引入了两个负实数零点，与PI控制器比较，除了保持系统稳定性能的优点外，在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。 六、参考程序

dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op

sub Initialize(arg) '初始化函数 WriteData 0 ,1 mx=0 pvx=0 end sub

sub TakeOneStep (arg) '算法运行函数

pv = GetFS '电机的控制的转速，该转速在20～35左右 TTTRACE \转速=%f\ sv=35 K=2 Ti=2 Td=0

Ts=0.05 '采集周期50ms

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ei=(sv-pv )/20 TTRACE \

q0=K*ei '比例项 if Ti=0 then mx=0 q1=0 else

mx=K*Ts*ei/Ti '当前积分项 end if

q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts q1=q1+mx if q1>3.5 then q1=3.5 end if

if q1<-3.5 then q1=-3.5 end if pvx=pv

op=q0+q1+q2 if op<=1 then op=1 end if

if op>=3.5 then op=3.5 end if

WriteData op ,1 TTRACE \end sub

sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub

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'微分项 '当前积分限幅，以防积分饱和 '当前输出值 '输出值限幅 '退出函数