计算机控制技术实验指导书.docx

计算机控制技术实验指导书.docx

《计算机控制技术实验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制技术实验指导书.docx（9页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

计算机控制技术实验指导书

《计算机控制技术》实验指导书

自动化与电子工程学院

2009.3

目录

实验设备简介…………………………………………………………2

实验一A/D与D/A转换……………………………………………5

实验二数字滤波………………………………………………………6

实验三数字PID算法的研究…………………………………………7

实验四直流电机转速控制…………………………………………9

实验设备简介

一、系统功能特点

1．以PC微机为操作台，高效率支持“计算机控制”的教学实验。

2．系统含有高阶模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。

3．系统含有界面友好、功能丰富的软件。

PC微机在实验中，除了用作实验测试所需的虚拟仪器外，还可用作测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。

4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。

可自己设计实验内容，构建系统对象，编写控制算法，进行计算机控制技术的研究。

二、系统构成

实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACCT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。

ACCT-I实验箱内装有以C8051F060芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB口与PC微机连接。

ACCT-I实验箱是一个通用的实验箱。

它主要由电源部分U1单元，元器件部分U2单元，输入输出接口单元U3，反相器、非线性单元U4、U5、U6、U7，模拟电路单元U8～U16组成。

U1单元可提供＋5V，－5V，＋15V，－15V，0V，1.2V～15V可调电压的输出。

U2单元提供了实验所需的电容与电阻，电位器，另提供插接电路，供放置自己选定大小的元器件。

U3单元为数据处理模块，用于完成数据采集与数据输出，并通过并行口与上位PC机进行通讯。

U4为反相器；U5，U6，U7分别为典型的非线性环节电路。

U8～U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成的电路用于锁零。

在“计算机控制”实验中，这些单元常被用于模拟被控对象。

系统上位机界面采用LabVIEW编程语言编写，操作简单，界面友好。

三、实验注意事项

1．实验开始前需要对实验箱上的运算放大器电路进行调零。

2．运算放大器边上的锁零点G接线要正确。

在需要锁零时，可与输入信号同步的锁零信号相连。

若采用PC产生输入信号，则G可接U3单元的G1（同步对应O1信号）；接G2（同步对应O2）。

锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般情况下不需要锁零信号。

不需要锁零时，请把G与-15V相连。

3．系统软件支持锁零信号设定。

通过对O1的端口输出实现其对应端口G1的输出，通过对O2的端口输出实现对应端口G2的输出（脚本程序对应处编程设定），G1与G2信号分别与O1，O2信号同步。

经常的操作有：

用一路输出作为计算机控制时数据处理的D/A通道，另一路用来控制锁零信号；当同时需用O1与O2作为数据处理的D/A通道时，处理方法参照上面第2点内容。

4．在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反相器。

实验一A/D与D/A转换

一、实验目的

1．通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。

2．通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。

二、实验要求

1．利用实验系统完成测试信号的产生。

2．测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。

3．设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。

三、实验内容及步骤

1．了解并熟悉实验设备，掌握其基本原理，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法。

2．测试信号的产生：

a.实验接线，O1接I1。

b.打开LabVIEW软件参考程序实验一.VI，分别通过测试信号选项栏来改变信号类型，产生正弦波、方波、斜波、和抛物线的模拟波形及其模数转换后的波形。

通过改变幅值，可获得不同大小模拟信号及其相应的模数转换后的波形。

画出波形图并分析其转换特性及转换精度。

3．利用实验箱按图1.1连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路，分别输入两路模拟量输入通道。

打开LabVIEW软件参考程序实验一.VI，在上位机的界面上测取它们的模数转换结果，然后将该转换结果的数字量，通过数模转换变为模拟量和输入信号作比较。

其中R0=R1=R2=R3=R4=100K。

O1为周期斜坡信号，O2为偏置值，I1，I2互为倒相的周期信号。

运放锁零G接-15V。

可适当调整幅值和偏置值，画出波形图，并对实验结果进行分析。

4．完成实验报告。

实验二

数字滤波

一．实验目的

1．通过实验掌握数字滤波器设计方法。

2．学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。

二．实验要求

1．产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。

2．设计并调试数字化一阶惯性滤波器。

3．设计并调试高阶数字滤波器。

三．实验内容及步骤

1．按照图2.1接线，其中R0=R1=R2=R3=R4=100K，O1接图2.1中的正弦信号端，O2接尖脉冲干扰端，In接I1端，锁零端G接-15V。

2．打开LabVIEW文件实验二.VI，利用实验装置，产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路，并利用数据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求；

3．根据信号频谱，设计并选择数字化一阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；

一阶惯性滤波器的传递函数为

，利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法：

，其中

为采样周期，

为滤波时间常数。

和

可根据信号频谱来选择。

4．改变干扰信号，设计产生如带尖峰干扰的正弦信号，带随机干扰的正弦信号电路，带尖峰干扰的方波信号，带随机干扰的方波信号，重复步骤2和3。

5．对实验结果进行分析，并完成实验报告。

实验三数字PID算法的研究

一、实验目的

1．学习并掌握常规数字PID控制算法的原理和应用。

2．学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。

3．学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。

二、实验内容

1．利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。

2．采用常规数字PID控制，并整定控制器的参数。

三、实验原理

1．实验系统的被控对象可以用图3.1所示电路来模拟。

若参数取为R0＝100k，R1＝500k，C1＝2u，R2＝200k，R3＝500k，C2＝1u，则其传递函数为

。

构成的计算机闭环控制系统的方框图如图3.2所示，其中虚线框内部分由上位机和数据处理系统完成。

2．常规的PID控制律为

，

其中

为比例系数，

为积分时间常数，

为微分时间常数。

采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PID控制位置式算法

，

其中

为采样时间。

其增量式为：

。

四、实验内容及步骤

1．设计或参照图3.1连接电路用于模拟二阶被控对象，其中Om接实验箱上的模拟量输出通道O1，In接模拟量输入通道I1。

2．打开LabVIEW文件实验四.VI，在上位机上完成常规数字PID控制器的计算。

改变给定值的幅值，通过整定PID控制器的参数

，获得满意动态和稳态性能。

3．记录实验过程中的参数和显示结果，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。

4．对实验结果进行分析，并完成实验报告。

实验四直流电机转速控制

一、实验目的

1．熟悉并加深理解PID参数对系统动态性能的影响。

2．掌握数字PID控制方法。

二、实验要求

1．掌握计算机控制系统的构成及原理。

2．加深理解PID参数对系统动态性能的影响。

3.掌握数字PID控制方法。

三、实验原理

直流电机调速系统框图如图4.1所示，它由给定、PID调节器、电机驱动单元、转速测量环节等组成。

给定值可通过改变上位机界面中的输入幅值调整，从而改变给定转速。

PID控制单元将运算后的控制量输入电机驱动单元，经功率放大后驱动电机运转。

测速反馈单元将输出的转速转换成电压信号经模拟量输入通道输入到计算机。

在给定值一定的情况下，在数字PID控制器的控制作用下，电机的转速按给定的转速稳定运转。

四、实验内容及步骤

计算机控制闭环系统除了实际物理模型外，其它的控制部分由上位机的软件和数据处理器来实现。

1．将ACCT-I面板和ACCT-II面板上的开关拨到“OFF”状态。

2．如图4.2所示，将ACCT-I面板上U3单元A/D、D/A转换器的D/A输出O1接到ACCT-III面板上低压直流电动机调速中功率转换电路的输入，同时将转速测量电路的输出接到A/D输入I1，由于功率转换电路和转速测量电路不共地，所以将输入和输出的负极短接后接到ACCT-II面板上的任一地线；

3．检查线路后，再将两块面板上的开关拨到“ON”状态；

4．打开LabVIEW计算机控制技术实验软件的界面（实验十一电机控制实验.VI），系统连接上后，运行界面程序，采用试凑法，调节程序中的PID参数使得系统稳定，达到无静差。

5．改变给定信号的幅值，观测系统的动态特性。

6．分析计算机控制系统的构成及原理，完成实验报告。