计算机控制实验报告.doc
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计算机控制系统实验报告
姓名：
罗才宝
学号：
0953505008
指导教师：
张志福
专业年级：
09自动化
所在院系：
昆仑学院
完成日期：
2012年12月8日
实验一D/A数模转换实验
一、实验目的
1．掌握数模转换的基本原理。
2．熟悉12位D/A转换的方法。
二、实验仪器
1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台
2．PC计算机一台
三、实验预习
<1>、数模转换的原理：
、D/A转换器是将输入的二进制数字量转换成模拟量，以电压或电流的形式输出。
、D/A转换器实质上是一个译码器（解码器）。
一般常用的线性D/A转换器，其输出模拟电压uo和输入数字量Dn之间成正比关系。
UREF为参考电压。
则有：
uo＝DnUREF
、将输入的每一位二进制代码按其权值大小转换成相应的模拟量，然后将代表各位的模拟量相加，则所得的总模拟量就与数字量成正比，这样便实现了从数字量到模拟量的转换。
<2>、数模转换的转换方法：
数模转换方法有多种：
其中一种是对输入的数据进行补偿滤波，经补偿滤波后的数据率与补偿滤波前的数据率相同，补偿滤波后的输出信号；对该输出信号进行内插滤波及数据率上升，最后进行Ｄｅlｔａ－Ｓｉｇｍａ调制，输出单比特的数据流，对单比特的数据流进行半数字滤波，输出模拟信号；对模拟信号进行模拟低通滤波，输出最后的模拟信号。
另一种方法是：
特征在于利用模拟信号提供装置，以相同的时间段将三个连续的采样数据变成模拟量，然后根据二次曲线运算方程，用模拟运算电路进行运算，即可输出一段二次曲线来近似表示原采样信号的相应段波形，继续地进行上述转换，就可还原出被采样的模拟信号。
四、实验测量结果
1、实验数据结果记录如下表：
编号
数字量（二进制/十进制）
模拟量
理论值/mv
实测值/mv
1
0000000101/5
4951.2
4950
2
0010010110/150
3535.2
3536
3
0011001000/200
3046.9
3047
4
0100101100/300
2070.3
2071
5
0111000010/450
605.5
606
6
1000100110/550
-371.1
-371
7
1010111100/700
-1835.9
-1835
8
1100100000/800
-2812.5
-2812
9
1110000100/900
-3789.1
-3789
10
1111101000/1000
-4765.6
-4765
数据处理：
依据公式，模拟量Uo=Vref-2Vref（29K10+...+20K0）/210，Vref=5.0v，可以算出理论值填入上表。
2、数字量与模拟量对应曲线
五、实验分析
从实验得出数据可以看出理论值与实测值明显有误差，其中原因主要有：
量化误差，计算机本身的误差，实验箱电路产生的误差，电网电压波动，外界干扰，转换误差。
实验二A/D模数转换实验
一、实验目的
1．掌握模数转换的基本原理。
2．熟悉10位A/D转换的方法。
二、实验仪器
1．EL-AT-II计算机控制系统实验箱一台。
2．PC计算机一台。
三、实验预习
<1>、数模转换的原理：
、A/D转换是将模拟信号转换为数字信号，转换过程通过取样、保持、量化和编码四个步骤完成。
、模数转换（ADC）亦称模拟一数字转换，与数/模（D/A）转换相反，是将连续的模拟量（如象元的灰阶、电压、电流等）通过取样转换成离散的数字量。
<2>、模数转换方法：
A/D转换器有直接转换法和间接转换法两大类。
直接法是通过一套基准电压与取样保持电压进行比较，从而直接将模拟量转换成数字量。
其特点是工作速度高，转换精度容易保证，调准也比较方便。
直接A/D转换器有计数型、逐次比较型、并行比较型等。
间接法是将取样后的模拟信号先转换成中间变量时间t或频率f,然后再将t或f转换成数字量。
其特点是工作速度较低，但转换精度可以做得较高，且抗干扰性强。
间接A/D转换器有单次积分型、双积分型等。
四、实验测量结果
1、实验数据结果记录如下表：
编号
模拟量/mv
数字量
理论值
实测值（十进制）
1
4500
51.2
52
2
3500
153.6
154
3
2500
256
256
4
1000
409.6
410
5
500
460.8
461
6
400
471.04
471
7
100
501.76
502
8
-4500
972.8
972
9
-3600
880.64
880
10
-50
517.12
517
数据处理：
依据公式，数字量=（Vref－模拟量）/2Vref×210，可以算出理论值填入上表。
Vref=5.0v。
2、数字量与模拟量对应曲线
五、实验分析
从实验得出数据可以看出理论值与实测值明显有误差，其中原因主要有：
计算机本身的误差，实验箱电路产生的误差，电网电压波动，外界干扰，转换误差。
实验三数字PID控制
一、实验目的
1．研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。
2．研究采样周期T对系统特性的影响。
3．研究I型系统及系统的稳定误差。
二、实验仪器
1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台。
2．PC计算机一台。
三、实验预习
<1>、PID控制器系统的组成：
<2>、PID控制器的参数对系统稳定性的影响：
1、比例系数Kp对系统稳定性能的影响
对系统的稳态性能影响：
在系统稳定的前提下，加大Kp可以减少稳态误差，但不能消除稳态误差。
Kp的整定主要依据系统的动态性能。
2、积分时间TI对系统性能的影响
对系统的稳态性能影响：
积分控制有助于消除系统稳态误差，提高系统的控制精度，但若TI太大，积分作用太弱，则不能减少余差。
3、微分时间TD对系统性能的影响
对系统的稳态性能影响：
微分环节的加入，可以在误差出现或变化瞬间，按偏差变化的趋向进行控制。
它引进一个早期的修正作用，有助于增加系统的稳定性。
四、实验测量结果
1、实验参数及阶跃响应曲线
、KP=1.000Ki=0.020Kd=1.000δ%=（Cmax-C∞）/C∞=20%Ts=500ms
、KP=2.000Ki=0.020Kd=1.000δ%=（Cmax-C∞）/C∞=50%Ts=600ms
、KP=1.000Ki=0.020Kd=10.000δ%=（Cmax-C∞）/C∞=60%Ts=4000ms
④、KP=1.000Ki=0.030Kd=0.000δ%=（Cmax-C∞）/C∞=20%Ts=600ms
⑤、KP=1.000Ki=0.000Kd=1.000δ%=（Cmax-C∞）/C∞=0%Ts=200ms
⑥、KP=3.000Ki=0.010Kd=2.000δ%=（Cmax-C∞）/C∞=30%Ts=400ms
2、实验结果总结
（1）验证了实验预习；
（2）PID控制器参数不仅对稳定性有影响，而且对动态性能也有影响。
总结如下：
Kp对系统的动态性能影响：
Kp加大，将使系统响应速度加快，Kp偏大时，系统振荡次数增多，调节时间加长；；Kp太小又会使系统的响应速度缓慢。
Kp的选择以输出响应产生4:
1衰减过程为宜。
Ti对系统的动态性能影响：
积分控制通常影响系统的稳定性。
TI太小，系统可能不稳定，且振荡次数较多；TI太大，对系统的影响将削弱；当TI较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。
TD对系统的动态性能影响：
微分时间TD的增加即微分作用的增加可以改善系统的动态特性，如减少超调量，缩短调节时间等。
适当加大比例控制，可以减少稳态误差，提高控制精度。
但TD值偏大或偏小都会适得其反。
五、本实验整体总结
PID控制器的参数必须根据工程问题的具体要求来考虑。
在工业过程控制中，通常要保证闭环系统稳定，对给定量的变化能迅速跟踪，超调量小。
在不同干扰下输出应能保持在给定值附近，控制量尽可能地小，在系统和环境参数发生变化时控制应保持稳定。
一般来说，要同时满足这些要求是很难做到的，必须根据系统的具体情况，满足主要的性能指标，同时兼顾其它方面的要求。
实验四炉温控制实验
一、实验目的
1．了解温度控制系统的特点。
2．研究采样周期T对系统特性的影响。
3．研究大时间常数系统PID控制器的参数的整定方法。
二、实验仪器
1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台
2．PC计算机一台
3．炉温控制实验对象一台
三、实验参数调制过程
、Kp=2.000Ki=0.020Kd=1.000
、Kp=2.000Ki=0.200Kd=10.000
、Kp=1.000Ki=0.200Kd=10.000
④、Kp=1.000Ki=0.100Kd=15.000
⑤、Kp=1.000Ki=0.500Kd=20.000
⑥、Kp=1.000Ki=0.800Kd=15.000
实验结果及数据处理
1、通过多次调整Kp、Ki、Kd最终得到过渡过程较为满意且控制效果较好的控制参数：
Kp=1.000Ki=0.800Kd=15.000
相应曲线如下：
2、实验结果分析
δ%=（Cmax-C∞）/C∞=20%Tr=14s稳态误差：
10%
总结：
由于电加热炉的升温保温是靠电阻丝加热，降温则是靠环境自然冷却，所以当温度一旦超调就无法用控制手段来使其降温。
这类电加热炉控制对象具有非线性，时滞以及不确定性。
针对电加热炉有大惯性、纯滞后、参数时变的非线性对象的控制的特点，传统PID控制算法存在过渡过程时间与超调量之间的矛盾，无论怎样调节PID的3个参数，也无法解决。
若要超调量小，则渡过程时间增长；如果要求过渡过程快，则必然出现较大的超调，二者难以求全。
四、提出一种有效的Kp、Ki、Kd的选择方法
实际上过渡电加热炉温度控制技术从模拟PID、数字PID到最优控制、自适应控制，再发展到智能控制，每一步都使控制的性能得到了改善。
在目前的电加热炉控制方案中，PID控制和模糊控制应用最多，但是他们都有自身难以克服的缺点。
我们可以将两者结合起来提出一种PID参数自整定模糊控制，可以达到控制精度高、鲁棒性好、适应能力强，结构简单、易于实现的效果。
其实验线路图可设计如下：
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