计算机控制实验报告Word文件下载.docx
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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：
①、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。
②、D/A
转换器实质上是一个译码器（解码器）。
一般常用的线性
转
换
器
，
其
输
出
模
拟
电
压
uo
和
入
数
字
量
Dn
之
间
正
比
关
系。
UREF
为参考电压。
则有：
uo＝DnUREF
③、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
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
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
，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
1．掌握模数转换的基本原理。
10
A/D
计算机控制系统实验箱一台。
计算机一台。
①、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。
②、模
（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。
、模数转换方法：
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
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
或
f
转换成数字量。
其特点是工作速度较低，但转换
模拟量/mv
数字量
理论值
实测值（十进制）
4500
51.2
52
3500
153.6
154
2500
256
1000
409.6
410
500
460.8
461
400
471.04
471
100
501.76
502
-4500
972.8
972
-3600
880.64
880
-50
517.12
517
精度可以做得较高，且抗干扰性强。
间接
转换器有单次积分
型、双积分型等。
算出理论值填入上表。
Vref=5.0v。
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
1．研究
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。
型计算机控制系统实验箱一台。
、PID
控制器系统的组成：
输入指示
偏差指示
输出限幅
vi
输入电路
ve
PID
运算电路
输出电路
输出
vR
给定指示
手动操作
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
可以减
少稳态误差，但不能消除稳态误差。
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
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
太大，积分作用太弱，则不能减少余
差。
3、微分时间
TD
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。
1、实验参数及阶跃响应曲线
①、
KP=1.000Ki=0.020Kd=1.000
δ
%=（Cmax-C∞
）/C∞
=20%
Ts=500ms
②、
KP=2.000Ki=0.020Kd=1.000
=50%
Ts=600ms
③、
KP=1.000Ki=0.020Kd=10.000
=60%
Ts=4000ms
④
、
KP=1.000Ki=0.030Kd=0.000
⑤
KP=1.000Ki=0.000Kd=1.000
=0%
Ts=200ms
⑥
KP=3.000Ki=0.010Kd=2.000
=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：
对系统的动态性能影响：
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；
；
太小又会使系统
的响应速度缓慢。
的选择以输出响应产生
4:
1
衰减过程为宜。
Ti
积分控制通常影响系统的稳定性。
太小，系统可能不稳定，且振荡次数较多；
太大，对系统的影
响将削弱；
当
较适合时，系统的过渡过程特性比较理想。
微分时间
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
值偏大
或偏小都会适得其反。
五、本实验整体总结
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
1．了解温度控制系统的特点。
3．研究大时间常数系统
控制器的参数的整定方法。
3．炉温控制实验对象一台
三、实验参数调制过程
①、Kp=2.000Ki=0.020Kd=1.000
②、Kp=2.000Ki=0.200Kd=10.000
③、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
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
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
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
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
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：
电加热炉实验线路图
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