计算机控制技术实验报告册.docx

计算机控制技术实验报告册.docx

《计算机控制技术实验报告册.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制技术实验报告册.docx（30页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

计算机控制技术实验报告册

计算机控制技术实验报告册

学院：

SSS

专业：

电气工程及其自动化

班级：

SS

姓名：

XXXX

学号：

XXXX

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

1

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、实验内容

通过 A/D&D/A 卡完成 12 位 D/A 转换的实验，在这里采用双极性模拟量输出，数字量

输入范围为：

0～4096，模拟量输出范围为：

－5V～+5V。

转换公式如下：

Uo= Vref - 2Vref（211K11+210K10+...+20K0）/ 212

Vref=5.0V

例如：

数字量=1 则

K11=1,K10=0,K9=1,K8=0,K7=1,K6=1,K5=0,K4=1,K3=0,K2=0,K1=0,K0=1

模拟量 Uo= Vref - 2Vref（211K11+210K10+...+20K0）/ 212=4.0V

四、实验步骤

1．连接 A/D、D/A 卡的 DA 输出通道和 AD 采集通道。

A/D、D/A 卡的 DA1 输出接 A/D、

D/A 卡的 AD1 输入。

检查无误后接通电源。

2 ． 启 动 计 算 机 ， 在 桌 面 双 击 图 标 [Computerctrl] 或 在 计 算 机 程 序 组 中 运 行

[Computerctrl]软件。

数字量

模拟量

理论值

实测值

405

4.01

3.94

110

4.73

4.66

1200

2.07

2.00

2300

-0.62

-0.72

3．测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使

通信正常后才可以继续进行实验。

4．在实验项目的下拉列表中选择实验一[D/A 数模转换实验], 鼠标单击按钮，弹

出实验课题参数设置对话框。

5．在参数设置对话框中设置相应的实验参数后，在下面的文字框内将算出变换后的

模拟量，

6. 点击确定，在显示窗口观测采集到的模拟量。

并将测量结果填入下表 1-1:

表 1-1

五、实验结果

实验得出数字量与模拟量的对应曲线如下图 1-1：

2

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

3

图 1-1

六、实验结果分析

表 1-1 中计算出理论值，与实验结果比较，分析产生误差的原因系仪器误差。

七、实验心得

本次试验需要进行的连电路、实验软件操作都比较简单，但对于实验原理我们应有

更加深刻的理解，对于实验箱内部的 D/A 转换原理要有所思考，不能只满足与简单的实

验表象，而应思考更深层次的问题。

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 型计算机控制系统实验箱一台

2．PC 计算机一台

三、实验内容

通过 A/D&D/A 卡完成 10 位 D/A 转换的实验，在这里采用双极性模拟量输入，模拟量

输入范围为：

－5V～+5V，数字量输出范围为：

0～1024。

转换公式如下：

数字量=（Vref－模拟量）/2Vref×210

其中 Vref 是基准电压为 5V。

例如：

模拟量=1.0V  则

数字量=（5.0－1.0）/（2×5.0）×210=409（十进制）

四、实验步骤

、

1.连接 A/D、D/A 卡的 DA 输出通道和 AD 采集通道。

A/D、D/A 卡的 DA1 输出接 A/D D/A

卡的 AD1 输入。

检查无误后接通电源。

2. 启 动 计 算 机 ， 在 桌 面 双 击 图 标 [Computerctrl] 或 在 计 算 机 程 序 组 中 运 行

[Computerctrl]软件。

3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通

信正常后才可以继续进行实验。

模拟量

数字量

理论值

实测值

-2.45

762

650.2

0.5

460

459.2

2.5

256

253.9

4. 在实验项目的下拉列表中选择实验二[A/D 数模转换实验], 鼠标单击按钮，弹

出实验课题参数设置对话框

5.在弹出的参数窗口中填入想要变换的模拟量，点击变换，在下面的文字框内将算

出变换后的数字量。

6.点击确定，在显示窗口观测采集到的数字量。

并将测量结果填入下表 2-1:

表 2-1

五、实验结果

画出模拟量与数字量的对应曲线如图 2-1：

图 2-1

六、实验结果分析

表 2-1 中计算出理论值，与实验结果比较，分析产生误差的原因系仪器误差、实验

软件的精度误差。

4

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

5

七、实验心得

本次试验需要进行的连电路、实验软件操作都比较简单，但对于实验原理我们应有

更加深刻的理解，对于实验箱内部的 A/D 转换原理要有所思考，不能只满足与简单的实

验表象，而应思考更深层次的问题。

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、实验内容

1．系统结构图如 3-1 图。

图 3-1 系统结构图

图中Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）

Gh（s）=（1－e-TS）/s

Gp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））

Gp2（s）=1/（s（0.1s+1））

2．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图 3-2 和图 3-3，其中图 3-2 对应 GP1

（s）,图 3-3 对应 Gp2（s）。

图 3-2 开环系统结构图 1图 3-3 开环系统结构图 2

3．被控对象 GP1（s）为“0 型”系统，采用 PI 控制或 PID 控制，可使系统变为“I

型”系统，被控对象 Gp2（s）为“I 型”系统，采用 PI 控制或 PID 控制可使系统变成

“II 型”系统。

4．当 r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。

5．PI 调节器及 PID 调节器的增益

Gc（s）=Kp（1+K1/s）

=KpK1（（1/k1）s+1） /s

=K（Tis+1）/s

式中K=KpKi ,Ti=（1/K1）

不难看出 PI 调节器的增益 K=KpKi，因此在改变 Ki 时，同时改变了闭环增益 K，如

果不想改变 K,则应相应改变 Kp。

采用 PID 调节器相同。

6．“II 型”系统要注意稳定性。

对于 Gp2（s）,若采用 PI 调节器控制，其开环传递

函数为

G（s）=Gc（s）·Gp2（s）

=K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）

为使用环系统稳定，应满足 Ti>0.1，即 K1<10

7．PID 递推算法如果 PID 调节器输入信号为 e（t），其输送信号为 u（t）,则离散

的递推算法如下：

u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）

其中  q0=Kp（1+KiT+（Kd/T））

q1=－Kp（1+（2Kd/T））

q2=Kp（Kd/T）

T--采样周期

四、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路（图 3-2）。

电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输

出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。

检查无误后接通电源。

2. 启 动 计 算 机 ， 在 桌 面 双 击 图 标 [Computerctrl] 或 在 计 算 机 程 序 组 中 运 行

[Computerctrl]软件。

3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通

6

实验结果

参数

δ%

Ts（ms）

阶跃响应曲线

Kp

Ki

Kd

1

0.03

1

10%

220

见图 3—1

1

0.05

1

30%

300

见图 3--2

5

0.02

1

40%

200

见图 3--3

1

0.03

1

65%

800

见图 3--4

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

7

信正常后才可以继续进行实验。

4. 在实验项目的下拉列表中选择实验三[数字 PID 控制], 鼠标单击鼠标单击按

钮，弹出实验课题参数设置窗口。

5.输入参数 Kp,Ki,  Kd（参考值 Kp=1,  Ki=0.02,  kd=1）。

6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。

若不满意，改变 Kp,  Ki,  Kd 的数值和

与其相对应的性能指标σp、ts 的数值。

7.取满意的 Kp,Ki,Kd 值，观查有无稳态误差。

8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路（图 3-3）。

电路的输入 U1 接 A/D、D/A

卡的 DA1 输出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入，将纯积分电容的两端连在模

拟开关上。

检查无误后接通电源。

9.重复 4-7 步骤。

10.计算 Kp，Ki，Kd 取不同的数值时对应的σp、ts 的数值，测量系统的阶跃响应曲

线及时域性能指标，记入表中：

50.05160%680见图 3--5

五．实验结果

根据所测数据，可作出下图所示结果：

图  3—1图 3--2

图 3—3图 3--4

8

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

9

图 3--5

六．实验分析：

由实验结果可知，比例控制能提高系统的动态响应速度，迅速反应误差，但比例控

制不能消除稳态误差。

Kp 的加大，会引起系统的不稳定。

积分控制的作用是消除稳态误

差，因为只要系统存在误差，积分作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，知道偏

差为零，积分作用就停止，但积分作用太强会使系统超调量加大，甚至使系统出现振荡。

微分控制与偏差的变化率有关，它可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，

同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

实验四数字滤波器实验

一、实验目的

1．研究数字滤波器对系统稳定性及过渡过程的影响。

2．熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。

3．掌握数字滤波器的设计方法。

4．了解数字滤波器的通带对系统性能的影响。

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、实验内容

1．需加入串联超前校正的开环系统电路及传递函数

（1）实验电路

图 5－1 需加入串联超前校正的开环系统电路图

（2） 系统开环传递函数

图 5－2 系统开环结构图

（3） 系统闭环结构图

图 5－3 系统闭环结构图

（4） 数字滤波器的递推公式

模拟滤波器的传函：

T1s+1

T2S+1

利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：

Uk=q0xUk-1+q1xek+q2xek-1

q0=（T-2T2）/（T+2T2）

q1=（T+2T1）/（T+2T2）

q2=（T-2T1）/（T+2T2）

10

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

11

T=采样周期T1=超前时间常数T2=滞后时间常数

2． 需加入串联滞后校正的开环系统电路及传递函数

（1）实验电路

图 5－4 需加入串联滞后校正的开环系统电路图

（2）系统开环传递函数

图 5－5 系统开环结构图

（3）系统闭环结构图：

图 5－6 系统闭环结构图

（4）  数字滤波器的递推公式

模拟滤波器的传递函数：

T1s+1

T2S+1

利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：

Uk=q0Uk-1+q1ek+q2ek-1

q0=（T-2T2）/（T+2T2）

q1=（T+2T1）/（T+2T2）

超前常数

性能指标

0.015

0.035

0.055

0.075

阶跃响应曲线

见图 4-1

见图 4-2

见图 4-3

见图 4-4

δ%

55%

20%

10%

0

Tp（毫秒）

200

200

200

200

Ts（毫秒）

600

400

160

100

q2=（T-2T1）/（T+2T2）

T=采样周期T1=超前时间常数T2=滞后时间常数

四、实验步骤

1. 启 动 计 算 机 ， 在 桌 面 双 击 图 标 [Computerctrl] 或 在 计 算 机 程 序 组 中 运 行

[Computerctrl]软件。

2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通

信正常后才可以继续进行实验。

超前校正

3.连接被测量典型环节的模拟电路（图 5-1）。

电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输

出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。

检

查无误后接通电源。

4. 在实验项目的下拉列表中选择实验五[五、数字滤波器]，鼠标单击按钮，弹

出实验课题参数设置对话框，选择超前校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验

参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量σp 和调节时间 ts。

5.重复步骤 4，改变参数设置，将所测的波形进行比较。

并将测量结果记入下表中：

滞后校正

6.连接被测量典型环节的模拟电路（图 5-4）。

电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输

出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。

检

查无误后接通电源。

12

滞后常数

性能指标

0.003

0.005

0.007

阶跃响应曲线

见图 4-5

见图 4-6

见图 4-7

δ%

50%

20%

10%

Tp（秒）

180

180

200

Ts（秒）

1600

400

200

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

13

7. 在实验项目的下拉列表中选择实验五[五、数字滤波器]，鼠标单击按钮，弹

出实验课题参数设置对话框，选择滞后校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验

参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量σp 和调节时间 ts。

五、实验结果

画出所做实验的模拟图，结构图。

图 4-1图 4-2

图 4-3图 4-4

图 4-5图 4-6

14

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

15

图 4-7

六、实验结果分析

加数字滤波器前系统的稳定特性较差，输出波形不稳定。

从响应曲线中分析校正后的结果可知加入超前、之后校正环节后系统稳定性提高，

输出波形稳定。

实验五大林算法

一、实验目的

1．掌握大林算法的特点及适用范围。

2．了解大林算法中时间常数 T 对系统的影响。

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、实验内容

1．实验被控对象的构成：

（1）惯性环节的仿真电路及传递函数

G（S）=-2/（T1+1）

T1=0.2

（2）纯延时环节的构成与传递函数

G（s）=e-Nτ

τ=采样周期N 为正整数的纯

延时个数

由于纯延时环节不易用电路实现，

在软件中由计算机实现。

图 6－1 被控对象电路图

（3）被控对象的开环传函为：

G（S）=-2e-Nτ/（T1+1）

2．大林算法的闭环传递函数：

Go（s）=e-Nτ/（Ts+1）T=大林时间常数

3．大林算法的数字控制器：

D（Z）=（1-eτ/T）（1-e-τ/T1Z-1）/[k（1-e-τ/T1）[1-e-τ/TZ-1-（1-e-τ/T）Z-N-1] ]

设 k1=e-τ/TK2=e-τ/T1T1=0.2 T=大林常数K=2

（K-Kk2）Uk=（1-k1）ek-（1-k1）k2ek-1+（k-kk2）k1Uk-1+（k-kk2）（1-k1）Uk-N-1

四、实验步骤

击图标

1 ．启动计算机，在桌面双[Computerctrl] 或在计算机程序组中运行[Computerctrl]

软件。

2．测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使

通信正常后才可以继续进行实验。

3．量对象的模拟电路（图 6-1）。

电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出，电路的

输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。

检查无误后接通电源。

4．在实验项目的下拉列表中选择实验六[六、大林算法], 鼠标单击按钮，弹出

实验课题参数设置对话框，在参数设置窗口设置延迟时间和大林常数，点击确认在观察

窗口观测系统响应曲线。

测量系统响应时间 Ts 和超调量σp。

5． 复步骤 4，改变参数设置，将所测的波形进行比较。

并将测量结果记入下表中：

16

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

17

性能指标

参数设置

阶跃响应曲线        δ%   Ts（秒） Tp（秒）

延迟时间大林常数

10.5见图 5-10200600

20.5见图 5-20100530

200.5见图 5-30600800

10.1见图 5-401001200

五、实验结果

画出闭环的阶跃响应曲线如下图：

图5-1

图 5-2

图5-3

图 5-4

五．实验结果分析

大林算法是针对含有纯滞后的控制对象

的算法，调节延迟时间和大林常数找到最佳

系统，找到整定值，使超调量最小，动态响

应更迅速，调整时间最小化，并可以提高系

统的稳定性。

实验六炉温控制实验

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、炉温控制的基本原理

1． 系统结构图示于图 7－1。

图 7－1 系统结构图

18

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

19

图中Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）

Gh（s）=（1－e-TS）/s

Gp（s）=1/（Ts+1）

2．系统的基本工作原理

整个炉温控制系统由两大部分组成，第一部分由计算机和 A/D&D/A 卡组成，主要

完成温度采集、PID 运算、产生控制可控硅的触发脉冲，第二部分由传感器信号放大，

同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。

炉温控制的基本原理是：

改变可控硅的导通

角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压的可在 0～140V 内变化。

可控硅的导

通角为 0～5CH。

温度传感是通过一只热敏电阻及其放大电路组成的，温度越高其输出

电压越小。

外部 LED 灯的亮灭表示可控硅的导通与闭合的占空比时间，如果炉温温度低于设

定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。

第二部分电路原理图见附录一。

3．PID 递推算法 ：

如果 PID 调节器输入信号为 e（t），其输送信号为 u（t）,则离散的递推算法如下：

Uk=Kpek+Kiek2+Kd（ek-ek-1）,其中 ek2 是误差累积和。

四、实验内容：

1．设定炉子的温度在一恒定值。

2．调整 P、I、D 各参数观察对其有何影响。

五、实验步骤

击图标

1 ．启动计算机，在桌面双[Computerctrl] 或在计算机程序组中运行[Computerctrl]

软件。

2． 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使

通信正常后才可以继续进行实验。

3． 20 芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检查无误后，接通实验箱和炉温

控制的电源。

开环控制

4．在实验项目的下拉列表中选择实验七[七、炉温控制], 鼠标单击按钮，弹出实

验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等

待屏幕的显示区显示实验结果。

测量系统响应时间 Ts 和超调量σp。

性能指标

参数

阶跃响应曲线

δ%

Tp（秒）

Ts（秒）

Kp

Ki

Kd

3

0.01

0

见图 6—3

16.5%

6.9

15

2

0.01

0

见图 6—4

16%

8.0

12

5

0.01

0

见图 6—5

25%

6.0

18

3

0.1

0

见图 6—6

18.5%

7.0

12

性能指标

占空比

阶跃响应曲线

δ%

Tp（秒）

Ts（秒）

60

见图 6—1

30%

7.5

14.5

80

见图 6—2

28%

7.0

13.5

表 6-1

闭环控制

6. 在实验项目的下拉列表中选择实验七[七、炉温控制] 鼠标单击按钮，弹出实验

课题参数设置对话框，选择 PID，在参数设置窗口设置炉温控制对象的给定温度以及 Ki、

Kp、Kd 值，点击确认在观察窗口观测系统响应曲线。

测量系统响应时间 Ts 和超调量σp。

20

核自学院电气工程及其自动化计算机控制系统 实验报告

21

表 6-2

六、实验结果

记录过渡过程为最满意时的 Kp, Ki, Kd 并画出其响应曲线如下图

图 6-1图 6-2

图 6-3图 6-4

图 6-5图 6-6

实验总结：

通过这几次实验，让我加深了课本知识的学习，以前一些不太明白的地方也在实验

中都搞懂了，同时也了解到计算机控制技术的特点。

感谢蒋老师的悉心指导！

22