计算机控制技术实验报告组.docx
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计算机控制技术实验报告组
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、实验内容
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
AD原始码（二进制）
AD原始码（十六进制）
求补后的码（十进制）
正满度
01111111111111
1FFF
16383
正满度－1LSB
01111111111110
1FFE
16382
中间值（零点）
00000000000000
0000
8192
负满度+1LSB
10000000000001
2001
1
负满度
10000000000000
2000
0
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
D/A数据编码
正满度
111111111111
正满度－1LSB
111111111110
中间值（零点）
100000000000
负满度+1LSB
000000000001
负满度
000000000000
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，其范围为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
十进制
DA
十进制
二进制
00001011110100
8948
2457
100110011001
00001100001101
8973
3419
110101011011
00001011110011
8947
2184
100010001000
00001010111010
8890
4032
111111000000
00001011100110
8934
3958
111101110110
（1）00001011110100
2、D/A转换结果、
（2）3958
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、实验内容
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：
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。
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。
6、实验结果
（a）位置式PID控制响应曲线
（b）增量式PID控制响应曲线
（c）积分分离PID控制响应曲线
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。
7、位置式PID控制算法的脚本程序
dimpv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op‘变量定义
subInitialize（arg）‘初始化函数
WriteData0,1
mx=0
pvx=0
endsub
subTakeOneStep（arg）‘算法运行函数
pv=ReadData
（1）‘采集卡AD1通道的测量值
sv=2‘给定值
K=0.8‘比例系数P
Ti=5‘积分时间常数I
Td=0‘微分时间常数D
Ts=0.1‘采集周期
ei=sv-pv‘控制偏差
q0=K*ei‘比例项
ifTi=0then
mx=0
q1=0
else
mx=K*Ts*ei/Ti‘当前积分项
endif
q2=K*Td*（pvx-pv）/Ts‘'微分项
q1=q1+mx
ifq1>4.9then‘积分限幅，以防积分饱和
q1=4.9
endif
ifq1<-4.9then
q1=-4.9
endif
pvx=pv‘pvx为测量值的前项
op=q0+q1+q2‘PID控制器的输出
ifop<=-4.9then‘输出值限幅
op=-4.9
endif
ifop>=4.9then
op=4.9
endif
WriteDataop,1‘输出值给DA1通道
endsub
subFinalize（arg）‘退出函数
WriteData0,1
endsub
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、实验内容
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
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：
（1）
（2）
由
（1）、
（2）解得：
随动系统的调节时间也就是系统误差
达到零或为一恒值所需的时间，由Z变换定义可知：
有限拍系统就是要求系统在典型的输入信号作用下，当
时，
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
传递函数，由理论分析得：
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：
选择采样周期T，将上述传递函数离散后得
（3）
因为输入是单位斜坡信号，所以选择：
（4）
其中
，
由此可得等速输入下最少拍算法的控制量为
u（k）=（1-B）u（k-1）+Bu（k-2）+
（5）
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：
两式联立求解得
，
，
所以有
由此可得等速输入下最少拍无纹波的算法：
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：
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“
”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；
2.3打开工具栏上的“
”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、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；
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；
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。
6、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
2．根据最少拍有纹波控制的算法编写脚本程序。
dimsv,pv,op,opx,opxx,ei,eix,eixx,Ts,A,B,k,Ti,x‘变量定义
subInitialize（arg）‘初始化函数
WriteData0,1
WriteData0,2
opx=0
opxx=0
eix=0
eixx=0
endsub
subTakeOneStep（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
ifsv>=4.8then
sv=4.8‘斜坡输出的最大值
endif
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
ifop<=-4.9then‘输出值限幅
op=-4.9
endif
ifop>=4.9then
op=4.9
endif
WriteDataop,1‘输出值给DA1通道
WriteDatasv,2‘斜坡信号给DA2通道
endsub
subFinalize（arg）‘退出函数
WriteData0,1
WriteData0,2
endsub
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
（b）最少拍无纹波控制响应曲线
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13-1PWM的控制电路
上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国SiliconGeneral公司生产的专用
PWM控制集成芯片，其内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，其内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。
图13-2SG3525内部结构
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。
（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
dimpv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op
subInitialize（arg）'初始化函数
WriteData0,1
mx=0
pvx=0
endsub
subTakeOneStep（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",pv
sv=35
K=2
Ti=2
Td=0
Ts=0.05'采集周期50ms
ei=（sv-pv）/20
TTRACE"ei=%f",ei
q0=K*ei'比例项
ifTi=0then
mx=0
q1=0
else
mx=K*Ts*ei/Ti'当前积分项
endif
q2=K*Td*（pvx-pv）/Ts'微分项
q1=q1+mx
ifq1>3.5then
q1=3.5
endif
ifq1<-3.5then'当前积分限幅，以防积分饱和
q1=-3.5
endif
pvx=pv
op=q0+q1+q2'当前输出值
ifop<=1then'输出值限幅
op=1
endif
ifop>=3.5then
op=3.5
endif
WriteDataop,1
TTRACE"op=%f",op
endsub
subFinalize（arg）'退出函数
WriteData0,1
endsub
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