各种实验.docx
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各种实验
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、实验内容
通过A/D&D/A卡完成12位D/A转换的实验，转换公式如下：
Uo=Vref（211K12+210K11+...+20K0）/212
Vref=5.0V
例如：
数字量=0100,0000,0000
K11=0,K10=1,K9=0,K8=0,K7=0,K6=0,K5=0,K4=0K3=0,K2=0,K1=0,K0=0
模拟量Uo=Vref（4096-211K7+210K6+...+20K0）/212=2.5
三、实验方法
（1）硬件连接：
将数据采样卡上标有AD1IN的插孔与DA1OUT的插孔相连。
（2）实验硬件原理示意图：
数字量D/A转换A/D采集计算机显示结果
四、软件使用
1、打开软件，在实验课题菜单中选中D/A数模转换实验；或者在左栏快捷区选中D/A数模转换实验项目条，双击即可。
2、在相应弹出的对话框中填写参数,在数字量对应区填写目标数字量。
注意：
数字量的范围从0--4096
3、点击变换按钮，转换出对应的模拟量，如果点击运行，则执行采样数据，等待数据传输完成后，在测量图形中观测对应的数据；点击取消，则取消当前实验。
4、实验完成后起用测量标尺，观测图形并测量数据；在主窗口中单击Measure键，使用弹出标尺，进行单值测量；选择Single项，进行单测量；Double项，进行双测量，测量标尺可以拖动使用
5、退出实验，在实验课题菜单中选择退出即可。
五．实验报告
1．画出数字量与模拟量的对应曲线。
2．计算出理论值，将其与实验结果比较，分析产生误差的原因。
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12位A/D转换的方法。
二、实验内容
通过A/D&D/A卡完成12位A/D转换的实验，转换公式如下：
数字量=模拟量/Vrefx2N其中N是A/D的位数，Vref是基准电压。
例如：
N=12Vref=5.0模拟量=2.5
则数字量=（5-2.5/5.0）x212=1024（十进制）
三、实验步骤
（1）硬件连接：
将自控实验箱上标有AD1IN的插孔与DA1OUT的插孔相连。
（2）实验硬件原理示意图：
由A/D&D/A卡输出模拟量A/D转换计算机显示结果
四、软件使用
1、打开软件，在实验课题菜单中选中A/D数模转换实验；
或者在左栏快捷区选中A/D数模转换实验项目条，双击即可。
2、在相应弹出的对话框中填写参数；在模拟量对应区填写模拟量
注意：
模拟量范围从-5-----+5V
3、点击变换按钮，响应的模拟量转换成数字量。
完成填写参数后，如果点击运行后，则执行采样数据，等待数据传输完成；点击取消，则取消当前实验。
注意：
实验1，实验2共用相同的测量图。
在实验1中，数字量为X轴，电压量为Y轴
在实验2中，仍用数字量为X轴，电压量为Y轴
4、完成后起用测量标尺，观测图形并测量数据；
在主窗口中单击Measure键，使用弹出标尺，进行单值测量；
选择Single项，进行单测量；Double项，进行双测量，测量标尺可以拖动使用退出实验，在实验课题菜单中选择退出即可。
五．实验报告
1．画出模拟量与数字量的对应曲线。
2．计算出理论值，将其与实验结果比较，分析产生误差的原因。
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1型系统及其2型系统的稳定误差。
二、实验内容
1．系统结构图示于图3.1。
r（t）TY（t）
○Gc（S）Gh（s）Gp（s）
－
图3.1
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）的模拟电路图分别示图3.2.1和图3.2.2，其中图3.2.1对应GP1（s）,图3.2.2对应Gp2（s）。
1f1uf
500k
100k100k100k
uD/A1－－y
＋＋A/D1
图3.2.1
1f
1f100K
100k100k
uD/A1－－y
＋＋A/D1
图3.2.2
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“1型”系统，被控对象Gp2（s）为“1型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“2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调结器的增益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．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ek2是误差累积和。
四、软件使用
1、打开软件，在实验课题菜单中选中数字PID控制实验；
或者在左栏快捷区选中数字PID控制实验项目条，双击即可。
2、相应弹出的对话框中填写参数，在AD1标签填写AD采样参数
A、打开AD启用标志，操作：
点击即可；
B、填写采样周期（0.01----100s），操作：
填写参数；
C、填写采样电数（50------999），操作：
填写参数；
D、打开AD显示标志，操作：
点击即可；
E、选择AD采样数据显示颜色，信源颜色按钮；
注意：
AD启用是AD采样通道开启标志；采样周期最小为0.01s；
F、AD显示是AD采样通道显示颜色；（不能使用与系统背景相同的颜色）
填写相关参数V，KP，KI，KD
注意：
电压给定不要超过范围限制；
3、完成填写参数后，如果点击确认，则执行采样数据，等待数据传输完成；点击取消，则取消当前实验。
4、完成后起用测量标尺，观测图形并测量数据；
在主窗口中单击Measure键，使用弹出标尺，进行单值测量；
选择Single项，进行单测量；Double项，进行双测量，测量标尺可以拖动使用退出实验，在实验课题菜单中选择退出即可。
五、实验步骤
1．连续Gp1（s）为对象的模拟电路图11-1及A/D&D/A信号线。
检查无误后，接通±12V电源。
2．输入采样周期T，（参考值T=0.02）
3．输入参数Kp,KI,Kd（参考值Kp=1,Ki=2,kd=0）
4．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p、ts的数值。
5．取满意的Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误差。
6．断开电源，连接模拟电路图11-2，并接上A/D，D/A信号线。
7．接通电源，重复2-8步骤。
六、实验报告
1．画出所做实验的模拟电路图。
2．当被控对象为Gp1（s时）取过渡过程为最满意时的Kp,Ki,Kd,画出校正后的Bode图，查出相稳定裕量和穿越频率c。
3．比较对象为Gp1（s）和对象为Gp2（s）时三角波输入情况下的稳态误差。
4．总结一种有效的选择Kp,Ki,Kd方法，以最快的速度获得满意的参数。
七、PID软件流程图
（ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累积和，uk是控制量）
初始化控制步数、采样点数Point
初始化ek,ek1,ek2,uk
初始系统输出希望值start
画希望值曲线
使硬件被控对象初始值输出=0
采集硬件被控对象的输出inputf
inputf浮点化
求ek=start-inputf
判积分分离限
uk=kpek+kiek2+kd（ek-ek1）uk=kpek+kd（ek-ek1）
判uk是否超上下限
输出uk
ek1=ekek2=ek2+ek
画被控对象第J点输出inputf
J+1
J结束
实验四状态反馈与状态观测器
一、实验目的
1．研究现代控制理论中用状态反馈配置极点的方法。
2．研究状态观测器的设计方法。
二、实验内容
1．被控对象模拟电路图示于图4.1。
1f1f
400k700k
100k
u1D/A1－－A/D1y
100k＋＋
100k
100k
100k
－
＋
图4.1
2．系统数学模型
（1）被控对象传递函数为
Gp（s）=Y（s）/U（s）=100/（s2+3.928s+103.57）
（2）被控对象状态方程
X=Ax+Bu
Y=Cx
式中010
A=B=
-103.57-3.9281
C=1000
3．带有状态观测器的状况反馈系统方框图示于图4.2
rUxxy
KrB○S-1C
－
A
L○
计算机－
xxy
H○Z-1C
G
K
图4.2
图中G=eAT
H=0T（t）dtB（t）=eAt
K1×2维状态反馈系统矩阵，由计算机算出。
L2×1维观测器的反馈矩阵，由计算机算出。
Kr为使y（t）跟踪r（t）乘的比例系数，它由计算机自动地递推算出。
由图4.2可得Xk=GXk-1+HUk-1+L（Yk-1-CXk-1）
Uk=-KXk+KrRk
4．希望的系数极点（参考值）：
s1,2=-7.35±j7.5,它对应在Z平面上应为
Z1,2=0.712±j0.22
5．观测器极点参考值：
Z1,2=0.1±j0
三、软件使用
1.打开软件，在实验课题菜单中选中状态反馈与状态观测器中的阶跃响应；或者在左栏快捷区选中状态反馈与状态观测器中的阶跃响应实验项目条，双击即可。
2.在弹出的对话框中填写参数，在AD1标签填写AD采样参数
A、打开AD启用标志，操作：
点击即可；
B、填写采样周期（0.01----100s），操作：
填写参数；
C、填写采样电数（50------999），操作：
填写参数；
D、打开AD显示标志，操作：
点击即可；
E、选择AD采样数据显示颜色，信源颜色按钮；
注意：
AD启用是AD采样通道开启标志；采样周期最小为0.01s；AD显示是AD采样通道显示颜色；（不能使用与系统背景相同的颜色）
在相关参数区中填写参数
注意：
阶跃给定不要超过给定范围-5-----+5
3.完成填写参数后，如果点击确认，则执行采样数据，等待数据传输完成；点击取消，则取消当前实验。
4.实验完成后起用测量标尺，观测图形并测量数据；在主窗口中单击Measure键，使用弹出标尺，进行单值测量；选择Single项，进行单测量；Double项，进行双测量，测量标尺可以拖动使用。
5.要退出实验，在实验课题菜单中选择退出即可。
跟踪响应
1、打开软件，在实验课题菜单中选中状态反馈与状态观测器中的跟踪响应；或者在左栏快捷区选中状态反馈与状态观测器中的跟踪响应实验项目条，双击即可。
2、在弹出的对话框中填写相关参数：
在AD1标签填写AD采样参数，参数的填写与阶跃响应相同；在相关参数区中填写参数V，阶数，希望极点，观测极点，矩阵A，B，C
注意：
阶跃给定不要超过给定范围-5-----+5
3、其它实验操作与阶跃响应实验相同
四、实验步骤
1．连接图12所示被控对象模拟电路图，并连接A/D&D/A信号线。
2．执行程序,修正Kr参数，使y（t）=r（t）.
五、实验报告
1、画出被控对象模拟电路图。
2、计算Gp（S），A，B，C。
3、计算离散化模拟参数G，H，并与计算机结果比较。
4、计算希望的系统单位阶跃响应指标中的超调量Gp和调节时间Ts并与实时控制结果比较。
六、状态观测器软件流程图
（yk为当前输出，yk1为上一次系统输出，xk1为上一次的观测阵）
（xk是当前观测阵，u1是当前控制量）
初始化控制步数、采样点数Point
初始化u1,xk1
初始系统输出希望值r1
画希望值曲线
计算矩阵H，G，L，Kr
使硬件被控对象初始值输出=0
采集硬件被控对象的输出input
input浮点化成Y1
计算U1=U1+Kr
判u1是否超上下限
输出u1
计算Xk=GXk1+HU1+L（Y1-CXk1）
计算U1=-KXk+KrR1
Xk1=Xk
画被控对象第J点输出input
J+1
J结束
实验五数字滤波器实验
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
1fR21f
200k
100kR1200k100k
u1－－－
u2
D/A1＋100K＋＋
（2）系统开环传递函数
U1102U2
S20.2S+1
（3）系统闭环结构图：
R1T1s+1U1102U2
-T2s+1S20.2S+1
计算机
（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）
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
1f
1f
D/A1500k100k100k100k100k
u1－－50k－u2A/D1
＋＋＋
1uF
（2）系统开环传递函数
U11051U2
S0.05S+10.1S+1
（3）系统闭环结构图：
R1T1s+1U11052U2
-T2s+1S0.05s+10.1S+1
计算机
（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=q0Uk-1+q1ek+q2ek-1
q0=（T-2T2）/（T+2T2）
q1=（T+2T1）/（T+2T2）
q2=（T-2T1）/（T+2T2）
T=采样周期T1=超前时间常数T2=滞后时间常数
三、实验步骤
1．连接模拟电路图，按软件默认的T1、T2测量系统阶跃响应，并记录超调量p和调节时间ts.
2．改变T1、T2重复步骤1，观察实验结果。
四、软件使用
1、打开软件，在实验课题菜单中选中数字滤波器实验中的超前校正；或者在左栏快捷区选中数字滤波器中的超前校正实验项目条，双击即可。
2、在相应弹出的对话框中填写参数，在AD1标签填写AD采样参数
A、打开AD启用标志，操作：
点击即可；
B、填写采样周期（0.01----100s），操作：
填写参数；
C、填写采样电数（50------999），操作：
填写参数；
D、打开AD显示标志，操作：
点击即可；
E、选择AD采样数据显示颜色，信源颜色按钮；
注意：
AD启用是AD采样通道开启标志；采样周期最小为0.01s；
AD显示是AD采样通道显示颜色；（不能使用与系统背景相同的颜色）
3、在相关参数区填写参数V，滞后常数，超前常数
注意：
给定电压不要超过提示范围
4、完成填写参数后，如果点击确认，则执行采样数据，等待数据传输完成；点击取消，则取消当前实验。
5、完成后起用测量标尺，观测图形并测量数据；在主窗口中单击Measure键，使用弹出标尺，进行单值测量；选择Single项，进行单测量；Double项，进行双测量，测量标尺可以拖动使用
6、退出实验，在实验课题菜单中选择退出即可。
滞后校正
1、打开软件，在实验课题菜单中选中数字滤波器实验中的滞后校正；或者在左栏快捷区选中数字滤波器中的滞后校正实验项目条，双击即可。
2、AD1标签填写AD采样参数参数的填写与超前校正相同
3、在相关参数区填写参数V，滞后常数，超前常数，其它操作与超前校正相同。
五、实验报告
1．画出所做实验的模拟图，结构图。
2．分析加数字滤波器前系统的稳定特性。
3．从响应曲线中分析校正后的结果并与理论分析比较。
六、数字滤波软件流程图
（ek为误差，ek1为上一次的误差，uk是控制量，uk1是上一次的控制量）
初始化控制步数、采样点数Point
初始化ek,ek1,ek2,uk求q0,q1,q2
初始系统输出希望值start
画希望值曲线
使硬件被控对象初始值输出=0
采集硬件被控对象的输出inputf
inputf浮点化
求ek=start-inputf
Uk=q0Uk1+q1ek+q2xek1
判uk是否超上下限,uk=5.0-uk
输出uk
ek1=ekuk1=uk
画被控对象第J点输出inputf
J+1
J结束
实验六大林算法
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、实验内容
1、实验被控对象的构成：
1uF
1）惯性环节的仿真电路及传递函数100K
G（S）=-2/（T1+1）D/A1-200KA/D1
T1=0.2+
2）纯延时环节的构成与传递函数
G（s）=e-N
=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。
3）被控对象的开环传函为：
G（S）=-2e-N/（T1+1）
2、大林算法的闭环传递函数：
Go（s）=e-N/（Ts+1）T=大林时间常数
3、大林算法的数字控制器：
D（Z）=（1-e/T）（1-e-/T1Z-1）/[k（1-e-/T1）[1-e-/TZ-1-（1-e-/T）Z-N-1]]
设k1=e-/TK2=e-/T1T1=0.2T=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
三、实验步骤
1、按电路图接好线路。
2、启动软件，按默认参数运行，观察运行结果。
3、改变大林常数和延时周期数N，观察运行结果。
四、软件使用
1、打开软件，在实验课题菜单中选中大林算法；或者在左栏快捷区选中大林算法实验项目条，双击即可。
2、在相应弹出的对话框中填写参数,在AD1标签填写AD采样参数
A、打开AD启用标志，操作：
点击即可；
B、填写采样周期（0.01----10s），操作：
填写参数；
C、填写采样电数（50------999），操作：
填写参数；
D、打开AD显示标志，操作：
点击即可；
E、选择AD采样数据显示颜色，信源颜色按钮；
注意：
AD启用是AD采样通道开启标志；采样周期最小为0.01s；
AD显示是AD采样通道显示颜色；（不能使用与系统背景相同的颜色）
在相关参数区填写参数V，延时周期，大林常数
注意：
给定电压不要超过给定范围
3、完成填写参数后，如果点击确认，则执行采样数据，等待数据传输完成；点击取消，则取消当前实验。
4、实验完成后起用测量标尺，观测图形并测量数据；在主窗口中单击Measure键，使用弹出标尺，进行单值测量；选择Single项，进行单测量；Double项，进行双测量，测量标尺可以拖动使用
5、退出实验，在实验课题菜单中选择退出即可。
五、实验报告
1、分析开环系统下的阶跃响应曲线。
2、画出闭环的阶跃响应曲线，并求出超调和响应时间。
3、分析大林时间常数对系统稳定性的影响。
六、大林算法软件流程图
（ek为误差，ek1为上一次的误差，uk是控制量，uk1是上一次的控制量）
（ukn1是上N+1次的控制量）
初始化控制步数、采样点数Point求K,K1,K2
初始化ek,ek1,ek2,uk
初始系统输出希望值start
画希望值曲线
使硬件被控对象初始值输出=0
采集硬件被控对象的输出inputf
inputf浮点化
inputf延迟N步
求ek=start-inputf
（K-Kk2）Uk=（1-k1）ek-（1-k1）k2ek1+（k-kk2）k1Uk1+（k-kk2）（1-k1）Ukn1
判uk是否超上下限uk=5.0-uk
输出uk
ek1=ekUkn1更新
画被控对象第J点输出inputf
J+1
J结束
实验七炉温控制实验
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、炉温控制的基本原理
1．系统结构图示于图10。
r（t）TY（t）
○Gc（S）Gh（s）Gp（s）
－
计算机含A/D&D/A卡
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。
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ek2是误差累积和。
三、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。
四、软件使用
开环控制实验
1、打开软件，在实验课题菜单中选中炉温控制实验中的开环控制实验；或者在左栏快捷区选中炉温控制响应中的开环控制实验项目条，双击即可。
2、在相应弹出的对话框中填写参数,
升级会员 