计算机控制系统实验报告

计算机控制系统实验报告学院：核自院姓名：李擂 专业：电气工程及其自动化 班级：电气四班 学号：201006050407实验一 采样实验一实验目的了解模拟信号到计算机控制的离散信号的转换采样过程。二实验原理及说明采样实验框图如图4-3-1所示。计算机通过模/数转换模块以一定的采样周期对B5单元产生的正弦波信号采样，并通过上位机显示。在不同采样周期下，观察比较输入及输出的波形（失真程度）E5方滋 一! B8 IRQ6采样周期信号正弦-言号源-女/D荐换h虚拟示波器）35PB7CH1图 4-3-1 采样实验框图计算机编程实现以不同采样周期对正弦波采样，调节函数发生器（B5）单元的“设定电 位器T旋钮，并以此作为A/D采样周期T。改变T的值，观察不同采样周期下输出波形与 输入波形相比的复原程度（或失真度）。对模拟信号采样首先要确定采样间隔。采样频率越高，采样点数越密，所得离散信号就 越逼近于原信号。采样频率过低，采样点间隔过远，则离散信号不足以反映原有信号波形特 征，无法使信号复原，。合理的采样间隔应该是即不会造成信号混淆又不过度增加计算机的工作量。采样时，首 先要保证能反映信号的全貌，对瞬态信号应包括整个瞬态过程；信号采样要有足够的长度， 这不但是为了保证信号的完整，而且是为了保证有较好的频率分辨率。在信号分析中，采样点数N般选为2m的倍数，使用较多的有512、1024、2048、4096 等。三、实验内容及步骤采样实验框图构成如图4-3-1所示。本实验将函数发生器（B5）单元“方波输出”作为 采样周期信号，正弦波信号发生器单元（B5）输出正弦波，观察在不同的采样周期信号对正 弦波采样的影响。实验步骤：（1）将函数发生器（B5）单元的正弦波输出作为系统输入，方波输出作为系统采样周期 输入。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过上排右按键选择“方波正弦波”的指示灯亮, （B5）模块“方波输出”测孔和“正弦波输出”测孔同时有输出。方波的指示灯也亮， 调节B5单元的“设定电位器1”，使之方波频率为80Hz左右（D1单元右显示）。 再按一次上排右按键，“正弦波”的指示灯亮（方波的指示灯灭），B5的量程选择开 关S2置上档，调节“设定电位器2”，使之正弦波频率为0.5Hz（D1单元右显示）。调节B5 单元的“正弦波调幅”电位器，使之正弦波振幅值输出电压=2.5V左右（D1单元左显示）。（3）构造模拟电路：按图 4-3-1 安置短路套及测孔联线，表如下。1正弦波信号输 入B5 （正弦波输出SIN）B3 （虚拟示波器）CH1 （选X1档）2采样周期信号B5 （方波输出）一B8输入（IRQ6）4）运行、观察、记录：再运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的釆样和保持菜单下选择釆样实验项目， 就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，即可选用本实验配套的虚 拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形在显示与功能选择（D1）单元中，按上排右按键选择“方波/正弦波”的指示灯亮, 方波的指示灯也亮，调节B5单元的“设定电位器1”，慢慢降低采样周期信号频率, 观察输出波形。图4-3-2 不同采样周期（78Hz和10Hz）下的输出波形 四.实验报告要求：按下表记录下各种频率的采样周期下的输出波形。50HZ40HZ30HZ20HZ10HZ5HZCHE 亠电压亠I寺二斤一iJi類丰特H-r q?!l5ll r Mit实验二 采样/保持器实验一实验目的1. 了解判断采样/保持控制系统稳定性的充要条件。2. 了解采样周期T对系统的稳定性的影响。3. 掌握控制系统处于临界稳定状态时的采样周期T的计算。4. 用MATLAB验证临界稳定状态时的采样周期5. 观察和分析采样/保持控制系统在不同采样周期T时的瞬态响应曲线。二.实验原理及说明1. 判断采样/保持控制系统稳定性的充要条件线性连续系统的稳定性的分析是根据闭环系统特征方程的根在S平面上的位置来进行 的。如果特征方程的根都在左半S平面，即特征根都具有负实部，则系统稳定。采样/保持控制系统的稳定性分析是建立在Z变换的基础之上，因此必须在Z平面上分 析。S平面和Z平面之间的关系是：S平面左半平面将映射到Z平面上以原点为圆心的单位 圆内，S平面的右半平面将映射到Z平面上以原点为圆心的单位圆外。所以采样/保持控制系统稳定的充要条件是:系统特征方程的根必须在Z平面的单位圆 内。只要其中有一个特征根在单位圆外，系统就不稳定；当有一个根在Z平面的单位圆上 而其他根在单位圆内时，系统就处于临界稳定。也就是说，只要特征根的模均小于1，则 系统稳定；若有一个特征根的模大于1，则系统不稳定。2. 采样周期 T 对系统的稳定性的影响闭环采样/保持控制系统原理方块图如图4-3-3 所示：图 4-3-3 闭环采样/保持控制系统原理方块图从采样实验中知道采样输出仅在采样点上有值，而在采样点之间无值。如其输出以前一 时刻的采样值为参考基值进行外推，即可使两个采样点之间为连续信号过度。可以完成上述 功能的装置或者器件就称为保持器。因为数/模转换器(D/A)具有两极输出锁存能力，所以 具有零阶保持器的作用。使用了采样保持器后，采样点间的信号是外推而得的，实际上已含有失真的成份，因此， 采样周期信号频率过低将会影响系统的稳定性。采样周期T可由用户在界面上直接修改，在 不同采样周期下，观察、比较输出的波形。三实验内容及步骤闭环采样/保持控制系统实验构成电路如图4-3-4所示，积分环节（A3单元）的积分时21池诙间常数Ti=Ri*Ci=0.1S,惯性环节（A5单元）的惯性时间常数T=R2*C2=0.5S,增益K=R2/R3=5。N7ET转按E20UT2图4-3-4闭环采样/保持控制系统实验构成电路实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入Ro （连续的正输出宽度足够大的 阶跃信号） 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯 亮）。 B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，OUT正输出宽度6秒。（D1 单元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=2.5V左右（D1单元右显示）2）构造模拟电路：按图4-3-4安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A1S4，S82A2S1，S63A3S3， S10， S114A5S3， S7， S105B5S-ST1输入信号RB5 (OUT)-A1 (H1)2运放级联A1 (OUT)-A2 (H1)3送调节器输入A2A (OUTA)B7 (IN7)4调节器输出B2 (OUT2)-A3 (H1)5运放级联A3 (OUT)-A5 (H1)6负反馈A5A (OUTA)A2 (H2)7中断请求线B5 (S)-B8 (IRQ6)8示波器联接A5A (OUTA)TB3 (CH1)9X1档B5 (OUT) TB3 (CH2)（ 3）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择釆样/保持实验项 目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，运行实验程序，使 用虚拟示波器CH1通道观察A5A单元输出OUTA （C）的波形。 该实验的显示界面的釆样周期T （界面右上角）可由用户点击“停止”键后，在界面 上直接修改，以期获得理想的实验结果，改变这些参数后，只要再次点击开始”键，即可 使实验机按照新的控制参数运行。 采样周期 T 设定为 10ms 、30ms 和 50ms ，使用虚拟示波器 CH1 通道观察 A5A 单 元输出OUTA （C）的波形，见图4-3-8o观察相应实验现象。记录波形，并判断其稳定性。10ms50ms图4-3-8采样周期为10ms、30ms、50ms时的输出端（C）波形注：由于元器件的误差，把采样周期设定为临界稳定状态（T=0.04秒）时，实验现象不一 定是等幅振荡。四实验报告要求：按下表改变图 4-3-4 所示的实验被控系统，画出系统模拟电路图。调整输入矩形波宽度三6秒，电压幅度=2.5V。计算和观察被测对象的临界稳定采样周期T,填入实验报告。积分常数Ti惯性常数T增益K临界稳定的采样周期T计算值测量值0.10.120.220.550.20.120.220.55实验三 微分与微分平滑一实验目的1了解微分反馈的原理及对被控对象的影响。2掌握微机控制系统实现微分反馈的方法。3. 观察和分析微分运算中的采样周期T与微分系数Td对系统阶跃响应性能的影响。4. 观察和分析微分平滑运算中的采样周期T与微分系数Td对系统阶跃响应性能的影响。 二实验原理及说明微分与平滑原理方块图如图4-4-1所示。其中环节D（Z）即为利用计算机实现的微分运算环节。R为阶跃输入信号，C为系统输出。图 4-4-1 微分与平滑原理方块图微分是正反馈，当取合适的微分系数时，会使系统响应加快，用于被控对象为惯性环节 的系统，特别是惯性时间常数较大的系统，有明显的校正作用。三实验内容及步骤微分与微分平滑系统实验构成如图 4-4-2 所示，1 分别选择微分算法和微分平滑算法,设置微分系数Td和反馈系数KD和采样周期T， 观察输出端（C）波形。2.改变图4-4-2中被控对象的惯性时间常数，设置微分系数Td和反馈系数KD和采样 周期T，观察输出端（C）波形，测量时域特性，填入实验报告。图 4-4-2 微分与平滑实验构成实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R。（连续的正输出宽度足够大的 阶跃信号） 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯 亮）。 B5的量程选择开关S2置下档，调节设“定电位器1”，OUT正输出宽度3秒。（D1 单元左显示）。 调节 B5 单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 2.5V 左右（ D1 单元右显示）。2）构造模拟电路：按图4-4-2 安置短路套及测孔联线，表如下。模块号跨接座号1A2S1，S62A5S5， S7, S10, S113B5S-ST（a）安置短路套3）运行、观察、记录：1输入信号RB5 (OUT) A2 (H1)2运放级联A2A (OUTA)A5 (H1)3信号输出A5A (OUTA)B7 (IN4)4微分反馈B2 (OUT2)A2 (H2)5中断请求线B5 右侧输出(S)B8 (IRQ6)6示波器联接A5A (OUTA) TB3 (CH1)7X1档B2 (OUT2) TB3 (CH2)（b）测孔联线运行LABACT程序，在微机控制一平滑与数字滤波菜单下分别选择微分或微分平滑实 验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件。该实验的显示界面下方“计算公式”栏的微分系数 Td 和显示界面右上方“采样周期” 栏的T均可由用户点击“开始”前，或在点击“停止”键后，在界面上直接修改，以期获 得理想的实验结果，改变这些控制系数后，只要再次点击开始”键，即可使实验机按照新 的控制系数运行。1）微分算法实验运行微分实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件。 运行后，用虚拟示波器CH1观察系统输出，用CH2观察数字调节器D（Z）输出及微分噪音幅 度。用CH1观察系统阶跃响应输出点C（k） （A5单元输出端OUT）的波形。与不加微分反馈 环节情况下（即需将微分反馈线断开，即B2的OUT2到A2的H2联线断开），输出点C（k） 的波形相比较，系统的过渡过程时间将明显缩短，可绘制出两者的输出曲线。由于受微分正反馈的影响，其响应速度将加快，可适当调整Td为微分系数，T为采样周 期，使系统输出达到要求，绘制出输出曲线。该实验的显示界面中已设定采样周期T=80mS, “计算公式”栏：微分系数Td=0.75S 微分算法实验结果见图4-4-3，其中：图4-4-3a 不加微分反馈输出曲线（只需把测孔联线表中的微分反馈线断开即可）图 4-4-3 b 加微分反馈输出曲线 实验报告要求：1.图4-4-2中被控对象的惯性时间常数为To=lS,采样周期T=80ms,按下表改变微分 系数Td和反馈系数KD,观察输出端（C）波形，填入实验报告。微分系数Td峰值时间tp调节时间ts超调量Mp0.6S1.491.251.470.7S1.0450.8854.410.75S1.051.4557.380.96S0.962.68032.882.图4-4-2中被控对象的惯性时间常数改为To=0.2S,采样周期T=15ms,按下表改变 微分系数Td和反馈系数KD,观察输出端（C）波形，填入实验报告。微分系数Td峰值时间tp调节时间ts超调量Mp0.11S0.40.64010.310.13S0.4150.7117.660.15S0.390.9426.470.19S0.3951.4645.59注：反馈系数K仝大，每个采样周期中数字调节器D（Z）输出的变化值（微分噪音DT幅度）也会大。2）微分平滑算法实验运行微分平滑实验项目,就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文 件。运行后，用虚拟示波器CH1观察系统输出，用CH2观察数字调节器D（Z）输出（微分噪 音幅度）。与微分实验输出曲线相比较，数字调节器D（Z）的输出变化相对要小些。该实验的显示界面中已设定采样周期T=80mS, “计算公式”栏：微分系数Td=0.75S 微分平滑算法实验结果见图 4-4-4。微分系数Td峰值时间tp调节时间ts超调量Mp0.6S1.3951.1404.400.7S1.302.14011.780.75S1.232.0716.190.96S1.223.72058.42.图4-4-2中被控对象的惯性时间常数改为To=0.2S,采样周期T=15ms,按下表改变 微分系数Td和反馈系数KD,观察输出端（C）波形，填入实验报告微分系数Td峰值时间tp调节时间ts超调量Mp0.11S0.510.9314.720.13S0.520.919.130.15S0.520.14124.470.21S0.532.03039.72注：反馈系数K 辛大，每个采样周期中数字调节器D（Z）输出的变化值（微分噪音SB门：II-r?：+lI -.： X .J *鈴二鈴T一叮土 t L翩脱 广*竝：11 广曲卅I 置卜+H制图 4-4-4 微分平滑实验结果 实验报告要求：1.图4-4-2中被控对象的惯性时间常数为To=lS,采样周期T=80ms,按下表改变微分 系数Td和反馈系数KD,观察输出端（C）波形，填入实验报告幅度）也会大。实验四 数字滤波一实验目的 1了解和掌握数字滤波原理及方法。 2观察和分析各种数字滤波的滤波效果。二实验原理及说明 关于数字滤波：一个计算机数据采集系统在生产过程中会受到各种干扰,从而降低了有 用信号的真实性。虽然在输入通道上接入一个RC低通滤波器来抑制工频及其以上频率的干 扰，但对频率很低的干扰却由于制作上的难度而难以实现。采用数字形式来模拟RC低通滤 波器的输入输出数学关系,可以得到较好的效果。常用数字滤波的方法有多种,如限幅滤波、限速滤波、算术平均滤波、中值滤波及本实 验使用的惯性滤波、四点加权平均滤波等。应该根据实际情况来选择合适的滤波方法。本实验用于观察和分析在离散系统中数字滤波对系统性能的影响。数字滤波实验构成如图4-4-5所示。干扰源采用RC电路将B5单元的输出尖脉冲，如图4-4-6 所示，将此尖脉冲信号视作干扰。再用 B5 单元产生的正弦波，两信号迭加，即产生含有干扰信号的正弦波。正弦恬号酬統6 “ OiJ73可塑电闍. K图 4-4-6 干扰信号构成图 4-4-5 数字滤波构成实验步骤：（1）将函数发生器（B5）单元的正弦波输出作为系统输入，尖脉冲输出作为系统干扰输入。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过上排右按键选择“方波/正弦波”指示灯亮, （B5）模块“方波输出”测孔和“正弦波输出”测孔同时有输出。方波的指示灯也亮， 调节B5单元的“设定电位器1”使之方波（即尖脉冲）频率约为10Hz（D1单元右显示）, 波形见图 4-4-7-a。 再按一次上排右按键，“正弦波”的指示灯亮（方波的指示灯灭），B5的量程选择开 关S2置上档，调节“设定电位器2”使之正弦波频率为2.5Hz（D1单元右显示）。 调节B5单元的“正弦波调幅”电位器，使之正弦波振幅为3.5V左右（D1单元左显示）。波形见图 4-4-7-b。（2）构造模拟电路：按图4-4-5及图4-4-6安置短路套及测孔联线，表如下。1信号输入B5 (SINA2 (H1)2信号连接A2A (OUTA)B7 (IN6)34跨接元件（30K）兀件库A11中直读式可变电阻跨接 到B5 （尖脉冲）和A2 （H2）之间模块号跨接座号A2S1，S6B5尖脉冲（a）安置短路套（b）测孔联线（3）运行、观察、记录 复核输入信号：运行LABACT程序，在微机控制-平滑与数字滤波菜单下分别选择 数字滤波中的一阶惯性环节或四点加权平均实验项目,就会弹出虚拟示波器的界面，点击 开始后将自动加载相应源文件。运行后，用虚拟示波器和调整系统输入信号。调整A11单元的可变电阻使叠加的波形符合要求。尖脉冲波形见图4-4-7-a，正弦波波形见4-4-7-b。用示波器分别观察滤波前A2A（OUT）输出（见图4-4-7-c）和滤波后B2 （OUT2）的 输出（见图4-4-7-d）的波形进行比较。 该实验的显示界面计算公式”栏的Ki与采样周期T均可由用户点击“停止”键后， 在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果，改变这些参数后，只要再次点击“开始”键， 即可使实验机按照新的控制参数运行。1）. 模拟一阶惯性环节的数字滤波用示波器观察输入端、输出C波形，分析滤波效果，并应记下干扰衰减比、正弦衰减比（采用峰一峰值）。改变Ko、T,重复以上各步，直至得到满意结果。如果现象不明显，可减 小A11单元可变电阻的阻值。实验的控制系数已设定K0= 0.5采样周期设定T=2x1=2ms。2）. 四点加权平均数字滤波 对照观察输入输出并记录干扰衰减比、正弦衰减比（采用峰峰值）。可以改变各项参数， 直至得到满意结果。如果现象不明显，可减小A11单元可变电阻的阻值。该实验的显示界面中已设定采样周期T=1x2=2ms，“计算公式”栏的Ki实验五 PID 实验实验目的1. 了解和掌握连续控制系统的PID控制算法的模拟表达式(微分方程)2. 了解和掌握被控对象数学模型的建立。3. 了解和掌握求取广义对象的脉冲传递函数。4. 了解和掌握数字PID调节器控制参数的工程整定方法。5. 了解和掌握采用微分方程直接建立后向差分方程的方法。6. 了解和掌握用MATLAB数字PID仿真被控过程。7. 了解和掌握用LabACT实验箱实验数字PID被控过程。8. 观察和分析在标准PID控制系统中，参数对系统性能的影响。9. 掌握本实验机的 PID 控制算法中的特殊使用实验原理及说明在一个控制系统中，米用比例、积分和微分控制方式控制，称之谓PID控制。它对于被 控对象的传递函数G(S)难以描述的情况，是一种应用广泛，行之有效的控制方式。数字PID 控制器是基于连续系统的计算机数字模拟设计技术，它把输入信号离散化，用数字形式的差 分方程代替连续系统的微分方程，对它进行处理和控制。差分方程是一种描述离散系统各变量之间动态关系的数学表达式，它只能表示连续时间 函数在采样时刻的值。通常，都是用后向差分方程进行描述的。此时，该离散系统在k刻的 输出信号P(k)，不但与k时刻的输入r(k)有关，而且与k时刻以前输入r(k-1), r(k-2),有 关，同时还与k时刻以前的输出c(k-1), c(k-2),有关。三实验内容及步骤用 LabACT 实验箱实验被控过程被控对象参数的确认构成如图4-5-12所示。本实验将函数发生器(B5)单元作为信号发生 器，矩形波输出(OUT)施加于被测系统的输入端R,观察矩形波从0V阶跃到+2.5V时被控 对象的响应曲线。-CCl| | In5iCIK200KQUTA200KI I1n* A7AK rrnrCH1图 4-5-12 被控对象参数的确认构成实验步骤：注：将S ST用短路套短接！ 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯 亮）。 B5的量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度3秒（D1单 元左显示）。 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压=2.5V左右（D1单元右显示）。 构造模拟电路：按图4-5-12安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A5S5， S7， S102A7S2， S7， S9, P3B5S-ST1输入信号RB5 (OUTA5 (H1)2运放级联A5A (OUTA)A7 (H1)3示波器联接B5 (OUT) TB3 (CH1)4X1档A7A (OUTA) TB3 (CH2)?III4 运行、观察、记录：A）先运行LABACT程序，选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器” （Alt+W）项，弹 出双迹示波器的界面，点击开始，用虚拟示波器观察系统输入、输出信号，被控对象响应曲 线见图4-5-13所示。图 4-5-13 被控对象响应曲线*?-数字 PID 闭环控制系统实验数字PID闭环控制系统构成如图4-5-14所示。本实验将函数发生器（B5）作为信号发生 器，矩形波输出（OUT）施加于被测系统的输入端Ui,观察矩形波从0V阶跃到+2.5V时被测 系统的的 PID 控制特性。G2EDGEOUTA E C i图4-7-15被测系统输入及数字调节器D(Z)输出的时域特性从图4-7-15可了解到数字调节器D(Z)对系统的输入滞后了 2拍(0.08秒X2=0.16秒), 及振铃幅度。d)观察被测系统输出及数字调节器D(Z)/系统输出的时域特性2大梱注=2 )询帥:-w2.5 n时匪程U r.折铝主一 广幅规時建 广临浙牡三 广Blffl亠I軽Bl酬jj跳jj-讪1:坏计革公式 1|)(=36 总42+卩7丁p TAE2K344 IrrEi p oi uiPL菜样斷K IF J5m=zB：h=|-D. |-0.10|-D. 15 V4KP3P4霉点控制CHL 匹 I2H2 上J1=1ZJ 1 s|图4-7-16被测系统输出及数字调节器D(Z)/系统输出的时域特性虚拟示波器(示波选项)的CH1联接到被测系统的输出端C (A3-0UT), CH2联接到数字 调节器D(Z)即数模转换器(B2)单元的0UT2端，见图4-7-16。从图4-7-16可了解到校正后闭环系统的时间常数T =0.4秒，无超调，符合设计要求。m