计算机过程控制实验报告.docx
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计算机过程控制实验报告
本科生实验报告
实验课程计算机控制系统
学院名称核技术与自动化工程学院
专业名称电气工程及其自动化
学生姓名
学生学号
指导教师杨小峰
实验地点6C901
实验成绩
二〇一五年十月-----二〇一五年十二月
一数/模转换实验
一．实验目的
1、掌握数/模转换器DAC0832芯片的性能、使用方法及对应的硬件电路。
2、编写程序控制D/A输出的波形，使其输出周期性的三角波。
二．实验说明
数/模转换实验框图见图4-1-1所示。
图4-1-1数/模转换实验框图
三．实验内容及步骤
在实验中欲观测实验结果时，只要运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的数/模转换实验项目，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，可选用虚拟示波器
（B3）单元的CH1测孔测量波形，详见实验指导书第二章虚拟示波器部分。
测孔连线
数/模转换器（B2）单元OUT2→虚拟示波器（B3）输入端CH1（选X1档）。
四．实验结果截图
5．实验心得
D/A转换的功能是把数字量输入转换为模拟量输出，在D/A转换要求较高的场合，基准电压源通常采用精密基准电压源。
通过数模转换实验我们了解到如何将数字量转换为模拟量。
二模/数转换实验
一．实验目的
1、了解模/数转换器A/D芯片ADC0809转换性能及编程。
2、编制程序通过0809采样输入电压并转换成数字量值。
二．实验说明
模/数转换实验框图见图4-2-1所示。
图4-2-1模/数转换实验框图
模/数转换器（B8单元）提供IN4~IN7端口，供用户使用，其中IN4、IN5有效输入电平为0V～+5V，IN6和IN7为双极性输入接法，有效输入电平为-5V～+5V，有测孔引出。
二．实验内容及步骤
（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为模/数转换器（B7）输入信号：
B1单元中的电位器左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨上（+5V）。
（2）测孔联线：
B1（Y）→模/数转换器B7（IN4）（信号输入）。
（3）运行、观察、记录：
运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的模/数转换实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后，在虚拟示波器屏幕上显示出即时模/数转换二进制码及其对应的电压值；再次点击开始，将继续转换及显示，满17次后回到原点显示。
屏幕上X轴表示模/数转换的序号，Y轴表示该次模/数转换的结果。
每次转换后将在屏幕出现一个“*”，同时在“*”下显示出模/数转换后的二进制码及对应的电压值，所显示的电压值应与输入到模/数转换单元（B7）的输入通道电压相同。
每转换满17次后，将自动替代第一次值。
输入通道可由用户自行选择，默认值为IN4。
3．实验结果截图
四．实验心得：
通过本次实验，我们首先了解了LABACT程序的相关功能，是分厂丰富的，手机各种信号，进行相关的信号转换，和信号的控制，输出。
模拟信号由传感器转换为电信号，经放大送入AD转换器转换为数字量，由数字电路进行处理，再由DA转换器还原为模拟量，去驱动执行部件。
三采样与保持
4.3.1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。
图4-3-1采样实验框图
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。
①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）。
②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）→B8输入（IRQ6）
（4）运行、观察、记录：
①复核输入信号：
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信号（正弦波和方波）。
②再运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择采样实验项目，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
③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。
三．实验结果截图
80HZ
60HZ
40HZ
20HZ
10HZ
5HZ
4.3.2采样/保持器实验
1．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．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。
1．计算图4-3-4所示的实验被控系统的临界稳定的采样周期T，观察输出端（C）波形。
2．改变实验被控系统的参数，计算被控系统的临界稳定采样周期T，观察输出端（C）波形，並把临界稳定采样周期T计算值和测量值填入实验报告。
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：
‘SST’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）
①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）。
②B5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）。
③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
1
输入信号R
B5（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
×1档
A5A（OUTA）→B3（CH1）
9
B5（OUT）→B3（CH2）
模块号
跨接座号
1
A1
S4，S8
2
A2
S1，S6
3
A3
S3，S10，S11
4
A5
S3，S7，S10
5
B5
‘S-ST’
（3）运行、观察、记录：
①复核输入信号：
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信号。
②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采样/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。
③该实验的显示界面的采样周期T（界面右上角）可由用户点击“停止”键后，在界面上直接修改，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。
④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。
观察相应实验现象。
记录波形，并判断其稳定性。
三．实验截图：
10ms
30ms
50ms
4．实验心得
通过对不同的频率采样来看采样频率越高，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，采样定理说明采样频率与信号频谱之间的关系，是连续信号离散化的基本依据。
同时还了解了，保持器的功能，更形象的理解了保持器的功能的概念。
做实验要保证好系统稳定的条件，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。
还要注意采样周期T对系统稳定性的影响。
四微分与数字滤波实验
4.4.1微分与微分平滑
一．实验要求
1．了解微分反馈的原理及对被控对象的影响。
2．了解和掌握微机控制系统实现微分反馈的方法及数字调节器D（Z）输出数值序列的计算。
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．实验内容及步骤
微分与微分平滑系统构成如图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：
‘SST’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）
①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）。
②B5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）。
③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。
（a）安置短路套（b）测孔联线
模块号
跨接座号
1
A2
S1，S6
2
A5
S5，S7，S10，S11
3
B5
‘S-ST’
1
输入信号R
B5（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
×1档
A5A（OUTA）→B3（CH1）
7
B2（OUT2）→B3（CH2）
（3）运行、观察、记录：
①复核输入信号：
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信号。
②运行LABACT程序，在微机控制---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（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（不加微分环节的情况下（即需将微分反馈线断开），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才样周期T=80mS，“计算公式”栏：
微分系数Td=0.75S
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=1S，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Mp
0.6S
1.51
1.96
3.1
0.7S
1.16
1.55
7.8
0.75S
0.93S
1.4S
10.9
0.96S
.89
1.4
42.2
TD=0.6
TD=0.7
TD=0.75
TD=0.96
2．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Mp
0.11S
0.2S
0.31S
12.4
0.13S
0.2S
0.32S
12.5
0.15S
0.2S
0.34S
12.5
0.19S
0.2S
0.34S
12.4
注：
反馈系数
大，数字调节器D（Z）输出（微分噪音幅度）。
TD=0.11
TD=0.13
TD=0.15
TD=0.19
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
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=1S，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
反馈系数KD
峰值时间tp
调节时间ts
超调量Mp
0.6S
7.5
1.32
2.2
6.24
0.7S
8.8
1.28
2.33
9.8
0.75S
9.4
1.24
2.08S
19
0.96S
12
1.17
1.89
53.1
TD=0.6
TD=0.7
TD=0.75
TD=0.96
2．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
反馈系数KD
峰值时间tp
调节时间ts
超调量Mp
0.11S
7.3
0.222S
0.42S
18.6
0.13S
0.86
0.224S
0.44S
18.7
0.15S
10
0.225S
0.43S
18.8
0.21S
14
0.226S
0.43S
18.8
注：
反馈系数
大，数字调节器D（Z）输出（微分噪音幅度）也会大。
4.4.2数字滤波
一．实验要求
1．了解和掌握数字滤波原理及方法。
2．编制程序实现数字滤波，观察和分析各种数字滤波的滤波效果。
二．实验原理及说明
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。
（1）一阶惯性数字滤波器的计算
要求设计一个相当于1/τS+1的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式：
UK=KOEK+（1-K0）UK-1
UK：
输出，EK：
输入，UK-1：
上一采样周期输出，KO=T/τ（T=采样周期）。
（2）四点加权平均滤波算法
四点加权平均滤波算法是对各次采样输入值取不同的比例后再相加。
一般，次数愈靠后，控制系数（比例）取愈大，这样，最近一次采样输入值影响愈大。
该算法适用于纯延迟较大的对象。
UK=KOEK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3（式中
），其中EK：
输入，UK：
输出。
其中各控制系数K0、K1、K2、K3的取值范围为-0.99+～0.99
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。
图4-4-5数字滤波构成图4-4-6干扰信号构成
三．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。
①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。
。
②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）。
③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。
（a）安置短路套（b）测孔联线
1
信号输入
B5（SIN）→A2（H1）
2
信号连接
A2A（OUTA）→B7（IN6）
3
跨接元件（30K）
元件库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
A2
S1，S6
B5
尖脉冲
（3）运行、观察、记录
①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。
②用示波器分别观察滤波前A2A（OUTA）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。
★注意：
该实验由于尖脉冲干扰信号的时间太短，如果用虚拟示波器（B3）观察，则无法很好显示。
因此，建议用Tek示波器观察。
③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—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
已设定K0=0.1，K1=0.2，K2=0.2，K3=0.5K0+K1+K2+K3=1
图4-4-7-a图4-4-7-b图4-4-7-c图4-4-7-d
图4-4-7数字滤波实验各点的波形（用TEKTRONX示波器观察的结果）
4．实验结果截图
尖脉冲
模拟一阶惯性环节的数字滤波前
模拟一阶惯性环节的数字滤波后
四点加权平均数字滤波前
四点加权平均数字滤波后
5．实验心得
掌握了微机控制系统实现微分反馈的方法。
微分与平滑的原理就如是一个闭环控制系统，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。
数字PID数字滤波器的原理有多种，取平均值是其中的一种。
取平均值就是滤除任何有具有频率的变化分量的信号。
4.5.1标准PID控制算法
一．实验要求
1.了解和掌握连续控制系统的PID控制的原理。
2.了解和掌握被控对象数学模型的建立。
3.了解和掌握数字PID调节器控制参数的工程整定方法。
4.观察和分析在标准PID控制系统中，P.I.D参数对系统性能的影响。
二．实验内容及步骤
⑴确立模型结构
本实验采用二个惯性环节串接组成实验被控对象，T1=0.2S，T2=0.5SKo=2。
⑵被控对象参数的确认
被控对象参数的确认构成如图4-5-10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。
图4-5-10被控对象参数的确认构成
实验步骤：
注：
将‘SST’用‘短路套’短接!
①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）。
②B5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>2秒（D1单元左显示）。
③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）。
④构造模拟电路：
按图4-5-10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
1
A5
S4，S7，S10
2
A7
S2，S7，S9，P
3
B5
‘S-ST’
1
输入信号R
B5（OUT）→A5（H1）
2
运放级联
A5A（OUTA）→A7（H1）
3
示波器联接
×1档
B5（OUT）→B3（CH1）
4
A7A（OUTA）→B3（CH2）
⑤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信号。
图4-5-11被控对象响应曲线
B）在图4-5-112被控对象响应曲线上测得t1和t2。
通常取
，从图中可测得
通常取
，从图中可测得
据上式确认
和
。
，
C）求得数字PID调节器控制参数
、
、
（工程整定法）
据上式求得数
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