《计算机控制技术》

1、计算机控制技术实验指导书班级：姓名： 学号：2016年10月14日实验一 A/D和D/A转换实验一、实验目的：1、本实验说明A/D和D/A的工作原理。 2、掌握原理的基础上用编程方法实现A/D和D/A转换。 3、掌握编程及实际调试的方法。二、实验所需部件： x86系列兼容计算机，MATLAB软件。三、实验要求：1、弄清A/D，D/A转换的工作原理。 2、输入数字量，进行D/A、A/D转换，记录输出转换后的模拟量值。3、记录实验曲线，观察结果。四、实验步骤：1、根据实验原理对D/A、A/D转换进行软件仿真。2、编写转换程序，实验过程中进行调试。3、观察记录输出的结果，与理论计算值相比较。五、实验

2、过程1、根据实验原理对D/A、A/D转换进行软件仿真。根据实验要求设计的A/D和D/A转换的仿真框图。A/D转换器是以ADC0809为模型设计的，有八路模拟信号通道选择开关，内部有抽样、量化和编码器。D/A转换器是以DAC0832为模型设计的。工作过程为：八路模拟信号源通过选择开关，选择其中的一路模拟信号进入A/D转换器，在A/D转换器中对模拟信号进行抽样、量化和编码处理，输出数字信号。数字信号再进入D/A转换器中，输出模拟信号。A/D和D/A转换的仿真框图如图1所示。图1 A/D和D/A转换的仿真框图整个系统使用Simulink进行仿真，仿真模型如下，具体的部件后面介绍。图2 A/D和D/A

3、转换的Simulink系统仿真模型图3 基准电压为5V的ADC0809的Simulink仿真模型图4 基准电压为5V的DAC0832的Simulink仿真模型2、A/D和D/A转化中的主要功能模块 模型中实现A/D转换的功能模块：图5 A/D转换中主要功能模块Zero-Order Hold模块完成的是对模拟信号的抽样：抽样定理指出：设一个连续模拟信号m(t)中的最高频率fH ,则以间隔时间T1/2 fH 的周期性冲激脉冲对它抽样时，m(t)将被这些抽样值所完全确定。恢复原信号的条件是：f 2 fH。 Quantizer模块的作用是对抽样信号进行量化。Integer to Bit Convert

4、er模块的作用是进行二进制编码。已知转换器的基准电压为5V，位数为8位。将模拟电压信号为0.421V抽样、量化、编码成二进制数据，由于存在量化误差，故 A/D转换得到的二进制码00010101。 模型中实现A/D转换的功能模块：图6 D/A转换中主要功能模块Bit Integer to Converter模块的作用是将二进制码转换为模拟量。将上诉A/D转换得到的二进制码00010101进行模拟化。输出的模拟量为0.4118V。3、8位和12位转换器比较与输入的0.421V进行对比发现有了误差，该误差是量化引起的，如果A/D和D/A均采用12位则误差会大大降低。将Constant8和Consta

5、nt10中的数据量改为819，并将Integer to Bit Converter模块和Bit Integer to Converter模块改为12位。则同样的0.421V输入，数字量输出为0001 0101 1001，模拟量输出为0.4212，精确度现在提高。图7 12位转换输出结果4、输入为正弦波时候的输出结果同样转换器的位数为8位，图8为输入正弦波，图9为输出正弦波。可见输入输出有明显的误差，就是上述所讲的量化引起的。图8 输入正弦波图9 输出正弦波5、模块参数设置Constant模块1：Constan value设为18中的任意数字，开关信号通道作用；Constant模块27：Cons

6、tan value设为05V中的任意数字，作为模拟量输入；Constant模块8、10：Constan value设为51。若设置转换器为12位时，该值应设为819；Zero-Order Hold模块：Sample Time为1Quantizer模块：Quantization interval为1；Treat as gain when linearizing使能；Integer to Bit Converter模块：Number of bits per integer设为8；Buffer模块：Output buffer size设为1；Buffer overlap设为0；Initial con

7、ditions设为0；Buffer1模块：Output buffer size设为8；Buffer overlap设为0；Initial conditions设为0；Reshape模块：Output dimensionality设为1-D array；Bit to Integer Converter模块：Number of bits per integer设为8。六、心得体会实验二 控制系统数据处理实验一、实验目的：1、学习使用MATLAB命令对控制系统进行仿真的方法。 2、掌握对系统中数据进行处理的方法以及数字滤波技术。 3、掌握编程及实际调试的方法。二、实验所需部件： x86系列兼容计算机

8、，MATLAB软件。三、实验要求：1、建立如下图所示一阶系统控制模型并进行系统仿真。2、数字滤波技术在控制系统中的实现。3、记录实验结果并分析。四、实验步骤：1、根据实验要求建立一阶系统控制模型。2、编写程序，实验过程中数字滤波。3、观察记录输出的结果。五、实验报告记录输出数据和图表并分析实验结果。六、实验过程1、采用Simulink建立如图所示一阶系统控制模型并进行系统仿真：一阶系统控制Simulink仿真模型如图1所示：由图可知，一阶系统闭环传递函数为GS=3S1+3S=3S+3，转换为离散系统脉冲传递函数并仿真。图1 一阶系统控制Simulink仿真模型观察输出结果输入为阶跃响应时候，输

9、入波形和输出波形如图1、2所示。图2 阶跃响应输入波形图3 阶跃响应经过系统后输出波形可以看出经过系统有，阶跃响应的高频部分变得圆滑了。即该系统相当于一阶数字滤波器。2、使用Matlab程序，建立该一阶系统控制模型并进行系统仿真。MATLAB程序如下:%模型建立num=3; %传递函数分子den=1,3; %传递函数分母T=0.1; %采样周期step(num,den)gs=tf(num,den) %传递函数模型建立gz=c2d(gs,T,'zoh') %转化为离散系统脉冲传递函数模型%模型特性figure(1);z,p,k=tf2zp(num,den) %求零极点pzmap(

10、gs) %零极点图gridpzmap(gz) %零极点图gridrlocus(gs) %根轨迹图gridrlocus(gz) %根轨迹图grid%时间响应figure(2);impulse(gs) %单位脉冲响应impulse(gz) %离散单位脉冲响应step(gs) %单位阶跃响应step(gz) %离散单位阶跃响应% %频率响应figure(3);freqs(num,den) %频率响应freqz(num,den) %频率响应%closefigure(4);bode(gs) %波特图bode(gz) %波特图输出结果为:建立传递函数模型gs和转化为离散系统脉冲传递函数模型gz如下；零极点

11、分布图为：时间响应和频率响应分别是：3、采用Simulink建立如图所示二阶系统控制模型并进行系统仿真：一阶系统控制Simulink仿真模型如图4所示：由图可知，一阶系统闭环传递函数为GS=25S(S+4)1+25S(S+4)=25S2+4S+25，转换为离散系统脉冲传递函数并仿真。图4 二阶系统控制Simulink仿真模型观察输出结果输入为阶跃响应时候，输入波形和输出波形图如5所示。图5 阶跃响应经过二阶系统的输入和输出波形跟一阶系统的输出波形进行对比，发现进过二阶系统的输出波形具有衰减振荡的瞬态过程。并且具有相对较高的超调量和较长的调整时间。查资料可知，二阶系统引入速度反馈校正以后，可以减

12、小系统的超调量和调整时间，但有时会增大系统的上升时间。七、心得体会实验三 PID参数整定实验一、实验目的： 1、研究PID控制器参数对系统稳定性及过渡过程影响。2、研究采样周期T对系统特性影响。3、研究I型系统及系统稳定误差。二、实验所需部件： x86系列兼容计算机，MATLAB软件。三、实验内容：系统结构如图3.1所示。 图3.1 系统结构图 图3.2 开环系统结构图1（接地电阻1K） 开环系统的模拟电路图如图3.2和图3.3所示，其中图3.2对应Gp1(s)，图3.3对应Gp2(s)。 图3.3 开环系统结构图2（接地电阻5K）被控对象Gp1(s)为“0型”系统, 采用PI控制或PID控制

13、，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，可使系统变为“II型”系统。当r(t)=1(t)时（实际是方波），研究其过渡过程。四、实验步骤：1、启动计算机，运行MATLAB软件。2、使用MATLAB/Simulink 进行仿真实验。3、输入参数Kp，Ki，Kd（参考值Kp=1，Ki=0.02，Kd=1）。4、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pts的数值。5、取满意的Kp，Ki，Kd值，观察有无稳态误差。6、重复3-5步骤。7、计算Kp，Ki, Kd取不同的数值时, 对应的pTs的数值

14、，测量系统的阶跃响应曲线, 及时域性能指标，记入下表中： 系统的时域性能指标参数pTsKpKiKd五、实验报告记录输出数据和图表并分析实验结果。六、实验过程1、设计被控对象Gp1S=50.5S+10.1S+1=100S+2S+10时候的PID系统Simulink仿真图，如图1所示。图1 被控对象为Gp1(S)的Simulink仿真图其中延时函数模块为Gh(s)函数，这系统中设定延时时间为T=0.1，输入信号为一阶跃信号。2、 针对图1中PID系统的PID参数整定过程：常用的参数整定方法有理论整定法和实验整定法两类，其中常用的实验整定法由临界比例度法、实验试凑法等。在此处选用临界比例度法进行整定

15、，临界比例法又叫做Ziegler-Nichols法，是目前使用较广的一种整定PID方法。实验步骤：1) 把PID调节器的积分环节和微分环节断开(即设置Ki=Kd=0），将比例度置较大的数值，把系统投入闭环运行，然后将调节器比例度Kp由大逐渐减小，得到等幅振荡过程（输出响应为振荡减弱时候增大Kp值，振荡增强时候减小Kp值，来回几次即可得到等幅振荡输出）。这时候的Kp叫做临界比例度Kpcrit，两个波峰之间的时间即为临界振荡周期Tcrit。2) 根据Kpcrit和Tcrit的值，运用表1中的经验公式，计算出调节器各个参数Kp、Ti和Td的值，再得出Kp、Ki和Kd的值。表1控制器KpTiTdP0.

16、5Kpcrit-PI0.45Kpcrit0.85Tcrit-PID0.6Kpcrit0.5Tcrit0.12Tcrit3) 根据计算结果设置调节器的参数值。运行之后，即可得到响应曲线。最后通过微调Kp、Ki和Kd的值，令响应曲线满足系统要求。根据以上的步骤，调Kp为1.429时候得出的响应曲线为：图2 等幅振荡图将图像的数据保存到Matlab数据工作区，从工作区中的ScopeData变量中可以看出曲线各个点的数据，故可得Kpcrit=1.429、Tcrit=0.623s。根据表1来对该系统的PID参数进行整定，结果如下。只进行P参数时候，根据表1计算出的PID参数：Kp=0.7145、Ki=0

17、、Kd=0，响应曲线如图2-1。从图中可以看出响应曲线的超调量和调整时间都较大，故应该对PID参数进行调整。对计算出的PID参数进行调整之后（Kp=0.55、Ki=0、Kd=0）响应曲线如图2-2。图2-1 理论P参数调节图2-2 调整后P参数调节只进行PI参数调节时候，根据表1计算出的PID参数：Kp=0.6431、Ki=1.8884、Kd=0，响应曲线如图3-1。从图中可以看出响应曲线的超调量达到了70%，一般的系统允许的超调量为10%-20%之间，并且调节过程中的振荡较多。故应该对PID参数进行调整。对计算出的PID参数进行调整之后（Kp=0.45、Ki=0.7、Kd=0）响应曲线如图3

18、-2，相比较可以看出，调整后的响应曲线明显地要好于没有调整的，经计算调整后的超调量仅为17.5%，调整时间也仅为2.5s。图3-1 理论PI参数调节图3-2 调整后PI参数调节进行PID参数调节时候，根据表1计算出的PID参数：Kp=0.8574、Ki=3.2103、Kd=0.0748，响应曲线如图4-1。从图中可以看出响应曲线的超调量达到了56%，同样超调量太高。故应该对PID参数进行调整。对计算出的PID参数进行调整之后（Kp=0.86、Ki=0.95、Kd=0.07）响应曲线如图4-2，相比较可以看出，调整后的响应曲线明显地要好于没有调整的，经计算调整后的超调量仅为14%，调整时间也仅为

19、1.8s。PID调节后的响应曲线的效果要好于PI调节过得。图4-1 理论PID参数调节图4-2 调整后PID参数调节将六种PID调节的参数和响应曲线的指标统计与下表中。其中数据中的超调量p和调整时间Ts，可以从ScopeData的数据中直接读出。表2 PID整定数据表控制器KpKiKdpTs计算值P0.71450050%2.5s调整后P0.550018.75%2.5s计算值PI0.64311.8884069.5%5.1s调整后PI0.450.7017.5%2.5s计算值PID0.85743.21030.074856%2.3s调整后PID0.860.950.0714%1.8s3、设计被控对象Gp

20、2S=1S0.1S+1=10SS+10时候的PID系统Simulink仿真图，如图5所示。图5 被控对象为Gp2(S)的Simulink仿真图(1) 仅调节Kp值，使得输出响应曲线为等幅振荡曲线。经过调节的Kp=11.36时，输出的响应曲线为图6：图6 输出等幅振荡响应曲线将图像的数据保存到Matlab数据工作区，从工作区中的ScopeData变量中可以看出曲线各个点的数据，故可得Kpcrit=11.36、Tcrit=0.72s。根据表1来对该系统的PID参数进行整定，结果如下。只进行P参数时候，根据表1计算出的PID参数：Kp=5.68、Ki=0、Kd=0，响应曲线如图7（左）。从图中可以看出响应曲线的超调量和调整时间都较大，故应该对PID参数进行调整。对计算出的PID参数进行调整之后（Kp=0.55、Ki=0、Kd=0）响应曲线如图7（右）。图7 P参数调整前后响应曲线（右为调