成都理工大学计控实验报告(袁礼3201206050506).

1、不齊搖Z么辜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袁 礼学生学号3201206050506指导教师杨小峰实验地点6C901实验成绩二一五年五月计算机控制技术实验报告摘要随着微电子技术的发展，计算机的应用迅速渗透到了各个领域。近年来，微型计算机 和控制技术的有机结合推动了计算机控制理论和控制技术的飞速发展，计算机控制系统在 军事、航天、能源开发等领域都获得了广泛的应用。本次实验就是学习计算机控制技术的 基本原理，初步了解计算机控制技术，为今后的学习和工作打下基础。关键词：PID ;滤波；自动控制4.1 数/模转换实验4.1.1实验目的

2、1、掌握数/模转换器DAC0832芯片的性能及编程。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。4.1.2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4.1.3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0UT2虚拟示波器（B3）输入端CH1（选X1档）。4.2模/数转换实验4.2.1实验目的1、了解模/数转换器

3、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4.2.2实验说明模/数转换实验框图见 图4-2-1所示。° +5V B1A/D转换|虚拟示波器伯引)B7CH1Y图4-2-1模/数转换实验框图模/数转换器（B7单元）提供IN4IN7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。4.2.3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丫测孔，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

4、K4开关拨上（+5V）。（2）测孔联线：B1 （丫）一模/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，丫轴表示该次模/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

5、动替代第一次值。见 图4-2-2所示。输入通道可由用户自行选择，默认值为IN4图4-2-2模/数转换在屏幕上的效果图4.3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一采样过程.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）。B5方液* B3 IRQ6 采样周期信号正荻信号源A/D转换1虚拟示波器（岀）E5E7CH1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

6、“设定电位器1”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、10

7、24、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 正弦波米样的影响。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

8、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 （正弦波输出档）SIN） B3 （虚拟示波器）CH1（选X12采样周期信号B5 （方波输出）- 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

9、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是不同采样周期（78Hz和10HZ下的输出波形X:J/7#图4-3-2不同采样周期（78Hz和10HZ）下的输出波形四.实验波形本实验为定性观察，因此采样周期无须精确。#5HZ输出波形#10输出波形32flhE/1丢样爲期 “ *5LQ> e刻度I!毒帥1时电压-a«3CHI 位移三3ie11i/4空k!谑x4碍卜一屏4卜Q屏別新20HZ输出

10、波形40HZ输出波形960HZ输出波形80Hz输出波形432采样/保持器实验.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MATLA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.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

11、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

12、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 间常数Ti=R1*C仁0.1S

13、,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图4-3-4 闭环采样/保持控制系统实验构成电路被控对象的开环传递函数：g（s）二上（4-3-1 ）Ti S TS +112各环节参数代入式(4-3-1 ),可得:1 求取广义对象的脉冲传递函数G(S)S(0.5S.1)100S(S 2)(4-3-2 )零阶保持器的传递函数：H0(s)= 1一尹:SG(z)为包括零阶保持器在内的广义对象的脉冲传递函数:(4-3-3 )Gz占磊2T上式经 Z变换后：G(Z)_25(2T e_)z (1 _e2求取系统的闭环脉冲传递函数系统的闭环脉冲传递函数:2T _ 2T2T)(

14、z -1)(z /)(4-3-4 )(4-3-5 )25【(2T -1 )z d -eNTNT沏、25L(2T ，e 丿厶丄巳 _2T e )(z)二2T2TZTz +(50T 26 +24e_ )z+(2524e_ -50T)(4-3-6 )3 临界稳定状态时的采样周期T的计算从式(4-3-6 )可得其闭环采样/保持控制系统的特征方程式为:22T_2T.2Tz2(50T -26 24e )z (25 -24©- 50T e )=0(4-3-7 )采样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

15、单位圆上而其他根在单位圆内时，系统就处于临界稳定。根据式(4-3-7 )可知，特征方程式的根与采样周期 T 有关，只要特征根的模均小于1 ,则系统稳定。若要求特征根的模小于1 ,须：25 -24eT -50TeT ：1(4-3-8 )从式(4-3-8 )得：采样周期T<0.04秒。4验证临界稳定状态时的采样周期 用MATLA求取系统的闭环零极点把采样周期T=0.04秒代入式(4-3-6 )也、0.0778Z 丄 +0.0759Z 丄(z) = -1 21 -1.8454 Z +0.999Z用MATLA找出式(4-3-8 )中极点：(4-3-8 )14O神一湮 Ajsu 一 £e

16、BD.2OB£ -Ou1輛零极点増益计算2- nun=0 0. 0773 0. 07593- d&n=l -L 8454 0.999 4- Zj Fj K =tf2zp (nunij den)5- pzmapCnujiij den)6- title( Pole_ZerO Map')15图4-3-5 式(4-3-8 )的极点分布图从图4-3-5中可知，该系统有一对共轭极点正好落在Z平面的单位圆上，证明了上述临界稳定状态时的采样周期T=0.04秒的计算是正确的。MATLAB仿真被控过程MATLA仿真被控过程的原理方框图见图 4-3-6所示，图中，Step模块的Step t

17、ime设 置为0，所有模块的Sampie time设置，包括Gain模块，都设置为采样周期 T=0.04秒，得 响应曲线，见图4-3-7所示。W Co(S)为#图4-3-6 MATLAB 仿真被控过程的原理方框图在图4-3-6中，Go(S)为被控对象的传递函数，也可以是Go(Z)被控对象的包括零阶保持器在内的广义对象的脉冲传递函数。图4-3-7 MATLAB仿真被控过程的响应曲线从图4-3-7中可知，该系统在采样周期T=0.04秒时，系统是处在等幅振荡，证明了上述 临界稳定状态时的采样周期T=0.04秒的计算是正确的。5.用LabACT实验箱观察不同采样周期时系统工作状态闭环采样/保持控制系统

18、实验构成电路如图4-3-4所示。本实验将函数发生器(B5)单元作为信号发生器，OUT输出施加于被测系统的输入端Ui，观察OUT从0V阶跃+2.5V时，被测系统的在不同的采样周期 T时对系统的稳定性的影 响。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 F。（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

19、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）安置短路套模块号跨接座号1A1S4，S82A2S1，S63A3S3, S10, S114A5S3, S7，S105B5 S-ST'（3）运行、观察、记录：运行LABACT程序，选择微1输入信号RB5(OUT 宀A1 (H1 )2运放级联A1 (OUT 宀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( OUTAA2 (H2)7中断请求线B5 (S) B8 (IRQ68示波器联接A5A(

20、OUTAB3(CH19X 1档B5 (OUT -B3 (CH2（b）测孔联线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。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，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4-3-8。观察相应实验

21、现象。记录波形，并判断其稳定性。采样周期为10ms时的输出端（C）波形采样周期为30ms时的输出端（C）波形采样周期为50ms时的输出端（C）波形疋是等幅振荡。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0.10.120.220.550.20.120.220.55194.4微分与数字滤波实验4.4.1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

22、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。微分算法采用一阶差分代替：（Td为微分系数，T为采样周期，K d = “为反馈系数）TU D（k） *Ck -半5

23、丄十（Ck 一 Ck）（4-4-1）Ck :当前输出值，Ck1 :第K-1次输出值，UD（k）:调节器输出。微分平滑算法采用四点微分均值法：（Td为微分系数，T为采样周期，Kd 为反T馈系数）UdMCk ¥ Ck丄25/ -号Ck：（4-4-2）Ck :当前输出值，Ckj :第K-1次输出值，UD（k）:调节器输出。其中反馈系数KD的取值不能过大，微分噪音幅度会太大，即每个采样周期中D（Z）输出的变化值会太大，一般选取 KD v 10。由于计算精度的限制，KD的有效位只能是3位十进制数，本实验箱把KD允许的使用 范围拆成两档:当Kd < 10时允许为0 .110.0,当KD &

24、gt; 10时为11100 （小数点后面位无效）。采样周期T根据实验要求而定（与被控对象的惯性时间常数To有关），如规定反馈系数Kd=10,采样周期T不能太大，则会影响系统稳定性；T过小将使计算机控制环节控制 作用过小，一般选取T< 0.08TO。计算机编程实现以5ms为基本单位，即T。二n 5ms, n范围为199。微分系数Td为根据实验要求而定，当采样周期 T确定后，加大微分系数Td，即加大反馈系数Kd，也会影响系统稳定性；Td范围为0 .011.99S。按式（4-4-1 ）和（4-4-2）可以计算出各个采样时刻的数字调节器D（Z）输出数值序列。实验内容及步骤22微分与微分平滑系统实

25、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。刚性矩球忒信号B5 OUT iqk1:ROUTAOUT2D/A转换10K500 K叫 OUTA iCH1C1眉CH2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

26、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。（a）安置短路套（b）测孔联线模块号跨接座号1A2S1，S62A5S5, S7, S10,S113B5 S-ST'(3)运行、观察、记录：运行LABAC1程序，在微机控制-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

27、 (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-B3(CH17X 1档B2 (OUT2 B3(CH2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

28、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=0.75

29、S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不函与越孚诚裱丟塑幔分平育图4-4-3a不加微分反馈输出曲线图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=1S,采样周期T=80ms按下表改变微分 系数Td和反馈系数K,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Mp0.6S1.491.251.470.7S1.0490.8854.410.75S0.92S1.4S14%0.96S0.962.6832.882图4-4

30、-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K）,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Mp0.11S0.40.6410.310.13S0.4150.7117.660.15S0.2S0.34S12.50.19S0.391.4645.59注：反馈系数Kd =¥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 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

31、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 o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=1S,采样周期T=80ms按下表改变微分 系数Td和反馈系数心，观察输出端(C)波形，填入实验报告微分与微分平滑0.627国嗟.*28#再占眉制时口护？鮮Wt宫不方式电圧上JCH上j fiH zlIj«b/4 AZ tl h? rir铝畤性广咱俳吋1| r

32、 i-*i雨一屏*计鼻41或： 耐 “cwt oTa-i/i|o.ctdTd侶分斬：1« 1 芹I自垃-前1/n埼丈個底小但牘UT1 V2 II-TL诵谬9 MO 0. HHi2.SOT (I.DUV 金.5SVZ 5DUV -Z 5DU1 気 OOU*9 040 SO.HJiz2 363V C.04V2 34VI' V.< Y P M捋怜*嚙-帯小值#微分与微分平滑0.7#微分与微分平滑0.75#微分与微分平滑0.9629l£EQft±.r-m -/* 72町諾制电压上至戸忖制*|讣尊址式：* 臥9C ci/r- | a. L 7TdTilr

33、87;R5«r i"Tr值号甘析沪9 Mn a u曲3-flJVQ D3¥J .63¥2 5COV -Z EOO' 5.000ViftiHz5 T39 D4n sa: uifi4 %L¥-J.77V 1.73V2 srav -F crnv5.aw:用id k2-«l mtri-*!）酣值齐小伯 HH； Il n It-n赦丽3TS7歼皈=H夭值小值#微分系数Td峰值时间tp调节时间ts超调量Mp0.6S1.3951.144.40.7S1.32.1411.780.75S1.261.77S21.60.96S1.223.7258.4

34、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K）,观察输出端（C）波形，填入实验报告160riT./t&L劃I?采停甬期fljrysis两TC Irt« 3位楼*r巾颐橹性 广苗气曲目 广禹咱特峻电压-幵招师議 312SS诵谄一Z 54V1.1300 8GMz? 54 VZ.54V O.OOV 2501：7 -? 5CC S-MOV0 U4V 0 04V1.130 15 0 S8He0 315V-0.25 0.55 Z501 V -? L'声 ooov-信巳甘靳H'5 x2-xl需丸僵載小

35、值靠舞 T1 T2 T2-TL30#微分系数Td峰值时间tp调节时间ts超调量Mp0.11S0.510.9314.720.13S0.520.919.130.15S0.225S0.43S18.80.21S0.532.0339.72注：反馈系数Kd =¥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 幅度）也会大。4.4.2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

36、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。（1）一阶惯性数字滤波器的计算要求设计一个相当于1/ T S + 1的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式：Ud（“ =K°Ek （1-K°）Uk 二UD（k）:输出，Ek :输入，Uk二：上一采样周期输出，K。二T/.Ko（

37、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。3UD（k）二 K°Ek * KiE“ ©Ek 八 ©E"（式中 v Ki =1），其中 Ek :输入，U°（k）：i=0输出。其中各控制系数KO、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

38、弦波，两信号迭加，即产图4-4-5 数字滤波构成图4-4-6 干扰信号构成实验步骤：（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 00 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

39、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，表如下模块号跨接座号A2S1，S6B5尖脉冲（a）安置短路套（3）运行、观察、记录复核输入信号：运行LABAC程序，在微机控制-1信号输入B5 (SIN) A2 (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（b）测孔联线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

40、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。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。 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

41、，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=2ms34滤波 4 点 0UT2( 30K)滤波 4 点 OUTA( 30K)4j:/1?.5(IUVS!|0E ui4E15 N：幅值H大曲fldMI揮帕T1坨T2*TI!dig0 451Z EEMi1 3 63 V-3 as*T.2

42、7V 2 500V-2 ROD1 乳 0CKI7D *5】5 2 22Hi| -5 OOT*-5 00V0 OOF| 2 5«JV-2 Ui 护滤波一阶惯性0UT2( 10K)36"格乘it IS期"事皿基137#电压亠的目孚我J -.-'嫌军特性耳示方式HM 5；41 1幵蛤m 3位瞬 zJ/4/2 x9 m2 X-4J；* | 后一JJFi2-il"呼Fl)ffiAffi务小侑掃帽TlTf2T2-1I囲道一3 41 if"4 &V0审4 44Hi3 3fV3閃FT 35Vt 5QCrii- 5.0COViS i£l

43、 二-5 00V-5 ODV0 225S4 44Kz-5 (XJOV-5 OOf0 00/Z 500V-2 500V 5.000V1曲丁£掠辰最大ifi-弟小值itMil式 Ulu- 0.5 Ek 十0.5 Vkrip L覆KI#滤波一阶惯性OUT215訝恪乘样骂期"S1B#-事百柠制-科目單程踊至特哼民平方式1| 1电压*rhi业14-<F4广庇1阳和*L tn-协牺ft術N *丄岀里程F隹移二J谊移二JA /2 xlx41 iBOTfTLir皓宿护1厂I¥iszrin1MA>時出 «2-»l1/(jcZ-x1)环值幡Tl建12-

44、Yl通迟一-1 450 ezs吗 44H¥i.eev-3.63V» zsv2 SOQV-.nrB 5 XOV0 225 :> 4. 44Hz-5 000V-5 . 00 賈o.oovZ 500V-Z 50DV 000V菊&辭1061?ttMF大値-最小出计和L式：»k=|o.s ea +KD0.5Wkrl|d 0Kip.d 一 lk-2 |o.o_ r Ulr-3P2P3j#滤波一阶惯性OUTA( 10K)#38u4I3TTT2-TI摭特二晟大值-最小倍l&Ks/taJMJ8琦!至特性电圧-CH1亠etc血few 二碎三1时口孚程后一屏讦舁4

45、1 式：uv= a s el h- |o.tmX3 +p 0KOElO 20V0 2254 14HzI ITVF 2&V5 43V " 2-1 - V 1 1j.OCXJV0 £25-p 4 44KS-5 UM*-5JOOVQIXW zsoov 弋 mow*i.OOOV卯別）述耐 1/ u£-»n ir大值 ft小値押帼滤波一阶惯性OUTA15-=/乘样罔期 1= *1-=2,=-i'lE .'电珏零占控即-亠 I-Zj郁垂拜煜吕示方式吃示菇B I-YM 吃 >1 x2 IIr OElutviAddMT)T212-Tl通jg

46、2V Z旳0.2254.44Me3 &3V-3 52V7. isvl50CV '50D1 :VT QIJV -5 QWD 2255 4 44He-5 JXKV-5 ODVyew2 500 -? 5Q3V 5. OOOV第3闻3377BWAd-B 小4.5数字PID控制实验4.5.1 标准PID控制算法一. 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

47、. 了解和掌握用MATLAB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，P.I.D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二. 实验原理及说明1数字PID控制在一个控制系统中，采用比例、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

48、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。本实验机的数字PID控制实验采用微分方程直接建立差分方程，而第4.5节最少拍控制系统和第4.6节大林算法控制系统都是采用 Z传递函数建立差分方程。由微分方程直接建立差分方程，首先须对微分方程离散化，即是用差分方程去逼近微 分方程的变化规律，其具体内容包括导数、微分、积分、函数和时间t等参数的离散化。差分方程和

49、微分方程不仅形式上相似，且微分、积分与差分、求和在含义上对应，并在一 定的条件下，可以相互转化。设采样周期T足够小，远小于时间常数t ,当t=kT时，可将微分方程中的导数可用差 分项代替，积分项用求和式代替，函数用序列表示，时间t变成离散量kT,即：'t =kTC( t) =C(k).dC(t) ,c _c(k) c(k -1)(4-5-1 )dt 一 也t 一 Ttk 4JC(t)dtC(n)*TJ 0n zS用式(4-5-1 )就可以把微分方程直接变为差分方程。差分方程的求解有经典法、迭代法和Z变换法40数字PID控制实验的原理方框图见图4-5-1所示:41#图4-5-1 数字PID控制实验的原理方框图PID控制算法的微分方程表达式是：(4-5-2)KP调节器的比1 七de(t)P(t)二Kp e(t) = e(t)dt Td-|'Ti odt式中，P(t)调节器的输出信号； e(t)调节器的偏差信号；例系数；Ti 调节器的积分时间常数；Td 调节器的微分时间常数；用式(4-5-1 )就可以把连续系统的微分方程直接代替用数字形式的差分方程：P