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文档简介
1、 .实验一 A/D与D/A转换一、实验目的1通过实验了解实验系统的结构与使用方法;2通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二、实验设备1THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台(含软件“THBCC-1”)三、实验容1输入一定值的电压,测取模数转换的特性,并分析之;2在上位机输入一十进制代码,完成通道的数模转换实验。四、实验原理1数据采集卡本实验台采用了THBXD数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡,卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A
2、转换器,其转换器的输入量程均为±10V、输出量程均为±5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其主要特点有:1) 支持USB1.1协议,真正实现即插即用2) 400KHz14位A/D转换器,通过率为350K,12位D/A转换器,建立时间10s3) 4通道模拟量输入和2通道模拟量输出4) 8k深度的FIFO保证数据的完整性5) 8路开关量输入,8路开关量输出2. AD/DA转换原理数据采集卡采用“THBXD”USB卡,该卡在进行A/D转换实验时,输入电压与二进制的对应关系为:-1010V对应为016383(A/D转换为14位)。其中0V为8192。其主
3、要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入): 输入AD原始码(二进制)AD原始码(十六进制)求补后的码(十进制)正满度01 1111 1111 11111FFF16383正满度1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中间值(零点)00 0000 0000 000000008192负满度+1LSB10 0000 0000 000120011负满度10 0000 0000 000020000 而DA转换时的数据转换关系为:-55V对应为04095(D/A转换为12位),其数据格式(双极性电压输出时)为: 输入D/A数据编码正满度1111 1111 1111正满度1LSB1111
4、 1111 1110中间值(零点)1000 0000 0000负满度+1LSB 0000 0000 0001负满度0000 0000 0000五、实验步骤1. 启动实验台的“电源总开关”,打开±5、±15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“数据采集接口单元“的“AD1”通道,同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端;2、将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V;3. 启动计算机,在桌面双击图标“THBCC-1”软件,在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮;4. 点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”,在AD/DA实验界面上点击“开始
5、”按钮,观测采集卡上AD转换器的转换结果,在输入电压为1V(可以使用面板上的直流数字电压表进行测量)时应为00001100011101(共14位,其中后几位将处于实时刷新状态)。调节阶跃信号的大小,然后继续观察AD转换器的转换结果,并与理论值(详见实验原理)进行比较;5. 根据DA转换器的转换规律(详见本实验附录),在DA部分的编辑框中输入一个十进制数据(如2457,其围为04095),然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小;6 实验结束后,关闭脚本编辑器窗口,退出实验软件。六、实验结果1、A/D转换结果AD二进制十进制DA十进制二进制000010111101008948245710011001
6、10010000110000110189733419110101011011000010111100118947218410001000100000001010111010889040321111110000000000101110011089343958111101110110(1)000010111101002、D/A转换结果、 (2) 3958实验二 数字PID调节器算法的研究一、实验目的1学习并熟悉常规的数字PID控制算法的原理;2学习并熟悉积分分离PID控制算法的原理;3掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验设备1THBCC-1型 信号与系统控制理论及
7、计算机控制技术实验平台2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台(含软件“THBCC-1”) 三、实验容1利用本实验平台,设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统;2采用常规的PI和PID调节器,构成计算机闭环系统,并对调节器的参数进行整定,使之具有满意的动态性能;3对系统采用积分分离PID控制,并整定调节器的参数。四、实验原理在工业过程控制中,应用最广泛的控制器是PID控制器,它是按偏差的比例(P)、积分(I)、微分(D)组合而成的控制规律。而数字PID控制器则是由模拟PID控制规律直接变换所得。在PID控制规律中,引入积分的目的是
8、为了消除静差,提高控制精度,但系统中引入了积分,往往使之产生过大的超调量,这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进的PID算法,如积分分离PID算法,其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制;当控制量接近给定值时才将积分作用投入,以消除静差,提高控制精度。这样,既保持了积分的作用,又减小了超调量。五、实验步骤1、实验接线1.1按图4-1和图4-2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路;图4-1 数-模混合控制系统的方框图图4-2 被控二阶对象的模拟电路图被控对象的传递函数为:1.2该电路的输出与数据采集卡的输入端AD1相连,电路的输入与数据采集卡的输出端DA1相连;1.3待检
9、查电路接线无误后,打开实验平台的电源总开关,并将锁零单元的锁零按钮处于“解锁”状态。2、脚本程序运行2.1启动计算机,在桌面双击图标“THBCC-1”,运行实验软件;2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器);2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮,并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法数字PID调器算法”文件夹下选中“位置式PID”脚本程序并打开,阅读、理解该程序,然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”,将脚本算法的运行步长设为100ms; 2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”;用虚拟示波器观察图4-2输出端的响应曲线
10、;2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”,利用扩充响应曲线法(参考本实验附录4)整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数,然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的影响;2.6 参考步骤2.4、2.4和2.5,用同样的方法分别运行增量式PID和积分分离PID脚本程序,并整定PID控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数,然后观察参数的变化对系统动态性能的影响。另外在积分分离PID程序运行过程中,注意不同的分离阈值tem对系统动态性能的影响;2.7 实验结束后,关闭脚本编辑器窗口,退出实验软件。6、 实验结果(a)位置式PID控制响应曲线(b)增量式PID控制响应
11、曲线(c)积分分离PID控制响应曲线积分分离PID控制算法与常规PID控制算法相对比,通过实验结果可知:积分分离PID控制算法的控制效果要比常规PID控制算法控制效果控制效果要好。7、 位置式PID控制算法的脚本程序dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op 变量定义sub Initialize(arg) 初始化函数WriteData 0 ,1mx=0pvx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法运行函数pv = ReadData(1) 采集卡AD1通道的测量值 sv=2 给定值 K=0.8 比例系数P Ti=5 积分时间常数I T
12、d=0 微分时间常数D Ts=0.1 采集周期 ei=sv-pv 控制偏差 q0=K*ei 比例项 if Ti=0 then mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti 当前积分项 end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts '微分项 q1=q1+mx if q1>4.9 then 积分限幅,以防积分饱和 q1=4.9end ifif q1<-4.9 then q1=-4.9end if pvx=pv pvx为测量值的前项op=q0+q1+q2 PID控制器的输出if op<=-4.9 then 输出值限幅 op=-4.9end ifif op
13、>=4.9 then op=4.9end ifWriteData op ,1 输出值给DA1通道end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1end sub实验三 最少拍控制算法研究一、实验目的1学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法;2研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成;3熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。二、实验设备1THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台(含软件“THBCC-1”)三、实验容1设计并实现具有一个积分环
14、节的二阶系统的最少拍控制。2设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波控制,并通过混合仿真实验,观察该闭环控制系统输出采样点间纹波的消除。四、实验原理在离散控制系统中,通常把一个采样周期称作一拍。最少拍系统,也称为最小调整时间系统或最快响应系统。它是指系统对应于典型的输入具有最快的响应速度,被控量能经过最少采样周期达到设定值,且稳态误差为定值。显然,这样对系统的闭环脉冲传递函数提出了较为苛刻的要求,即其极点应位于Z平面的坐标原点处。1最少拍控制算法计算机控制系统的方框图为:图7-1 最少拍计算机控制原理方框图根据上述方框图可知,有限拍系统的闭环脉冲传递函数为: (1) (2)由(1)
15、、(2)解得: 随动系统的调节时间也就是系统误差达到零或为一恒值所需的时间,由Z变换定义可知:有限拍系统就是要求系统在典型的输入信号作用下,当时,恒为零或恒为一常量。N为尽可能小的正整数,为了实现这个目标,对不同的输入信号,必须选择不同的传递函数,由理论分析得: 2等速输入下最小拍控制器的设计 对于一二阶受控对象加零阶保持器后对象的传递函数为: 选择采样周期T,将上述传递函数离散后得 (3)因为输入是单位斜坡信号,所以选择: (4)其中 ,由此可得等速输入下最少拍算法的控制量为u(k)=(1-B)u(k-1)+Bu(k-2)+ (5)按等速输入下最少拍无差系统设计的控制器,在等速输入可使闭环系
16、统的输出在第二拍(即两个采样周期)跟上,此后在采样点上达到无差。但对于其它典型输入的适应性较差。4等速输入下最小拍无纹波控制器的设计按最少拍无差系统设计,最多只能达到采样点上无偏差,而不能保证相邻两采样点间无纹波。最少拍无纹波设计,不仅要做到采样点上无偏差,而且要做到采样点间无纹波。 根据式(3)以及等速输入下最少拍无纹波的条件,可以求得: 两式联立求解得,所以有 由此可得等速输入下最少拍无纹波的算法: 五、实验步骤1、实验接线1.1根据图7-1连接一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶被控对象的模拟电路;图7-1 二阶被控对象的模拟电路图实验系统被控对象的传递函数为:其中:R1=200K,R2
17、=100K,R3=100K,C1=10uF,C2=10uF计算机控制系统的方框图为:图7-2 最少拍计算机控制原理方框图1.2用导线将该电路的输出端与数据采集卡的输入端“AD1”相连,电路的输入端与数据采集卡的输出端“DA1”相连,数据采集卡的输出端“DA2”与输入端“AD2”相连;1.3待检查电路接线无误后,打开实验平台的电源总开关,并将锁零单元的锁零按钮处于“解锁”状态。2、脚本程序运行2.1启动计算机,在桌面双击图标“THBCC-1”,运行实验软件;2.2点击虚拟示波器界面上的“”按钮对二阶被控对象的电路进行测试,分别测取惯性环节的放大系数、时间常数以及积分环节的积分时间常数;2.3打开
18、工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器);在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮,并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“最少拍算法(有纹波)”脚本程序并打开,阅读、理解该程序,然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”,将脚本算法的运行步长设为200ms; 2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”;用虚拟示波器观察图7-1输出端与采集卡的输出端“DA2”的实验波形; 2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”,同时在窗口上点击“打开”按钮,在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“最少拍算法(无纹波)”脚本程序并打开,阅读、理解该程序,然后
19、在“脚本编辑器”窗口上点击“启动”按钮,用示波器观察图7-1输出端与采集卡的输出端“DA2”的实验波形;2.6 实验结束后,关闭脚本编辑器窗口,退出实验软件。6、 实验结果1 二阶被控对象的电路图。见图7-1 二阶被控对象的模拟电路图2 根据最少拍有纹波控制的算法编写脚本程序。dim sv,pv,op,opx,opxx,ei,eix,eixx,Ts,A,B,k,Ti,x 变量定义sub Initialize(arg) 初始化函数WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2opx=0opxx=0eix=0eixx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法运行函
20、数pv = ReadData(1) 采集卡AD1、2通道的测量值sv=sv+0.03 斜坡信号的产生Ts=0.2 采集周期if sv>=4.8 thensv=4.8 斜坡输出的最大值end if ei=sv-pv 控制偏差Ti=1k=0.5C=exp(-Ts/Ti)A=Ts+Ti*C-TiB=(Ti-Ti*C-Ts*C)/Aop=(1-B)*opx+B*opxx+2*ei/(k*A)-(1+2*C)*eix/(k*A)+C*eixx/(k*A) 控制输出值eixx=eixeix=eiopxx=opxopx=opif op<=-4.9 then 输出值限幅op=-4.9end ifi
21、f op>=4.9 thenop=4.9end if WriteData op ,1 输出值给DA1通道WriteData sv ,2 斜坡信号给DA2通道end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2end sub3最少拍有纹波、无纹波控制时系统输出响应曲线。(a) 最少拍有纹波控制响应曲线(b)最少拍无纹波控制响应曲线实验四 单闭环直流调速系统一、实验目的1掌握用PID控制规律的直流调速系统的调试方法;2了解PWM调制、直流电机驱动电路的工作原理。二、实验设备1THBCC-1型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实
22、验平台2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台(含软件“THBCC-1”)三、实验原理直流电机在应用中有多种控制方式,在直流电机的调速控制系统中,主要采用电枢电压控制电机的转速与方向。功率放大器是电机调速系统中的重要部件,它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅(晶闸管)。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比,有功耗低、效率高,有利于克服直流电机的静摩擦等优点。PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理:1PWM的工作原理图13-1 PWM的控制电路上图所示为SG3525为
23、核心的控制电路,SG3525是美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成芯片,其部电路结构及各引脚如图13-2所示,它采用恒频脉宽调制控制方案,其部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小,在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波(即PWM信号)。它适用于各开关电源、斩波器的控制。2功放电路直流电机PWM输出的信号一般比较小,不能直接去驱动直流电机,它必须经过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。3反馈接口在直流电机控制系统中,在直流电机的轴上贴有
24、一块小磁钢,电机转动带动磁钢转动。磁钢的下面中有一个霍尔元件,当磁钢转到时霍尔元件感应输出。4直流电机控制系统如图13-3所示,由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号,经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较,所得的差值按照一定的规律(通常为PID)运算,然后经数据采集卡输出控制量,供执行器来控制电机的转速和方向。图13-2 SG3525部结构图13-3 直流电机控制系统四、实验步骤1、实验接线1.1 用导线将直流电机单元24V的“+” 输入端接到直流稳压电源24V的“+”端;1.2 用导线将直流电机单元05V的“+”输入端接到数据采集卡的“DA1”的输出端,同时将UO的“+”(霍耳输出
25、)输出端接到数据采集卡的“AD1”处;1.3打开实验平台的电源总开关。2、脚本程序运行2.1启动计算机,在桌面双击图标“THBCC-1”,运行实验软件。2.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器);2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮,并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“直流电机”脚本程序并打开,阅读、理解该程序,然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”,将脚本算法的运行步长设为50ms;2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”;观察直流电机的运行情况。2.4 当直流电机的转速稳定在设定值后,再点击“脚本编辑器”窗口上 “停止”按钮,重新配置P、I、D的参数或改变算法的运行步长,并再次运行算法程序,观察直流电机的运行情况;2.5 实验结束后,关闭脚本编辑器窗口,退出实验软件。五、实验结果1画出直流电机控制系统的方框图。如图13-3所示2 分析P、I、D控制参数对直
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