计算机控制实验-自动化

1、 计算机控制软件说明计算机控制实验注意事项1、硬件接线如下：O1接环节输入，中间环节输出接I1，如果两路AD和DA同时使用，接线按照实验指导书，中间环节电路中的锁零G接到-15V。2、按下“启动暂停”按键程序开始运行,再次按下该按键程序暂停。3、测试信号设置选项框中可以设置发出的波形的种类、幅值、频率、占空比、采样开关T、采样时间。4、深度选项可以设定图形显示控件存储历史数据的深度。5、下端的参数设置可以设置实验的响应参数。6、按下退出按键程序退出。实验一 A/D与D/A 转换 一实验目的1通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。2通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二实

2、验内容1利用实验系统完成测试信号的产生2测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。3设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。三实验步骤1了解并熟悉实验设备，掌握以C8051F060为核心的数据处理系统的模拟量通道设计方法，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法；2利用实验设备产生05V的斜坡信号，输入到一路模拟量输入通道，在上位机软件的界面上测取该模拟量输入通道当A/D转换数为4位时的模数转换量化特性；3利用实验箱设计并连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路，分别输入两路模拟量输入通道，在上位机界面的界面上测取它们的模数转换结果，然后将该转换结果的数字量，通过数模转换变为模拟量和输入信号

3、作比较；4编写程序实现各种典型测试信号的产生，熟悉并掌握程序设计方法；5对实验结果进行分析，并完成实验报告。四附录1C8051F060概述C8051F060是一个高性能数据采集芯片。芯片内集成了：（1）与8051兼容的内核：额定工作频率25MHz，流水线指令结构，70%的指令的执行时间为一个或两个系统时钟周期。5个通用16位定时器计数器，59条可编程的I/O线，22个中断源（2个优先级）。（2）模拟I/O：C8051F060的ADC子系统包括两个1Mbps、16 位分辨率的逐次逼近寄存器型ADC，ADC 中集成了跟踪保持电路、可编程窗口检测器和DMA 接口；两个12位电压输出DAC转换器，用于

4、产生无抖动的波形。内部电压基准，精确的VDD监视器和欠压监测器。（3）存贮器：64KB片内闪速/电擦除程序存贮器（EEPROM）,4KB片内数据存贮器（SRAM）。（4）片内其它外围：2个UART串行I/O,SPI串行I/O，专用的看门狗定时器，电源监视器，温度传感器，内部可编程振荡器324.5MHz或外接震荡器。（5）供电电压：2.7V 3.6V，多中节电和停机方式。2实验设备中的模拟量输入通道（1）主要功能：允许10V10V信号输入，而至C8051F060引脚ADC的信号则被限制在要求的0V3V（芯片基准电压为3.0V）。（2）模拟量输入通道基本电路：见图1.1由一个偏移电路环节（3V）与

5、放大器电路环节组成。（3）模拟量输入通道输入端口：实验箱面板上，有模拟量输入通道输入端口I1I8。3实验设备中的模拟量输出通道（1）主要功能：变C8051F060引脚DAC的单极性输出（0V10V）为双极性输出（10V10V）。（2）模拟量输出通道基本电路：见图1.2。由一个偏移电路环节（2.5V）与放大器电路环节组成。（3）模拟量输出通道输出端口：实验箱面板上，有模拟量输出通道输出端口O1，O2（2路波形发生通道 D/A）。4C8051F060与上位机的关系与分工C8051F060与上位机之间，通过USB2.0口完成数据通讯。以C8051F060为核心构成的数据采集系统主要完成模拟量采集、模

6、数转换、数模转换和模拟量输出（零阶保持器）等功能。而数据处理与显示，包括有关信号发生、数字滤波、数字控制与虚拟仪器等功能则通过上位机实现。系统通过A/D变换器对模拟信号进行A/D转换，转换后的值通过USB2.0口通讯传至上位机，由上位机软件显示；将欲转换的数字量送至D/A变换器还原成模拟量。本系统中16位A/D，D/A为12位，可以通过LabVIEW程序编程设置取得其他较低的转换精度以达到实验目的。有关C8051F060与上位机构成系统的具体使用方法，特别是有关上位机用户界面上的操作，请参阅“计算机控制上位机程序使用说明书”。5两路互为倒相的周期斜坡信号的产生利用实验设备产生两路相位互差180

7、°的斜坡信号的电路见图1.3，其中R0R1=R2，R3R4。在上位机界面上，选择测试信号为周期斜坡，在O1端得到周期斜坡信号，如图1.4.a所示，在I2和I1端分别得到如图1.4.b、1.4.c所示互为倒相的周期信号。图1.46软件编程实现测试信号发生在上位机软件留给用户的编程接口中，编程实现典型信号的发生如正弦信号，周期方波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号。（1）正弦信号， （2）方波（3）锯齿波（4）抛物线实验一说明1 量化实验：a、 实验接线，实验箱上信号源部分的斜波信号接到I1，I2接O1。b、 打开LabVIEW软件参考程序 实验一.VI。c、 R0=R1=R2=R3=

8、R4=100K。d、 锁零接-15V2 两路互为倒相的周期斜波信号的产生：a、 模拟电路如下图1.1所示。b、 实验接线如图所示，其中R0=R1=R2=R3=R4=100K。O1为周期斜波信号，O2为偏置值，I1，I2互为倒相的周期信号。c、 锁零接-15V。d、 打开LabVIEW软件参考程序 实验一.VI。3 测试信号的发生：a、 实验接线，O1接I1。b、 打开LabVIEW软件参考程序 实验一.VI，分别通过测试信号选项栏来改变信号发生类型，分别为正弦波、方波、斜波、和抛物线四种波形。实验二 数字滤波（做）一实验目的1通过实验掌握数字滤波器设计方法。2学习并掌握数字滤波器的实验研究方法

9、。二实验内容1产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。2设计并调试数字化一阶惯性滤波器。3设计并调试高阶数字滤波器。三实验步骤1利用实验装置，设计和连接产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路，并利用数据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求；2根据信号频谱，设计并选择数字化一阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；3根据信号频谱，设计并选择高阶数字滤波器的参数，编制并运行高阶数字滤波器的滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；4改变干扰信号，设计产生如带方波干扰的正弦信号，带随

10、机干扰的正弦信号电路，同上做实验。5对实验结果进行分析，并完成实验报告。四附录1测试信号的产生利用实验装置，产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的参考电路，如图2.1所示：2一阶惯性滤波器及其数字化一阶惯性滤波器的传递函数为：利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法：其中T为采样周期，为滤波时间常数。T和必须根据信号频谱来选择。3高阶数字滤波器高阶数字滤波器算法很多，这里给出一种四阶加权平均算法：其中权系数满足：，类似地，Ai必须根据信号频谱来选择。4实验系统程序编制与调试参考计算机控制上位机程序软件使用说明书。实验二说明1 模拟电路如图2.1所示。2 实验接线，O1接图2.1中的正弦信

11、号端，O2接尖脉冲干扰端，In接I1端，其中R0=R1=R2=R3=R4=100K。3 锁零接-15V。4 参考LabVIEW软件参考程序实验二，包括随机干扰信号和方波干扰信号的参考程序和高阶滤波参考程序。实验三 数字PID控制算法的研究 （做）一实验目的1学习并掌握常规数字PID及积分分离PID控制算法的原理和应用。2学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。3学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。二实验内容1利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。2采用常规数字PID控制，并用扩充响应曲线法整定控制器的参数。3采用积分分离PID控制，并整定控制器的参数。三实验步

12、骤1设计并连接模拟二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据采集系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求。2在上位机完成常规数字PID控制器的计算与实验结果显示、记录，并用扩充响应曲线法整定PID控制器的参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。3在上位机完成积分分离PID控制器的计算与实验结果显示、记录，改变积分分离值，观察该参数变化对系统动态性能的影响。4对实验结果进行分析，并完成实验报告。四附录1被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被

13、控对象的传递函数为 它可以用图4.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图4.2所示，虚线框内部分由上位机和数据处理系统完成。参数可以取为R0100k，R1500k，C12u，R2200k，R3500k，C21u。2常规数字PID控制算法常规的PID控制律为采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PID控制位置式算法简记为 这里P、I、D参数分别为 , , 采用增量式形式有：3积分分离PID控制算法设积分分离值为EI，则积分分离PID控制算法可表达为下式：其中 4数字PID控制器的参数整定（1）按扩充阶跃响应曲线法整定PID参数在模拟控制系统中，参数整定方法较多，常用的实验整定方法有：临界

14、比例度法、阶跃响应曲线法、试凑法等。数字控制时也可采用类似方法，如扩充的临界比例度法、扩充的阶跃响应曲线法与试凑法等等。下面简要介绍扩充阶跃响应曲线法。图4.3 阶跃输入响应曲线扩充阶跃响应曲线法只适用于含多惯性环节的自平衡系统。用扩充响应曲线法整定PID参数的步骤如下：（a）数字控制器不接入控制系统，让系统处于开环工作状态下，将被调量调节到给定值附近，并使之稳定下来。（b）记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线如图4.3所示。（c）在曲线最大斜率处做切线，求得滞后时间，被控对象时间常数以及它们的比值，查表4-1控制器的Kp，Ki，Kd及采样周期T。（d）在运行中，对上述参数作适当调整，以获

15、得满意的性能。表4-1控制度控制律TKPTITD1.05PI0.10.840.34PID0.051.152.00.451.2PI0.20.783.6PID0.161.01.90.551.5PI0.50.683.9PID0.340.851.620.82扩充响应曲线法通过测取阶跃响应曲线的，参数获得一个初步的PID控制参数，然后在此基础上通过部分参数的调节（试凑）获得满意的控制性能。参数对性能的影响参见（2）。（2）PID参数对性能的影响增大比例系数Kp一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。增大积分时间Ti有利于减小超调，减

16、小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。增大微分时间Td有利于加快系统响应，使超调量减小，稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。规数字PI控制器参数，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。5如果对上两步参数整定的结果不满意，可以将外环的常规数字PI控制器参数固定下来，重新整定内环的常规数字PI控制器参数。如果仍不能得到满意的结果，可再重复步骤4，直至满意为止。6对实验结果进行分析，并完成实验报告。实验四说明1模拟电路如图4.1所示。2实验接线，O1接Om，In接I1。3锁零接-15V。4R0100k，R1500k，C12u，R2100k，R310

17、0k，C21u。5打开LabVIEW软件参考程序实验四，数字PID控制器的参数整定，可以通过KP、TI、TD进行修改，观测对系统动态性能的影响。实验四 最少拍控制算法的研究一实验目的1学习并掌握最少拍控制器的设计和实现方法，并研究最少拍控制系统对三种典型输入的适应性及输出采样点间的纹波。2学习并掌握最少拍无纹波控制器的设计和实现方法，并研究输出采样点间的纹波消除以及最少拍无纹波控制系统对三种典型输入的适应性。二实验内容1设计并实现对象具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制，并通过混合仿真实验研究该闭环控制系统对三种典型输入的适应性以及输出采样点间的纹波。2设计并实现对象具有一个积分环节的二阶系

18、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，以及系统对三种典型输入的适应性。三实验步骤1设计并连接模拟由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶被控对象的电路，并利用C8051F060构成的数据处理系统完成计算机控制系统的模拟量输入、输出通道的设计和连接。2利用上位机的虚拟仪器功能对此模拟二阶被控对象的电路进行测试，分别测取惯性环节的放大倍数、时间常数以及积分环节的积分时间常数。在上位机完成阶跃输入下最少拍控制计算与实验结果显示、记录。先完成阶跃输入下最少拍控制器的参数设计和调试，然后再用另外两种典型信号（等速与等加速）作为系统输入，观察系统输出并记录。3在

19、上位机完成阶跃输入下最少拍无纹波控制器的计算与实验结果显示、记录。先完成阶跃输入下最少拍无纹波控制器的参数设计和调试，然后再用另外两种典型信号（等速与等加速）作为系统输入，观察系统输出并记录。4对记录的实验结果进行分析，写出实验报告。四附录1被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函数为 （71）它可以用图7.1所示电路来模拟，计算机控制系统的方框图如图7.2所示：最少拍控制的效果对被控对象的参数变化非常敏感，实验中必须测取模拟对象的实际参数。2系统环节参数测试（1）惯性环节的参数测定测取图7.1中第一环节模拟电路的阶跃响应，根据阶跃响应的稳态值和阶跃信号幅值确定和。由确定

20、，其中阶跃信号幅值 环节输出稳定值根据确定（2）积分环节时间常数的测定如要测图7.1第二个环节的积分时间常数，取同样阻值R2的电阻并联于C2两端，于是变成一个惯性环节，同（1）法测取，即积分时间常数。（3）系统的确定于是对于式（71）中的，有。3等速输入下最少拍控制器的设计及其对其它典型输入的适应性见图7.2，对实验系统来说，加零阶保持器后对象的S传递函数为 （72）选择采样控制，将上述S传递函数离散化，可得到加零阶保持器后对象的Z传递函数 （73）考虑等速输入下最少拍无差条件,可以得到 (74) (75)所以有 (76)其中，由此可得等速输入下最少拍算法：图 7.3b 等速信号输入 （77）图 7.3a 阶跃信号输入图 7.3c 抛物线输入按等速输入下最少拍无差系统设计的控制器，在等速输入下可使闭环系统的输出在第二拍（即两个采样周期）跟上，此后在采样点上达到无差，见图7.3b)。对等加速输入来说，系统出现稳态误差，其稳