计算机控制系统实验报告

计算机控制系统实验报告

学院：核自院

姓名：李擂

专业：电气工程及其自动化

班级：电气四班

学号：201006050407

实验一采样实验

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）。

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“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一般选为2m的倍数，使用较多的有512、1024、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采样的影响。

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。

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。

（4）运行、观察、记录：

①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

②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。

图4-3-2 不同采样周期（78Hz和10Hz）下的输出波形

四．实验报告要求：

按下表记录下各种频率的采样周期下的输出波形。

50HZ

40HZ

30HZ

20HZ

10HZ

5HZ

实验二采样/保持器实验

一．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MATLAB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。

二．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=R 1*C 1=0.1S ，惯性环节（A5单元）的惯性时间常数 T=R 2*C 2=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

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)

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）。

② 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）。

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

（3）运行、观察、记录：

① 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。

②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。

③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。观察相应实验现象。记录波形，并判断其稳定性。 10ms