计算机控制系统实验指导书

《计算机控制系统》实验指导书李雪飞编沈阳大学信息工程学院目录实验一：A/D、D/A转换实验 (2)实验二：数字PID实验 (4)实验三：大林算法 (8)实验四：炉温控制实验 (11)课程编号：11231231 课程类别：学科必修课 适用层次：本科 适用专业：自动化课程总学时：64 适用学期:第7学期 实验学时：8 开设实验项目数：4撰写人：李雪飞 审核人：李浚圣 教学院长：范立南实验一：A/D 、D/A 转换实验一、实验目的与要求1、掌握A/D 、D/A 转换原理2、熟悉8位A/D 、D/A 转换的方法。

二、实验类型验证性三、实验原理及说明1、通过数据通道接口板完成8位D/A 转换的实验，转换公式如下：VV K K K V U ref ref o 52/)222(8006677+=+++=例如：数字量=01010001 K 7=0，K 6=1，K 5=0，K 4=1，K 3=0，K 2=0，K 1=0，K 0=1 模拟量0.12/)222(8006677=+++=K K K V U ref o实验中，根据输入的数字量，D/A 转换为模拟量，其结果经A/D 采集并显示在计算机上。

实验示意图见图1-1。

图1-1 实验示意图2、通过数据通道接口板完成8位A/D 转换的实验，转换公式如下： 数字量=模拟量/N 2Vref 。

其中N 是A/D 转换器的位数，Vref 是基准电压。

例如：N=8 Vref=5.0 模拟量=1.0 则数字量=1.0/5.0×28=51（十进制）实验中设置的模拟量由D/A 转换取得，此模拟量经A/D 转换为数字量，并显示在计算机上。

实验示意图见图1-2。

图1-2 实验示意图五、实验内容和步骤（一）1、将图1-1所示模拟电路连接好，将输入端ui与数据通道接口板上的DA0连接，输出端uo与实验平台信号引出区的IN0孔连接。

（在实验1～4中涉及运放电路板及ui及uo 均按此连线，不再赘述）。

将拔掉短路子J1、J2。

2、启动计算机，运行“系统设置”菜单，选择串口。

（在实验1～4中同此，不再赘述，如不选择，则设为默认值，选择COM1通讯端口。

）3、打开“计算机控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“D/A数模转换”实验。

4、选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。

5、选择“运行观测”命令，观察阶跃响应曲线，改变模拟电路参数后，在重新观察阶跃响应曲线的变化。

6、为了更好观察曲线，在“参数设置”命令中，设置“曲线放大”倍数，“运行观测”。

7、记录波形及数据（保存结果、打印图像）。

8、连接其他电路，重复步骤3、4、5、6。

（二）1、将图1-2 所示模拟电路连接好，输入端和输出端分别接DA0和IN0。

将拔掉短路子J1、J2。

2、启动计算机，运行“”计算机控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“A/D数模转换”实验。

3、选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。

4、为了更好观察曲线，在“参数设置”命令中，设置“曲线放大”倍数，“运行观测”。

5、记录波形及数据（保存结果、打印图像）。

六、实验数据处理与分析1、画出数字量与模拟量的对应曲线。

2、计算出理论值，将其与实验结果比较，分析产生误差的原因。

七、预习与思考题1、A/D转换、D/A转换的基本原理。

2、数字量转换成模拟量，模拟量转换成数字量的公式。

实验二 数字PID 控制一、实验目的与要求1、研究PID 控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。

2、研究采样周期T 对系统特性的影响。

3、研究Ⅰ型系统及Ⅱ型系统的稳态误差。

二、实验类型验证性三、实验原理及说明1、系统结构图示于图2-1。

图2-1图中))11.0(/(1)())11.0)(15.0/((5)(/)1()()/1()(21+=++=-=++=-S S S G S S S G Se S G S K S K K S G P P TS h d i P C2、开环系统（被控对象）的模拟电路图分别示于图2-2和图2-3，其中图2-2对应)(1S G P ，图2-3对应)(2S G P3、被控对象)(1S G P 为“0型”系统，采用PI 控制或PID 控制，可使系统变为“Ⅰ型”系统，被控对象)(2S G P 为“Ⅰ型”系统，采用PI 控制或PID 控制，可使系统变为“Ⅱ型”系统。

图2-2图2-34、当r(t)=1(t)时研究其过渡过程。

5、PI 调节及PID 调节器的增益。

SS T K S S K K K S K K S G i i i P i P C /)1(/)1)/1(()/1()(+=+=+= 式中)/1(i i i P K T K K K ==不难看出PI 调节器的增益i P K K K =，因此在改变Ki 时，同时改变了闭环增益K ，如果不想改变K ，则应相应改变Kp ，采用PID 调节器相同。

6、PID 递推算法：如果PID 调节器输入信号为e(t)，其输出信号为u(t)，则离散的递推算法如下：)(12--++=K K d K i K P K e e K e K e K U其中2K e 是误差累积和。

五、实验内容和步骤1、连接运放电路板的电源线（±12V ，GND ），并将图2-2所示的模拟电路连接好，输入端和输出端分别接DA0、IN0。

2、启动计算机，运行“”计算机控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“数字PID 控制”实验。

3、在命令菜单中选择“参数设置”，进入参数显示窗口，设置采样周期（单位为ms ），采样点数，输出电压及Kp ，Ki ，Kd 各参数。

4、选择“运行观测”命令，观察响应波形。

5、改变参数Kp ，Ki ，Kd 的值，重复步骤4。

6、取满意的Kp ，Ki ，Kd ，观察稳态误差。

7、连接图2-3所示模拟电路，重复上述步骤。

8、记录波形及数据。

（保存结果，打印图像）9、实验结束，单击“退出实验”六、实验数据处理与分析1、画出实验的模拟电路图。

2、当被控对象为)(1S G P 时，取过渡过程为最满意时的Kp ，Ki ，Kd ，画出校正后的波特图，查出相位稳定裕量γ和穿越频率ωc 。

3、总结一种有效选择Kp ，Ki ，Kd 的方法，以最快的速度获得满意的参数。

七、预习与思考题1、PID 控制器中P 、I 、D 三个环节的作用是什么？2、PID 的参数整定方法。

八、PID 算法流程图（e K 为误差，e K1为上一次误差，e K2为误差的累积和，u K 是控制量）实验三 大林算法一、实验目的与要求1、掌握大林算法的特点及适用范围。

2、了解大林算法中时间常数T 对系统的影响。

二、实验类型验证性三、实验原理及说明1、被控实验对象的构成（1）惯性环节的模拟电路及传递函数：12)(1+=S S G τ 其中 2.01=τ图3（2）纯延时环节的构成与传递函数NTS e S G -=)(T 为采样周期，N 为正整数的纯延时个数。

由于纯延时环节不易用电路实现，在软件中由计算机实现。

（3）被控对象的开环传递函数为：)1/(2)(1+-=-S e S G NTS τ2、大林算法的闭环传递函数：)1/()(0+=-S e S G NTS ττ为大林时间常数3、大林算法的数字控制器：)))1(1)(1(/()1)(1()(1/1/1/11//---------------=N T T T T T z e z e e K z e e z D τττττ设τ/1T e K -= 1/2τT e K -= 2.01=τ τ大林时间常数 K=211211212112)1)(()()1()1()(------+-+---=-N K K K K K U K KK K U K KK K e K K e K U KK K五、实验内容和步骤1、将模拟电路在运放电路板上连接好。

2、启动计算机，运行“计算机控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“大林算法”实验。

3、在命令菜单上选择“参数设置”命令，进入参数设置窗口，设置采样周期、采样点数，输出电压和大林时间常数。

4、选择“运行观测”命令，观察响应波形。

六、实验数据处理与分析1、分析开环系统的阶跃响应曲线。

2、画出闭环的阶跃响应曲线，并求出超调量和响应时间。

3、分析大林时间常数对系统稳定性的影响。

七、预习与思考题1、大林算法适合于什么类型的被控对象？2、大林算法的闭环传递函数是什么？3、大林算法的数字控制器的设计步骤。

八、大林算法软件流程图（e K 为误差，e K1为上一次误差，u K 是控制量，u K1是上一次的控制量） （u Kn1是上N+1次的控制量）实验四 炉温控制实验一、实验目的与要求1、了解炉温控制系统的特点。

2、研究采样周期T 对系统特性的影响。

3、研究大时间常数系统PID 控制器参数的整定方法。

二、实验类型验证性三、实验原理及说明图4-11、系统结构表示于图4-1。

图中 )1/(1)(/)1()()/1()(+=-=++=-TS S G Se S G S K S K K S G P TS h d i P C2、系统的基本工作原理系统由两大部分组成，第一部分由计算机、数据通道接口板和微机实验平台组成，完成温度信号采集、PID 运算、产生控制双向可控硅的触发信号；第二部分为炉温控制实验板，完成温度控制及传感器信号放大，第二部分电路原理图见图4-2。

在炉温控制实验板上，温度检测元件采用热敏电阻Rt ，其阻值变化由双臂电桥变换成电压信号，经放大电路为0～5V 信号，送A/D 转换器（ADC0809）转化为数字信号。

系统采用双向可控硅应用过零触发方式，在每个控制周期（与采样周期相等），控制输入电阻丝的正弦波个数，即通过控制输入电阻丝平均功率的大小来达到控制温度的目的，图中，AC15V 电源由实验平台从它与炉温控制实验板的连接插脚Rt 、R1处提供。

图4-2PID 递推算法如果PID 调节器输入信号为e(t)，其输出信号为u(t)，则离散的递推算法如下：)(12--++=K K d K i K P K e e K e K e K U其中2K e 是误差累积和。

五、实验内容和步骤1、连接炉温控制板的电源线（±12V ，GND,+5V ）,将Rt ， R1连至炉体相应插口，将Vo 与IN0，CK 与P1.0相连。

2、运行“计算机控制技术”，打开“实验选择”菜单，选择“炉温控制”实验。

3、在命令菜单上选择“参数设置”命令，进入参数设置窗口，设置采样周期及Kp ，Ki ，Kd 各参数。

4、选择“运行观测”命令，由计算机完成温度采样计算机和输出控制信号并在波形显示窗口显示系统响应曲线，同时以红色数字将即时温度显示在屏幕上。

5、改变参数Kp ，Ki ，Kd 重复步骤4，观察不同参数时的响应曲线及稳态误差。