精密测控技术与系统 实验指导书(最后版)

《精密测控技术与系统》

实验指导书

靳斌编

西华大学

电气信息学院测控系

二00五年八月编

前言

《精密测控技术与系统》是测控专业本科生的一门专业课，学习本课程的目的在于地将前3年多所学知识，如数电、模电、c语言、单片机、传感器、自动控制等门知识系统化的总结和应用，目的是使本科生学会系统化地学会应用这些知识，并且学会设计测控系统，尤其是精密测控系统。由于各行各业自动化程度提高对测控技术工程师的需求不断增加，同时对测控工程师的设计能力、分析能力、实际动手能力要求越来越高。

《精密测控技术与系统》作为微机系统系列课程的总结性课程，其实验教学尤为重要，针对本学院的实际情况和教学目的，编写了本课程的实验指导书。

由于这门课程是第一次开设，实验项目选取包括硬件、软件、数据分析，因为测控专业的本科生在学习本课程时，也在学习《智能仪器》课程，因此软件仿真平台采用《智能仪器》采用的KEIL C。

实验中分别介绍了分立式FV变换，噪声滤除，回归分析，自动控制算法仿真，RS232

在实验中，要求学生在读懂电路、参考程序的前提下，动脑动手，编写程序，在原硬件线路基础上实现新的功能。学生在完成每个实验中，要求记录实验过程。在完成每个实验后，要求分析实验方法和结果，并要求总结出实验的心得体会。

在编写本书的过程中得到了电气信息学院领导的大力支持，同时也得到了测控系同事们的帮助和关心，在此表示衷心地感谢!

编者

2005.8.2

目录

第一部分精密测控技术与系统实验指导书 (4)

实验一：分立式VF变换器建立和数据记录 (4)

实验二：分立元件VF变换器数据处理实验 (6)

实验三：PID算法作用于一阶惯性对象的数值仿真实验 (9)

实验四：分立式VF变换器的电路模拟 (12)

第二部分实验报告 (14)

实验报告(实验 1 ) (15)

实验报告(实验 2 ) (21)

实验报告(实验 3 ) (24)

实验报告(实验 4 ) (29)

第一部分“精密测控技术与系统”

实验指导书

实验一：分立式VF变换器建立和数据记录

一、实验目的：

1、明白为什么用VF变换器。

2、掌握用实验板搭建实验单元电路的方法。

3、明白分立式VF变换器的原理。

4、采用不同频率的输入信号，记录分立式VF变换器的电压输出。

二、实验仪器设备：

使用万用表，YB1624功率信浩发生器，示波器，电阻，电容，三极管等。

三、实验内容及步骤：

1、按照图1.1在插线板上建立分立式FV变换器。

2、对照图仔细1.1插线板插线是否正确，在老师确定后才可接通电源。

3、把输入端信号发生器，选用TTL档，可调节信号频率输出，并用示波器

观察波形。

4、电源电压选在5V，用万用表测量电压。

5、改变频率输入（从50Hz开始，每次增加20Hz），用万用表测量电压并

记录。

四、电路原理图：

图1.1 分立式VF变换器原理图

五、实验结果（实验数据）：

1、电路连接成功，向老师显示电路。

2、改变输入的信号频率，测量输出端电压，并记录，至少30组数据。

3、在坐标纸绘制输入信号频率和输出电压的的关系曲线。

思考题：

1、测量二极管的导通压降，三极管CE之间的饱和压降，分析它们对频率-电压

特性的影响，用什么型号的二极管、三极管FV变换特性最好？

2、C1、C2、R1的取值，对FV变换特性有什么影响？

实验报告：

参见实验报告内容进行。

实验二：分立元件VF 变换器数据处理实验

一、实验目的：

掌握VF 变换器的实验数据的处理方法，用线性回归法，判断其线性度。

掌握KEIL C 编程和uV ersion 的调试技术，掌握线性回归的编程方法。

二、实验原理：

设定线形方程为：x b b y 10+= (1)

0次系数 11

1

0)/()/(b N x N y b N

i i N

i i ∑∑==-= (2)

1次系数 N

x x N

x y y x

b N

i i N

i i N i N

i i N

i i y i

/)()(/))((2

1

12

1

1

1

1∑∑∑∑∑=====--=

(3)

线性相关系数 ∑∑∑===----=

N

i N

i i

i

N

i i i

y y

x x

y y x x

1

1

2

2

1)

()

()

)((γ (4)

三、实验仪器设备：

KAIL C 软件 和 PC 机。

四、实验内容及步骤：

1、打开uVersin 2开发编程环境和调试环境，COPY HELLO 目录进行修改程序。

2、按照(2),(3),(4)式，编制程序，计算b0，b1，r 。

3、并且把计算的b0，b1代入(1)式，计算测量的输出电压与计算的输出电压的误差。

五、示例源程序

#include /* special function register declarations */

/* for the intended 8051 derivative */

#include /* prototype declarations for I/O functions */ #include "math.h"

#ifdef MONITOR51 /* Debugging with Monitor-51 needs */

char code reserve [3] _at_ 0x23; /* space for serial interrupt if */

#endif /* Stop Exection with Serial Intr. */

/* is enabled */

/*------------------------------------------------

The main C function. Program execution starts

here after stack initialization.

------------------------------------------------*/

float b0,b1,Gama,ThiGema;

void main (void)

{

float X[32],Y[32],Error[32];

int i,j;

float xmean=0,ymean=0; //x输入数据频率均值,y 电压输出均值

float x2mean=0,y2mean=0; //平方的均值

float xy_sum=0;

int N=9;

float temp1=0,temp2=0,temp3=0;

/*------------------------------------------------

Setup the serial port for 1200 baud at 16MHz.

------------------------------------------------*/

#ifndef MONITOR51

SCON = 0x50; /* SCON: mode 1, 8-bit UART, enable rcvr */ TMOD |= 0x20; /* TMOD: timer 1, mode 2, 8-bit reload */

TH1 = 221; /* TH1: reload value for 1200 baud @ 16MHz */ TR1 = 1; /* TR1: timer 1 run */ TI = 1; /* TI: set TI to send first char of UART */

#endif

//手工输入实验数据

X[0]=0, X[1]=1,X[2]=2,X[3]=3,X[4]=4,X[5]=5,X[6]=6,X[7]=7,X[8]=8;

Y[0]=0,Y[1]=10,Y[2]=20,Y[3]=30,Y[4]=40,Y[5]=50,Y[6]=60,Y[7]=70,Y[8]=80;

for(i=0;i

{

xmean +=X[i];

ymean +=Y[i];

x2mean += X[i]*X[i];

y2mean += Y[i]*Y[i];

xy_sum += X[i]*Y[i];

}

xmean /=N;ymean /=N; //平均值

x2mean /=N;y2mean /=N; //平方的平均值

b1 = ( xy_sum - N * xmean *ymean)/(N*x2mean - N *xmean*xmean);

b0 = ymean - xmean * b1;

for(j=0;j

{

temp1 +=(X[i]-xmean)*(Y[i]-ymean);

temp2 +=(X[i]-xmean)*(X[i]-xmean);

temp3 +=(Y[i]-ymean)*(Y[i]-ymean);

}

Gama = temp1/(sqrt(temp2*temp3));

temp1=0;

for(i=0;i

{

Error[i] = (b0+b1*X[i]) - Y[i];

temp1 +=Error[i]*Error[i];

}

ThiGema = sqrt(temp1/(N-2));

while (1) { } ;

}

六、实验结果（实验数据）：

1、编译连接运行成功，向老师显示计算结果。

2、并将实验结果写在实验报告。

七、实验结果分析：

1、从线性相关系数说明什么？

2、从计算测量的输出电压与计算的输出电压的误差，说明什么？

思考题：

能否采用2次、3次曲线拟合实验数据，精度会怎样？

实验报告：

参见实验报告要求进行。

实验三：PID算法作用于一阶惯性对象的数值仿真实验一、实验目的：

掌握数值PID控制算法和1阶惯性对象数值仿真算法。

掌握Visual C++ 编程和调试技术，掌握PID控制算法的编程方法。

二、实验原理：

1阶惯性对象的传递函数为： Ts

K s G +=1)( (1)

1阶惯性对象的微分方程为： )(t Ku y dt

dy T

=+

(2)

1阶惯性对象的差分方程为： t T

y Ku y y i

i i i ?-+

=+1 (3)

位置型PID 差分公式为： t

e e K e K e K u i i d

i

k k i i p i ?-++=-=∑1

(4)

i i y R e -= 为采样周期t ?

R

图3.1 控制流程图

三、实验仪器设备：

Visual C++ 软件 和 PC 机。

四、实验内容及步骤：

1、打开Visual C++开发编程环境和调试环境，新建一个工程，按照示例程序进行编写自己的程序。

2、按照(3)式编制一阶惯性环节的输入输出程序，按照(4)式编制PID 控制算法的输入输出程序，。

3、给定3组 PID 参数 ，计算y 的变化并且绘制3条相应曲线。

五、示例源程序

int i;

float Error_i=0,Pre_Error_i=0; //误差前一个误差

float Y_i,Y_i_1; //温度采集值，前一个温度采集值

float U_i; //控制量

float P_p; //比例控制量

float P_i=0; //积分控制量

float P_d; //微分控制量

float K =0.5;//静态增益

float T =10; //惯性时间单位：秒

float Delat =3; //采样间隔时间单位：秒

float Kp =2;//2; //比例系数

float Ki =0.01;//0.01; //积分系数

float Kd =3;//3; //微分系数

float R =100 ; // 设定需求量

float U[1000],TT[1000]; //存储控制量和温度数据

FILE *fp1,*fp2;

fp1 =fopen("d:\\Ctr.dat","wt");

fp2 =fopen("d:\\TT.dat","wt");

Y_i=0;

for(i=0;i<1000;i++)

{

Error_i = R - Y_i; //最新误差

P_p = Kp * Error_i; // 比例控制量

P_i += Ki * Error_i; //积分控制量

P_d = Kd * ( Error_i - Pre_Error_i); //微分控制量

U_i = P_p + P_i + P_d; //总控制量

Y_i_1 = Y_i + (K *U_i- Y_i)*Delat/ T;//在U_i 作用下1阶惯性环节输出// U[i] = U_i;

// TT[i] = Y_i_1;

Pre_Error_i = Error_i; //最新误差存入前1个误差

Y_i = Y_i_1 ; //最新温度存入前1个温度

// printf("i= %d,U[i] =%f ,TT[i]=%f \n",i,U[i],TT[i]);

// printf("i= %d,U[i] =%f ,TT[i]=%f \n",i,U_i,Y_i);

fprintf(fp1,"%5.1f \n",U_i);

fprintf(fp2,"%5.1f \n",Y_i);

}

fclose (fp1);

fclose(fp2);

六、实验结果（实验数据）：

1、编译连接运行成功，向老师显示计算结果。

2、并将实验结果记录在实验报告。

3、绘制温度变化曲线。

4、绘制控制量变化曲线。

七、实验结果分析：

1、从温度变化曲线说明什么？

2、从控制量变化曲线说明什么？应该如何选择PID参数？

思考题：

PID的各部分在控制中起什么作用？如何修改PID控制公式？

实验报告：

参见实验报告要求进行。

实验四：分立式VF变换器的电路模拟

一、实验目的：

1、明白为什么用VF变换器。

2、掌握用Protel 99 仿真实验电路的方法。

3、明白分立式VF变换器的原理。

4、采用不同C1,C2,R1, 输入频率,输入电压，电源电压，记录分立式VF变换器的电压输出。

二、实验仪器设备：

Protel 99软件和计算机。

三、实验内容及步骤：

1、Protel 99中建立new Project。

2、加载仿真库\Design Explorer 99 SE\Library\Sch\Sim.ddb。

3、按照图4.1画电路图。

4、设定脉冲电源的的幅度，周期，占空比。设定电源电压。

5、按Simulate,中的Setup,选择Transient/Fourier,选择起始时间，结束时间，

步长时间，按Run Analyse,开始仿真。

6、采用不同C1,C2,R1, 输入频率,输入电压，电源电压，记录分立式VF变

换器的电压输出。

四、电路原理图：

图4.1 分立式VF变换器原理图

五、实验结果（实验数据）：

1、电路连接成功，向老师显示电路。

2、采用不同C1,C2,R1, 输入频率,输入电压，电源电压，记录分立式VF变换器

的电压输出。

3、在坐标纸绘制输入信号频率和输出电压的的关系曲线。

思考题：

1、用实验2的分析程序，做线性回归分析。

实验报告：

参见实验报告内容进行。

第二部分实验报告

电气信息学院

实验报告(实验 1 )

课程名称：指导教师：日期：

学生姓名：专业：班级：学号：实验名称：分立式VF变换器建立和数据记录

一、实验预习：

1、画图分析分立元件的FV变换器，实现FV变换的原理。

2、写出分立元件FV变换器的变换公式，并分析说明。

二、实验仪器设备：

使用万用表，YB1624功率信浩发生器，示波器，电阻，电容，三极管等。

三、实验内容及步骤：

1、按照图1.1在插线板上建立分立式FV变换器。

2、对照图仔细1.1插线板插线是否正确，在老师确定后才可接通电源。

3、把输入端信号发生器，选用TTL档，可调节信号频率输出，并用示波器

观察波形。

4、电源电压选在5V，用万用表测量电压。

5、改变频率输入（从50Hz开始，每次增加20Hz），用万用表测量电压并

记录。

四、实验结果（实验数据）：

1．电路连接成功，向老师显示所连接的电路。

3、改变输入信号频率，测量输出电压。

第1组数据：

实验条件：

第2组数据：