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1、计算机控制技术实验题目： 模拟信号采样与保持 班级： 电气F1611 姓名： 学号： 学院： 电子信息与工程学院 2019年 12月 28 日1.1 采样与保持一实验目的 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。计算机编程实现以不同采样周期对正弦波采样，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）。三、实验内容及步骤采样实验框图如下图所示。计算机通过模/数转换模块以一定的采样周
2、期对信号源（B1）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）。实验步骤：（1）构造模拟电路：按图图4-1-1-1插孔连线，表如下。1正弦波信号输入B3（xOUT1）正弦波输出B3（CH1）虚拟示波器2采样以后输出B3（xOUT2）控制器输出B2（CH2）虚拟示波器（2）运行、观察、记录： 选择采样与保持采样实验，点击工具条上“设置”，分别改变采样周期分为0.01秒、0.1秒，点击工具条上“启动虚拟示波器”，实验运行，响应曲线见图4-1-1-2.。图4-1-1-2 不同采样周期（0.01秒和0.1秒）下的输出波形四实验报告要求按下表记录下各种频
3、率的采样周期下的输出波形。采样周期（秒）0.010.020.050.10.150.24.1.2 采样控制一实验目的1了解判断采样控制系统稳定性的充要条件，及采样周期T对系统的稳定性的影响2掌握临界稳定时采样周期值的计算。3观察和分析采样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判断采样控制系统稳定性的充要条件 临界稳定的采样周期T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。如果系统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：
4、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。即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及临界值的计算图4-1-2-1 闭环采样系统构成闭环采样系统构成电路如图4-1-2-1所示，其中被控对象的各环节参数及系统的传递函数：积分环节（A1模块）的积分时间常数Ti=R1*C1=0
5、.2S，惯性环节（A2模块）的惯性时间常数 T=R2*C2=0.5S，增益K=R2R3=5。被控对象的开环传递函数： （4-1-1）各环节参数代入式（4-1-1），得： （4-1-2）G(z)为包括零阶保持器在内的广义对象的脉冲传递函数： （4-1-3）经Z变换后： （4-1-4）闭环脉冲传递函数： (4-1-5）闭环采样系统的特征方程式为： （4-1-6）采样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。根据式（4-1-6）可知，特征方程式的根与采样周期T有关，只要特征根的模均小于1，则系统稳定。若要求特征根的模小于1，须： （4-1-7）从式（4-1-7）得： 采样周期
6、T0.0823秒。三、实验内容及步骤1闭环采样系统构成电路如图4-1-2-1所示。了解采样周期T对系统的稳定性的影响及临界值的计算，观察和分析采样控制系统在不同采样周期T时的瞬态响应曲线。2. 改变采样控制系统的被控对象，计算和测量系统的临界稳定采样周期T，填入实验报告。实验步骤： （1） 构造模拟电路：按图4-1-2-1安置短路套及插孔连线，表如下。B3区：xOUT2-D1区：H1D1区：OUT-D2区：H1B3区：xOUT2-B3区：CH2D2区：OUT-B3区：CH1安装短路套-D1区：S3、S13、S14安装短路套-D2区：S3、S13、S14（2） 运行、观察、记录： 选择采样与保持
7、采样控制，点击工具条上“设置”，分别改变采样周期分为0.015秒、0.03秒和 0.09秒，点击工具条上“启动虚拟示波器”，实验运行，响应曲线见图4-1-2-2。观察相应实验现象，并判断其稳定性。图4-1-2-2 在不同采样周期（0.015秒、0.03秒和 0.09秒）下的输出波形四实验报告要求改变采样控制系统的被控对象，计算和测量系统的临界稳定采样周期T，填入实验报告。积分时间常数Ti(A2)开环增益K (A3)惯性时间常数T(A3)临界稳定的采样周期T计算值测量值10.250.52330.120.24.2 微分与数字滤波4.2.1 一阶微分反馈控制一实验目的1了解微分反馈的原理及对被控对象
8、的影响。2掌握微机控制系统实现微分反馈的方法。3观察和分析一阶微分反馈控制中的采样周期T与微分系数Td对系统阶跃响应性能的影响。二实验原理及说明微分与平滑结构图如下图所示。R为阶跃输入信号，C为系统输出。图4-2-1-1 微分与平滑结构图微分是正反馈，当取合适的微分系数时，会使系统响应加快，用于被控对象为惯性环节的系统，特别是惯性时间常数较大的系统，有明显的校正作用。微分算法采用一阶差分代替：（Td为微分系数，T为采样周期， 为反馈系数） （4-2-1）：当前输出值，：第K-1次输出值，：调节器输出。其中反馈系数 的取值不能过大，微分噪音幅度会太大，即每个采样周期中D(Z)输出的变化值会太大，
9、一般选取10。采样周期T根据实验要求而定（与被控对象的惯性时间常数To有关），如规定反馈系数=10，采样周期T不能太大，则会影响系统稳定性；T过小将使计算机控制环节控制作用过小，一般选取T0.08To。计算机编程实现以5ms为基本单位，即，范围为199。微分系数Td为根据实验要求而定，当采样周期T确定后，加大微分系数Td，即加大反馈系数，也会影响系统稳定性。微分系数Td 取值范围：0.00110.00S。按式（4-2-1）可以计算出各个采样时刻的数字调节器D(Z)输出数值序列。三实验内容及步骤一阶微分反馈控制构成如下图所示，改变图中被控对象的惯性时间常数，设置微分系数Td和反馈系数KD和采样周
10、期T，观察输出端（C）波形，测量时域特性，填入实验报告。图4-2-1-2 一阶微分反馈控制构成实验步骤：（1） 构造模拟电路：按图4-2-1-2安置短路套及测孔连线，表如下。 B3区：xOUT2-D1区：H1D1区：OUT-C2区：H1B3区：xOUT2-B3区：CH2C2区：OUT-B3区：CH1安装短路套-D1区：S5、S12、S13、S14（2） 运行、观察、记录： 选择微分与数字滤波一阶微分反馈控制，点击工具条上“启动虚拟示波器”，实验运行，响应曲线见下图。分别改变微分系数Td 和采样周期，观察相应实验现象，并判断其稳定性。由于受微分正反馈的影响，其响应速度将加快，可适当调整Td为微分
11、系数，T为采样周期，使系统输出达到要求，绘制出输出曲线。图4-2-1-3 不加微分反馈输出曲线（只需把Td设置为0即可）图4-2-1-4 加微分反馈输出曲线实验报告要求：1图4-2-1-2中被控对象的惯性时间常数为To=1S，采样周期T=80ms，按下表改变微分系数Td和反馈系数KD，观察输出端（C）波形，填入实验报告。微分系数Td峰值时间tp调节时间ts超调量Mp0.6S0.7S0.75S0.92S1.4S14%0.96S2图4-2-2中被控对象的惯性时间常数改为To=0.2S，采样周期T=15ms，按下表改变微分系数Td和反馈系数KD，观察输出端（C）波形，填入实验报告。微分系数Td峰值时
12、间tp调节时间ts超调量Mp0.11S0.13S0.15S0.2S0.34S12.50.19S注：反馈系数大，每个采样周期中数字调节器D(Z)输出的变化值（微分噪音幅度）也会大。4.2.2 四点微分均值反馈控制一实验目的1了解微分反馈的原理及对被控对象的影响。2掌握微机控制系统实现微分反馈的方法。3观察和分析四点微分均值反馈控制中的采样周期T与微分系数Td对系统阶跃响应性能的影响。二实验原理及说明微分与平滑结构图同4-2-1-1一阶微分反馈控制。微分是正反馈，当取合适的微分系数时，会使系统响应加快，用于被控对象为惯性环节的系统，特别是惯性时间常数较大的系统，有明显的校正作用。微分平滑算法采用四
13、点微分均值法：（Td为微分系数，T为采样周期，为反馈系数） （4-2-2） ：当前输出值，：第K-1次输出值，：调节器输出。其中反馈系数 的取值不能过大，微分噪音幅度会太大，即每个采样周期中D(Z)输出的变化值会太大，一般选取10。采样周期T根据实验要求而定（与被控对象的惯性时间常数To有关），如规定反馈系数=10，采样周期T不能太大，则会影响系统稳定性；T过小将使计算机控制环节控制作用过小，一般选取T0.08To。计算机编程实现以5ms为基本单位，即，范围为199。微分系数Td为根据实验要求而定，当采样周期T确定后，加大微分系数Td，即加大反馈系数，也会影响系统稳定性。微分系数Td 取值范围：0.00110.00S。按式（4-2-2）可以计算出各个采样时刻的数字调节器D(Z)输出数值序列。三实验内容及步骤模拟电路同4-2-1-2一阶微分反馈控制。选择微分与数字滤波四点微分均值反馈控制，点击工具条上“启动虚拟示波器”，实验运行。改变图4-2-1-2中被控对象的惯性时间常数，设置微分系数Td和反馈系数KD和
