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1、1第四章第四章 计算机控制技术基础实验计算机控制技术基础实验实验一实验一 A/D 与与 D/A 转换转换一、实验目的一、实验目的1通过实验了解实验系统的结构与使用方法。2通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。 二、实验设备二、实验设备1THBDC-1 型控制理论计算机控制技术实验台。2THBXD 数据采集卡一块(含 37 芯通信线、16 芯排线和 USB 电缆线各 1 根)。3PC 机 1 台(含上位机软件“THBDC-1”)。三、实验内容三、实验内容1输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之。2在上位机输入一 12 位的二进制代码，完成通道的数模转换实验。四、实验步骤四
2、、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 THBDC-1，运行实验软件。2点击工具栏上的“通道设置” ，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1”(默认为通道“1”)，并点击“开始采集”按钮，这样可以检测数据采集与计算机通讯是否正常。若不正常，请检查采集卡的驱动是否正确安装或采集卡在计算机的 USB 插槽上是否插好。3按图 1-1 接好电路，并用连接线将电路的输出端 Uo接到采集卡的 AD1 通道。然后启动实验台的“电源开关”并且把5V、15V 电源打开。4选中对话框中的 A/D 复选框，可观察到 A/D 转换的二进制结果，并记录。5选中对话框中的 D/A 复选框，在相应的编辑框中输入一组二进制
3、代码(共 12 位，如：1)，用万用表或示波器测量采样卡接口输出端 DA1 的电压值。6实验结束后，顺序点击对话框中的“停止采集”与工具栏的“退出”按钮。五、附五、附 录录 1实验电路图 1-1在进行 A/D 转换实验时，可通过上面电路为 A/D 转换器提供一个输入电压。实验电路参考单元：U6、U52数据采集卡本实验台采用了 THBXD 数据采集卡。它是一种基于 USB 总线的数据采集卡，卡上装有14Bit 分辨率的 A/D 转换器和 12Bit 分辨率的 D/A 转换器，其转换器的输入量程均为10V、2输出量程均为5V。该采集卡为用户提供 4 路模拟量输入通道和 2 路模拟量输出通道。其主要
4、特点有：1) 支持 USB1.1 协议，真正实现即插即用。 2) 400KHz14 位 A/D 转换器，通过率为 350K，12 位 D/A 转换器，建立时间 10s。3) 4 通道模拟量输入和 2 通道模拟量输出。4) 8k 深度的 FIFO 保证数据的完整性。5) 8 路开关量输入，8 路开关量输出。3编程实现测试信号的产生利用上位机的“脚本编程器”可编程实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。其函数表达式分别为：1) 正弦信号，)sin(tAy 2T2) 方波 TtTTtAy11 003) 斜坡信号，a 为常量 TtTTtaty11 004) 抛物线信号，a
5、 为常量 TtTTtaty1120021这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下：dim pv,x,op,a 变量定义 sub inputdata () 输入接口程序pv=myobject.inputdata1 AD1 通道采样值 end sub sub main() 主程序 a=1 op=0.5*a*x*x x=x+0.1 采样时间 100ms if x3 then 输出抛物线信号的最大值为 3x=0end if end sub3sub outputdata() 输出接口程序myobject.outputdata1=op DA1 通道输出值 end sub通过改变变量 x、a 的值可改变
6、抛物线的上升斜率。其它典型信号的编程请参考 THBDC-1 上位机安装目录下的“VBS 脚步程序计算机控制技术”目录内参考示例程序。4实验二实验二 数字滤波器数字滤波器一、实验目的一、实验目的1通过实验熟悉数字滤波器的实现方法。2研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。二、实验设备二、实验设备1THBDC-1 型控制理论计算机控制技术实验台。2THBXD 数据采集卡一块(含 37 芯通信线、16 芯排线和 USB 电缆线各 1 根)。3PC 机 1 台(含上位机软件“THBDC-1”)。三、实验内容三、实验内容1设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰信号和正弦信号的模拟电路。2设计并调试一阶数字滤波器
7、。3设计并调试高阶数字滤波器。四、实验原理四、实验原理1在许多信息处理过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。数字滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。一般可以用两种方法来实现：一种是用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。一个数字滤波器，它所表达的运算可用差分方程来表示： NiiNiiinybinxany00)()()(2一阶数字滤波器及其数字化一阶数字滤波器的传递函数为 11 )()()(ssXsYsGF利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法：) 1()1
8、 ()()(kyTkxTkySS 其中 TS为采样周期，为滤波器的时间常数。TS和应根据信号的频谱来选择。 3高阶数字滤波器 高阶数字滤波器算法很多，这里只给出一种加权平均算法：)3()2() 1()()(4321KxAKxAKxAKxAKy其中权系数满足：。同样，也根据信号的频谱来选择。iA 411iiAiA五、实验步骤五、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 THBDC-1，运行实验软件。52点击工具栏上的“通道设置” ，在弹出的对话框中选择单通道采集、通道“1”(默认为通道“1”)，并点击“开始采集”按钮。3然后启动实验台的“电源开关”打开5、15V 电源。将低频函数信号发生器单元输出端
9、连接到采集卡的 AD1 通道,并选择方波输出。点击软件工具栏上的“虚拟示波器”( 使用说明请查阅第二章关于虚拟示波器的使用介绍部分)，观察方波信号的频率和幅值，然后调节信号发生器中的“频率调节”和“幅度调节”电位器，使方波信号的频率和幅值分别为4Hz，2V。然后断开与采集卡的连接，将低频函数信号发生器单元输出端连接到 U2 尖脉冲单元（参考实验电路图 2-1） ，产生一个尖脉冲信号 Uo。4按图 2-2 连接电路，其中正弦信号来自数据采集卡的 DA2 输出端，尖脉冲信号来自U2 单元的输出端。图 2-2 的输出端与数据采集卡的 AD1 输入端相连。5点击工具栏上的“脚本编辑器” ，在弹出的窗口
10、中点击“打开”按钮。在“计算机控制算法”文件夹下选中“数字滤波”脚本程序并打开、阅读、理解该程序，然后在“脚本编辑器”窗口上点击“运行”按钮，用双踪示波器分别观察图 2-2 的输出端和数据采集卡输出端 DA1的波形。调节信号发生器中的“频率调节”电位器，改变方波信号的频率(即尖脉冲干扰信号的频率)。观察数据滤波器的滤波效果。6在“脚本编辑器”窗口上点击“停止”按钮，修改算法程序中的参数 Ts、Ti 两个参数，然后再运行该程序，在示波器上观察参数变化对滤波效果的影响。7对于高阶数字滤波器的算法编程实验，请参考实验步骤 5 和 6。不同的是打开的脚本程序文件名为“数字滤波（高阶） ” ，实验时程序
11、可修改的参数为 a1、a2、a3 和采样时间 Ts。8实验结束后，关闭“脚本编辑器”窗口，并依次点击对话框中的“停止采集”与工具栏的“退出”按钮。六、实验报告要求六、实验报告要求1画出尖脉冲干扰信号的产生电路图。2编写一阶数字滤波器的脚本程序。3绘制加数字滤波器前、后的输出波形，并分析程序中参数的变化对其滤波效果的影响。七、附七、附 录录1尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图图 2-1 尖脉冲产生电路通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。2实验电路的信号的产生把图 2-1 产生的尖脉冲信号视为干扰信号，与一低频正弦信号（由上位机的“脚本编辑器”6编程输出，其参考值为：幅值 1V，频率 1Hz
12、）输入到图 2-2 所示的两个输入端。图 2-2 测试信号的产生电路图 实验电路参考单元：U6 3一阶数字滤波器的程序编写与调试示例dim pv,op1,op2,Ts, opx,x,Ti 变量定义sub inputdata() 输入接口程序pv=myobject.inputdata1 采集卡通道 1 的测量值end subsub main() 主程序op2=2*sin(x)x=x+0.05 正弦信号的产生Ti=0.008Ts=0.001 采样时间 1msop1=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx 一阶数字滤波器的输出opx=op1if op1=5 thenop1=5end ifif
13、op1=4.8 thenop=4.8end if 输出限幅 end sub sub outputdata() 输出接口程序myobject.outputdata1=op 控制器的输出 end sub 双线性变换法、后向差分变换法对 D(S)离散化后的编程请参考 THBDC-1 上位机安装目录s2Ts2TTseeeZ Q13下的“VBS 脚步程序计算机控制技术”目录内参考示例程序。实验四实验四 数字数字 PID 调节器算法的研究调节器算法的研究一、实验目的一、实验目的1学习并熟悉常规的数字 PID 控制算法的原理。2学习并熟悉积分分离 PID 控制算法的原理。3掌握具有数字 PID 调节器控制系
14、统的实验和调节器参数的整定方法。二、实验设备二、实验设备1THBDC-1 型控制理论计算机控制技术实验台。2THBXD 数据采集卡一块(含 37 芯通信线、16 芯排线和 USB 电缆线各 1 根)。3PC 机 1 台(含上位机软件“THBDC-1”) 。三、实验内容三、实验内容1利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；2采用常规的 PI 和 PID 调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意的动态性能；3对系统采用积分分离 PID 控制，并整定调节器的参数。四、实验原理四、实验原理在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是 PID 控制器，它是按偏差的比例（P） 、积分（I） 、微分（D）组合而成的控制规律。而数字 PID 控制器则是由模拟 PID 控制规律直接变换所得。在 PID 控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积分，往往使之产生过大的超调量，这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进的 PID 算法，如积分分离 PID 算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当控制量接近给定值时才将积分作用投入，以消除静差，提高控制精度。这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。五、实验步骤五、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 THBDC-1，运行实验
