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1、本本科科生生实实验验报报告告实实验验课课程程 计计算算机机控控制制系系统统 学学院院名名称称 核核技技术术与与自自动动化化工工程程学学院院 专专业业名名称称 电电气气工工程程及及其其自自动动化化 学学生生姓姓名名 袁袁 礼礼 学学生生学学号号 3 32 20 01 12 20 06 60 05 50 05 50 06 6 指指导导教教师师 杨杨 小小 峰峰 实实验验地地点点 6 6C C9 90 01 1 实实验验成成绩绩 二二一五一五 年五月年五月 二二一五年六月一五年六月。 。 。 。 。 。 。 。 。计算机控制技术实验报告摘要随着微电子技术的发展，计算机的应用迅速渗透到了各个领域。近年
2、来，微型计算机和控制技术的有机结合推动了计算机控制理论和控制技术的飞速发展，计算机控制系统在军事、航天、能源开发等领域都获得了广泛的应用。本次实验就是学习计算机控制技术的基本原理，初步了解计算机控制技术，为今后的学习和工作打下基础。关键词：PID ；滤波；自动控制4.1 数/模转换实验4.1.1 实验目的1、掌握数/模转换器 DAC0832 芯片的性能及编程。2、编写程序控制 D/A 输出的波形，使其输出周期性的三角波。4.1.2 实验说明数/模转换实验框图见图 4-1-1 所示。图 4-1-1 数/模转换实验框图4.1.3 实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，只要运行 LABACT 程序
3、，选择微机控制菜单下的数/模转换实验项目，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，可选用虚拟示波器（B3）单元的 CH1 测孔测量波形，详见实验指导书第二章虚拟示波器部分。测孔连线数/模转换器（B2）单元 OUT2虚拟示波器（B3）输入端 CH1（选 X1档） 。4.2 模/数转换实验4.2.1 实验目的1、 了解模/数转换器 A/D 芯片 ADC0809 转换性能及编程。2、编制程序通过0809 采样输入电压并转换成数字量值。4.2.2 实验说明模/数转换实验框图见图 4-2-1 所示。图 4-2-1 模/数转换实验框图模/数转换器（B7 单元） 提供 IN4IN7 端口，
4、供用户使用，其中 IN4、IN5 有效输入电平为 0V+5V，IN6 和 IN7 为双极性输入接法，有效输入电平为-5V+5V，有测孔引出。4.2.3 实验内容及步骤（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心 Y 测孔，作为模/数转换器（B7）输入信号：B1 单元中的电位器左边 K3 开关拨下（GND） ，右边 K4 开关拨上（+5V） 。（2）测孔联线：B1（Y）模/数转换器 B7（IN4） （信号输入） 。（3）运行、观察、记录：运行 LABACT 程序，选择微机控制菜单下的模/数转换实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后，在虚拟示波器屏幕上显示出即时模/数转换二进制码及其对应
5、的电压值；再次点击开始，将继续转换及显示，满 17 次后回到原点显示。屏幕上 X 轴表示模/数转换的序号，Y 轴表示该次模/数转换的结果。每次转换后将在屏幕出现一个“*” ，同时在“*”下显示出模/数转换后的二进制码及对应的电压值，所显示的电压值应与输入到模/数转换单元（B7）的输入通道电压相同。每转换满 17 次后，将自动替代第一次值。见图 4-2-2 所示。输入通道可由用户自行选择，默认值为 IN4。图 4-2-2 模/数转换在屏幕上的效果图4.3 采样与保持4.3.1 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。
6、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
7、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。 在显示
8、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） 。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。1正
9、弦波信号输入B5（正弦波输出 SIN）B3（虚拟示波器）CH1（选 X1档）2采样周期信号B5（方波输出）B8 输入（IRQ6）（4）运行、观察、记录： 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 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
10、波形。图 4-3-2 不同采样周期（78Hz 和 10Hz）下的输出波形四实验波形本实验为定性观察，因此采样周期无须精确。5HZ 输出波形10 输出波形20HZ 输出波形40HZ 输出波形60HZ 输出波形80Hz 输出波形4.3.2 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
11、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
12、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 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
13、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=R1*C1=0.1S，惯性环节（A5 单元）的惯性时间常数 T=R2*C2=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被控对象的开环传递函数： （4-3-1） 1ST1 STK)s(Gi各环节参数代入式（4-3-1） ，可得： （4-3-2） )2S(S100 )1S5 . 0(S1 . 05)s(G1求取广义对象的脉冲传递函数零阶保持器的传递函数： （4-3-3） Se1)s(HST0G(z)为包括零阶保持器在内的广义对象的脉冲传递函数：（4-3-4） 2SS100 Se1ZzGST上式经 Z 变换后： （4-3-5） )(1()21 ()12(25)(2222eeee TTTTzzTzTzG2求取系统的闭环脉冲传递函数系统的闭环脉冲传递函数：（4-3-6） )502425()242650()21 ()
