计算机控制技术实验报告册

计算机控制技术实验报告册

学院：SSS

专业：电气工程及其自动化

班级：SS

姓名：XXXX

学号：XXXX

核自学院 电气工程及其自动化 计算机控制系统 实验报告 1

实验一 D/A数模转换实验

一、实验目的

1．掌握数模转换的基本原理。 2．熟悉12位D/A转换的方法。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台 2．PC计算机一台 三、实验内容

通过A/D&D/A卡完成12位D/A转换的实验，在这里采用双极性模拟量输出，数字量输入范围为：0～4096，模拟量输出范围为：－5V～+5V。转换公式如下：

Uo= Vref - 2Vref(2K11+2K10+...+2K0)/ 2 Vref=5.0V 例如：数字量=1 则

K11=1,K10=0,K9=1,K8=0,K7=1,K6=1,K5=0,K4=1,K3=0,K2=0,K1=0,K0=1 模拟量Uo= Vref - 2Vref(2K11+2K10+...+2K0)/ 2=4.0V

四、实验步骤

1．连接A/D、D/A卡的DA输出通道和AD采集通道。A/D、D/A卡的DA1输出接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。

2．启动计算机，在桌面双击图标 [Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]软件。

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3．测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

4．在实验项目的下拉列表中选择实验一[D/A数模转换实验], 鼠标单击弹出实验课题参数设置对话框。

5．在参数设置对话框中设置相应的实验参数后，在下面的文字框内将算出变换后的模拟量，

6. 点击确定，在显示窗口观测采集到的模拟量。并将测量结果填入下表1-1: 数字量 405 110 1200 2300 模拟量 理论值 4.01 4.73 2.07 -0.62 实测值 3.94 4.66 2.00 -0.72 按钮，

表1-1 五、实验结果

实验得出数字量与模拟量的对应曲线如下图1-1：

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核自学院 电气工程及其自动化 计算机控制系统 实验报告 3

图1-1 六、实验结果分析

表1-1中计算出理论值，与实验结果比较，分析产生误差的原因系仪器误差。 七、实验心得

本次试验需要进行的连电路、实验软件操作都比较简单，但对于实验原理我们应有更加深刻的理解，对于实验箱内部的D/A转换原理要有所思考，不能只满足与简单的实验表象，而应思考更深层次的问题。

实验二 A/D模数转换实验

一、实验目的

1．掌握模数转换的基本原理。 2．熟悉10位A/D转换的方法。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台 2．PC计算机一台 三、实验内容

通过A/D&D/A卡完成10位D/A转换的实验，在这里采用双极性模拟量输入，模拟量输入范围为：－5V～+5V，数字量输出范围为：0～1024。转换公式如下：

数字量=（Vref－模拟量）/2Vref×2 其中Vref是基准电压为5V。 例如：模拟量=1.0V 则

数字量=（5.0－1.0）/（2×5.0）×2=409(十进制)

四、实验步骤

1.连接A/D、D/A卡的DA输出通道和AD采集通道。A/D、D/A卡的DA1输出接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标 [Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]软件。

3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

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4. 在实验项目的下拉列表中选择实验二[A/D数模转换实验], 鼠标单击弹出实验课题参数设置对话框

按钮，

5.在弹出的参数窗口中填入想要变换的模拟量，点击变换，在下面的文字框内将算出变换后的数字量。

6.点击确定，在显示窗口观测采集到的数字量。并将测量结果填入下表2-1: 数字量 模拟量 理论值 -2.45 0.5 2.5 762 460 256 实测值 650.2 459.2 253.9 表2-1 五、实验结果

画出模拟量与数字量的对应曲线如图2-1：

图2-1

六、实验结果分析

表2-1中计算出理论值，与实验结果比较，分析产生误差的原因系仪器误差、实验软件的精度误差。

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核自学院 电气工程及其自动化 计算机控制系统 实验报告 5

七、实验心得

本次试验需要进行的连电路、实验软件操作都比较简单，但对于实验原理我们应有更加深刻的理解，对于实验箱内部的A/D转换原理要有所思考，不能只满足与简单的实验表象，而应思考更深层次的问题。

实验三 数字PID控制

一、实验目的

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型系统及系统的稳定误差。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台 2．PC计算机一台 三、实验内容

1．系统结构图如3-1图。

图3-1 系统结构图

图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1－e-TS）/s

Gp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1）） Gp2（s）=1/（s（0.1s+1））

2．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应GP1

（s）,图3-3对应Gp2（s）。

图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图2

3．被控对象GP1（s）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Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II型”系统。

4．当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。 5．PI调节器及PID调节器的增益

Gc（s）=Kp（1+K1/s）

=KpK1(（1/k1）s+1) /s =K(Tis+1)/s

式中 K=KpKi , Ti=（1/K1）

不难看出PI调节器的增益K=KpKi，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．“II型”系统要注意稳定性。对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为

G（s）=Gc（s）·Gp2（s）

=K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）

为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1<10

7．PID递推算法 如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：

u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）

其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T）） q1=－Kp（1+（2Kd/T）） q2=Kp（Kd/T）

T--采样周期 四、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标 [Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]软件。

3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通

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信正常后才可以继续进行实验。

4. 在实验项目的下拉列表中选择实验三[数字PID控制], 鼠标单击鼠标单击钮，弹出实验课题参数设置窗口。

5.输入参数Kp, Ki, Kd（参考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。

6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变Kp, Ki, Kd的数值和与其相对应的性能指标?p、ts的数值。

7.取满意的Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误差。

8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图3-3)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容的两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。 9.重复4-7步骤。

10.计算Kp，Ki，Kd取不同的数值时对应的?p、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲线及时域性能指标，记入表中：

实验结果 参数 Kp Ki Kd 见图3—1 δ% Ts（ms） 阶跃响应曲线 按

1 0.03 1 10% 220 1 0.05 1 30% 300 见图3--2 5 0.02 1 40% 200 见图3--3 1 0.03 1 65% 800 见图3--4

5 0.05 1 60%

五．实验结果

根据所测数据，可作出下图所示结果：

图 3—1

图3—3

680 见图3--5 图3--2

图3--4

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图3--5

六．实验分析：

由实验结果可知，比例控制能提高系统的动态响应速度，迅速反应误差，但比例控制不能消除稳态误差。Kp的加大，会引起系统的不稳定。积分控制的作用是消除稳态误差，因为只要系统存在误差，积分作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，知道偏差为零，积分作用就停止，但积分作用太强会使系统超调量加大，甚至使系统出现振荡。微分控制与偏差的变化率有关，它可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

实验四 数字滤波器实验

一、实验目的

1．研究数字滤波器对系统稳定性及过渡过程的影响。 2．熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。

3．掌握数字滤波器的设计方法。

4．了解数字滤波器的通带对系统性能的影响。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台 2．PC计算机一台 三、实验内容

1．需加入串联超前校正的开环系统电路及传递函数

（1）实验电路

图5－1 需加入串联超前校正的开环系统电路图

(2) 系统开环传递函数

图5－2 系统开环结构图

(3) 系统闭环结构图

图5－3 系统闭环结构图

(4) 数字滤波器的递推公式

模拟滤波器的传函： T1s+1

T2S+1 利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：

Uk=q0xUk-1+q1xek+q2xek-1 q0=(T-2T2)/(T+2T2)

q1=(T+2T1)/(T+2T2) q2=(T-2T1)/(T+2T2)

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T=采样周期 T1=超前时间常数 T2=滞后时间常数

2． 需加入串联滞后校正的开环系统电路及传递函数

（1） 实验电路

图5－4 需加入串联滞后校正的开环系统电路图

（2） 系统开环传递函数

图5－5 系统开环结构图

（3） 系统闭环结构图：

图5－6 系统闭环结构图

（4） 数字滤波器的递推公式 模拟滤波器的传递函数： T1s+1

T2S+1 利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：

Uk=q0Uk-1+q1ek+q2ek-1 q0=(T-2T2)/(T+2T2)

q1=(T+2T1)/(T+2T2)

q2=(T-2T1)/(T+2T2)

T=采样周期 T1=超前时间常数 T2=滞后时间常数 四、实验步骤

1.启动计算机，在桌面双击图标 [Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]软件。

2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

超前校正

3.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-1)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。检查无误后接通电源。

4. 在实验项目的下拉列表中选择实验五[五、数字滤波器]，鼠标单击

按钮，弹

出实验课题参数设置对话框，选择超前校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量?p和调节时间ts。

5.重复步骤4，改变参数设置，将所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中：

超前常数 性能指标 0.015 0.035 0.055 0.075 阶跃响应曲线 见图4-1 见图4-2 见图4-3 见图4-4 δ% Tp（毫秒） Ts（毫秒） 滞后校正

55% 200 600 20% 200 400 10% 200 160 0 200 100 6.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-4)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。检查无误后接通电源。

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7. 在实验项目的下拉列表中选择实验五[五、数字滤波器]，鼠标单击按钮，弹

出实验课题参数设置对话框，选择滞后校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量?p和调节时间ts。

8.重复步骤7,改变参数设置，将所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中：

滞后常数 性能指标 0.003 0.005 0.007 阶跃响应曲线 见图4-5 见图4-6 见图4-7 δ% Tp（秒） Ts（秒） 五、实验结果

50% 180 1600 20% 180 400 10% 200 200 画出所做实验的模拟图，结构图。

图4-1 图4-2

图4-3 图4-4

图4-5 图4-6

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图4-7

六、实验结果分析

加数字滤波器前系统的稳定特性较差，输出波形不稳定。

从响应曲线中分析校正后的结果可知加入超前、之后校正环节后系统稳定性提高，输出波形稳定。

实验五 大林算法

一、实验目的

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、实验仪器

1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台 2．PC计算机一台 三、实验内容

1．实验被控对象的构成： （1）惯性环节的仿真电路及传递函数 G(S)=-2/(T1+1)

T1=0.2 （2）纯延时环节的构成与传递函数 G(s)=e-N?

?=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。 图6－1 被控对象电路图

（3）被控对象的开环传函为： G(S)=-2e-N?/(T1+1) 2．大林算法的闭环传递函数：

Go(s)=e-N?/(Ts+1) T=大林时间常数 3．大林算法的数字控制器：

D(Z)=(1-e?/T)(1-e-?/T1Z-1)/[k(1-e-?/T1)[1-e-?/TZ-1-(1-e-?/T)Z-N-1] ] 设k1=e-?/T K2=e-?/T1 T1=0.2 T=大林常数 K=2

(K-Kk2)Uk=(1-k1)ek-(1-k1)k2ek-1+(k-kk2)k1Uk-1+(k-kk2)(1-k1)Uk-N-1 四、实验步骤

1．启动计算机，在桌面双击图标 [Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]软件。

2．测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3．量对象的模拟电路(图6-1)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。

4．在实验项目的下拉列表中选择实验六[六、大林算法], 鼠标单击

按钮，弹出

实验课题参数设置对话框，在参数设置窗口设置延迟时间和大林常数，点击确认在观察窗口观测系统响应曲线。测量系统响应时间Ts和超调量?p。

5． 复步骤4，改变参数设置，将所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中：

性能指标 参数设置 延迟时间 大林常数 阶跃响应曲线 δ% Ts（秒） Tp（秒） 1 0.5 见图5-1 0 200 600 2 0.5 见图5-2 0 100 530 20 0.5 见图5-3 0 600 800 16

核自学院 电气工程及其自动化 计算机控制系统 实验报告 17 1 0.1 见图5-4 0 100 1200

五、实验结果

画出闭环的阶跃响应曲线如下图：

图5-1 图5-2

图5-3 图5-4

五．实验结果分析

大林算法是针对含有纯滞后的控制对象的算法，调节延迟时间和大林常数找到最佳系

统，找到整定值，使超调量最小，动态响应更迅速，调整时间最小化，并可以提高系统的稳定性。

实验六 炉温控制实验

一、实验目的

1．了解温度控制系统的特点。 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控制器的参数的整定方法。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台 2．PC计算机一台 3．炉温控制实验对象一台 三、炉温控制的基本原理

1． 系统结构图示于图7－1。

图7－1 系统结构图

图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1－e-TS）/s Gp（s）=1/（Ts+1） 2．系统的基本工作原理

整个炉温控制系统由两大部分组成，第一部分由计算机和A/D&D/A卡组成，主要完成温度采集、PID运算、产生控制可控硅的触发脉冲，第二部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通

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核自学院 电气工程及其自动化 计算机控制系统 实验报告 19

角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压的可在0～140V内变化。可控硅的导通角为0～5CH。温度传感是通过一只热敏电阻及其放大电路组成的，温度越高其输出电压越小。

外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与闭合的占空比时间，如果炉温温度低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。 第二部分电路原理图见附录一。 3．PID递推算法 ：

如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下： Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1),其中ek2是误差累积和。 四、实验内容：

1．设定炉子的温度在一恒定值。

2．调整P、I、D各参数观察对其有何影响。 五、实验步骤

1．启动计算机，在桌面双击图标 [Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]软件。

2． 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3． 20芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检查无误后，接通实验箱和炉温控制的电源。 开环控制

4．在实验项目的下拉列表中选择实验七[七、炉温控制], 鼠标单击

按钮，弹出

实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。测量系统响应时间Ts和超调量?p。 5． 重复步骤4，改变参数设置，观测波形的变化，记入下表6-1：

性能指标 占空比 阶跃响应曲线 δ% Tp（秒） Ts（秒） 60 见图6—1 30% 7.5 14.5

80 见图6—2 28% 7.0 13.5 表6-1 闭环控制

6. 在实验项目的下拉列表中选择实验七[七、炉温控制] 鼠标单击

按钮，弹出实

验课题参数设置对话框，选择PID，在参数设置窗口设置炉温控制对象的给定温度以及Ki、Kp、Kd值，点击确认在观察窗口观测系统响应曲线。测量系统响应时间Ts和超调量?p。

7.重复步骤6，改变PID参数，观测波形的变化，记入下表6-2中： 性能指标 参数 Kp Ki Kd 阶跃响应曲线 δ% Tp（秒） Ts（秒） 3 0.01 0 见图6—3 16.5% 6.9 15 2 0.01 0 见图6—4 16% 8.0 12 5 0.01 0 见图6—5 25% 6.0 18 3 0.1 0 见图6—6 18.5% 7.0 12 表6-2 六、实验结果

记录过渡过程为最满意时的Kp, Ki, Kd并画出其响应曲线如下图

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图6-1

图6-3

图6-5

图6-2

图6-4

图6-6

实验总结：

通过这几次实验，让我加深了课本知识的学习，以前一些不太明白的地方也在实验中都搞懂了，同时也了解到计算机控制技术的特点。

感谢蒋老师的悉心指导！

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本文来源：https://www.bwwdw.com/article/ld6x.html