计算机控制实验报告

0《计算机控制技术》实验报告班级：学号：姓名：信息工程学院2016-2017-21实验1：D/A转换实验实验名称：D/A转换实验一．实验目的学习D/A转换器原理及接口方式，并掌握TLC7528芯片的使用。二．实验原理TLC7528芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。会将数字信号转换成模拟信号。三．实验内容本实验输入信号：8位数字信号本实验输出信号：锯齿波模拟信号本实验数/模转换器：TLC7528输出电路预期实验结果：在虚拟示波器中显示数字信号转换成功的锯齿波模拟信号的波形图。四．实验结果及分析记录实验结果如下：结果分析：为什么会出现这样的实验结果？请用理论分析这一现象。D/A就是将数字量转化为模拟量，然后通过虚拟示波器显示出来，表现为电压的变化。实验2：采样与保持实验实验名称：信号采样与保持2一．实验目的1.熟悉信号的采样与保持过程2.学习和掌握采样定理3.学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号二．实验原理香农(采样)定理：若对于一个具有有限频谱(|W|Wmax)的连续信号f(t)进行采样，当采样频率满足Ws≥2Wmax时，则采样函数f*(t)能无失真地恢复到原来的连续信号f(t)。Wmax为信号的最高频率，Ws为采样频率。三．实验内容本实验输入信号：正弦波模拟信号本实验输出信号：正弦波数字信号本实验采样信号：方波预期实验结果：1.在模拟示波器中成功显示采样与保持的正弦波信号。2.成功在模拟示波器中还原输入的正弦波信号。四．实验结果及分析记录实验结果如下：3零阶保持增大采样周期失真直线采值4二次曲线结果分析：为什么会出现这样的实验结果？请用理论分析这一现象。实验3：数字滤波实验实验名称：数字滤波一．实验目的1.学习和掌握一阶惯性滤波2.学习和掌握四点加权滤波二．实验原理一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应用，下面是一个典型数字滤波的方框图：三．实验内容本实验输入信号：正弦信号干扰信号5本实验输出信号：正弦波模拟量本实验采样信号：周期为5ms的方波本实验被控对象：预期实验结果：输入为带有毛刺的正弦波，经过滤波后，输出为正弦波信号四．实验结果及分析记录实验结果如下：6结果分析：不同采样周期对实验结果的影响，使用理论分析这一结果。数字滤波要选择合适的数字滤波，否则会造成电路的不稳定。在实际应用中，对于参数变化缓慢的(如温度)可用惯性滤波，对于参数变化快的信号可用加权平均滤波。实验4：积分分离PID控制实验实验名称：一．实验目的1.了解PID参数对系统性能的影响。2.学习凑试法整定PID参数。3.掌握积分分离式PID控制规律。二．实验原理本实验中，采用位置式PID算式。在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。为此，可采用积分分离式PID控制算法，即：当误差e(k)较大时，取消积分作用;当误差e(k)较小时才将积分作用加入。7三．实验内容本实验输入信号：方波。本实验输出信号：从震荡到单一稳定值。本实验被控对象：一个二阶环节和一个惯性环节。预期实验结果：改变3个参数，会使系统更稳定，加快系统响应，减少超调量。四．实验结果及分析记录实验结果如下：1.未引入积分分离:82.引入积分分离:3.将KP由8000H改为6000H:4.将KP由8000H改为9999H:95.将TD由0008H改为0001H:6.将TD由0008H改为0018H:107.将TI由0018H改为0008H:8.将TI由0018H改为0088H:结果分析：从上面图片中可以看出，引入积分分离法后，降低了系统输出的超调量，并缩短了调节时间。当增大Kp时，将加快系统响应，但过大会导致系统稳定性变差。增大TD时，有利于消除静差、减小超调、减小振荡。增大TI时，有利于加快系统响应，减小超调量。11实验5：带死区的PID控制一．实验目的1.掌握带死区的PID控制规律。二．实验原理在计算机控制系统中，某些系统为了避免过于频繁的控制动作，为了消除由于频繁动作所引起的震荡，通常采用带死区的PID控制系统，该系统实际上是一个非线性控制系统。其基本思想是：可以按实际需要设置死区B，当误差的绝对值|e(k)|=B时，P(K)为0，U(K)也为常值，实际应用中，常值是由经验值来确定的；当|e(k)|B时，P(K)=e(k)，U(K)以PID运算的结果输出。三．实验内容本实验输入信号：方波信号本实验输出信号：震荡收敛的稳定波形本实验被控对象：一个一阶惯性环节和一个二阶惯性环节预期实验结果：输出带死区的PID控制信号四．实验结果及分析记录实验结果如下：死区宽度为00H：12死区宽度为02H：13结果分析：带死区的PID控制响应曲线C产生了轻微的震荡，但其偏差在规定范围内；控制量U的输出动作频率比积分分离式明显的降低了，从而降低了机械磨损。如果死区宽度B值取得太大，则系统将产生较大的滞后；如果B值取得太小，使调节器输出过于频繁，达不到预期的效果。实验6：简易工程法整定PID参数一．实验目的1.学习并掌握扩充临界比例度法整定PID参数。2.学习并掌握扩充响应曲线法整定PID参数。二．实验原理扩充临界比例法是对模拟调节器中的临界比例度法的推广，在工程实践中最常用，其参数整定步骤如下：（1）选择一个足够小的采样周期tT，一般取系统纯滞后时间的1/10以下。（2）使系统闭环工作，只用比例控制，增大比例系数kp，直到系统等幅振荡，记下此时临界比例系数Kpu和临界震荡周期Tu。（3）选择控制度（1.05~2.0），控制度是指数字调节器和模拟调节器控制效果之比。（4）根据控制度，查表3.4-1计算出采样周期T和Kp、Ti、Td。三．实验内容14本实验输入信号：方波信号本实验输出信号：等幅振荡信号本实验被控对象：一个二阶环节和一个惯性环节预期实验结果：输出一个等幅振荡信号四．实验结果及分析记录实验结果如下：结果分析：临界比例度法是闭环试验整定方法。依赖系统在某种运行状态下特性信息对调节器参数进行整定。实验通过Kp、TD、TI控制系统稳定性，参数既不可过大也不可过小，否则无法得到等幅振荡的波形。简易工程整定法是由经典的频率法简化而来的，虽然粗糙一点，但是简单易行，适于现场的实时控制应用。实验7：最少拍控制实验实验名称：一．实验目的1.掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。2.掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。二．实验原理最少拍控制是一种直接数字设计方法。所谓最少拍控制，就是要求闭环系统对于某种特定的输入在最少个采样周期内达到无静差的稳态，使系统输出值尽快地跟踪期望值的变化。他的闭环z传递函数具有形式。在这里，N使可能情况下的最小正整数。这一传递函数表明15闭环系统的脉冲响应在N个采样周期后变为零，从而意味着系统在N拍之内到达稳态。三．实验内容本实验输入信号：方波信号本实验输出信号：有纹波和无纹波本实验被控对象：一个二阶环节和一个惯性环节预期实验结果：输出有纹波和无纹波四．实验结果及分析记录实验结果如下：无纹波C和OUT：有纹波C和OUT：16结果分析：最小拍控制系统对输入形式的适应性差，当系统的输入形式改变，尤其是存在随机扰动时，系统的性能变坏。最小拍控制系统对参数的变化很敏感，在实验过程中，随着外部条件的变化，对象参数的变化是不可避免的，以及计算机在计算过程中产生的误差，从而使得实际输出可能偏离期望值。虽然在采样时刻系统输出与所跟踪的参考输入一致，但在两个采样时刻之间，系统的输出存在着纹波或振荡。17实验8：大林算法一．实验目的1.掌握用大林算法实现对纯滞后系统的控制。2.掌握振铃消除的方法。二．实验原理大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数，相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节相串联。1/1///1/e1e1e1e1e1)(1)()()(NTTTTTZZKZZZGZZD式中：T——采样周期；θ——被控对象时间常数；ω——闭环系统的时间常数；K——被控对象的增益。三．实验内容本实验输入信号：方波信号本实验输出信号：未消除振铃的信号与消除振铃的信号本实验被控对象：一个二阶环节和一个惯性环节预期实验结果：分别输出未消除振铃的信号与消除振铃的信号四．实验结果及分析记录实验结果如下：未消除振铃：18消除振铃：19结果分析：大林算法是运用于自动控制领域中的一种算法，是一种先设计好闭环系统的响应再反过来综合调节器的方法。大林算法中提出消除振铃的方法是：找出D(Z)中引起振铃的极点因子，令Z=1，消除振铃后系统的性能可得到了明显的改善。大林算法设计目标是使整个闭环系统所期待的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节相串联。