微機(jī)控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、實(shí)驗(yàn)一采樣與保持仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1、了解數(shù)/模轉(zhuǎn)換器的零階保持器作用。2、驗(yàn)證零階保持器在控制系統(tǒng)中的作用。3、驗(yàn)證采樣周期對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。4、 學(xué)習(xí)控制系統(tǒng)電腦輔助設(shè)計(jì)軟件MATLAB及其仿真環(huán)境SIMULINK的使用。、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB R2022三、實(shí)驗(yàn)原理其中零階保持器描述回路的采樣功能和D/A轉(zhuǎn)換器的保持功能。四、SIMULINK 仿真結(jié)構(gòu)圖五、仿真實(shí)驗(yàn)記錄LT六、思考題1、在微機(jī)控制系統(tǒng)中采樣周期T 的選擇應(yīng)注意哪些方面 ?答：采樣周期取越小值，復(fù)現(xiàn)精度就越高，也就是說(shuō)“越真。假設(shè)采樣周期太長(zhǎng)。電 腦控制系統(tǒng)受到的干擾就得不到及時(shí)克服而帶來(lái)很大誤差，

2、使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)品質(zhì)惡化， 甚至導(dǎo)致 電腦控制系統(tǒng)的不穩(wěn)定。2、假設(shè)模擬量在 A/D 轉(zhuǎn)換時(shí)變化較大，是否要加保持器 ?為什么？答：從啟動(dòng)信號(hào)轉(zhuǎn)換到轉(zhuǎn)換結(jié)束的數(shù)字輸出， 經(jīng)過(guò)一定時(shí)間， 而模擬量轉(zhuǎn)換期間， 要求 模擬量信號(hào)保持不變，所以必須用采樣保持器 .該電路具有兩個(gè)功能： 采樣跟蹤輸入信號(hào)； 保持暫停跟蹤輸入信號(hào)， 保持已采集的輸入 信號(hào)， 確保在 A/D 轉(zhuǎn)換期間保持輸入信號(hào)不變。在 A/D 轉(zhuǎn)換期間，為了使輸入信號(hào)不變， 保 持在開(kāi)始轉(zhuǎn)換時(shí)的值，通常要采用一個(gè)采樣保持電路。對(duì)于MCS-96單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換器，啟動(dòng)轉(zhuǎn)換實(shí)際上是把采樣開(kāi)關(guān)接通， 進(jìn)行采樣，過(guò)一段時(shí)間后，開(kāi)關(guān)斷開(kāi)， 采樣電路進(jìn)入

3、保 持模式，才是 A/D 真正開(kāi)始轉(zhuǎn)換。3、D/A轉(zhuǎn)換器為什么會(huì)具有零階保持器的作用？答：在這種結(jié)構(gòu)中每一個(gè)通道都有一個(gè) D/A 轉(zhuǎn)換器。 D/A 轉(zhuǎn)換器是按照采樣周期 T 對(duì)控 制器輸出的數(shù)字量進(jìn)行 D/A轉(zhuǎn)換的，但由于D/A轉(zhuǎn)換器具有數(shù)據(jù)輸入鎖存功能， 它能夠在接 收下一組數(shù)字量之前， 一直保持前一組數(shù)字量不變， 因而D/A轉(zhuǎn)換器的輸出模擬量， 能夠在 一個(gè)采樣周期內(nèi)保持不變，也就是說(shuō)，D/A轉(zhuǎn)換器本身就具有零階保持器的功能。4、電腦控制系統(tǒng)模擬量輸出通道中假設(shè)無(wú)零階保持器會(huì)出現(xiàn)什么問(wèn)題？答：模擬量輸出通道中要有輸出保持器， 這是因?yàn)殡娔X控制是分時(shí)的， 每個(gè)輸出回路只 能周期地在一個(gè)時(shí)間片

4、上得到輸出信號(hào)，即這時(shí)執(zhí)行部件得到的是時(shí)間上離散的模擬信號(hào)， 而實(shí)際的執(zhí)行部件卻要求連續(xù)的模擬信號(hào)， 因此為了使執(zhí)行部件在兩個(gè)輸出信號(hào)的間隔時(shí)間 內(nèi)仍然能得到輸出信號(hào)， 就必須有輸出保持器， 通過(guò)它將前一采樣控制時(shí)刻的輸出信號(hào)保持 下來(lái)，直到下一個(gè)采樣控制時(shí)刻到來(lái)，重新得到新的輸出信號(hào)電腦控制系統(tǒng)中通常采用零階保持器， 即前一采樣時(shí)刻的輸出值原封不動(dòng)的 理想化的 保持到下一采樣時(shí)刻到來(lái)。零階保持器通常用和模擬量輸入通道中的采樣保持器一樣的電容保持電路來(lái)實(shí)現(xiàn)。5、系統(tǒng)的平滑性與什么有關(guān)？答：電腦控制系統(tǒng)平滑性與采樣周期有關(guān)。當(dāng)一個(gè)連續(xù)被控過(guò)程由電腦控制時(shí)，電腦產(chǎn)生的指令信號(hào)是通過(guò)零階保持器輸出的

5、，因此，它是一組階梯信號(hào)。在這組階梯信號(hào)作用下，被控過(guò)程的輸出是一組彼此相連的階躍響應(yīng)。由于信號(hào)階梯的大小與采樣周期成正比，在采樣周期較大時(shí)，信號(hào)階梯增大，使被控對(duì)象的輸出響應(yīng)不平滑，產(chǎn)生不允許的高頻波動(dòng)。為 了減小這種波動(dòng)，采樣周期應(yīng)取得小些為好，以保證在響應(yīng)過(guò)程中有足夠多的采樣點(diǎn)數(shù)。實(shí)驗(yàn)二微分與平滑仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1、了解微分對(duì)采樣噪音的靈敏響應(yīng)。2、了解平滑算法抑制噪音的作用。3、進(jìn)一步學(xué)習(xí)MATLAB及其仿真環(huán)境SIMULINK的使用。、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB R2022三、實(shí)驗(yàn)原理C為系如圖微分加在正反應(yīng)輸入端，電腦用 D(Z)式進(jìn)行微分運(yùn)算。R為階躍輸入信號(hào),

6、統(tǒng)輸出。由于微分是正反應(yīng)，當(dāng)取適宜的微分時(shí)間常數(shù)時(shí)，會(huì)使系統(tǒng)響應(yīng)加快。假設(shè)微分時(shí) 間常數(shù)過(guò)大，那么會(huì)影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。+四、D(Z)設(shè)計(jì)1、未平滑時(shí)的D(Z)用一階差分代替微分運(yùn)算:D(Z)埸職Z1)式中Td為微分時(shí)間常數(shù),T為電腦采樣周期。2、平滑后的D(Z)微分平滑運(yùn)算原理如圖:XI1<-3Xk<'XkI1-1 B t1取Y*(k)為四個(gè)點(diǎn)的微分均值，有Y*(K)叫4T 1.5t>D(Z)迴X(Z)Xki X0.5X Xk 20.5X Xk 2)1.5五、SIMULINK 仿真結(jié)構(gòu)圖3XkTd(i1 3X K 213Z 3ZXk 3)2 Z 3)六、仿真實(shí)驗(yàn)記錄七、

7、思考題1、微分噪音與采樣噪音和采樣周期T有什么關(guān)系？與微分時(shí)間常數(shù)有什么關(guān)系 ？答：在采樣周期 T相同情況下，TD越大，微分噪音越嚴(yán)重；在TD相同情況下，采樣周期 T越小，微分噪音越嚴(yán)重。2、平滑后系統(tǒng)輸出有無(wú)改善 ？是否一定需要平滑？答：微分平滑后輸出有了明顯改善。并非所有的情況下都需要平滑，在系統(tǒng)輸出情況良 好的情況下，無(wú)需平滑。實(shí)驗(yàn)三積分別離PID控制仿真實(shí)驗(yàn)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求1、學(xué)會(huì)PID三個(gè)系數(shù)的選取。2、了解積分別離值的模擬實(shí)驗(yàn)選取。3、掌握SIMULINK的仿真方法。、仿真軟硬件環(huán)境PC機(jī)，MATLAB R2022三、實(shí)驗(yàn)原理如圖，R為輸入，C為輸出。電腦不斷采人誤差 E,進(jìn)行積分

8、判別與 PID運(yùn)算，然后判 結(jié)果是否溢出假設(shè)溢出那么取最大或最小值，最后將控制量輸送給系統(tǒng)。四、PID算法PID控制規(guī)律為:U(t) Kpe(t) T 0e(t)dt Td 竽TI 0dt其中：e(t)為控制器輸入； 得PID控制器的傳遞函數(shù)：u(t)為控制器輸出。對(duì)上式進(jìn)行零初始條件下的拉氏變換,D(S)鵲五、整定調(diào)節(jié)參數(shù)與系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益用臨界比例帶法整定參數(shù)。設(shè)采樣周期為50ms先去掉微分與積分作用，只保存比例控制，增大Kp,直至系統(tǒng)等幅振蕩，記下振蕩周期Tu和振蕩時(shí)所用比例值 Kpu，按以下公式整定參數(shù)比例、積分、微分調(diào)節(jié)：T=0.167Tu , Kppu , Tiu , Tdu六、SIMULINK 仿真結(jié)構(gòu)圖七、自定義函數(shù)設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)積分別離功能的自定義函數(shù)設(shè)計(jì)文件名jffl丨：fun ctio ny=jffl(x)y=x ；El=5(或 2)；else y=0 ；if abs(x)<=EIend八、仿真實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及相應(yīng)曲線T test= 50ms T u= K pu= T=61.2ms Kp= Ti=0.148s Td=EiKpKi =KfVTiKd=KpTdMptsI 用臨界比例帶法整定參數(shù)5n 用I欄pid參數(shù)，Ei修改川 較佳的PID參數(shù)5IV 用川欄PID參數(shù)，Ei修改將四條輸出曲線和輸入曲線一起畫(huà)在同一個(gè)坐標(biāo)里。九、思考題