計算機控制實驗報告

.5/7《計算機控制技術(shù)》實驗報告______信息工程學院2016-2017-2實驗1：D/A轉(zhuǎn)換實驗實驗名稱：D/A轉(zhuǎn)換實驗一．實驗目的學習D/A轉(zhuǎn)換器原理及接口方式,并掌握TLC7528芯片的使用。二．實驗原理TLC7528芯片,它是8位、并行、兩路、電壓型輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器。會將數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成模擬信號。三．實驗內(nèi)容本實驗輸入信號：8位數(shù)字信號本實驗輸出信號：鋸齒波模擬信號本實驗數(shù)/模轉(zhuǎn)換器：TLC7528輸出電路預期實驗結(jié)果：在虛擬示波器中顯示數(shù)字信號轉(zhuǎn)換成功的鋸齒波模擬信號的波形圖。四．實驗結(jié)果及分析記錄實驗結(jié)果如下：結(jié)果分析：為什么會出現(xiàn)這樣的實驗結(jié)果？請用理論分析這一現(xiàn)象。D/A就是將數(shù)字量轉(zhuǎn)化為模擬量,然后通過虛擬示波器顯示出來,表現(xiàn)為電壓的變化。實驗2：采樣與保持實驗實驗名稱：信號采樣與保持一．實驗目的1.熟悉信號的采樣與保持過程2.學習和掌握采樣定理3.學習用直線插值法和二次曲線插值法還原信號二．實驗原理香農(nóng)<采樣>定理：若對于一個具有有限頻譜<|W|<Wmax>的連續(xù)信號f<t>進行采樣,當采樣頻率滿足Ws≥2Wmax時,則采樣函數(shù)f*<t>能無失真地恢復到原來的連續(xù)信號f<t>。Wmax為信號的最高頻率,Ws為采樣頻率。三．實驗內(nèi)容本實驗輸入信號：正弦波模擬信號本實驗輸出信號：正弦波數(shù)字信號本實驗采樣信號：方波預期實驗結(jié)果：1.在模擬示波器中成功顯示采樣與保持的正弦波信號。2.成功在模擬示波器中還原輸入的正弦波信號。四．實驗結(jié)果及分析記錄實驗結(jié)果如下：零階保持增大采樣周期失真直線采值二次曲線結(jié)果分析：為什么會出現(xiàn)這樣的實驗結(jié)果？請用理論分析這一現(xiàn)象。實驗3：數(shù)字濾波實驗實驗名稱：數(shù)字濾波一．實驗目的1.學習和掌握一階慣性濾波2.學習和掌握四點加權(quán)濾波二．實驗原理一般現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣,干擾源比較多,消除和抑制干擾的方法主要有模擬濾波和數(shù)字濾波兩種。由于數(shù)字濾波方法成本低、可靠性高、無阻抗匹配、靈活方便等特點,被廣泛應用,下面是一個典型數(shù)字濾波的方框圖：三．實驗內(nèi)容本實驗輸入信號：正弦信號干擾信號本實驗輸出信號：正弦波模擬量本實驗采樣信號：周期為5ms的方波本實驗被控對象：預期實驗結(jié)果：輸入為帶有毛刺的正弦波,經(jīng)過濾波后,輸出為正弦波信號四．實驗結(jié)果及分析記錄實驗結(jié)果如下：結(jié)果分析：不同采樣周期對實驗結(jié)果的影響,使用理論分析這一結(jié)果。數(shù)字濾波要選擇合適的數(shù)字濾波,否則會造成電路的不穩(wěn)定。在實際應用中,對于參數(shù)變化緩慢的<如溫度>可用慣性濾波,對于參數(shù)變化快的信號可用加權(quán)平均濾波。實驗4：積分分離PID控制實驗實驗名稱：一．實驗目的1.了解PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2.學習湊試法整定PID參數(shù)。3.掌握積分分離式PID控制規(guī)律。二．實驗原理本實驗中,采用位置式PID算式。在一般的PID控制中,當有較大的擾動或大幅度改變給定值時,會有較大的誤差,以及系統(tǒng)有慣性和滯后,因此在積分項的作用下,往往會使系統(tǒng)超調(diào)變大、過渡時間變長。為此,可采用積分分離式PID控制算法,即：當誤差e<k>較大時,取消積分作用;當誤差e<k>較小時才將積分作用加入。三．實驗內(nèi)容本實驗輸入信號：方波。本實驗輸出信號：從震蕩到單一穩(wěn)定值。本實驗被控對象：一個二階環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)。預期實驗結(jié)果：改變3個參數(shù),會使系統(tǒng)更穩(wěn)定,加快系統(tǒng)響應,減少超調(diào)量。四．實驗結(jié)果及分析記錄實驗結(jié)果如下：1.未引入積分分離:2.引入積分分離:3.將KP由8000H改為6000H:4.將KP由8000H改為9999H:5.將TD由0008H改為0001H:6.將TD由0008H改為0018H:7.將TI由0018H改為0008H:8.將TI由0018H改為0088H:結(jié)果分析：從上面圖片中可以看出,引入積分分離法后,降低了系統(tǒng)輸出的超調(diào)量,并縮短了調(diào)節(jié)時間。當增大Kp時,將加快系統(tǒng)響應,但過大會導致系統(tǒng)穩(wěn)定性變差。增大TD時,有利于消除靜差、減小超調(diào)、減小振蕩。增大TI時,有利于加快系統(tǒng)響應,減小超調(diào)量。實驗5：帶死區(qū)的PID控制一．實驗目的1.掌握帶死區(qū)的PID控制規(guī)律。二．實驗原理在計算機控制系統(tǒng)中,某些系統(tǒng)為了避免過于頻繁的控制動作,為了消除由于頻繁動作所引起的震蕩,通常采用帶死區(qū)的PID控制系統(tǒng),該系統(tǒng)實際上是一個非線性控制系統(tǒng)。其基本思想是：可以按實際需要設置死區(qū)B,當誤差的絕對值|e<k>|<=B時,P<K>為0,U<K>也為常值,實際應用中,常值是由經(jīng)驗值來確定的；當|e<k>|>B時,P<K>=e<k>,U<K>以PID運算的結(jié)果輸出。三．實驗內(nèi)容本實驗輸入信號：方波信號本實驗輸出信號：震蕩收斂的穩(wěn)定波形本實驗被控對象：一個一階慣性環(huán)節(jié)和一個二階慣性環(huán)節(jié)預期實驗結(jié)果：輸出帶死區(qū)的PID控制信號四．實驗結(jié)果及分析記錄實驗結(jié)果如下：死區(qū)寬度為00H：死區(qū)寬度為02H：結(jié)果分析：帶死區(qū)的PID控制響應曲線C產(chǎn)生了輕微的震蕩,但其偏差在規(guī)定范圍內(nèi)；控制量U的輸出動作頻率比積分分離式明顯的降低了,從而降低了機械磨損。如果死區(qū)寬度B值取得太大,則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后；如果B值取得太小,使調(diào)節(jié)器輸出過于頻繁,達不到預期的效果。實驗6：簡易工程法整定PID參數(shù)一．實驗目的1.學習并掌握擴充臨界比例度法整定PID參數(shù)。2.學習并掌握擴充響應曲線法整定PID參數(shù)。二．實驗原理擴充臨界比例法是對模擬調(diào)節(jié)器中的臨界比例度法的推廣,在工程實踐中最常用,其參數(shù)整定步驟如下：〔1選擇一個足夠小的采樣周期tT,一般取系統(tǒng)純滯后時間的1/10以下?！?使系統(tǒng)閉環(huán)工作,只用比例控制,增大比例系數(shù)kp,直到系統(tǒng)等幅振蕩,記下此時臨界比例系數(shù)Kpu和臨界震蕩周期Tu?！?選擇控制度〔1.05~2.0,控制度是指數(shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器控制效果之比?！?根據(jù)控制度,查表3.4-1計算出采樣周期T和Kp、Ti、Td。三．實驗內(nèi)容本實驗輸入信號：方波信號本實驗輸出信號：等幅振蕩信號本實驗被控對象：一個二階環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)預期實驗結(jié)果：輸出一個等幅振蕩信號四．實驗結(jié)果及分析記錄實驗結(jié)果如下：結(jié)果分析：臨界比例度法是閉環(huán)試驗整定方法。依賴系統(tǒng)在某種運行狀態(tài)下特性信息對調(diào)節(jié)器參數(shù)進行整定。實驗通過Kp、TD、TI控制系統(tǒng)穩(wěn)定性,參數(shù)既不可過大也不可過小,否則無法得到等幅振蕩的波形。簡易工程整定法是由經(jīng)典的頻率法簡化而來的,雖然粗糙一點,但是簡單易行,適于現(xiàn)場的實時控制應用。實驗7：最少拍控制實驗實驗名稱：一．實驗目的1.掌握最小拍有紋波控制系統(tǒng)的設計方法。2.掌握最小拍無紋波控制系統(tǒng)的設計方法。二．實驗原理最少拍控制是一種直接數(shù)字設計方法。所謂最少拍控制,就是要求閉環(huán)系統(tǒng)對于某種特定的輸入在最少個采樣周期內(nèi)達到無靜差的穩(wěn)態(tài),使系統(tǒng)輸出值盡快地跟蹤期望值的變化。他的閉環(huán)z傳遞函數(shù)具有形式。在這里,N使可能情況下的最小正整數(shù)。這一傳遞函數(shù)表明閉環(huán)系統(tǒng)的脈沖響應在N個采樣周期后變?yōu)榱?從而意味著系統(tǒng)在N拍之內(nèi)到達穩(wěn)態(tài)。三．實驗內(nèi)容本實驗輸入信號：方波信號本實驗輸出信號：有紋波和無紋波本實驗被控對象：一個二階環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)預期實驗結(jié)果：輸出有紋波和無紋波四．實驗結(jié)果及分析記錄實驗結(jié)果如下：無紋波C和OUT：有紋波C和OUT：結(jié)果分析：最小拍控制系統(tǒng)對輸入形式的適應性差,當系統(tǒng)的輸入形式改變,尤其是存在隨機擾動時,系統(tǒng)的性能變壞。最小拍控制系統(tǒng)對參數(shù)的變化很敏感,在實驗過程中,隨著外部條件的變化,對象參數(shù)的變化是不可避免的,以及計算機在計算過程中產(chǎn)生的誤差,從而使得實際輸出可能偏離期望值。雖然在采樣時刻系統(tǒng)輸出與所跟蹤的參考輸入一致,但在兩個采樣時刻之間,系統(tǒng)的輸出存在著紋波或振蕩。實驗8：大林算法一．實驗目的1.掌握用大林算法實現(xiàn)對純滯后系統(tǒng)的控制。2.掌握振鈴消除的方法。二．實驗原理大林算法的設計目標是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù),相當于一個純滯后環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)。式中：T——采樣周期；θ——被控對象時間常數(shù)；ω——閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)；K——被控對象的增益。三．實驗內(nèi)容本實驗輸入信號：方波信號本實驗輸出信號：未消除振鈴的信號與消除振鈴的信號本實驗被控對象：一個二階環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)預期實驗結(jié)果：分別輸出未消除振鈴的信號與消除振鈴的信號四．實驗