1、 .實驗一 A/D與D/A轉換一、實驗目的1通過實驗了解實驗系統的結構與使用方法；2通過實驗了解模擬量通道中模數轉換與數模轉換的實現方法。二、實驗設備1THBCC-1型 信號與系統控制理論及計算機控制技術實驗平臺2THBXD數據采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機1臺(含軟件“THBCC-1”)三、實驗容1輸入一定值的電壓，測取模數轉換的特性，并分析之；2在上位機輸入一十進制代碼，完成通道的數模轉換實驗。四、實驗原理1數據采集卡本實驗臺采用了THBXD數據采集卡。它是一種基于USB總線的數據采集卡，卡上裝有14Bit分辨率的A/D轉換器和12Bit分辨率的D/A

2、轉換器，其轉換器的輸入量程均為±10V、輸出量程均為±5V。該采集卡為用戶提供4路模擬量輸入通道和2路模擬量輸出通道。其主要特點有：1) 支持USB1.1協議，真正實現即插即用2) 400KHz14位A/D轉換器，通過率為350K，12位D/A轉換器，建立時間10s3) 4通道模擬量輸入和2通道模擬量輸出4) 8k深度的FIFO保證數據的完整性5) 8路開關量輸入，8路開關量輸出2. AD/DA轉換原理數據采集卡采用“THBXD”USB卡，該卡在進行A/D轉換實驗時，輸入電壓與二進制的對應關系為：-1010V對應為016383(A/D轉換為14位)。其中0V為8192。其主

3、要數據格式如下表所示(采用雙極性模擬輸入)： 輸入AD原始碼(二進制)AD原始碼(十六進制)求補后的碼(十進制)正滿度01 1111 1111 11111FFF16383正滿度1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中間值（零點）00 0000 0000 000000008192負滿度+1LSB10 0000 0000 000120011負滿度10 0000 0000 000020000 而DA轉換時的數據轉換關系為：-55V對應為04095(D/A轉換為12位)，其數據格式(雙極性電壓輸出時)為： 輸入D/A數據編碼正滿度1111 1111 1111正滿度1LSB1111

4、 1111 1110中間值（零點）1000 0000 0000負滿度+1LSB 0000 0000 0001負滿度0000 0000 0000五、實驗步驟1. 啟動實驗臺的“電源總開關”，打開±5、±15V電源。將“階躍信號發生器”單元輸出端連接到“數據采集接口單元“的“AD1”通道,同時將采集接口單元的“DA1”輸出端連接到接口單元的“AD2”輸入端；2、將“階躍信號發生器”的輸入電壓調節為1V；3. 啟動計算機，在桌面雙擊圖標“THBCC-1”軟件，在打開的軟件界面上點擊“開始采集”按鈕；4. 點擊軟件“系統”菜單下的“AD/DA實驗”，在AD/DA實驗界面上點擊“開始

5、”按鈕，觀測采集卡上AD轉換器的轉換結果，在輸入電壓為1V(可以使用面板上的直流數字電壓表進行測量)時應為00001100011101(共14位，其中后幾位將處于實時刷新狀態)。調節階躍信號的大小，然后繼續觀察AD轉換器的轉換結果，并與理論值(詳見實驗原理)進行比較；5. 根據DA轉換器的轉換規律(詳見本實驗附錄)，在DA部分的編輯框中輸入一個十進制數據（如2457，其圍為04095），然后虛擬示波器上觀測DA轉換值的大小；6 實驗結束后，關閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。六、實驗結果1、A/D轉換結果AD二進制十進制DA十進制二進制000010111101008948245710011001

6、10010000110000110189733419110101011011000010111100118947218410001000100000001010111010889040321111110000000000101110011089343958111101110110（1）000010111101002、D/A轉換結果、 (2) 3958實驗二 數字PID調節器算法的研究一、實驗目的1學習并熟悉常規的數字PID控制算法的原理；2學習并熟悉積分分離PID控制算法的原理；3掌握具有數字PID調節器控制系統的實驗和調節器參數的整定方法。二、實驗設備1THBCC-1型 信號與系統控制理論及

7、計算機控制技術實驗平臺2THBXD數據采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機1臺(含軟件“THBCC-1”) 三、實驗容1利用本實驗平臺，設計并構成一個用于混合仿真實驗的計算機閉環實時控制系統；2采用常規的PI和PID調節器，構成計算機閉環系統，并對調節器的參數進行整定，使之具有滿意的動態性能；3對系統采用積分分離PID控制，并整定調節器的參數。四、實驗原理在工業過程控制中，應用最廣泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、積分（I）、微分（D）組合而成的控制規律。而數字PID控制器則是由模擬PID控制規律直接變換所得。在PID控制規律中，引入積分的目的是

8、為了消除靜差，提高控制精度，但系統中引入了積分，往往使之產生過大的超調量，這對某些生產過程是不允許的。因此在工業生產中常用改進的PID算法，如積分分離PID算法，其思想是當被控量與設定值偏差較大時取消積分控制；當控制量接近給定值時才將積分作用投入，以消除靜差，提高控制精度。這樣，既保持了積分的作用，又減小了超調量。五、實驗步驟1、實驗接線1.1按圖4-1和圖4-2連接一個二階被控對象閉環控制系統的電路；圖4-1 數-模混合控制系統的方框圖圖4-2 被控二階對象的模擬電路圖被控對象的傳遞函數為：1.2該電路的輸出與數據采集卡的輸入端AD1相連，電路的輸入與數據采集卡的輸出端DA1相連；1.3待檢

9、查電路接線無誤后，打開實驗平臺的電源總開關，并將鎖零單元的鎖零按鈕處于“解鎖”狀態。2、腳本程序運行2.1啟動計算機，在桌面雙擊圖標“THBCC-1”，運行實驗軟件；2.2順序點擊虛擬示波器界面上的“”按鈕和工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)；2.3在腳本編輯器窗口的文件菜單下點擊“打開”按鈕，并在“計算機控制算法VBS計算機控制技術基礎算法數字PID調器算法”文件夾下選中“位置式PID”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后點擊腳本編輯器窗口的調試菜單下“步長設置”，將腳本算法的運行步長設為100ms； 2.4點擊腳本編輯器窗口的調試菜單下“啟動”；用虛擬示波器觀察圖4-2輸出端的響應曲線

10、；2.5點擊腳本編輯器的調試菜單下“停止”，利用擴充響應曲線法（參考本實驗附錄4）整定PID控制器的P、I、D及系統采樣時間Ts等參數，然后再運行。在整定過程中注意觀察參數的變化對系統動態性能的影響；2.6 參考步驟2.4、2.4和2.5，用同樣的方法分別運行增量式PID和積分分離PID腳本程序，并整定PID控制器的P、I、D及系統采樣時間Ts等參數，然后觀察參數的變化對系統動態性能的影響。另外在積分分離PID程序運行過程中，注意不同的分離閾值tem對系統動態性能的影響；2.7 實驗結束后，關閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。6、 實驗結果(a)位置式PID控制響應曲線(b)增量式PID控制響應

11、曲線(c)積分分離PID控制響應曲線積分分離PID控制算法與常規PID控制算法相對比，通過實驗結果可知：積分分離PID控制算法的控制效果要比常規PID控制算法控制效果控制效果要好。7、 位置式PID控制算法的腳本程序dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op 變量定義sub Initialize(arg) 初始化函數WriteData 0 ,1mx=0pvx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法運行函數pv = ReadData(1) 采集卡AD1通道的測量值 sv=2 給定值 K=0.8 比例系數P Ti=5 積分時間常數I T

12、d=0 微分時間常數D Ts=0.1 采集周期 ei=sv-pv 控制偏差 q0=K*ei 比例項 if Ti=0 then mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti 當前積分項 end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts '微分項 q1=q1+mx if q1>4.9 then 積分限幅，以防積分飽和 q1=4.9end ifif q1<-4.9 then q1=-4.9end if pvx=pv pvx為測量值的前項op=q0+q1+q2 PID控制器的輸出if op<=-4.9 then 輸出值限幅 op=-4.9end ifif op

13、>=4.9 then op=4.9end ifWriteData op ,1 輸出值給DA1通道end subsub Finalize (arg) 退出函數WriteData 0 ,1end sub實驗三 最少拍控制算法研究一、實驗目的1學習并熟悉最少拍控制器的設計和算法；2研究最少拍控制系統輸出采樣點間紋波的形成；3熟悉最少拍無紋波控制系統控制器的設計和實現方法。二、實驗設備1THBCC-1型 信號與系統控制理論及計算機控制技術實驗平臺2THBXD數據采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機1臺(含軟件“THBCC-1”)三、實驗容1設計并實現具有一個積分環

14、節的二階系統的最少拍控制。2設計并實現具有一個積分環節的二階系統的最少拍無紋波控制，并通過混合仿真實驗，觀察該閉環控制系統輸出采樣點間紋波的消除。四、實驗原理在離散控制系統中，通常把一個采樣周期稱作一拍。最少拍系統，也稱為最小調整時間系統或最快響應系統。它是指系統對應于典型的輸入具有最快的響應速度，被控量能經過最少采樣周期達到設定值，且穩態誤差為定值。顯然，這樣對系統的閉環脈沖傳遞函數提出了較為苛刻的要求，即其極點應位于Z平面的坐標原點處。1最少拍控制算法計算機控制系統的方框圖為：圖7-1 最少拍計算機控制原理方框圖根據上述方框圖可知，有限拍系統的閉環脈沖傳遞函數為： (1) (2)由(1)

15、、(2)解得： 隨動系統的調節時間也就是系統誤差達到零或為一恒值所需的時間，由Z變換定義可知：有限拍系統就是要求系統在典型的輸入信號作用下，當時，恒為零或恒為一常量。N為盡可能小的正整數，為了實現這個目標，對不同的輸入信號，必須選擇不同的傳遞函數，由理論分析得： 2等速輸入下最小拍控制器的設計 對于一二階受控對象加零階保持器后對象的傳遞函數為： 選擇采樣周期T，將上述傳遞函數離散后得 (3)因為輸入是單位斜坡信號，所以選擇： (4)其中 ，由此可得等速輸入下最少拍算法的控制量為u(k)=(1-B)u(k-1)+Bu(k-2)+ (5)按等速輸入下最少拍無差系統設計的控制器，在等速輸入可使閉環系

16、統的輸出在第二拍（即兩個采樣周期）跟上，此后在采樣點上達到無差。但對于其它典型輸入的適應性較差。4等速輸入下最小拍無紋波控制器的設計按最少拍無差系統設計，最多只能達到采樣點上無偏差，而不能保證相鄰兩采樣點間無紋波。最少拍無紋波設計，不僅要做到采樣點上無偏差，而且要做到采樣點間無紋波。 根據式(3)以及等速輸入下最少拍無紋波的條件，可以求得： 兩式聯立求解得，所以有 由此可得等速輸入下最少拍無紋波的算法： 五、實驗步驟1、實驗接線1.1根據圖7-1連接一個積分環節和一個慣性環節組成的二階被控對象的模擬電路；圖7-1 二階被控對象的模擬電路圖實驗系統被控對象的傳遞函數為：其中：R1=200K，R2

17、=100K，R3=100K，C1=10uF，C2=10uF計算機控制系統的方框圖為：圖7-2 最少拍計算機控制原理方框圖1.2用導線將該電路的輸出端與數據采集卡的輸入端“AD1”相連，電路的輸入端與數據采集卡的輸出端“DA1”相連，數據采集卡的輸出端“DA2”與輸入端“AD2”相連；1.3待檢查電路接線無誤后，打開實驗平臺的電源總開關，并將鎖零單元的鎖零按鈕處于“解鎖”狀態。2、腳本程序運行2.1啟動計算機，在桌面雙擊圖標“THBCC-1”，運行實驗軟件；2.2點擊虛擬示波器界面上的“”按鈕對二階被控對象的電路進行測試，分別測取慣性環節的放大系數、時間常數以及積分環節的積分時間常數；2.3打開

18、工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)；在腳本編輯器窗口的文件菜單下點擊“打開”按鈕，并在“計算機控制算法VBS計算機控制技術基礎算法”文件夾下選中“最少拍算法(有紋波)”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后點擊腳本編輯器窗口的調試菜單下“步長設置”，將腳本算法的運行步長設為200ms； 2.4點擊腳本編輯器窗口的調試菜單下“啟動”；用虛擬示波器觀察圖7-1輸出端與采集卡的輸出端“DA2”的實驗波形； 2.5點擊腳本編輯器的調試菜單下“停止”，同時在窗口上點擊“打開”按鈕，在“計算機控制算法VBS計算機控制技術基礎算法”文件夾下選中“最少拍算法(無紋波)”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后

19、在“腳本編輯器”窗口上點擊“啟動”按鈕，用示波器觀察圖7-1輸出端與采集卡的輸出端“DA2”的實驗波形；2.6 實驗結束后，關閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。6、 實驗結果1 二階被控對象的電路圖。見圖7-1 二階被控對象的模擬電路圖2 根據最少拍有紋波控制的算法編寫腳本程序。dim sv,pv,op,opx,opxx,ei,eix,eixx,Ts,A,B,k,Ti,x 變量定義sub Initialize(arg) 初始化函數WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2opx=0opxx=0eix=0eixx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法運行函

20、數pv = ReadData(1) 采集卡AD1、2通道的測量值sv=sv+0.03 斜坡信號的產生Ts=0.2 采集周期if sv>=4.8 thensv=4.8 斜坡輸出的最大值end if ei=sv-pv 控制偏差Ti=1k=0.5C=exp(-Ts/Ti)A=Ts+Ti*C-TiB=(Ti-Ti*C-Ts*C)/Aop=(1-B)*opx+B*opxx+2*ei/(k*A)-(1+2*C)*eix/(k*A)+C*eixx/(k*A) 控制輸出值eixx=eixeix=eiopxx=opxopx=opif op<=-4.9 then 輸出值限幅op=-4.9end ifi

21、f op>=4.9 thenop=4.9end if WriteData op ,1 輸出值給DA1通道WriteData sv ,2 斜坡信號給DA2通道end subsub Finalize (arg) 退出函數WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2end sub3最少拍有紋波、無紋波控制時系統輸出響應曲線。(a) 最少拍有紋波控制響應曲線(b)最少拍無紋波控制響應曲線實驗四 單閉環直流調速系統一、實驗目的1掌握用PID控制規律的直流調速系統的調試方法；2了解PWM調制、直流電機驅動電路的工作原理。二、實驗設備1THBCC-1型 信號與系統控制理論及計算機控制技術實

22、驗平臺2THBXD數據采集卡一塊(含37芯通信線、16芯排線和USB電纜線各1根)3PC機1臺(含軟件“THBCC-1”)三、實驗原理直流電機在應用中有多種控制方式，在直流電機的調速控制系統中，主要采用電樞電壓控制電機的轉速與方向。功率放大器是電機調速系統中的重要部件，它的性能及價格對系統都有重要的影響。過去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大機或可控硅（晶閘管）。現在基本上采用晶體管功率放大器。PWM功率放大器與線性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流電機的靜摩擦等優點。PWM調制與晶體管功率放大器的工作原理：1PWM的工作原理圖13-1 PWM的控制電路上圖所示為SG3525為

23、核心的控制電路，SG3525是美國Silicon General公司生產的專用PWM控制集成芯片，其部電路結構及各引腳如圖13-2所示，它采用恒頻脈寬調制控制方案，其部包含有精密基準源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護電路等。調節Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個幅度相等、頻率相等、相位相互錯開180度、占空比可調的矩形波（即PWM信號）。它適用于各開關電源、斬波器的控制。2功放電路直流電機PWM輸出的信號一般比較小，不能直接去驅動直流電機，它必須經過功放后再接到直流電機的兩端。該實驗裝置中采用直流15V的直流電壓功放電路驅動。3反饋接口在直流電機控制系統中，在直流電機的軸上貼有

24、一塊小磁鋼，電機轉動帶動磁鋼轉動。磁鋼的下面中有一個霍爾元件，當磁鋼轉到時霍爾元件感應輸出。4直流電機控制系統如圖13-3所示，由霍耳傳感器將電機的速度轉換成電信號，經數據采集卡變換成數字量后送到計算機與給定值比較，所得的差值按照一定的規律（通常為PID）運算，然后經數據采集卡輸出控制量，供執行器來控制電機的轉速和方向。圖13-2 SG3525部結構圖13-3 直流電機控制系統四、實驗步驟1、實驗接線1.1 用導線將直流電機單元24V的“+” 輸入端接到直流穩壓電源24V的“+”端；1.2 用導線將直流電機單元05V的“+”輸入端接到數據采集卡的“DA1”的輸出端，同時將UO的“+”(霍耳輸出

25、)輸出端接到數據采集卡的“AD1”處；1.3打開實驗平臺的電源總開關。2、腳本程序運行2.1啟動計算機，在桌面雙擊圖標“THBCC-1”，運行實驗軟件。2.2 順序點擊虛擬示波器界面上的“”按鈕和工具欄上的 “” 按鈕(腳本編程器)；2.3在腳本編輯器窗口的文件菜單下點擊“打開”按鈕，并在“計算機控制技術應用算法”文件夾下選中“直流電機”腳本程序并打開，閱讀、理解該程序，然后點擊腳本編輯器窗口的調試菜單下“步長設置”，將腳本算法的運行步長設為50ms；2.3點擊腳本編輯器窗口的調試菜單下“啟動”；觀察直流電機的運行情況。2.4 當直流電機的轉速穩定在設定值后，再點擊“腳本編輯器”窗口上 “停止”按鈕，重新配置P、I、D的參數或改變算法的運行步長，并再次運行算法程序，觀察直流電機的運行情況；2.5 實驗結束后，關閉腳本編輯器窗口，退出實驗軟件。五、實驗結果1畫出直流電機控制系統的方框圖。如圖13-3所示2 分析P、I、D控制參數對直