计算机控制系统实验.ppt

计算机控制系统实验实验一 模/数、数/模转换实验实验二 信号采样与保持实验实验三 数字PID算法实验实验四 最小拍有纹波控制算法实验实验五 最小拍无纹波控制算法实验实验六 大林算法实验实验一 模/数、数/模转换实验1.实验目的实验目的 （1）理解模理解模/数、数数、数/模转换原理模转换原理 （2）掌握模掌握模/数、数数、数/模转换过程模转换过程2.实验仪器实验仪器 （1）数字万用表数字万用表 一台一台 （2）MCS51单片机开发系统单片机开发系统 一套一套 （3）直流稳压电源（直流稳压电源（5V）一台一台 （4）个人个人PC机机 一台一台实验一 模/数、数/模转换实验 3.实验原理实验原理 以以 89C51单单 片片 机机 为为 核核 心心，以以 8位位 A/D转转 换换 器器ADC0809和和DAC0832实实现现模模/数数和和数数/模模转转换换。通通过过电电位位器器给给A/D转转换换器器输输入入5V5V可可调调节节的的模模拟拟电电压压，CPU读读取取转转换换数数据据送送到到显显示示器器上上显显示示，同同时时将将读读取取到到的的数数据据送送到到D/A转转换换器器输输出出，并并用用数数字字万万用用表表监监测测A/D输入和输入和D/A输出的模拟电压值。输出的模拟电压值。实验一 模/数、数/模转换实验 4.实验步骤实验步骤 （1）按原理图按原理图E1.1连接实验电路。连接实验电路。（2）利利用用开开发发系系统统编编制制软软件件实实现现定定时时循循环环读读入入A/D采采集集数数据据，在在数数码码显显示示器器上上进进行行显显示示，同同时时将将采采集到的数据传送给集到的数据传送给D/A转换器进行输出。转换器进行输出。（3）将将电电位位器器输输出出在在5V 5V的的范范围围内内由由低低至至高高依依次次调调节节，用用数数字字万万用用表表分分别别检检测测A/D的的输输入入电电压压和和D/A的的输输出出电电压压。观观察察显显示示器器，记记录录相相应应的的数数码码值和值和D/A的输出模拟电压值，填入表的输出模拟电压值，填入表E1.1中。中。实验一 模/数、数/模转换实验 5.实验报告内容实验报告内容 （1）编编制制应应用用软软件件程程序序实实现现定定时时启启动动A/D转转换换，采采集集转转换换数数据据，送送到到数数码码显显示示器器上上显显示示，同同时时送送到到D/A转换器的输入端。转换器的输入端。（2）记录实验数据，分析实验结果。）记录实验数据，分析实验结果。实验二 信号采样与保持实验 1.试验目的试验目的（1）理解信号采样与保持概念。）理解信号采样与保持概念。（2）掌握信号采样与保持过程，理解香农采样定理。）掌握信号采样与保持过程，理解香农采样定理。2.实验仪器实验仪器 （1）信号发生器信号发生器 一台一台 （2）示波器示波器 一台一台 （3）MCS51单片机开发系统单片机开发系统 一套一套 （4）直流稳压电源（直流稳压电源（5V）一台一台 （5）个人个人PC机机 一台一台实验二 信号采样与保持实验 3.实验原理实验原理 以以 89C51单单 片片 机机 为为 核核 心心，将将 8位位 A/D转转 换换 器器ADC0809和和DAC0832作作为为模模/数数和和数数/模模转转换换环环节节。通通过过函函数数发发生生器器给给A/D输输入入端端加加置置抛抛物物线线信信号号，以以采采样样周周期期T为为时时间间间间隔隔定定时时启启动动A/D转转换换，CPU读读取取AD转转换换数数据据并并直直接接送送到到DA转转换换输输出出，通通过过调调整整A/D采采样样速速率率来来改改变变采采样样周周期期。同同时时，利利用用示示波波器器观观测测A/D输输入入值值和和D/A输输出出值值。由由于于D/A具具有有输输出出保保持持功功能能，通通过过示示波波器器显显示示可可观观察察采采样样周周期期对对信信号号采样与保持的影响。采样与保持的影响。实验二 信号采样与保持实验 4.实验步骤实验步骤 （1）按原理图）按原理图E2.1连接实验电路。连接实验电路。（2）将抛物线信号峰值调至）将抛物线信号峰值调至5V。（3）利利用用开开发发系系统统编编制制软软件件实实现现定定时时循循环环读读入入A/D采采集集数数据据，并并将将采采集集到到的的数数据据传传送送给给D/A转转换换器器进进行行输输出出。同同时时，利利用用示示波波器器观观测测A/D输输入入值值和和D/A输出值，记录波形。输出值，记录波形。（4）改改变变定定时时时时间间（即即采采样样周周期期），用用示示波波器器观观察察A/D的的输输入入值值和和D/A的的输输出出值值。记记录录波波形形并并形形成成表表格，验证香农采样定理。格，验证香农采样定理。实验二 信号采样与保持实验 5.实验报告内容实验报告内容 （1）编编制制应应用用软软件件程程序序实实现现定定时时启启动动A/D转转换换，采采集集转转换换数数据据，同同时时送送到到D/A转转换换器器的的输输入入端端。给给出程序流程图和程序清单。出程序流程图和程序清单。（2）记录实验波形，分析实验结果。）记录实验波形，分析实验结果。实验三 数字PID算法实验 1.实验目的实验目的（1）掌握）掌握PID控制运算规律，理解控制运算规律，理解PID算法对控算法对控制系统性能的影响。制系统性能的影响。（2）掌握）掌握PID算法参数的整定过程。算法参数的整定过程。2.实验仪器实验仪器 （1）示波器示波器 一台一台 （2）MCS51单片机开发系统单片机开发系统 一套一套 （3）直流稳压电源（直流稳压电源（5V）一台一台 （4）个人个人PC机机 一台一台实验三 数字PID算法实验 3.实验原理实验原理 （1）过程原理过程原理 以以 89C51单单 片片 机机 为为 核核 心心，将将 8位位 A/D转转 换换 器器ADC0809和和DAC0832作作为为模模/数数和和数数/模模转转换换环环节节，利利用用单单片片机机系系统统实实现现数数字字PID控控制制器器的的功功能能。调调节节P、I、D参参数数，借借助助用用示示波波器器观观测测系系统统输输出出来来观观察察P、I、D参参数数对对系系统统性性能能的的影影响响。记记录录实实验验波波形形和和实实验验参参数数，分析分析PID控制算法的作用。控制算法的作用。实验三 数字PID算法实验（2）算法原理）算法原理 数字数字PID控制算法可表述为控制算法可表述为 简记为简记为其中其中e(k)和和u(k)分别为第分别为第k时刻的控制器的输入和输时刻的控制器的输入和输出。出。实验三 数字PID算法实验 4.实验步骤实验步骤（1）按原理图）按原理图E3.1连接实验电路。连接实验电路。（2）设设定定采采样样周周期期为为50ms，参参考考输输入入为为单单位位阶阶跃输入，编制应用软件实现数字跃输入，编制应用软件实现数字PID控制算法。控制算法。（3）利利用用临临界界比比例例带带法法整整定定PID参参数数：先先去去掉掉微微分分和和积积分分作作用用，增增大大KP，用用示示波波器器观观测测系系统统输输出出，直直至至系系统统出出现现等等幅幅振振荡荡，记记下下振振荡荡周周期期TU和和此此时时的比例值的比例值KPU，按以下公式整定按以下公式整定PID参数。参数。用比例环节：用比例环节：KP=P=0.5KPU 用比例、积分调节（用比例、积分调节（T取取 )：比例比例 KP=P=0.36KPU 实验三 数字PID算法实验 积分时间积分时间TI取为取为1.05TU，则则 用比例、微分、积分调节（用比例、微分、积分调节（T取取 ）比例比例 KP=P=0.27KPU 积分时间积分时间TI取为取为0.4TU，则则 微分时间微分时间TI取为取为0.4TU，则则实验三 数字PID算法实验（4）根根据据PID参参数数不不同同的的控控制制作作用用，适适当当加加以以调调整整，重重复复做做几几次次，直直至至超超调调量量小小于于20、调调节节时时间间小小于于1s。记录实验数据。记录实验数据。5.实验报告内容实验报告内容 （1）编制应用软件程序实现数字编制应用软件程序实现数字PID控制器。给控制器。给出程序流程图和程序清单。出程序流程图和程序清单。（2）给出）给出PID参数整定的详细实验步骤。参数整定的详细实验步骤。（3）记录实验数据，分析实验结果。）记录实验数据，分析实验结果。实验四 最小拍有纹波控制算法实验 1.实验目的实验目的（1）理解最小拍有纹波控制算法的作用。）理解最小拍有纹波控制算法的作用。（2）掌握最小拍有纹波控制算法的设计过程。）掌握最小拍有纹波控制算法的设计过程。（3）认识最小拍控制算法针对不同类型输入信号适）认识最小拍控制算法针对不同类型输入信号适应性较差的特点。应性较差的特点。2.实验仪器实验仪器 （1）示波器示波器 一台一台 （2）MCS51单片机开发系统单片机开发系统 一套一套 （3）直流稳压电源（直流稳压电源（5V）一台一台 （4）个人个人PC机机 一台一台 （5）函数发生器（也可用程序自行编制）一台函数发生器（也可用程序自行编制）一台实验四 最小拍有纹波控制算法实验 3.实验原理实验原理 （1）过程原理过程原理 以以 89C51单单 片片 机机 为为 核核 心心，将将 8位位 A/D转转 换换 器器ADC0809和和DAC0832作作为为模模/数数和和数数/模模转转换换环环节节，针针对对阶阶跃跃输输入入，利利用用单单片片机机系系统统实实现现最最小小拍拍有有纹纹波波控控制制算算法法。借借助助示示波波器器观观测测系系统统输输出出和和控控制制器器输输出出来来观观察察最最小小拍拍有有纹纹波波算算法法对对控控制制系系统统的的作作用用效效果果及及不不同同输输入入信信号号作作用用下下的的算算法法的的适适应应性性。记记录录实实验验数数据，分析最小拍控制算法的作用。据，分析最小拍控制算法的作用。实验四 最小拍有纹波控制算法实验（2）算法原理）算法原理 广义被控对象传递函数为广义被控对象传递函数为 最小拍有纹波控制算法可表述为最小拍有纹波控制算法可表述为 其中，其中，m为广义对象为广义对象G(z)的瞬变滞后；的瞬变滞后；bi为为G(z)在在z平面的平面的不稳定零点；不稳定零点；u为为G(z)不稳定零点数；不稳定零点数；v为为G(z)不稳定的极不稳定的极点数点数(z=1极点除外极点除外)；针对阶跃输入；针对阶跃输入q取取1。ci为为q+v-1个待个待定系数定系数。实验四 最小拍有纹波控制算法实验 4.实验步骤实验步骤（1）按原理图）按原理图E4.1连接实验电路。连接实验电路。（2）设设定定采采样样周周期期为为1s，参参考考输输入入为为单单位位阶阶跃跃输输入入，按按事事先先算算好好的的控控制制器器参参数数编编制制应应用用软软件件实实现阶跃输入作用下的最小拍有纹波控制算法。现阶跃输入作用下的最小拍有纹波控制算法。（3）将将阶阶跃跃信信号号作作为为控控制制系系统统的的参参考考输输入入，用用示示波波器器观观察察控控制制器器的的输输出出信信号号和和系系统统的的输输出出信信号号，记录实验波形及相关实验数据。分析实验结果。记录实验波形及相关实验数据。分析实验结果。（4）将将速速度度信信号号和和加加速速度度信信号号分分别别作作为为控控制制系系统统的的参参考考输输入入，用用示示波波器器观观察察控控制制器器的的输输出出信信号号和和系系统统的的输输出出信信号号，记记录录实实验验波波形形及及相相关关实实验验数数据据。分析实验结果。分析实验结果。实验四 最小拍有纹波控制算法实验 5.实验报告内容实验报告内容 （1）给出最小拍有纹波控制算法的详细设计步骤。给出最小拍有纹波控制算法的详细设计步骤。（2）编制应用软件程序实现最小拍有纹波控制算法。）编制应用软件程序实现最小拍有纹波控制算法。给出程序流程图和程序清单。给出程序流程图和程序清单。（3）记录实验数据，分析实验结果。）记录实验数据，分析实验结果。实验五 最小拍无纹波控制算法实验 1.实验目的实验目的（1）理解最小拍无纹波控制算法的作用。）理解最小拍无纹波控制算法的作用。（2）掌握最小拍无纹波控制算法的设计过程。比较）掌握最小拍无纹波控制算法的设计过程。比较与最小拍有纹波控制算法的不同之处。与最小拍有纹波控制算法的不同之处。（3）认识最小拍控制算法针对不同类型输入信号适）认识最小拍控制算法针对不同类型输入信号适应性较差的特点。应性较差的特点。2.实验仪器实验仪器 （1）示波器示波器 一台一台 （2）MCS51单片机开发系统单片机开发系统 一套一套 （3）直流稳压电源（直流稳压电源（5V）一台一台 （4）个人个人PC机机 一台一台 （5）函数发生器（也可用程序自行编制）一台函数发生器（也可用程序自行编制）一台实验五 最小拍无纹波控制算法实验 3.实验原理实验原理 （1）过程原理过程原理 以以 89C51单单 片片 机机 为为 核核 心心，将将 8位位 A/D转转 换换 器器ADC0809和和DAC0832作作为为模模/数数和和数数/模模转转换换环环节节，针针对对阶阶跃跃输输入入，利利用用单单片片机机系系统统实实现现最最小小拍拍无无纹纹波波控控制制算算法法。借借助助示示波波器器观观测测系系统统输输出出和和控控制制器器输输出出来来观观察察最最小小拍拍无无纹纹波波算算法法对对控控制制系系统统的的作作用用效效果果及及不不同同输输入入信信号号作作用用下下的的算算法法的的适适应应性性。记记录录实实验验数数据，分析最小拍无纹波控制算法的作用。据，分析最小拍无纹波控制算法的作用。实验五 最小拍无纹波控制算法实验（2）算法原理）算法原理 广义被控对象传递函数为广义被控对象传递函数为 最小拍无纹波控制算法可表述为最小拍无纹波控制算法可表述为 其中，其中，m为广义对象为广义对象G(z)的瞬变滞后；的瞬变滞后；bi为为G(z)在在z平面的平面的零点；零点；w为为G(z)所有零点数；所有零点数；v为为G(z)不稳定的极点数不稳定的极点数(z=1极点除外极点除外)；针对阶跃输入；针对阶跃输入q取取1。ci为为q+v-1个待定个待定系数系数。实验五 最小拍无纹波控制算法实验 4.实验步骤实验步骤（1）按原理图）按原理图E4.1连接实验电路。连接实验电路。（2）设设定定采采样样周周期期为为1s，参参考考输输入入为为单单位位阶阶跃跃输输入入，按按事事先先算算好好的的控控制制器器参参数数编编制制应应用用软软件件实实现阶跃输入作用下的最小拍无纹波控制算法。现阶跃输入作用下的最小拍无纹波控制算法。（3）将将阶阶跃跃信信号号作作为为控控制制系系统统的的参参考考输输入入，运运行行最最小小拍拍无无纹纹波波控控制制算算法法用用示示波波器器观观察察控控制制器器的的输输出出信信号号和和系系统统的的输输出出信信号号，记记录录实实验验波波形形及及相相关实验数据。关实验数据。（4）将将速速度度信信号号和和加加速速度度信信号号分分别别作作为为控控制制系系统统的的参参考考输输入入，用用示示波波器器观观察察控控制制器器的的输输出出信信号号和和系系统统的的输输出出信信号号，记记录录实实验验波波形形及及相相关关实实验验数数据据。分析实验结果。分析实验结果。实验五 最小拍无纹波控制算法实验 5.实验报告内容实验报告内容 （1）给出最小拍无纹波控制算法的详细设计步骤。给出最小拍无纹波控制算法的详细设计步骤。（2）编制应用软件程序实现最小拍无纹波控制算法。）编制应用软件程序实现最小拍无纹波控制算法。给出程序流程图和程序清单。给出程序流程图和程序清单。（3）记录实验数据，分析实验结果。）记录实验数据，分析实验结果。实验六 大林算法实验 1.实验目的实验目的（1）理解大林算法的基本原理。）理解大林算法的基本原理。（2）掌握大林算法的设计过程。）掌握大林算法的设计过程。（3）理解振铃现象。）理解振铃现象。（4）掌握振铃现象消除的方法。）掌握振铃现象消除的方法。2.实验仪器实验仪器 （1）示波器示波器 一台一台 （2）MCS51单片机开发系统单片机开发系统 一套一套 （3）直流稳压电源（直流稳压电源（5V）一台一台 （4）个人个人PC机机 一台一台实验六 大林算法实验 3.实验原理实验原理 （1）过程原理过程原理 以以 89C51单单 片片 机机 为为 核核 心心，将将 8位位 A/D转转 换换 器器ADC0809和和DAC0832作作为为模模/数数和和数数/模模转转换换环环节节，针针对对阶阶跃跃输输入入，利利用用单单片片机机系系统统编编程程实实现现大大林林控控制制算算法法。借借助助示示波波器器观观测测系系统统输输出出和和控控制制器器输输出出来来观观察察大大林林算算法法对对控控制制系系统统的的作作用用效效果果及及振振铃铃现现象象。修修正正大大林林算算法法，消消除除振振铃铃现现象象。记记录录实实验验数数据据，分分析析实验结果。实验结果。实验六 大林算法实验（2）算法原理）算法原理 广义被控对象传递函数为广义被控对象传递函数为 广义目标传递函数为广义目标传递函数为 则大林算法对应的数字控制器可表为则大林算法对应的数字控制器可表为其中其中实验六 大林算法实验 4.实验步骤实验步骤（1）按原理图）按原理图E6.1连接实验电路。连接实验电路。（2）设设定定采采样样周周期期为为0.2s，按按事事先先算算好好的的控控制制器器参数编制应用软件实现大林控制算法。参数编制应用软件实现大林控制算法。（3）在在阶阶跃跃信信号号作作用用下下，运运行行大大林林控控制制算算法法用用示示波波器器观观察察控控制制器器的的输输出出信信号号和和系系统统的的输输出出信信号号，注注意观察振铃现象，记录实验波形及相关实验数据。意观察振铃现象，记录实验波形及相关实验数据。（4）在在观观察察到到振振铃铃现现象象后后，找找出出振振铃铃因因子子将将其其直直接接取取为为1，修修正正大大林林算算法法，根根据据计计算算结结果果改改变变控控制制器器参参数数，再再运运行行大大林林算算法法，用用示示波波器器观观察察控控制制器器的的输输出出信信号号和和系系统统的的输输出出信信号号，可可观观察察到到振振铃铃现现象象已已被消除。记录实验波形及相关实验数据。被消除。记录实验波形及相关实验数据。实验六 大林算法实验 5.实验报告内容实验报告内容 （1）给出大林控制算法的详细设计步骤。给出大林控制算法的详细设计步骤。（2）编制应用程序软件实现大林控制算法。给出程）编制应用程序软件实现大林控制算法。给出程序流程图和程序清单。序流程图和程序清单。（3）对照实验数据，分析振铃现象及振铃现象产生）对照实验数据，分析振铃现象及振铃现象产生的原因。的原因。（4）对照试验数据，分析振铃现象消除的原因。）对照试验数据，分析振铃现象消除的原因。