计算机控制系统指导书.pdf

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1、计算机控制系统指导书、八 J刖 S数字计算机由于其具有强大的算术运算、逻辑判断、记忆等信息加工能力，使得它一诞生就被应用到控制领域。随着计算机科学技术的发展，使60年代控制理论得到应用，而现代控制理论的发展，又为计算机控制的发展奠定了广阔的理论基础。特别是微电子技术的发展给计算机控制提供了物质基础。现在在工业生产等领域中，计算机控制正广泛深入地的得到应用，并取得了可喜的经济效益和社会效益。为适应当前科学技术的发展，在自动控制系统专业中开设了 计算机控制系统这门课程，作为大学生的必修课。本 套“计算机控制实验系统”就是为这门课程的教学和实验而设计的.系统采用AD/DA卡通过USB接口与计算机连接

2、实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集后信号通过计算机显示屏显示，省去了外接信号源和示波器测量响应信号的麻烦。EL-CAT-III/IV型自动控制实验系统支持计算机控制理论课的所有实验，通过这套实验仪器可使学生进一步了解和掌握计算机控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法以及控制算法的编程实现，学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术，提高应用计算机的能力及水平。另外，与本套实验箱配备的还有三个实际的控制对象：温控炉、直流电机、步进电机，通过对这三个对象的控制可以提高学生对实际控制对象的感性认识。本书分为四章，第一章为EL-CAT-III/IV型实验箱硬件资源，主要介绍实验箱的硬

3、件组成和系统单元电路.第二章为系统集成操作软件，主要介绍系统软件的安装，操作以及计算机和实验箱的通讯设置。第三章为计算机算法编程指导，主要介绍软件算法的实现方法。第四章为实验系统部分，主要介绍各个实验的电路组成，实验原理和实验步骤。另外，在附录部分有部分实验的说明和参考结果以及控制对象的原理电路图。计算机控制系统1目 录第一章 硬件资源.2第二章 软软件安装及使用.7第三章 实验系统部分.13实验一 D/A数模转换实验.14实 验 二 A/D模数转换实验.16实 验 三 数 字 PID控制实验.18实验四状态反馈与状态观测器实验.23实验五数字滤波器实验.28实验六大林算法实验.34实验七炉温

4、控制实验.38实验八电机调速实验.43实验九步进电机控制实验.48实验十数据采集.50附 录 一 直流电机控制对象原理图.51附 录 二 温 控 炉 控 制对象原理图.52附录三实验结果参考.53附 录 四 AD/DA卡调试说明.63计算机控制系统2第一章 硬件资源E L-C AT-I H/1V 型实验系统主要由计算机、AD/D A采集卡、自动控制原理实验箱、打印 机（可选）组成如图1,其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。二二避零二5麻同 已 啦 色 读 eje x y工 0 宠 瑟e 或e

5、s KQ KQ 陶叶.cnrQ/丝&约&a-U 做!-c改甯e修 纪.e：汾 译 碘 氾e咬 eee计算机控制系统3图 2 E L-C AT-I I I 型实验箱面板qp q p。q。cq-s i 0 g e op c p c*7 7c c e t9 7 OR的Q 2 0 9口 2。26P 9-fl i t 6 9GP 0 9 9 9图E L-C AT-I V 型实验箱面板F 面主要介绍实验箱的构成：一、系统电源E L-C AT-I I I/I V 系统采用本公司生产的高性能开关电源作为系统的工作电源,其主要技术性能指标为：1.输入电压：AC 220 V2.输出电压/电流：+12V/0.5A,

6、-12V/0.5A,+5V/2A3.输出功率：22W4.工作环境：一5+40 。二、AD/D A采集卡A D/D A 采集卡如图3 采用C 80 51F 410 芯片做为主控芯片，负责数据采集和U S B 通信，A D采样位数为12位，采样率为l O O K H z。DA 转换位数为12位,转换速率为10 K 计算机控制系统4AD/D A采集卡有两路输出（D A I、D A2）和两路输入（A D I、A D 2）,其输入和输Hl电压均为一5 V+5 V。J-3-333s-E.s-叵3932EeeE333333EEEEEE-二二口三三函一r=0&二-9-333BeE-EcL二三L2.g=r333

7、39叵E匹(?2KM2K0K0K23211ud333339EEGE&E.二“二=三二B3.三三2*图3 AD/DA采集卡另外在AD/DA卡上有一个10针插座用来连接AD/DA卡和计算机，连接方式分USB和RS232。三、实验箱面板EL-CAT-ITI/IV实验箱面板布局如下图：zAD；DA 卡输入输出模块运 放 模 块 1运 放 模 块 2电源模块二 极管区模拟开关运 放 模 块 3电阻、电容、二 极管区运 放 模 块 4可变电阻电容模块运 放 模 块 5运 放 模 块 6运 放 模 块 7运 放 模 块 8y计算机控制系统5图 4-1 E L-C AT-I I I 实验箱面板布局图 4-2

8、E L-C AT-I V 实验箱面板布局ADDA 卡输入输出模块运 放 模 块 1运 放 模 块 2电源模块步进电机模拟开关二极管区运 放 模 块 3电 阻、电容、二 极管区温度控制可变电阻电容模块运 放 模 块 4-运 放 模 块 5运 放 模 块 6直流电机实验箱面板主要由以卜 几部分构成：1.实验模块E L-C AT-I I I/I V 实验系统有八组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每个模块中都有一个由U A741构成的放大器和若干个电阻、电容。这样通过对这八个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。（注：E L-C AT-I V 只有六组放大器，多了三个控制

9、对象）2.二极管，电阻、电容、二极管区这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。3.AD/D A卡输入输出模块该区域是引出A D/D A 卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是D A E D A 2,A D I、A D 2。有一个按钮复位，按下一次对A D/D A 卡进行一次复位。2 0 针的插计算机控制系统 6座用来和控制对象连接。（注：EL-CAT-IV没有此接口，控制对象直接装到实验箱里了，EL-CATTV型没有复位按钮，采用上电复位）4.电源模块电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源端子,分别是+12V、T 2 V、+5V、GND,这些端子给外扩

10、模块提供电源。5.变阻箱、变容箱模块变阻箱、变容箱是本实验系统的 个突出特点，只要按动数字旁边的“+”、“一”按钮便可调节电阻电容的值，而且电阻电容值可以直接读出。计算机控制系统7第二章软件安装及使用一、软件安装软件安装（分两大部分）一、安装应用软件1.按照软件提示，一步一步完成安装图 1进入安装界面图 2 选择安装路径Ready to In tialck Inrial to ctnuo M h the nmlabon.ncei 图 3 单击Install图 4 安装完毕界面2.完成应用软件的安装；应用软件会自动出现在“开始一 程序”列表中。二、USB驱动安装（操作系统不同安装步骤有差别）Wi

11、ndows 2000操作系统下：1.通过USB硬件接口，连接实验箱与计算机，计算机将自动显示图5计算机控制系统8图5进入安装界面图6选择单选按钮后，单击下一步2.图6的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中，所以应选择第一步安装应用程序的路径和文件名，然后单击 确定”，系统将会自动查找驱动安装文件。接到笑动赛序文件堀 期 止 Ihad”，在什么地方尊我犯动IS序文件？力 下 炳 件总备索财堀序文件USB Dnc翳 毓 的;+H 矶融嫂序数警库和所指定的下列可选搜索地t t 中凌素合适的隼 击“下一步”开里便寻.5D果 在 玄*缸 7 皿 驱动飘黄寻,在拿击“下一侪“口，球 软 盒 成 正.可

12、选M班靠次杳 软弁荚动r CD-KW 财M ）v nr定一个位置（S）厂icr”oft Vift4i Up44t0 0）（上f 0）|下一步）|帚图7选择如图的复选按钮后，单击下一步图8选择驱动安装文件路径婆动&序文件交扰络果向导力您的建件襟投到了驱动程序文件.向舒力下列设备找到了取暇序VSB D*vicY eg，程 力 这或要我方L*装动题.要在另一个位置寻找，倡单击上一步”.或看过叁一不透蒯启隼击“盍 咸-.C：”t q 计邕机控制实验eru:Hrv.inf三（上f 0）|F f Q）|收制|计算机控制系统9图 9 单击下一步 图 10安装完成界面Windows X P 操作系统下：1.通

13、过USB硬件接口，连接实验箱与计算机，计算机将自动显示图12.图 2 的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中，所以应选择第一步安装应用程序的路径和文件名，然后单击“确定”，系统将会自动搜索驱动安装文件。图 1 1 选择如图的单选按钮后，单击下一步图 12选择驱动安装文件路径图 13单 击“仍然继续”图 14安装完成界面应用软件和USB驱动都安装完成后,可以运行实验系统.Windows 9 8 操作系统下：1.通过USB硬件接口，连接实验箱与计算机，计算机将自动显示图1计算机控制系统10图 1 进入安装界面 图 2 选择如图的单选按钮后，单击下步2.图 3 的驱动安装文件在第一步安装的应用程

14、序文件中，所以应选择第一步安装应用程序的路径和文件名，然后单击“下一步”，系统将会自动搜索驱动安装文件。图 3 选择驱动安装文件路径图4单击下一步图 5 安装完成界面二、软件启动与使用说明1.软件启动在 Windows桌面上双击“计算机控制实验”快捷方式，运行软件，或 开始一程序-北京达盛科技软件”中单击“计算机控制实验”快捷方式，便可启动软件如图152.实验前计算机与实验箱的连接用实验箱自带的USB线将实验箱后面的USB 口与计算机的USB 口连接，启动“计 算 机 控 制 实 验”软件。3.软件使用说明本套软件界面共分为三个组画面A.软件说明和实验指导书画面（如 图 15）计算机控制系统1

15、1B.数据米集显示画面（如 图1 6）计算机控制实验系统13回囱实筠项目EF13：1工具按钮：国n国囱a:?;2.3.4.5.6.软 件 使 用 指 南 工具栏按钮：1.一二 点 击K或按F 1 2可以选择实唆项目作为当前实验项目，系统在指导书窗口显示相应的实喊指导书，在实验进行过程中处于禁止状态.点 击K或按F 2 H切换回 指导书 窗口.点 击R或按F 3 1切换到 示波器 窗口.点 击K或按F 4?切换到？窗口.点 击R或按F 5 X开始/放弃当前实验项目，在没有选择任何实验项目的时候为禁止状态.点 击K或按F 6 5弹出 关于 对话框，显示程序信息、版本号和版权信息.示波器操作：1.测

16、量 在“示波器 窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择,测量”打开测量 游 标（重复前述步骤隐藏测量游标），拖动 7就绪数字图1 5计算机控制实验系统实魄项目K F 1 3 ：三|工具按钮：园 后 O-2 0 0 00-1000-50 00-3 0 0 0-4 0 0 030 0 020 0 0500040 0 00 20 0 40 0 6o o 8o o 1000 1200 1400 1600 1800 20 0 01000数字20 0 0-5000X1Y l =0三 二5ooo Y220C100C就绪/计算机控制系统12图 16下面介绍软件具体操作和功能：工具栏按钮：1.-点击R或按F11可以

17、选择实验项目作为当前实验项目，系统在指导书窗口显示相应的实验指导书，在实验进行过程中处于禁止状态。2.用 点 击 K或按F 21切换回 指导书 窗口。3.国 点 击 或按F3切换到 示波器”窗口。4.因 点 击 K或按F4切换到 频率特性 窗口。5.上J 点击K或按F52开始/放弃当前实验项目，在没有选择任何实验项目的时候为禁止状态。6.21 点击R或按F61弹出 关于 对话框，显示程序信息、版本号和版权信息二：示波器操作：1.测量 在“示波器”窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择 测量”打开测量游标（重复前述步骤隐藏测量游标），拖动任游标到感兴趣的位置,图表区下方会显示当前游标的位置和与同类的

18、另一游标之间距离的绝对值。如果想精确定位游标只需用鼠标左键单击相应的游标位置栏并在编辑框中输入合法值回车即可。2.快照在示波器 窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择 快照 将当前图像复制到剪贴板，以便粘贴到画图或其他图像编辑软件中编辑和保存。3.打印目前尚不支持。4.线型 在“示波器”窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中可点击 直线、折线 或 点线”来选择数据点和数据点之间的连接方式，体会各种连接方式的差异。5.配色 用鼠标左键双击图表区除曲线之外的元素会弹出标准颜色对话框，用户可以更改相应元素的颜色（比如将网格颜色改成与背景相同颜色）。6.缩放 用鼠标左键单击图表区刻度区的边界刻度并在编辑框中输入和

19、法值回车即可改变当前显示范围。计算机控制系统13第三章实验系统部分本套实验系统一共提供了七个典型实验：D/A数模转换实验、A/D模数转换实验、数字 PID实验、状态反馈与状态观测器实验、数字滤波器实验、大林算法实验及数据采集实验。另外，还提供了三个控制对象的算法，配合我公司提供的控制对象，可完成对实际对象的控制。本系统算法完全开放，系统结构组合灵活，根据各高校情况的不同，可以自行修改和添加新的实验，以完成教学的要求。计算机控制系统14实验一 D/A数模转换实验一、实验目的1.掌握数模转换的基本原理。2.熟 悉 12位 D/A转换的方法。二、实验仪器1.EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一

20、台2.PC计算机一台三、实验内容通过A/D&D/A卡完成12位 D/A转换的实验，在这里采用双极性模拟量输出，数字量输入范围为：04 0 9 5,模拟量输出范围为：-5V+5V。转换公式如下：Uo=Vref X (211 Kll+210-K10+.+2 KO)/212-1/2Vref=10V例 如:数字量=011001100100则Kll=0,K10=l,K9=l,K8=0,K7=0,K6=l,K5=l,K4=0,K3=0,K2=1,K1=O,K0=0模拟量 Uo=10 X 664H/100011-1/2=-1.006V四、实验步骤1.连接A/D、D/A卡的DA输出通道和AD采集通道。A/D、

21、D/A卡的DA1输出接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2.启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。3.测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。4.在实验项目的下拉列表中选择实验一D/A数模转换实验 ,鼠标单 击,I按钮，弹出实验课题参数设置对话框。5.在参数设置对话框中设置相应的实验参数后，在下面的文字框内将算出变换后的模拟量,计算机控制系统156.点击确定，在显示窗口观测采集到的模拟量。并将测量结果填入下表:数字量模拟量理论值实测值五、实验报告1.画出数字量与模拟量的对应曲线。2.计算出理论值，将

22、其与实验结果比较，分析产生误差的原因。六、预习要求1.熟悉数模转换的原理。2.学习数模转换的转换方法。计算机控制系统16实 验 二 A/D模数转换实验一、实验目的1.掌握模数转换的基本原理。2.熟 悉 12位 A/D转换的方法。二、实验仪器1.EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2.PC计算机一台三、实验内容通过A/D&D/A卡完成12位 D/A转换的实验，在这里采用双极性模拟量输入，模拟量输入范围为：一5V+5V,数字量输出范围为：04095。转换公式如下：数字量=4095 X(Vin/Vref+1/2)其中V ref是基准电压(满量程电压)为10V例如：模拟量=L 0 V 则数字量

23、=4095X(1.0/10+0.5)=999H四、实验步骤1.连接A/D、D/A卡的DA输出通道和AD采集通道。A/D、D/A卡的DA1输出接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2.启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。4.在实验项目的下拉列表中选择实验二 A/D数模转换实验,鼠 标 单 击 I按钮，弹出实验课题参数设置对话框5.在弹出的参数窗口中填入想要变换的模拟量，点击变换，在下面的文字框内将算出变换后的数字量。6.点击确定，在显示窗口观测采集到的数字量

24、。并将测量结果填入下表:计算机控制系统17模拟量数字量理论值实测值五、实验报告1.画出模拟量与数字量的对应曲线。2.计算出理论值，将其与实验结果比较，分析产生误差的原因。六、预习要求1.熟悉数模转换的原理。2.学习数模转换的转换方法。计算机控制系统18实验三 数字PID控制一、实验目的1.研 究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2.研究采样周期T对系统特性的影响。3.研 究I型系统及系统的稳定误差.二、实验仪器1.EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2.PC计算机一台三、实验内容1.系统结构图如3-1图。图3-1系统结构图图中 Gc(s)=Kp(1+Ki/s+Kds)Gh

25、(s)=(1-e-TS)/sGpl(s)=5/(0.5s+l)(0.Is+D)Gp2(s)=1/(s(0.ls+1)2.开环系统(被控制对象)的模拟电路图如图3-2和 图3-3,其中图3-2对 应GP1(s),图 3-3 对应 Gp2(s)计算机控制系统19图 3-2 开环系统结构图1 图 3-3开环系统结构图23.被控对象GP1(s)为“0 型”系统，采 用 P I 控制或PID控制，可系统变为“I型”系统，被控对象Gp2(s)为“I 型”系统，采用P I控制或PID控制可使系统变成“H型”系统。4.当 r(t)=1(t)时(实际是方波)，研究其过渡过程。5.P I调节器及PID调节器的增益

26、Gc(s)=Kp(1+Kl/s)=KpKl(1/kl)s+1)/s=K(Tis+l)/s式中 K=KpKi,Ti=(1/K1)不难看出P I 调节器的增益K=KpKi,因此在改变K i时，同时改变了闭环增益K,如果不想改变K,则应相应改变Kpo采用PID调节器相同。6.“I I 型”系统要注意稳定性。对于Gp2(s)，若采用P l调节器控制，其开环传递函数为G (s)=Gc(s),Gp2(s)=K(Tis+1)/s 1/s(0.ls+1)为使用环系统稳定，应满足Ti0.1,即 Kl107.PID递推算法 如果PTD调节器输入信号为e(t),其输送信号为u(t),则离散的递推算法如下：u(k)=

27、u(k-1)+q0e(k)+qle(k-1)+q2e(k-2)其中 qO=Kp(l+KiT+(Kd/T)ql=-Kp(1+(2Kd/T)q2=Kp(Kd/T)T一采样周期四、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。电路的输入U1接 A/D、D/A卡 的 DA1输出，电路的输出U2接 A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2.启动计算机，双击桌面”计算机控制实验”快捷方式，运行软件。3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。计算机控制系统_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _

28、_ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 204 .在实验项目的下拉列表中选择实验三 数 字 P I D 控制,鼠标单击鼠标单击f钮，弹出实验课题参数设置窗口。5 .输入参数 K p,K i,K d （参考值 K p=l,K i=0.0 2,kd=l）6 .参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变K p,K i,K d 的数值和与其相对应的性能指标中、t s 的数值。7.取满意的K p,K i,K d 值，观查有无稳态误差。8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路（图 3-3）。电路的输入U1 接 A/D、D/A卡的D A 1 输出，电路的输出U2 接A/D、D/A

29、卡的A D 1 输入，将纯积分电容的两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。9.重复4-7步骤。1 0 .计算K p,K i,K d 取不同的数值时对应的o p、t s 的数值，测量系统的阶跃响应曲线及时域性能指标，记入表中：果参数6%Ts阶跃响应曲线K pK iK d五、实验报告计算机控制系统211 .画出所做实验的模拟电路图。2 .当被控对象为G p l （s时）取过渡过程为最满意时的K p,K i,K d,画出校正后的Bo d e 图，查出相稳定裕量丫和穿越频率t o e。3 .总结一种有效的选择K p,K i,K d 方法，以最快的速度获得满意的参数。六、预习要求1 .熟悉P I D

30、控制器系统的组成。2 .熟悉P 1 D 控制器的参数对系统稳定性的影响。七、P I D 软件流程图图 中 e k为误差，e kl 为上一次的误差，e k2 为误差的累积和，uk是控制量计算机控制系统22计算机控制系统23实验四状态反馈与状态观测器一、实验目的1 .掌握状态反馈极点配置的设计方法。2 .研究不同极点配置对系统动态性能的影响。3 .掌握全维观测器的构成及设计方法。4 .研究观测器在状态反馈极点配置中的应用。二、实验仪器1.E L-A T-I H 型计算机控制系统实验箱一台2.P C 计算机一台三、实验内容1 .被控对象模拟电路图如图4-1。图 4-1 被控对象模拟电路2 .系统数学

31、模型(1)被控对象传递函数为G p (s)=Y(s)/U(s)=1 0 0/(s 2+3.92 8s+1 0 3.5 7)(2)被控对象状态方程X=A x+BuY=C x式中A 1 1 B=Q C=1 0 0 0-1 0 3.5 7-3.92 8 1计算机控制系统242.带有状态观测器的状况反馈系统方框图示于图4-2 o图 4-2 系统方框图图中 G=e A TH=j 0 T p(t)d t B(p(t)=e A tK 1 X 2 维状态反馈系统矩阵，由计算机算出。L 2 X 1 维观测器的反馈矩阵，由计算机算出。K r 为使y(t)跟踪r(t)乘的比例系数，它由计算机自动地递推算出。4 .希

32、 望 的 系 数 极 点(参 考 值)：S l,S 2=-7.3 5 土 j 7.5,它 对 应 在Z平面上应为Z l,Z 2=0.712j 0.225 .观测器极点参考值:Z l,Z 2=0.l.j O四、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U 1接 A/D、D/A 卡 的 D A 1输出，电路的输出U 2接 A/D、D/A 卡的A D 1输入。检查无误后接通电源。2.启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。3 .测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。阶跃响应4 .在实验项目的卜拉列表中选择实验四

33、 四、状态反馈和状态观测器。5 .鼠标单 击“按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。跟踪响应6.实验步骤5完成后鼠标单击上，I按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中选中跟踪项，然后出现新的参数设置框，设置好参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果计算机控制系统257.修改实验参数设置窗口中所用的参数值,观察波形的变化。8.将实验内容中的参考值的实测阶跃响应曲线及性能指标记入下表中:K I K 2阶跃响应曲线y (t)t pO%t s 0.7120.22 0.10 五、实验报告1.画出上述两个状态反馈

34、系统的结构图和模拟线路图。2.计算这两个状态反馈系统的状态反馈阵K及相应的性能指标：t p、。%和 t p,并与实测值进行比较，检验状态反馈极点配置是否达到了设计要求。3 .画出全维观测器和降维观测器状态反馈极点配置的结构图和模拟线路图，画出这两个系统的实测阶跃响应曲线及实测性能指标t p、0%和 t s。六、预习要求1.阅读实验内容。2.推导实验系统中的全维观测器方程。3 .计算两个状态反馈系统的状态反馈阵K 及相应的性能指标t p、t s 和。七、状态观测器软件流程图图中y k 为当前输出，y k l 为上一次系统输出，x k l 为上一次的观测阵x k 是当前观测阵，u l 是当前控制量

35、计算机控制系统26计算机控制系统27输出ul计算 Xk=GXk 1+HU1 +L(Y1 -CXkl)计算 Ul=KXk+KrRlXkl=Xk画被控对象第J 点输出input计算机控制系统28实验五数字滤波器实验一、实验目的1.研究数字滤波器对系统稳定性及过渡过程的影响。2.熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。3.掌握数字滤波器的设计方法。4.了解数字滤波器的通带对系统性能的影响。二、实验仪器1.EL-AT-II1型计算机控制系统实验箱一台2.PC计算机一台三、实验内容1.需加入串联超前校正的开环系统电路及传递函数(1)实验电路图51需加入串联超前校正的开环系统电路图(2)系统开环传递函数图5-2

36、系统开环结构图(3)系统闭环结构图计算机控制系统29图 5 3系统闭环结构图(4)数字滤波器的递推公式模拟滤波器的传函：Tl s+1T2 S+1利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：Uk=q O x Uk-l+q l x ek+q 2 x ek Tq O=(T-2 T2)/(T+2 T2)q l=(T+2 Tl)/(T+2 T2)q 2=(T-2 Tl)/(T+2 T2)丁=采样周期 Tl=超前时间常数 T2=滞后时间常数2.需加入串联滞后校正的开环系统电路及传递函数(1)实验电路lufs n t图 5-4需加入串联滞后校正的开环系统电路图(2)系统开环传递函数图 5-5系统开环结构图(3)系

37、统闭环结构图:计算机控制系统30图 5-6系统闭环结构图(4)数字滤波器的递推公式模拟滤波器的传递函数：Tl s+1T2 S+1利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：Uk=q O Uk-l+q l ek+q 2 ek-lq O=(T-2 T2)/(T+2 T2)q l=(T+2 Tl)/(T+2 T2)q 2=(T-2 Tl)/(T+2 T2)丁=采样周期 Tl=超前时间常数 T2=滞后时间常数四、实验步骤L 启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。2 .测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。超前校正3 .连接被测

38、量典型环节的模拟电路(图5-1)电路的输入U 1 接 A/D、D/A 卡 的 D A 1输出，电路的输出U2 接 A/D、D/A 卡的A D 1 输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。检查无误后接通电源。4 .在实验项目的下拉列表中选择实验五 五、数字滤波器,鼠 标 单击 I 按钮，弹出实验课题参数设置对话框，选择超前校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量G P 和调节时间t S。5 .重复步骤4,改变参数设置，将所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中：计算机控制系统31常数性能指阶跃响应曲线5%Tp （秒）Ts （秒）滞后校

39、正6 .连接被测量典型环节的模拟电路（图 5-4）电路的输入U 1 接 A/D、D/A 卡 的 D A 1输出，电路的输出U2 接 A/D、D/A 卡的A D 1 输入，将纯积分电容两端接在模拟开关上。检查无误后接通电源。7 .在实验项目的下拉列表中选择实验五 五、数字滤波器,鼠 标 单 击/根 钮，弹出实验课题参数设置对话框，选择滞后校正，然后在参数设置对话框中设置相应的实验参数，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，并记录超调量cr p 和调节时间t s。8.重复步骤7,改变参数设置，将所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中:常数性能指阶跃响应曲线S%Tp （秒）Ts （秒）五、实

40、验报告1 .画出所做实验的模拟图，结构图。2 .分析加数字滤波器前系统的稳定特性。3 .从响应曲线中分析校正后的结果并与理论分析比较。计算机控制系统 32六、数字滤波软件流程图图中e k为误差，e k l为上一次的误差，u k是控制量，u k l是上一次的控制量计算机控制系统33结束计算机控制系统34实验六大林算法一、实验目的1 .掌握大林算法的特点及适用范围。2 .了解大林算法中时间常数T 对系统的影响。二、实验仪器1.E L-A T-I I 1 型计算机控制系统实验箱一台2.PC 计算机一台三、实验内容1 .实验被控对象的构成：(1)惯性环节的仿真电路及传递函数G(S)=-2/(T l+l

41、)T 1=O.2(2)纯延时环节的构成与传递函数G(s)=e-Nt产采样周期 N 为正整数的纯延时个数由于纯延时环节不易用电路实现，在软件中由计算机实现。(3)被控对象的开环传函为：图61被控对象电路图G(S)=-2 e-Nr/(T l+l)2 .大林算法的闭环传递函数：G o(s)=e-NT/(T s+l)T=大林时间常数3 .大林算法的数字控制器：D(Z)=(1-e x/T)(1-e-x/T l Z-l)/k(l-e-x/T 1)l-e_T/T Z-l-(l-e-T/T)Z-N_l 设 k l=e-t/T K 2=e-t/T l T l=0.2 1=大林常数 K=2(K-K k 2)U k

42、=(l-k l)e k-(l-k l)k t f e k-l+(k-k k 2)k l U k-l+(k-k k 2)(l-k l)U k-N-l四、实验步骤1 .启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。2 .测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使计算机控制系统 35通信正常后才可以继续进行实验。3 .量对象的模拟电路（图6-1）。电路的输入U 1接A/D、D/A卡的D A 1输出，电路的输出U 2接A/D、D/A卡的A D 1输入。检查无误后接通电源。4 .在实验项目的卜拉列表中选择实验六 六、大林算法,鼠 标 单 击 二？限钮，弹出实验课题

43、参数设置对话框，在参数设置窗口设置延迟时间利大林常数，点击确认在观察窗口观测系统响应曲线。测量系统响应时间T s和超调量op。5.复步骤4,改变参数设置，将所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中:旨指标参数设丁阶跃响应曲线8%T s（秒）T p（秒）延迟时间大林常数五、实验报告1,分析开环系统下的阶跃响应曲线。2 .画出闭环的阶跃响应曲线，并求出超调和响应时间。3.分析大林时间常数对系统稳定性的影响。六、大林算法软件流程图图 中e k为误差，e k l为上一次的误差，uk是控制量，uk l是上一次的控制量uk n l是上N+1次的控制量计算机控制系统36计算机控制系统37计算机控制系统38

44、实验七炉温控制实验一、实验目的1 .了解温度控制系统的特点。2 .研究采样周期T 对系统特性的影响。3.研究大时间常数系统P I D 控制器的参数的整定方法。二、实验仪器1.E L-AT-I I I 型计算机控制系统实验箱一台2.P C计算机一台3.炉温控制实验对象-台三、炉温控制的基本原理1 .系统结构图示于图7 1。图 7 1系统结构图图中 G c(s)=K p (1+K i/s+K ds)G h(s)=(1-e-T S)/sG p (s)=1/(T s+1)2 .系统的基本工作原理整个炉温控制系统由两大部分组成，第 部分由计算机和A/D&D/A卡组成，主要完成温度采集、P I D 运算、

45、产生控制可控硅的触发脉冲，第二部分由传感器信号放大，同步脉冲形成，以及触发脉冲放大等组成。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压的可在01 40 V 内变化。可控硅的导通 角 为 05 CH。温度传感是通过一只热敏电阻及其放大电路组成的，温度越高其输出电压越小。计算机控制系统39外 部 L E D 灯的亮灭表示可控硅的导通与闭合的占空比时间，如果炉温温度低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。第二部分电路原理图见附录一。3.P I D 递 推 算 法：如果P I D 调节器输入信号为e (t),其输送信号为u(t)，

46、则离散的递推算法如下：U k=K p e k+K i e k 2+K d(e k-e k-l),其中 e k 2 是误差累积和。四、实验内容：1 .设定炉子的温度在一恒定值。2 .调整P、I、D各参数观察对其有何影响。五、实验步骤1 .启动计算机，双击桌面”计算机控制实验”快捷方式，运行软件。2 .测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。3 .2 0 芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检查无误后，接通实验箱和炉温控制的电源。开环控制4 .在实验项目的下拉列表中选择实验七 七、炉温控制,鼠 标 单击y 1 按钮，弹出实验课题参数设置

47、对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。测量系统响应时间T s和超调量o p。5 .重复步骤4,改变参数设置，观测波形的变化，记入卜表：指标占空比阶跃响应曲线6%T p (秒)T s(秒)计算机控制系统40闭环控制6.在实验项目的下拉列表中选择实验七 七、炉温控制鼠标单击上”按钮，弹出实验课题参数设置对话框，选 择 P I D,在参数设置窗口设置炉温控制对象的给定温度以及K i、K p、K d 值，点击确认在观察窗口观测系统响应曲线。测量系统响应时间T s和超调量o p。7.重复步骤6,改变P I D 参数，观测波形的变化，记入下表中:指标参数阶

48、跃响应曲线6%T p （秒）T s（秒）K pK iK d六、实验报告1 .记录过渡过程为最满意时的K p,K i,K d 并画出其响应曲线。2 .分析此情况下的超调量、响应时间及稳态误差。计算机控制系统413.总结对对温度控制系统有效的选择Kp,Ki,K d 方法，以最快的速度获得满意的参数。七、温度控制软件流程图图中ek为误差，ekl为上一次的误差，ek2为误差的累积和，uk是控制量，可控硅导通角控制量a=05bH,a=0导通角最大，a=5b导通角为零。计算机控制系统42计算机控制系统 43实验八电机调速实验一、实验目的1 .了解直流电机调速系统的特点。2 .研究采样周期T 对系统特性的影

49、响。3 .研究电机调速系统P I D 控制器的参数的整定方法。二、实验仪器1.E L-A T-I I I 型计算机控制系统实验箱一台2.P C 计算机一台3.直流电机控制实验对象一台三、控制的基本原理1 .系统结构图示于图8 1。图 8 1系统结构图图中 G c (s)=K p (1+K i/s+K d s)G h (s)=(1-e-T S)/sG p (s)=1/(T s+1)2 .系统的基本工作原理整个电机调速系统由两大部分组成，第一部分山计算机和A/D&D/A卡组成，主要完成速度采集、P I D运算、产生控制电枢电压的控制电压，第二部分山传感器信号整形，控制电压功率放大等组成。电机速度控

50、制的基本原理是：通过D/A输出-2.5 v+2.5 v 的电压控制7 8 1 2 的输出，以达到控制直流电机电枢电压的目的。速度采集由一对霍尔器件完成，输出脉冲信号的间隔反应了电机的转速。第二部分电路原理图见附录二。3 .P I D递 推 算 法：计算机控制系统44如果P I D调节器输入信号为e (t),其输送信号为u (t)，则离散的递推算法如下:U k=K p e k+K i e k2+K d (e k-e k-1)其 e k2 是误差累积和。四、实验内容：1、设定电机的速度在一恒定值。2、调整P、I、D 各参数观察对其有何影响。五、实验步骤1 .启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快