1、实验报告学 院：物理与电子工程学院班 级： 自动化 0611 班学 号： 06118053姓 名： 指导老师： 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1EL-AT-III 型计算机控制系统实验箱一台2PC 计算机一台三、实验内容通过 A/D 和 D/A 卡完成 10 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：01024，模拟量输出范围为：5V+5V。转换公式如下：Uo = Vref - 2Vref(29K9+28K8+.+20K0)/ 210，V ref = 5.0V例如：数字量=0110
2、011001 则K9=0,K8=1,K7=1,K6=0,K5=0,K4=1,K3=1,K2=0,K1=0,K0=1模拟量 Uo = Vref - 2Vref(29K9+28K8+.+20K0)/ 210 = 1.0V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一D/A 数模转换实验
3、, 鼠标单击 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， 6. 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:模拟量数字量(mv)理论值(mv) 实测值 (mv)1023 -4990 -4932896 -3750 -3733768 -2500 -2479640 -1250 -1226512 0 0384 1250 1254256 2500 2534128 3750 37330 5000 50007. 画出数字量与模拟量的对应曲线。五实验误差分析及总结1实验误差：本实验采用 10 位 D/A 转换器，而 D/
4、A 转换器的位数决定着其转换精度，实验中测量值与其理论值有一定误差。就是由天 D/A 转换的精度造成的。如果要提高精度可以增加D/A 转换的位数。2实验总结：通过此实验我们可以进一步掌握 D/A 转换的原理及方法，同时也了解了单极性与双极性的 D/A 转换对应的数据量输入与模拟量输出的范围。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 10 位 A/D 转换的方法。二、实验仪器1EL-AT-III 型计算机控制系统实验箱一台 2PC 计算机一台三、实验内容通过 A/D 和 D/A 卡完成 10 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：5
5、V+5V，数字量输出范围为：01024。转换公式如下：数字量=（V ref模拟量）/2V ref210 其中 Vref是基准电压为 5V。例如：模拟量=1.0V 则数字量=（5.01.0）/（25.0）2 10=409(十进制)四、实验步骤1实验步骤与实验一一样对实验软件进行连接并测试，使其通信正常。2. 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 按钮，弹出实验课题参数设置对话框3.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。4.点击确定，在显示窗口观测采集到的数字量。并将测量结果填入下表:数字量模拟量（mv）理论值(mv)
6、实测值(mv)-4900 1022 1015-4000 921 920-3000 819 820-2000 717 719-1000 614 6140 0 01000 410 4102000 307 3073000 205 2014000 103 1065000 0 35 画出模拟量与数字量的对应曲线。五实验误差及实验总结1误差分析；A/D 转换存在一个精度问题，与其能够转换的位数有关。实验的转换精度决定其有一定转换误差，并且可以增加转换器的位数提高转换精度，以减少其理论值与实测值之间的误差。2实验总结：实验进一步了解了数模转换的原理，理解了数模转换的过程，知道误差的来源，及误差分析，同时还学
7、会了模数转换的计算方法。同时也知道了 A/D 转换与 D/A 转换之间的差别，更加明确了数模转换与模数转换之间的关系。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1EL-AT-III 型计算机控制系统实验箱一台2PC 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+Kd.s）Gh（s）=（1e- TS）/sGp1（s）=5/（0.5s+1） （0.1s+1） ）Gp2（s）=1/（s（0.1s+1
8、） ）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） 。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 PI 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 PI 控制或 PID 控制可使系统变成“II 型”系统。4当 r（t）=1（t）时（实际是方波） ，研究其过渡过程。5PI 调节器及 PID 调节器的增益Gc（s）= Kp（1+Ki/s）= KpKi(（1/ki）s+1) /s = K(Tis+1)/
9、s式中 K= KpKi , Ti=（1/Ki）不难看出 PI 调节器的增益 K=KpKi，因此在改变 Ki 时，同时改变了闭环增益 K，如果不想改变 Ki，则应相应改变 Kp。采用 PID 调节器相同。6 “II 型”系统要注意稳定性。对于 Gp2（s）,若采用 PI 调节器控制，其开环传递函数为G（s）= Gc（s）Gp 2（s）= K（Tis+1）/s1/s（0.1s+1）为使闭环系统稳定，应满足 Ti0.1，即 Ki107PID 递推算法 如果 PID 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）=u（k-1）+q 0e（k）+q 1e（k-1）+
10、q 2e（k-2）其中 q 0= Kp（1+KiT+（Kd/T） ） ，q 1= Kp（1+（2Kd/T） ） q2= Kp（Kd/T） ， T-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”软件。然后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. 在实验项目的下拉列表中选择实验三数字 PID 控制, 鼠标单击鼠标单击 按钮，弹出实验课
11、题参数设置窗口。4.输入参数 Kp, Ki, Kd（参考值 Kp=1, Ki=0.02, kd=1） 。5.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变 Kp, Ki, Kd 的数值和与其相对应的性能指标 、ts 的数值。6.取满意的 Kp,Ki,Kd 值，观查有无稳态误差。7.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 DA1 输出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 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。8.重复 36 步骤。9.计算 Kp，Ki，Kd 取不同的数值时对应的 、ts 的数值，测量
12、系统的阶跃响应曲线及时域性能指标。五实验数据及处理各实验数据及图形如下所示（1）=（2891-2016）/2016=43.4% ts=951ms(2) =(2788-2016)/2016=38.29% ts=1280ms (3) =(2548-2016)/2016=26.39% ts=1378ms（4）=0 ts=470ms由上响应曲线可以看出（4）的动态响应过程最好，当被控对象为 Gp1（s 时）取过渡过程为最满意时的 Kp, Ki, Kd,画出校正后的 Bode 图，查出相稳定裕量和穿越频率c。六实验总结1通过实验，学习了如何进行 PID 控制器参数的设定，以期达到最好的动态响应。2实验中
13、可以用 1/4 工程整定法，快速得到最好的系统响应曲线。3通过实验可以得到 PID 参数设定时，各参数对超调量和调节时间的影响。实验得出当 Kp 越大时，系统的静差越小，响应速度越快，调节时间越短，但超调量也随之增大，当大到一定时候，系统有可能发生周期振挡，其至发散。在增加 Ki 时系统的超调量减小，系统几乎没有静差，但调节时间增长了。增大 Kd 有利于提高系统的响应速度，也有利于减小超调量。实验四 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1EL-
14、AT-III 型计算机控制系统实验箱一台2PC 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 52 系统开环结构图(3) 系统闭环结构图图 53 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： T 1s+1T2S+1利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：U(k) = q0.U(k-1)+q1.e(k)+q2.e(k-1)q0 = (T-2T2)/(T+2T2)q1= (T+2T1)/(T+2T2)q2= (T-2T1)/(T+2T2)T=采样周期 T 1=超前时间常数 T 2
15、=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） 实验电路图 54 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 55 系统开环结构图（3） 系统闭环结构图：图 56 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： T 1s+1T2S+1利用双线性变换得数字滤波器的递推公式：U(k)=q0.U(k-1)+q1.e(k)+q2.e(k-1) q0= (T-2T2)/(T+2T2)q1= (T+2T1)/(T+2T2) q2= (T-2T1)/(T+2T2)T= 采样周期 T 1= 超前时间常数 T 2= 滞后时间常数 四、实验步骤1.启动计算
16、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.连接被测量典型环节的模拟电路(图 5-1)。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，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 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p 和调节时间
17、 ts。5实验数据及图形记录如下：p=(1467-1000)/1000=46.7% Tp=207ms Ts=1159ms p =(1175-1000)/1000=17.5% Tp=251ms Ts=415msp=0 Tp=339ms Ts=503ms滞后校正5.连接被测量典型环节的模拟电路(图 5-4)。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，将纯积分电容两端接在模拟开关上。检查无误后接通电源。6. 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 按钮，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
18、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p 和调节时间 ts。实验图形及数据记录p=(1964-1000)/1000=96.4% Tp=213msp=(1278-1000)/1000=27.8% Tp=185ms Ts=478msp=0 Tp=169ms Ts=185ms五实验总结1进一步理解开环与闭环系统的动态与静态特性。2通过实验可以看出，添加数字滤波器以后，对系统动态过程产生的影响：使系统更加稳定，动态过程更迅速。3通过实验掌握了数字滤波的设计方法，以及系统过渡过程的测量方法。实验五 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
19、算法中时间常数 T 对系统的影响。二、实验仪器1EL-AT-III 型计算机控制系统实验箱一台 2PC 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/(T1+1) T1=0.2 （2）纯延时环节的构成与传递函数G(s)=e-N=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)=-2e-N/(T1+1)2大林算法的闭环传递函数： Go(s)=e- N/(Ts+1) T=大林时间常数3大林算法的数字控制器：D(Z)=(1-e-/T).(1-e-
20、/T1 Z-1)/k(1-e-/T1)1-e-/TZ-1-(1-e-/T)Z-N-1 设 k1=e-/T , K2=e-/T1 , T1=0.2 ,T=大林常数 , K=2 (K-K.k2)U(k)=(1-k1)e(k)-(1-k1).k2.e(k-1)+(k-k.k2)k1.U(k-1)+(k-k.k2).(1-k1)U(k-N-1)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 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输
21、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。4在实验项目的下拉列表中选择实验六六、大林算法, 鼠标单击 按钮，弹出实验课题参数设置对话框，在参数设置窗口设置延迟时间和大林常数，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 Ts 和超调量p。五实验曲线与数据记录（1）固定延时周期 T=5MS超调量p=0 响应时间 Ts=2204ms超调量p=0 响应时间 Ts=629ms 超调量p=0 响应时间 Ts=207ms（2）固定大林常数=0.02ms超调量p=0 响应时间 Ts=98ms超调量p=0 响应时间 Ts=207ms超调量p=0 响应时间 Ts=
22、306ms六.实验总结1. 通过实验进一步掌握大林算法的基本算法。2. 大林算法要求系统对快速性的要求是次要的,其主要指标是系统无超调或超调很小,并且允许有较长的调整时间,可以采用大林算法.3. 通过实验可以看出固定延时周期,大林常数越小,系统的调整时间越短.固定大林常数,延时周期越长,系统的调整时间越长.4.由实验现象可以知道，大林算法是一种简单的修正方法，能够防止产生振铃现象，并同时消除振铃想象，对系统的稳定性有积极作用。实验六 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 对系统特性的影响。3研究电机调速系统 PID 控制器的参数的整定方法。二、实验仪器1EL
23、-AT-III 型计算机控制系统实验箱一台 2PC 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 81。图 81 系统结构图图中 Gc（s）= Kp（1+Ki/s+Kd.s）Gh（s）=（1e -TS）/sGp（s）= 1/（Ts+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，第一部分由计算机和 A/D&D/A 卡组成，主要完成速度采集、PID 运算、产生控制电枢电压的控制电压，第二部分由传感器信号整形，控制电压功率放大等组成。电机速度控制的基本原理是：通过 D/A 输出-2.5v+2.5v 的电压控制 7812 的输出，以达到控制直流电机电枢电压的目的。
24、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。3PID 递推算法 ：如果 PID 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)=Kp.e(k)+ Ki.ek2+ Kd.e(k)-e(k-1) ，其中 ek2 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”运行软件。2测试计算机与实验箱的通信是否正常,至通信正常时实验继续。3 20 芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检查无误后，接通实验箱电源。开环
25、控制4 在实验项目的下拉列表中选择实验八八、电机调速, 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。测量系统响应时间 Ts 和超调量p。5经过实验得到的系统响应曲线如下所示闭环控制6. 在实验项目的下拉列表中选择实验八八、电机调速, 鼠标单击 按钮，弹出实验课题参数设置对话框，选择 PID，在参数设置窗口设置电机控制对象的给定转度以及Ki、Kp、Kd 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 Ts 和超调量p。六.实验总结1.通过实验可以得出系统的开环与闭环调速有着明显的不同.如图所示,系统开环调速
26、性能很差,而闭环有着良好的调速性能. 以及学习了各种 PID 调节器的参数的整定的方法.2.通过实验进一步掌握如何进行 PID 参数的整定,使系统达到其性能指标.实验七 步进电机控制实验一、实验目的1了解步进电机的工作原理。2掌握步进电机的驱动及编程方法。二、实验仪器1EL-AT-III 型计算机控制系统实验箱一台2PC 计算机一台3步进电机控制实验对象一台三、步进电机的基本工作原理：步进电机多为永磁感应式，有两相、四相、六相等多种，实验所用电机为两相四拍式，通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转，驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速： A 如图
27、 91 所示，每相电流为 0.2A,相电压为 5V，两相四拍 C通电顺序如下：B D 反方向旋转正 方向旋转四、实验原理： 步进电机是一种电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。通过设定脉冲数来使步进电机转过一定的角度，实验用步进电机是每脉冲对应 1.8度。五、实验内容：使步进电机按照设定的步数进行转动。六、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。相顺序 A B C D0 1 1 0
28、 01 0 1 1 02 0 0 1 13 1 0 0 12 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 20 芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检查无误后，接通实验箱电源。4 在实验项目的下拉列表中选择实验九九、步进电机, 鼠标单击 按钮，弹出实验课题参数设置对话框，在参数设置窗口设置起点坐标、终点坐标值。点击确认在观测窗口观测指针的旋转方向和旋转格数是否和设置值一致。5 观测步进电机控制对象的指针旋转是否和软件的旋转一致。七实验现象起点 0 到 20 起点 30-50起点 50-10 起点 0-负 20由实验现象可以观察到：在
29、实验箱上的电机的指针的转速与实验软件设计的旋转时一致的，并且其旋转的步数也时保持一致的状态，无论时正转还是反转。八实验总结1步进电机的工作原理步进电机是一种电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。2.实验现象分析通过实验可以看出步进电机按照一个脉冲转动一个角度,并且没有失步,说明步进电机有良好的精度.同时在观测窗口观测指针的旋转方向和旋转格数设置值是一致的，步进电机控制对象的指针旋转是否和软件的旋转方向也是一致的。
