计算机控制实验1.ppt

1、计算机控制实验,实验一 数字滤波器的设计与仿真 实验二 数字PID控制器设计与仿真 实验三 模拟输入/输出实验 实验四 模拟滤波与数字滤波实验 实验五 数字PID控制实验 实验六 直流电机闭环控制实验 实验共计4次：仿真2次（格物楼），实验2次（主楼421）,实验一 数字滤波器的设计,一、实验目的： 1、掌握由模拟滤波器设计数字滤波器的各种近似方法； 2、设计数字滤波器的仿真程序； 3、比较不同方法设计的数字滤波器的特性。,实验要求,1 按实验已给模拟滤波器传递函数，2 分别用六种方法求出数字滤波器传函D(z)中各系数。填入表13 给出数字滤波器输入输出关系,根据滤波器系数，用下列三种方法编写

2、MATLAB仿真程序，,1 双线性变换 2 零阶保持器 3 频域法将仿真结果频率特性填入表二，并对其仿真结果进行分析 信号频率f=0.1，0.5，1，2，3,15Hz 采样频率fs=50，100Hz,%实验1-2 求双线性变换的频率特性 a=5 fs=input(n采样频率为(hz)=) f=input(n信号频率为(hz)=) %双线性D(z) z=exp(i*2*pi*f/fs) data=a/fs*(1+z)/(a/fs+2)*z-2+a/fs); %换成不同算法 ABS=abs(data) % D(exp(jwt)的幅值 AG=angle(data)*180/pi % D(exp(jw

3、t)的相角 k=1:100; x=sin(2*pi*f/fs*k); num=a/fs a/fs; den=2+a/fs -2+a/fs; y=filter(num,den,x) str=sprintf(sin(2*pi*%f/%f*k),f,fs) %将函数变换成字符串 figure fplot(str,0,100,r) hold on plot(k,y,b*,k,y,k.-) axis(0 100 -1 1) %坐标轴 grid on %绘图网格,MATLAB实验例程,MATLAB实验例程,%实验1-2-3 连续信号 fs=input(n采样频率为(hz) f=input(n信号频率为(h

4、z)=) data=5/(5+i*2*pi*f); A=abs(data) Q=angle(data)*180/pi k=0:99; x=sin(2*pi*f/fs*k); sys=tf(0 5,1 5); y=lsim(sys,x,k); str=sprintf(sin(2*pi*%f/%f*k),f,fs); %将函数变换成字符串 figure(1); %fplot(str,0,100,r); %绘制输入波形 %hold on; plot(k,y,g-);%绘制输出波形 %figure(3) %plot(k,x,r,k,y,b) %绘制输入输出波形 %axis(0 60 -1 1) %坐标

5、轴 grid on %绘图网格,MATLAB实验例程,%test1-4双线性取最大值 u_hz=input(nU_HZ); %(输入信号频率) for Q=-179:180 %输入 i=0:399; u=sin(2*pi*u_hz*i/3+Q/180*pi); y(1)=0; for i=2:400 y(i)=19*y(i-1)/21+1/21*(u(i)+u(i-1); end Y(Q+180)=max(y); end YY=max(Y) %（信号采集的最大幅值） QQ=find(Y=YY)-180（最大幅值对应的相角度数）,实验一报告要求,求出六种设计方法得到的D(z)，并将其对应的系数填

6、入表1。 计算频率特性填入表2，并进行比较。 由于数字滤波器有相移，且输入输出都是离散值，仿真时如何才能得到其最大幅值？ 记录仿真结果于表3，并与表2比较 实验后对采样定理的理解。,实验二 数字PID控制系统设计与仿真,数字PID系统框图如下所示,图中：r(k)为给定信号，v(k)为干扰信号，G(z)为工业过程的Z传递函数,工业过程之传递函数为,式中：L=0.2秒,T1=2秒,T2=0.5秒采样周期为=0.4秒 具体传递函数如下：,仿真构建系统可用到下列模块,编辑simulation,求飞升特性款图如下,参数设置见matlab,选择Simulation parameters,选择Simulat

7、ionconfiguration parameters设置如下通常：Relative tolerance 应设置1e-6,Scope setup parameters,运行程序在workspace 可看到y_data,打开：,根据下列公式，由表1飞升特性求出g(k)最大值,由高桥整定公式计算PID参数，求解Gd(z)为仿真实验做好准备,无阀限 PID算法，控制系统仿真结构图如下,有阀位限制 PID增量算法仿真结构如下（阀限值可适当增大至5）,有阀限 PID全量算法仿真框图请同学自己修改,全量有阀限,实验二报告要求,求解对象飞升特性，整定PID参数， 阶跃干扰，有阀位限制，增量仿真，记录y(k)

8、，u(k)至表2中，画出增量仿真图形，在图中标明过渡过程中的各项参数。 阶跃输入，有阀位限制，增量及全量仿真，记录y(k)，u(k)至表3、表4中。并进行比较。画出增量及全量仿真图形，在图中标明过渡过程中的各项参数。 阶跃输入，无有阀位限制，增量或全量仿真，记录y(k)，u(k)至表5中。画出增量或全量仿真图形，在图中标明过渡过程中的各项参数。 调试一组较理想的值，并说明采用有阀位全量算法，记录y(k)至表6中，画出y(k)响应曲线，标明过渡过程参数。,实验三 模拟输入/输出实验,实验内容 执行实验程序，通过A/D口输入电压信号，并测量。 测试A/D转换灵敏度，线性范围，分析模拟量与数字量之间

9、的关系。 执行实验程序，通过D/A口输出电压信号，并测量。 测试D/A转换灵敏度，线性范围，分析模拟量与数字量之间的关系。,实验三 模拟输入/输出实验,1、A/D转换： 单极性A/D转换接线：双极性A/D转换接线： 单双极性A/D转换分别调用实验机软件“微机控制/模/数转换”界面进行测量，添写表1和表2实验数据。,实验三 模拟输入/输出实验,2 D/A转换接线：读懂D/A转换程序DA.c。打开文件DA.c，修改下段程序中的count的数值，即D/A要转换的数字量，范围是0x000xff。 打开da.c文件，调用实验机软件“编译/编译并连接”编译文件，成功后调用“调试/加载调试”下载程序，最后执

10、行“调试/全速运行”即可在实验机上运行修改后的程序。通过D1的数码管显示D/A转换输出电压（用D1输入信号测量按钮，切换观察05V，-5+5V运行结果），并将测试结果填写表3。,实验四准备工作,实验内容 参照实验一内容，在labACT自控/计控原理实验机上实现模拟滤波与数字滤波实验。设计上式模拟滤波环节原理图，计算表1模拟虑波器频率特性理论值。 计算表2中数字滤波频率特性的理论值。,实验四准备工作,放大器环节A3 输入电阻（k）：10，20，50，100，200 反馈电阻（k）：10，20，100 反馈电容（uf）：有三个可并联的1uf电容 放大器环节A6 输入电阻（k）：10，20，30，5

11、0，100，500 反馈电阻（k）：10，50，300 反馈电容（uf）：有四个可并联的1uf电容,实验四 模拟滤波与数字滤波实验,一 模拟滤波器用实验仪中的A3、A6环节搭接模拟滤波器。将“B5函数发生器的SIN正弦波输出”接“滤波器模拟” 输入，正弦波信号幅值在3伏左右） ，将“SIN正弦波输出”接“B3虚拟示波器的CH1”，模拟环节的输出接“B3虚拟示波器的CH2”。运行界面“开始”“停止”就可看到曲线。测量值： 实测幅值=输出幅值峰峰值 / 输入幅值峰峰值 实测相角=输入与输出峰值时的相角差（时间差）/ 输入信号周期*360,实验四 模拟滤波与数字滤波实验,按实验报告要求给出实验结果,

12、实验四 模拟滤波与数字滤波实验,二、数字滤波器首先在labACT软件界面中，打开Filter.c并读懂,修改滤波系数 例如则设 Td=8; /* Td*2.5ms*/ 相当于采样周期为20ms aa=9; / aa=a1*KY bb=0; / bb=b0*KY cc=1; / cc=b1*KY KY=10; 接线：将“B5-SIN正弦波”输出，连接 “B7-IN6”，Filter.c程序将一阶滤波结果输出到D/A口，连接“B2的OUT2测孔”与“B3虚拟滤波器的CH2”，将“B5（信号发生器）的SIN正弦波”与“B3虚拟滤波器的CH1”连接。,实验四 模拟滤波与数字滤波实验,执行步骤为： （1

13、）完成相应连线； （2）调出“工具/双迹示波器”界面； （3）调用“工具/加载文件到实验机”，加载Filter.exe程序； （4）在“工具/双迹示波器”界面上按“开始”启动程序。分别使用保持器等效法和双线性变换法完成一阶数字滤波在表2中填写理论值和实验数据。 （5）幅值、相角测试方法与模拟滤波器相同按实验报告要求给出实验结果,实验五准备工作,1 根据已知对象传递函数求取飞升特性，用高桥整定法分别计算在采样周期Ts=10ms,Ts=20ms时的PID参数 2 根据下式给出模拟环节电路图，同样可采用A3和A6,实验五 数字PID控制实验,实验步骤： 1 搭接模拟对象：用A3、A6,按指导书中实验

14、步骤1，2简单测试飞升特性（验证对象是否正确）,实验五 数字PID控制实验,2 按下图接线：分被调用控制程序PID1.c和PID2.c，设置控制参数（方法同数字滤波器），调用实验机软件“编译/编译并连接”编译文件，生成可执行文件pid.exe。,3 执行步骤： （1）调出“工具/双迹示波器”界面； （2）调用“工具/加载文件到实验机”，加载pid.exe程序； （3）在“工具/双迹示波器”界面上按“开始”启动程序 （4）观察结果，调整参数。,按实验报告给出实验结果：模型，原参数、曲线，调整后的参数、曲线,实验五 数字PID控制实验,实验六直流电机闭环控制实验,1、用实验法做出直流电机的飞升特性

15、，辨识出对象特性。阶跃输入：“B1幅度控制”接“电机输入”，此时B1中“k3 k4”置下档（为05V的阶跃信号），电机输出接示波器 ，按实验指导书实验五中测试飞升特性，求出电机模型。,实验六直流电机闭环控制实验,2、用开环整定法计算PID参数。 开环整定法则求T=10ms时Ki ，Kp ，Kd 求T=20ms时Ki ，Kp ，Kd,实验六直流电机闭环控制实验,3 电机控制连接图，调用PID程序，修改参数，调用实验机软件“编译/编译并连接”编译文件，生成可执行文件pid.exe。,执行步骤： （1）调出“工具/双迹示波器”界面； （2）调用“工具/加载文件到实验机”，加载pid.exe程序； （3）在“工具/双迹示波器”界面上按“开始”启动程序 （4）观察结果，调整参数。,按实验报告给出实验结果：模型，原参数、曲线，调整后的参数、曲线,实验六直流电机闭环控制实验,