運算機操縱系統(tǒng)指導書

1、刖R數字運算機由于其具有壯大的算術運算、邏輯判定、經歷等信息加工能力，使得它一誕生就被應用到操縱領域。隨著運算機科學技術的進展，使60年代操縱理論取得應用，而現代操縱理論的進展，又為運算機操縱的進展奠定了廣漠的理論基礎。專門是微電子技術的進展給運算機操縱提供了物質基礎。此刻在工業(yè)生產等領域中，運算機操縱正普遍深切地的取得應用，并取得了可喜的經濟效益和社會效益。為適應當前科學技術的進展，在自動操縱系統(tǒng)專業(yè)中開設了運算機操縱系統(tǒng)這門課程，作為大學生的必修課。本套“運算機操縱實驗系統(tǒng)”確實是為這門課程的教學和實驗而設計的。系統(tǒng)采納AD/DA卡通過USB接口與運算機連接實現信號源信號的輸出和系統(tǒng)響應信

2、號的搜集，搜集后信號通過運算機顯示屏顯示，省去了外接信號源和示波器測量響應信號的麻煩。EL-CAT-III/IV型自動操縱實驗系統(tǒng)支持運算機操縱理論課的所有實驗，通過這套實驗儀器可使學生進一步了解和把握運算機操縱理論的大體概念、操縱系統(tǒng)的分析方式和設計方式和操縱算法的編程實現，學習和把握系統(tǒng)模擬電路的組成和測試技術，提高應用運算機的能力及水平。另外，與本套實驗箱配備的還有三個實際的操縱對象：溫控爐、直流電機、步進電機，通過對這三個對象的操縱能夠提高學生對實際操縱對象的感性熟悉。本書分為四章，第一章為EL-CAT-III/IV型實驗箱硬件資源，要緊介紹實驗箱的硬件組成和系統(tǒng)單元電路。第二章為系統(tǒng)

3、集成操作軟件，要緊介紹系統(tǒng)軟件的安裝，操作和運算機和實驗箱的通信設置。第三章為運算機算法編程指導，要緊介紹軟件算法的實現方式。第四章為實驗系統(tǒng)部份，要緊介紹各個實驗的電路組成，實驗原理和實驗步驟。另外，在附錄部份有部份實驗的說明和參考結果和操縱對象的原理電路圖。1. 硬件資源22. 軟軟件安裝及利用7第三章實驗系統(tǒng)部份13實驗一D/A數模轉換實驗14實驗二A/D模數轉換實驗16實驗三數字PID操縱實驗18實驗四狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器實驗23實驗五數字濾波器實驗28實驗六大林算法實驗34實驗七爐溫操縱實驗38實驗八電機調速實驗43實驗九步進電機操縱實驗48實驗十數據搜集50附錄一直流電機操縱對象原

4、理圖51附錄二溫控爐操縱對象原理圖52附錄三實驗結果參考53附錄四AD/DA卡調試說明63硬件資源EL-CAT-III/IV型實驗系統(tǒng)要緊由運算機、AD/DA搜集卡、自動操縱原理實驗箱、打印機（可選）組成如圖1,其中運算機依照不同的實驗別離起信號產生、測量、顯示、系統(tǒng)操縱和數據處置的作用，打印機要緊記錄各類實驗數據和結果，實驗箱要緊構造被控模擬對象。圖1實驗系統(tǒng)組成實驗箱面板如下圖:圖2EL-CAT-IH型實驗箱面板圖ELYAT-IV型實驗箱面板下面要緊介紹實驗箱的組成：1. 系統(tǒng)電源EL-CAT-III/IV系統(tǒng)采納本公司生產的高性能開關電源作為系統(tǒng)的工作電源，其要緊技術性能指標為：2. 輸

5、入電壓：AC220V3. 輸出電壓/電流：+12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A4. 輸出功率：22W5. 工作環(huán)境：-5C。+40C。6. AD/DA搜集卡AD/DA搜集卡如圖3采納C8051F410芯片做為主控芯片，負責數據搜集和USB通信，AD采樣位數為12位，采樣率為lOOKHZoDA轉換位數為12位，轉換速度為10KoAD/DA搜集卡有兩路輸出（DA一、DA2）和兩路輸入（AD一、AD2）,其輸入和輸出電壓均為-5V+5V。圖3AD/DA搜集卡另外在AD/DA卡上有一個10針插座用來連接AD/DA卡和運算機，連接方式分USB和RS232O7. 實驗箱面板EL-CAT-H

6、I/IV實險箱面板布局如下圖：圖4-1EL-CAT-III實驗箱面板布局圖4-2EL-CAT-IV實驗箱面板布局實驗箱面板要緊由以下幾部份組成：1.實驗模塊EL-CAT-III/IV實險系統(tǒng)有八組由放大器、電阻、電容組成的實驗模塊。每一個模塊中都有一個由UA741組成的放大器和假設干個電阻、電容。如此通過對這八個實驗模塊的靈活組合即可構造出各類型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和操縱系統(tǒng)。（注：EL-CAT-IV只有六組放大器，多了三個操縱對象）2.二極管，電阻、電容、二極管區(qū)這些區(qū)域要緊提供實驗所需的二極管、電阻和電容。3. AD/DA卡輸入輸出模塊該區(qū)域是引出AD/DA卡的輸入輸出端，一共引出兩路輸出端

7、和兩路輸入端，別離是DA一、DA2,AD一、AD2O有一個按鈕復位，按下一次對AD/DA卡進行一次復位。20針的插座用來和操縱對象連接。（注：EL-CAT-IV沒有此接口，操縱對象直接裝到實驗箱里了，EL-CAT-IV型沒有復位按鈕，采納上電復位）4. 電源模塊電源模塊有一個實驗箱電源開關，有四個開關電源提供的DC電源端子，別離是十12V、-12V、+5V、GND,這些端子給外擴模塊提供電源。5. 變阻箱、變容箱模塊變阻箱、變容箱是本實驗系統(tǒng)的一個突出特點，只要按動數字隔壁的“+-”按鈕即可調劑電阻電容的值，而且電阻電容值能夠直接讀出。第二章軟件安裝及利用軟件安奘軟彳牛安裝（分兩大部份）一、安

8、裝應用軟件1 .依照軟件提示，一步一步完成安裝圖1進入安裝界面圖2選擇安裝路徑圖3單擊Install圖4安裝完畢界面2 .完成應用軟件的安裝應用軟件會自動出此刻.開始一程序列表中。二、USB驅動安裝假作系統(tǒng)不同安裝步驟有不同）Windows2000操作系統(tǒng)下：1 .通過USB硬件接口，連接實驗箱與運算機，運算機將自動顯示圖5圖5進入安裝界面圖6選擇單項選擇按鈕后，單擊下一步2 .圖6的驅動安裝文件在第一步安裝的應用程序文件中，因此應選擇第一步安裝應用程序的途徑和文件名，然后單擊”確信:系統(tǒng)將會自動查找驅動安裝文件。圖7選擇如圖的復選按鈕后，單擊下一步圖8選擇驅動安裝文件途徑圖9單擊下一步圖10

9、安裝完成界面WindowsXP操作系統(tǒng)下：1 .通過USB硬件接口，連接實驗箱與運算機，運算機將自動顯示圖12 .圖2的驅動安裝文件在第一步安裝的應用程序文件中，因此應選擇第一步安裝應用程序的途徑和文件名，然后單擊”確信:系統(tǒng)將會自動搜索驅動安裝文件。aa圖11選擇如圖的單項選擇按鈕后，單擊下一步圖12選擇驅動安裝文件途徑圖13單擊“仍然繼續(xù)”圖14安裝完成界面應用軟件和USB驅動都安裝完成后,能夠運行實驗系統(tǒng).Windows98操作系統(tǒng)下：1 .通過USB硬件接口，連接實驗箱與運算機，運算機將自動顯示圖1圖1進入安裝界面圖2選擇如圖的單項選擇按鈕后，單擊下一步2 .圖3的驅動安裝文件在第一步

10、安裝的應用程序文件中，因此應選擇第一步安裝應用程序的途徑和文件名，然后單擊“下一步'，系統(tǒng)將會自動搜索驅動安裝文件。圖3選擇驅動安裝文件途徑圖4單擊下一步圖5安裝完成界面二、軟件啟動與利用說明1 .軟件啟動在Windows桌面上雙擊。運算機操縱實驗”快捷方式，運行軟件，或。開始-程序-北京達盛科技軟件”中單擊.運算機操縱實驗”快捷方式，即可啟動軟件如圖152 .實驗前運算機與實驗箱的連接用實驗箱自帶的USB線將實驗箱后面的USB口與運算機的USB口連接，啟動“運算機操縱實驗”軟件。1. 軟件利用說明本套軟件界面共分為三個組畫面1. 軟件說明和實驗指導書畫面（如圖15）2. 數據搜集顯示

11、畫面（如圖16）圖15圖16F面介紹軟件具體操作和功能：-：工具欄按鈕：L0點擊或按F1）能夠選擇實驗項目作為當前實驗項目，系統(tǒng)在指導書窗口顯示相應的實驗指導書，在實驗進行進程中處于禁止狀態(tài)。2,口點擊或按F21切換回指導書窗口。3 .顯點擊或按F31切換到“示波器窗口。4 .息點擊或按F4切換到頻率特性窗口。5 .國點擊或按F5開始/舍棄當前實臉項目，在沒有選擇任何實臉項目的時候為禁止狀態(tài)。6 .岐點擊或按F61彈出關于對話框，顯示程序信息、版本號和版權信息。二:示波器操作：1 .測量在“示波器窗口單擊鼠標右鍵，在彈出菜單當選擇測量”打開測量游標（重復前述步驟隱藏測量游標），拖動任一游標到感

12、愛好的位置，圖表區(qū)下方會顯示當前游標的位置和與同類的另一游標之間距離的絕對值。若是想精準定位游標只需用鼠標左鍵單擊相應的游標位置欄并在編輯框中輸入合法值回車即可。2,快照在"示波器窗口單擊鼠標右鍵，在彈出菜單當選擇"快照將當前圖像復制到剪貼板，以便粘貼到畫圖或其他圖像編輯軟件中編輯和保留。3.打印目前尚不支持。4,線型在示波器窗口單擊鼠標右鍵，在彈出菜單中可點擊“直線、折線或“點線來選擇數據點和數據點之間的連接方式，體會各類連接方式的不同。5 .配色用鼠標左鍵雙擊圖表區(qū)除曲線之外的元素會彈出標準顏色對話框，用戶能夠更改相應元素的顏色（比如將網格顏色改成與背景相同顏色）。6

13、.縮放用鼠標左鍵單擊圖表區(qū)刻度區(qū)的邊界刻度并在編輯框中輸入和法值回車即可改變當前顯示范圍。2.實驗系統(tǒng)部份本套實驗系統(tǒng)一共提供了七個典型實驗：D/A數模轉換實驗、A/D模數轉換實驗、數字PID實臉、狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器實驗、數字濾波器實臉、大林算法實驗及數據搜集實驗.二另外，還提供了三個操縱對象的算法，配合我公司提供的操縱對象，可完成對實際對象的操縱。本系統(tǒng)算法完全開放，系統(tǒng)結構組合靈活，依照各高校情形的不同，能夠自行修改和添加新的實驗，以完成教學的要求。實驗一D/A數模轉換實驗一、實驗目的1 .把握數模轉換的大體原理。2 .熟悉12位D/A轉換的方式。二、實驗儀器1 .EL-AT-III型運

14、算機操縱系統(tǒng)實驗箱一臺2 .PC運算機一臺三、實驗內容通過A/D&D/A卡完成12位D/A轉換的實驗，在那個地址采納雙極性模擬量輸出，數字量輸入范圍為：。4095,模擬量輸出范圍為：-5V+5V。轉換公式如下：U。二Vrefx(2li-Kll+210-K10+.+2°K0)/21：-1/2Vref=10V例如：數字量=0則K11=O,K1O=1,K9=l,K8=0,K7=0,K6=l,K5=l,K4=0,K3=0,K2=l,K1=O,K0=0模擬量U。=10x664H/1000H-1/2=四、實驗步驟1 .連接A/D、D/A卡的DA輸出通道和AD搜集通道。A/D、D/A卡的D

15、A1輸出接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源;2 .啟動運算機，雙擊桌面“運算機操縱實驗”快捷方式，運行軟件。3 .測試運算機與實驗箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。4 .在實驗項目的下拉列表當選擇實臉一D/A數模轉換實驗,鼠標單擊回按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框。5 .在參數設置對話框中設置相應的實驗參數后，在下面的文字框內將算出變換后的模擬量，6 .點擊確信，在顯示窗口觀測搜集到的模擬量。并將測量結果填入下表：數字量模擬量理論值實測值五、實驗報告1 .畫出數字量與模擬量的對應曲線。2 .計算出理論值，將其與實驗結果比較，分

16、析產生誤差的緣故。六、預習要求1 .熟悉數模轉換的原理。2 .學習數模轉換的轉換方式。實驗二A/D模數轉換實驗一、實驗目的1 .把握模數轉換的大體原理。2 .熟悉12位A/D轉換的方式。二、實驗儀器1 .EL-AT-III型運算機操縱系統(tǒng)實驗箱一臺2 .PC運算機一臺三、實驗內容通過A/D&D/A卡完成12位D/A轉換的實驗，在那個地址采納雙極性模擬量輸入，模擬量輸入范圍為：-5V+5V,數字量輸出范圍為：04095。轉換公式如下：數字量=4095X(Vin/Vref+1/2)其中Vref是基準電壓(滿量程電壓)為10Vo例如：模擬量二則數字量二4095X(10+)=999H四、實驗步

17、驟1 .連接A/DxD/A卡的DA輸出通道和AD搜集通道。A/D、D/A卡的DA1輸出接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源,2 .啟動運算機，雙擊桌面.運算機操縱實險1快捷方式，運行軟件。3 .測試運算機與實驗箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。4 .在實驗項目的下拉列表當選擇實臉二A/D數模轉換實驗,鼠標單擊回按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框5 .在彈出的參數窗口中填入想要變換的模擬量，點擊變換，在下面的文字框內將算出變換后的數字量。6 .點擊確信，在顯示窗口觀測搜集到的數字量。并將測量結果填入下表：模擬量數字量理論值實測值五、

18、實驗報告1 .畫出模擬量與數字量的對應曲線。2 .計算出理論值，將其與實驗結果比較，分析產生誤差的緣故。六、預習要求1 .熟悉數模轉換的原理。2 .學習數模轉換的轉換方式。實驗三數字PID操縱一、實驗目的1 .研究PID操縱器的參數對系統(tǒng)穩(wěn)固性及過渡進程的阻礙。2 .研究采樣周期T對系統(tǒng)特性的阻礙。3 .研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)的穩(wěn)固誤差。二、實驗儀器1 .EL-AT-III型運算機操縱系統(tǒng)實驗箱一臺2 .PC運算機一臺三、實驗內容1 .系統(tǒng)結構圖如3-1圖。a一一圖3-1系統(tǒng)結構圖圖中Gc(s)=Kp(1+Ki/s+Kds)Gh(s)=(1-e-TS)/sGpl(s)=5/(+1)(+1)Gp2(

19、s)=1/(s(+1)2 .開環(huán)系統(tǒng)(被操縱對象)的模擬電路圖如圖3-2和圖3-3,其中圖3-2對應GP1(S)，圖3-3對應Gp2(s)o圖3-2開環(huán)系統(tǒng)結構圖1圖3-3開環(huán)系統(tǒng)結構圖23 .被控對象GP1(s)為型”系統(tǒng)，采納PI操縱或PID操縱，可系統(tǒng)變成“I型，系統(tǒng)，被控對象Gp2(s)為打型”系統(tǒng)，采納PI操縱或PID操縱可使系統(tǒng)變成“H型”系統(tǒng)。4 .當r(t)=1(t)時(實際是方波)，研究其過渡進程。5 .PI調劑器及PID調劑器的增益Gc(s)=Kp(1+Kl/s)=KpKl(1/kl)s+1)/s=K(Tis+l)/s式中K=KpKi,Ti=(1/K1)不難看出PI調劑器的

20、增益K二KpKi,因此在改變Ki時，同時改變了閉環(huán)增益K,若是不想改變K,那么應相應改變Kp0采納PID調劑器相同。6 .-II型'系統(tǒng)要注意穩(wěn)固性。關于Gp2(s),假設采納PI調劑器操縱，其開環(huán)傳遞函數為G(s)=Gc(s)Gp2(s)=K(Tis+1)/sl/s(+1)為利用環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)固，應知足Ti>,即Kl<107 .PID遞推算法若是PID調劑器輸入信號為e(t),其輸送信號為u(t),那么離散的遞推算法如下：u(k)=u(k-1)+qOe(k)+qle(k-1)+q2e(k-2)其中qO=Kp(l+KiT+(Kd/T)ql=-Kp(1+(2Kd/T)q2=Kp(K

21、d/T)T一采樣周期四、實驗步驟1 .連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-2)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2 .啟動運算機，雙擊桌面.運算機操縱實臉”快捷方式，運行軟件。3 .測試運算機與實驗箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。4 .在實驗項目的下拉列表當選擇實驗三數字PID操縱,鼠標單擊鼠標單擊回物鈕，彈出實驗課題參數設置窗口。5 .輸入參數Kp,Ki,Kd(參考值Kp=l,Ki=kd=l)o6 .參數設置完成點擊確認后觀看響應曲線。假設不中意，改變Kp,K

22、i,Kd的數值和與其相對應的性能指標。P、ts的數值。7 .取中意的Kp,Ki,Kd值，觀查有無穩(wěn)態(tài)誤差。8 .斷開電源，連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-3)o電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容的兩頭連在模擬開關上。檢查無誤后接通電源。9 .重復4-7步驟。10 .計算Kp,Ki,Kd取不同的數值時對應的。p、ts的數值，測量系統(tǒng)的階躍響應曲線及時域性能指標，記入表中：果參數6%Ts階躍響應曲線KpKiKd五、實驗報告1 .畫出所做實驗的模擬電路圖。2 .當被控對象為Gpl（s時）取過渡進程為最中意時的Kp,Ki,Kd,

23、畫出校正后的Bode圖，查出相穩(wěn)固裕量7和穿越頻率c。3 .總結一種有效的選擇Kp,Ki,Kd方式，以最快的速度取得中意的參數二六、預習要求1 .熟悉PID操縱器系統(tǒng)的組成。2 .熟悉PID操縱器的參數對系統(tǒng)穩(wěn)固性的阻礙。七、PID軟件流程圖圖中ek為誤差，ekl為上一次的誤差，ek2為誤差的積存和，uk是操縱量初始化控制步數、采樣點數Point初始化ek,ekl,ek2,uk實驗四狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器一、實驗目的1 .把握狀態(tài)反饋極點配置的設計方式。2 .研究不同極點配置對系統(tǒng)動態(tài)性能的阻礙。3 .把握全維觀測器的組成及設計方式。4 .研究觀測器在狀態(tài)反饋極點配置中的應用。二、實驗儀器1 .

24、EL-AT-III型運算機操縱系統(tǒng)實驗箱一臺2 .PC運算機一臺三、實驗內容1 .被控對象模擬電路圖如圖4-1。圖4-1被控對象模擬電路2 .系統(tǒng)數學模型(1)被控對象傳遞函數為Gp(s)=Y(s)/U(s)=100/(s2+(2)被控對象狀態(tài)方程X=Ax+BuY=Cx式中0C=1001.帶有狀態(tài)觀測器的狀況反饋系統(tǒng)方框圖示于圖4-2。圖4-2系統(tǒng)方框圖圖中G=eATH=fOT(p(t)dtB(p(t)=eAtK1x2維狀態(tài)反饋系統(tǒng)矩陣，由運算機算出。L2x1維觀測器的反饋矩陣，由運算機算出。Kr一為使y(t)跟蹤r(t)乘的比例系數，它由運算機自動地遞推算出。4 .希望的系數極點(參考值)：

25、S1,S2二士，它對應在Z平面上應為Z1,Z2二士5 .觀測器極點參考值：Zl,Z2=±jO四、實驗步驟1 .連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/DsD/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2 .啟動運算機，雙擊桌面.運算機操縱實險”快捷方式，運行軟件。3 .測試運算機與實驗箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。階躍響應4 .在實驗項目的下拉列表當選擇實驗四四、狀態(tài)反饋和狀態(tài)觀測器。5 .鼠標單擊回按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框。在參數設置對話框中設置相應的實驗參數后鼠標單

26、擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。跟蹤響應6 .實驗步驟5完成后鼠標單擊回隹鈕，彈出實驗課題參數設置對話框。在參數設置對話框當選中跟蹤項，然后顯現新的參數設置框，設置好參數后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實臉結果7.修改實險參數設置窗口中所用的參數值,觀看波形的轉變。8.將實險內容中的參考值的實測階躍響應曲線及性能指標記入下表中：KIK2階躍響應曲線y(t)tp0%ts0五、實驗報告1 .畫出上述兩個狀態(tài)反餞系統(tǒng)的結構圖和模擬線路圖。2 .計算這兩個狀態(tài)反饋系統(tǒng)的狀態(tài)反饋陣K及相應的性能指標：tp、油和tp,并與實測值進行比較，查驗狀態(tài)反饋極點配置是不是達到了設計要求。3.畫出全維觀測器和

27、降維觀測器狀態(tài)反饋極點配置的結構圖和模擬線路圖，畫出這兩個系統(tǒng)的實測階躍響應曲線及實測性能指標tP、o%和ts。六、預習要求1 .閱讀實驗內容。2.推導實驗系統(tǒng)中的全維觀測器方程。3.計算兩個狀態(tài)反饋系統(tǒng)的狀態(tài)反饋陣K及相應的性能指標tp、ts和消。七、狀態(tài)觀測器軟件流程圖圖中yk為當前輸出，ykl為上一次系統(tǒng)輸出，xkl為上一次的觀測陣xk是當前觀測陣，ul是當前操縱量結束一、實驗目的實驗五數字濾波器實驗1 .研究數字濾波器對系統(tǒng)穩(wěn)固性及過渡進程的阻礙。2 .熟悉和把握系統(tǒng)過渡進程的測量方式。3 .把握數字濾波器的設計方式。4 .了解數字濾波器的通帶對系統(tǒng)性能的阻礙。二、實驗儀器1 .EL-

28、AT-III型運算機操縱系統(tǒng)實驗箱一臺2 .PC運算機一臺三、實驗內容1-需加入串聯超前校正的開環(huán)系統(tǒng)電路及傳遞函數（1）實驗電路圖5-1需加入串聯超前校正的開環(huán)系統(tǒng)電路圖（2）系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數圖5-2系統(tǒng)開環(huán)結構圖（3）系統(tǒng)閉環(huán)結構圖圖5-3系統(tǒng)閉環(huán)結構圖（4）數字濾波器的遞推公式模擬濾波器的傳函:Tls+1T2S+1利用雙線性變換得數字濾波器的遞推公式：Uk=qOxUk-l+qlxek+q2xekTqO=(T-2T2)/(T+2T2)ql=(T+2Tl)/(T+2T2)q2=(T-2T1)/(T+2T2)T二采樣周期T1二超前時刻常數T2二滯后時刻常數1. 需加入串聯滯后校正的開環(huán)系統(tǒng)電路

29、及傳遞函數L實驗電路圖5-4需加入串聯滯后校正的開環(huán)系統(tǒng)電路圖2. 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數圖5-5系統(tǒng)開環(huán)結構圖3. 系統(tǒng)閉環(huán)結構圖：圖5-6系統(tǒng)閉環(huán)結構圖4. )數字濾波器的遞推公式模擬濾波器的傳遞函數：Tls+1T2S+1利用雙線性變換得數字濾波器的遞推公式：Uk=qOUk-l+qlek+q2ek-lqO=(T-2T2)/(T+2T2)ql=(T+2Tl)/(T+2T2)q2=(T-2Tl)/(T+2T2)T二采樣周期T1二超前時刻常數T2二滯后時刻常數四、實驗步驟L啟動運算機，雙擊桌面.運算機操縱實險”快捷方式，運行軟件。2 .測試運算機與實驗箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找

30、緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。超前校正3 .連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-1)o電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容兩頭接在模擬開關上。檢查無誤后接通電源。4 .在實驗項目的下拉列表當選擇實險五五、數字濾波器,鼠標單擊回按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框，選擇超前校正，然后在參數設置對話框中設置相應的實驗參數.鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實臉結果，并記錄超調量OP和調劑時刻tso5 .重復步驟4,改變參數設置，將所測的波形進行比較。并將測量結果記入下表中：常數性能指階躍響應曲線6%Tp（秒）Ts(秒)滯后校正6

31、.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖5-4）o電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容兩頭接在模擬開關上。檢查無誤后接通電源。7 .在實驗項目的下拉列表當選擇實險五五、數字濾波器,鼠標單擊回按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框，選擇滯后校正，然后在參數設置對話框中設置相應的實險參數，鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實臉結果，并記錄超調量op和調劑時刻tso8.重復步驟7,改變參數設置，將所測的波形進行比較。并將測量結果記入下表中：常數性能指階躍響應曲線6%Tp（秒）Ts（秒）五、實驗報告1 .畫出所做實驗的模擬圖，結構圖。2 .分析加數

32、字濾波器前系統(tǒng)的穩(wěn)固特性。3 .從響應曲線中分析校正后的結果并與理論分析比較。六、數字濾波軟件流程圖圖中ek為誤差，ekl為上一次的誤差，uk是操縱量，ukl是上一次的操縱量初始化控制步數、采樣點數Point使硬件被控對象初始化值輸出等于0結束實驗六大林算法一、實驗目的1 .把握大林算法的特點及適用范圍。2 .了解大林算法中時刻常數T對系統(tǒng)的阻礙。二、實驗儀器1 .EL-AT-III型運算機操縱系統(tǒng)實驗箱一臺2 .PC運算機一臺三、實驗內容1 .實驗被控對象的組成：(1)慣性環(huán)節(jié)的仿真電路及傳遞函數G(S)=-2/(Tl+l)11=(2)純延時環(huán)節(jié)的組成與傳遞函數G(s)=e-Ni尸采樣周期N

33、為正整數的純圖6-1被控對象電路圖延時個數由于純延時環(huán)節(jié)不易用電路實現，在軟件中由運算機實現。(3)被控對象的開環(huán)傳函為：G(S)=-2e-Nl/(Tl+l)2 .大林算法的閉環(huán)傳遞函數：Go(s)=e-Nr/(Ts+l)T;大林時刻常數3 .大林算法的數字操縱器：D(Z)=(1-ex/T)(1-e-r/TlZ-l)/k(1-e-r/Tl)l-e-x/TZ-l-(1-e-r/T)Z-N-l設kl=e-t/TK2=e-i/TlTl=T二大林常數K=2(K-Kk2)Uk=(l-kl)ek-(l-kl)k2ek-l+(k-kk2)klUk-l+(k-kk2)(l-kl)Uk-N-l四、實驗步驟1 .

34、啟動運算機，雙擊桌面“運算機操縱實驗,快捷方式，運行軟件。2 .測試運算機與實險箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。3 .量對象的模擬電路(圖6-1)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4 .在實驗項目的下拉列表當選擇實驗六六、大林算法,鼠標單擊同按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框，在參數設置窗口設置延遲時刻和大林常數，點擊確認在觀看窗口觀測系統(tǒng)響應曲線。測量系統(tǒng)響應時刻Ts和超調量。1.復步驟4,改變參數設置，將所測的波形進行比較。并將測量結果記入下表中：指標參數設丁

35、階躍響應曲線5%Ts（秒）Tp（秒）延遲時間大林常數五、實驗報告1 .分析開環(huán)系統(tǒng)下的階躍響應曲線。2 .畫出閉環(huán)的階躍響應曲線，并求出超調和響應時刻。3 .分析大林時刻常數對系統(tǒng)穩(wěn)固性的阻礙。六、大林算法軟件流程圖圖中ek為誤差，ekl為上一次的誤差，uk是操縱量，ukl是上一次的操縱量uknl是上N+1次的操縱量使硬件被控對象初始化值輸出等于0采集硬件被控對象的輸出inputfinputf浮點化inputf延遲N步求ek=start-inputf(K-Kk2)Ut=(l-ki)eL-(l-ki)k：eu+(k-kk2)kiUu+(k-kkz)(l-ki)Umi判uk是否超上下限輸出ukek

36、l=ekUknl更新畫被控對象第J點輸出inputf實驗七爐溫操縱實驗一、實驗目的1 .了解溫度操縱系統(tǒng)的特點。2 .研究采樣周期T對系統(tǒng)特性的阻礙。3 .研究大時刻常數系統(tǒng)PID操縱器的參數的整定方式。二、實驗儀器1 .EL-AT-III型運算機操縱系統(tǒng)實驗箱一臺2 .PC運算機一臺3 .爐溫操縱實驗對象一臺三、爐溫操縱的大體原理1.系統(tǒng)結構圖示于圖7-1。圖7-1系統(tǒng)結構圖圖中Gc(s)=Kp(1+Ki/s+Kds)Gh(s)=(1-e-TS)/sGp(s)=1/(Ts+1)2 .系統(tǒng)的大體工作原理整個爐溫操縱系統(tǒng)由兩大部份組成，第一部份由運算機和A/D&D/A卡組成，要緊完成溫度

37、搜集、PID運算、產生操縱可控硅的觸發(fā)脈沖，第二部份由傳感器信號放大，同步脈沖形成，和觸發(fā)脈沖放大等組成。爐溫操縱的大體原理是：改變可控硅的導通角即改變電熱爐加熱絲兩頭的有效電壓，有效電壓的可在0140V內轉變?？煽毓璧膶ń菫?5CH。溫度傳感是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成的，溫度越高其輸出電壓越小。外部LED燈的亮滅表示可控硅的導通與閉合的占空比時刻，若是爐溫溫度低于設定值那么可控硅導通，系統(tǒng)加熱，不然系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設定值。第二部份電路原理圖見附錄一。3 .PID遞推算法：若是PID調劑器輸入信號為e(t),其輸送信號為u(t),那么離散的遞推算法如下：Uk=Kpek+K

38、iek2+Kd(ek-ekT),其中ek2是誤差積存和。四、實驗內容：1 .設定爐子的溫度在一恒定值。2 .調整P、I、D各參數觀看對其有何阻礙。五、實驗步驟1 .啟動運算機，雙擊桌面“運算機操縱實驗”快捷方式，運行軟件。2 .測試運算機與實驗箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。3 .20芯的扁平電纜連接實驗箱和爐溫操縱對象，檢查無誤后，接通實驗箱和爐溫操縱的電源。開環(huán)操縱4 .在實臉項目的下拉列表當選擇實臉七七、爐溫操縱,鼠標單擊同按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框。在參數設置對話框中設置相應的實驗參數后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果

39、:測量系統(tǒng)響應時刻Ts和超調量。p。1.重復步驟4,改變參數設置，觀測波形的轉變，記入下表：指標占空比、階躍響應曲線6%Tp（秒）Ts（秒）閉環(huán)操縱6.在實驗項目的下拉列表當選擇實驗七七、爐溫操縱鼠標單擊回按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框，選擇PID,在參數設置窗口設置爐溫操縱對象的給定溫度和Ki、Kp、Kd值，點擊確認在觀看窗口觀測系統(tǒng)響應曲線。測量系統(tǒng)響應時刻Ts和超調量op。7,重復步驟6,改變PID參數，觀測波形的轉變，記入下表中：指標參數階躍響應曲線5%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd六、實驗報告1 .記錄過渡進程為最中意時的Kp,Ki,Kd并畫出其響應曲線。2 .分析此情形下的超調

40、量、響應時刻及穩(wěn)態(tài)誤差。3 .總結一種對溫度操縱系統(tǒng)有效的選擇Kp,Ki,Kd方式，以最快的速度取得中意的參數。七、溫度操縱軟件流程圖圖中ek為誤差，ekl為上一次的誤差，ek2為誤差的積存和，uk是操縱量,可控硅導通角操縱量a=05bH,a=0導通角最大，a=5b導通角為零。實驗八電機調速實驗一、實驗目的1 -了解直流電機調速系統(tǒng)的特點。2 .研究采樣周期T對系統(tǒng)特性的阻礙。3 .研究電機調速系統(tǒng)PID操縱器的參數的整定方式。二、實驗儀器1 .EL-AT-III型運算機操縱系統(tǒng)實驗箱一臺2 .PC運算機一臺3 .直流電機操縱實驗對象一臺三、操縱的大體原理1 .系統(tǒng)結構圖示于圖8-1。圖8-1

41、系統(tǒng)結構圖圖中Gc(s)=Kp(1+Ki/s+Kds)Gh(s)=(1-e-TS)/sGp(s)=1/(Ts+1)2 .系統(tǒng)的大體工作原理整個電機調速系統(tǒng)由兩大部份組成，第一部份由運算機和A/D&D/A卡組成，要緊完成速度搜集、PID運算、產生操縱電樞電壓的操縱電壓，第二部份由傳感器信號整形，操縱電壓功率放大等組成。電機速度操縱的大體原理是：通過D/A輸出+的電壓操縱7812的輸出，以達到操縱直流電機電樞電壓的目的。速度搜集由一對霍爾器件完成，輸出脈沖信號的距離反映了電機的轉速。第二部份電路原理圖見附錄二。3 .PID遞推算法：若是PID調劑器輸入信號為e(t),其輸送信號為u(t),

42、那么離散的遞推算法如下：Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1)其ek2是誤差積存和。四、實驗內容：4 、設定電機的速度在一恒定值。5 、調整P、I、D各參數觀看對其有何阻礙。五、實驗步驟1 .啟動運算機，雙擊桌面“運算機操縱實驗”快捷方式，運行軟件。2 .測試運算機與實驗箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。3 .20芯的扁平電纜連接實驗箱和爐溫操縱對象，檢查無誤后，接通實驗箱電源。開環(huán)操縱4 .在實險項目的下拉列表當選擇實驗八八、電機調速,鼠標單擊向按鈕，彈出實臉課題參數設置對話框。在參數設置對話框中設置相應的實驗參數后鼠標單擊確認

43、等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果:測量系統(tǒng)響應時刻Ts和超調量op。1.復步驟4,改變參數設置，觀測波形的轉變，記入下表：指標給定電階躍響應曲線6%Tp（秒）Ts（秒）閉環(huán)操縱6.在實驗項目的下拉列表當選擇實驗八八、電機調速,鼠標單擊回按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框，選擇PID,在參數設置窗口設置電機操縱對象的給定轉度和Ki、Kp、Kd值，點擊確認在觀看窗口觀測系統(tǒng)響應曲線。測量系統(tǒng)響應時刻Ts和超調量op。7.重復步驟6,改變PID參數，觀測波形的轉變，記入下表中：指標參數、階躍響應曲線5%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd六、實驗報告1 .記錄過渡進程為最中意時的Kp,Ki,Kd并畫出其響應曲

44、線。2 .分析此情形下的超調量、響應時刻及穩(wěn)態(tài)誤差。3 .總結一種對電機操縱系統(tǒng)有效的選擇Kp,Ki,Kd方式，以最快的速度取得中意的參數。七、電機調速操縱軟件流程圖圖中ek為誤差，ekl為上一次的誤差，ek2為誤差的積存和，uk是操縱量實驗九步進電機操縱實驗一、實驗目的1 .了解步進電機的工作原理。2 .把握步進電機的驅動及編程方式。二、實驗儀器1 .EL-AT-HI型運算機操縱系統(tǒng)實驗箱一臺2 .PC運算機一臺3 .步進電機操縱實險對象一臺三、步進電機的大體工作原理：步進電機多為永磁感應式，有兩相、四相、六相等多種，實驗所用電機為兩相四拍式，通過對每相線圈中的電流的順序切換來使電機作步進式

45、旋轉，驅動電路由脈沖信號來操縱，因此調劑脈沖信號的頻率即可改變步進電機的轉速：如圖9-1所示，每相電流為0.2A,相電壓為5V,兩相四拍通電順序如下：X 順序ABCD01100101102001131001B D反方向旋轉正方向旋轉四、實驗原理：步進電機是一種電脈沖轉化為角位移的執(zhí)行機構。當步進驅動器接收到一個脈沖信號,它就驅動步進電機按設定的方向轉動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉是以固定的角度一步一步運行的。能夠通過操縱脈沖個數來操縱角位移量，從而達到準確信位的目的。通過設定脈沖數來使步進電機轉過必然的角度，實驗用步進電機是每脈沖對應度。五、實驗內容：使步進電機依照設定的步數進行

46、轉動。六、實驗步驟1 .啟動運算機，雙擊桌面“運算機操縱實驗”快捷方式，運行軟件。2 .測試運算機與實驗箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。3 .20芯的扁平電纜連接實驗箱和爐溫操縱對象，檢查無誤后，接通實驗箱電源。4 .在實驗項目的下拉列表當選擇實驗九九、步進電機,鼠標單擊回按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框，在參數設置窗口設置設置起點坐標、終點坐標值。點擊確認在觀測窗口觀測指針的旋轉方向和旋轉格數是不是和設置值一致。5 .觀測步進電機操縱對象的指針旋轉是不是和軟件的旋轉一致。七、實驗報告1 .說明步進電機的工作原理。2 .分析實際實際轉動的步

47、數顯現誤差的緣故。實驗十數據搜集一、實驗目的1 .了解對持續(xù)信號的數據搜集。二、實驗儀器2 .EL-AT-III型運算機操縱系統(tǒng)實險箱一臺3 .PC運算機一臺三、實驗原理依照采樣定理對被測信號進行采樣，能后將采到的數據傳回到PC機，PC機通過必然的運算將被測信號復此刻運算機的屏幕上。四、實驗內容1:依如實際的需要，本實驗可分為，單通道和雙通道數據搜集，2 ：將被測信號加載到DA1或DA2或DA1和DA2上。3 ：啟動運算機，雙擊桌面“運算機操縱實驗”快捷方式，運行軟件。4 ：測試運算機與實險箱的通信是不是正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找緣故使通信正常后才能夠繼續(xù)進行實驗。5 ：在實驗項目的

48、下拉列表當選擇實驗十十、數據搜集,鼠標單擊回按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框，依如實際測量的信號選擇通道一或通道二或兩個通道多項選擇擇，然后設置好采樣時刻距離和采樣點數，單擊確信在屏幕的顯示區(qū)顯示被測信號的波形。五、實驗報告1.測量低頻典型信號，分析當采樣時刻設置不同時顯示的波形的不同。附錄一溫度操縱電路原理圖附錄二電機操縱電路原理圖附錄三實驗參考結果實驗一D/A數模轉換實驗數字量取不同值時的D/A轉換結果（每次實驗只能得出一個點）：實驗二A/D模數轉換實驗模擬量取不同的電壓時的A/D轉換結果（每次實驗只能得出一個點）：實驗三數字PID操縱當系統(tǒng)的Kp、Ki、Kd設定為不同的值時取得的實險結果

49、（每次實臉只能得出一條曲線）：階躍響應實驗結果圖:實驗四狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器跟蹤響應實驗結果圖:實驗五數字濾波實驗超前校正：當超前常數取不同的值時取得的系統(tǒng)響應曲線（每次實驗只能得出一條曲線）滯后校正：當滯后常數取不同的值時取得的系統(tǒng)響應曲線（每次實驗只能得出一條曲線）實驗六大林算法當系統(tǒng)延時周期和大林常數取不同的值時，取得的系統(tǒng)響應曲線如以下圖：實驗七爐溫操縱實驗在作本實險前請先確信采樣回來的溫度是在室溫，若是不是，請調劑溫控模塊的電位器.使采樣回來的溫度為室溫,開環(huán)爐溫操縱閉環(huán)PID爐溫操縱實驗八電機調速實驗1. 直流電機開環(huán)調速直流電機開環(huán)調速實驗采納給電機提供給定電壓的方式進行調速，在

50、軟件參數設置窗口中設定不同的電壓即可對電機進行調速。顯示屏上顯示的直流電機速度曲線為電機相對速度，調整實驗對象上的可調電阻，可改變電機的初始速度。因此在同一給定電壓下，系統(tǒng)搜集的速度曲線也會不同。下面是給定電壓為-2V時的一個例圖：（在開環(huán)實險中測量到的轉速和初始的速度有關）國一2. 直流電機閉環(huán)調速直流電機閉環(huán)調速實驗通過設定不同的PID參數能夠使顯示屏顯示曲線和電機速度始終固定在一個值。下面是PID參數設置后的一個例子實驗九步進電機操縱實驗步進電機操縱采納開環(huán)操縱，設定電機起始位置時，將實際對象的轉盤指針手動轉到軟件設置的起始值。系統(tǒng)運行時，屏幕上指針和實際對象的指針同步轉動。實驗十數據搜集將要搜集的信號接到AD1或AD2上，就可將被測信號采入，以下圖為對正弦信號的單通道和雙通道搜集。區(qū)一單通道數據搜集雙通道數據搜集附錄四AD/DA卡調試說明1. 通信測試：當做USB卡利歷時，將USB/串口座的連接電纜插頭正確插接在插座INTERFACE上，USB電纜的一端插接在USB/串口座上，另一端插接在PC機上,現在PC機應發(fā)覺新USB設備，可安裝CP2101/2的驅動程序，完成后，通過設備治理器觀察是