成绩：
计算机控制技术
实验报告
班 级： 电气08-2
姓 名：
学 号： 08034020226
指导老师： 张友斌
实验时间： 2011.12.19---21
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实验一 A/D与D/A 转换实验
一．实验目的
1．通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用。
2．通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。 3．熟悉并掌握VBScript 语言编写程序
二．实验内容
1． 测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。 2． 利用实验系统完成测试信号的发生与测试。 3．设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。
三、实验设备
1、 计算机（含计算机控制技术实验软件） 2、 ACT_I计算机控制技术实验箱 3、 实验数据转存设备（如U盘）
四、实验原理
1、 利用实验箱U2单元产生0～5V的斜坡信号，输入到一路模拟量输入通道，同时将该模拟信号进行A/D转换后数字信号再进行D/A转换后输入到另一路模拟量输入通道，在上位机软件的界面上测取这两路模拟量输入通道（由虚拟示波器显示）并进行比较，分析转换特性。
2、 利用实验箱设计并连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路（硬件联接见图4.1.1），分别输入两路模拟量输入通道I1、I2，在上位机界面的界面上测取它们的模数转换结果，其中O1为上位机程序提供的输出信号（AduC812已经将数字信号转换为模拟信号）。
3、 使用VBScript 语言编写程序实现各种典型测试信号的产生，用虚拟示波器察看信号结果。
五．实验注意事项
1、 实验前应先阅读第二章。
2、进入实验室后检查PC机与计算机控制技术实验箱的并行接口是否连接，若未连接，在PC机处于关机状态下将实验箱与PC机的并行接口连接。 3、检查实验箱电源是否连接。
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4、在实验箱上连接电路时，应将实验箱电源开关断开后连接。
六．实验步骤
1． 了解并熟悉实验设备，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法。
（1） 启动PC机。为便于操作，建议在D盘新建一个文件夹，文件夹名为“班级姓名”，
如：“电气051张三”在该文件夹中新建两个文件夹，分别为“脚本程序”和“实验数据”，以后的实验程序与数据都在此中保存。 （2） 接通实验箱电源开关，电源开关灯亮。
（3） 在PC机上运行上位机软件。点击主菜单中的“系统”，连接下位机。
（4） 学习并掌握上位机其他操作：主要包括文件操作、示波器设置、位图保存、脚本语
言输入与调出、实验运行与停止等。
2．测取模拟量输入通道模数转换量化特性
（1）断开系统：点击主菜单中的“系统”，断开下位机；关掉实验箱电源。
（2）接线：将实验箱U2单元斜坡信号输出端与实验箱U3单元的模拟量输入通道I1端连接，调节斜坡信号旋钮，可得到0～5V的斜坡信号。同时，将数字量输出通道O1与模拟量输入通道I2连接。
（3）系统连接：打开实验箱电源，点击主菜单中的“系统”，连接下位机。
（4）设置虚拟示波器：a. 选择“显示模式”为“X-t”；b. 选择量程。根据脚本程序中实验的“持续时间”来选择，如“持续时间”设置为1000ms,则虚拟示波器量程选择为100ms/div; c. 数据显示：点击主采单中“显示”，根据脚本程序中所使用的信号通道选择相应的显示内容。
（5）程序编写：在脚本编辑器中输入正确脚本程序并保存或调出事先编好的脚本程序。 （6）运行脚本程序：调节斜坡信号旋钮，点击“执行脚本语言”，运行脚本程序，将在虚拟示波器观察到一动态波形（波形时间，也是实验时间，受脚本程序控制，改变脚本程序中“Daq.SetExpLastTime x”的数值x，就可改变实验时间）
（7）数据保存：点击主采单“文件”下的“保存位图文件”将动态波形保存为指定路径下的位图文件。 3．互为倒相的周期斜坡信号
（1）断开系统：点击主菜单中的“系统”，断开下位机；关掉实验箱电源。 （2）按照图1.3接线。其中R0=R1=R2，R3=R4；运放任选U9~U16之一。 (3) 打开实验箱电源，点击主菜单中的“系统”，连接下位机。
（4）在脚本编辑器中输入通道初始化函数程序和测试信号发生函数（产生一周期斜坡信号由O1端输入电路）以及运行函数。
（5）设置虚拟示波器。
（6）运行所编写的脚本程序，将在虚拟示波器观察到互为倒相的周期斜坡信号，保存该曲线。 4．软件编程实现测试信号发生
操作步骤与上类似，只是将产生周期斜坡测试信号发生函数分别用正弦信号，周期方波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号替换。将虚拟示波器观察到的曲线保存。
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七．预习思考题
1． 阅读第三章并编写实验内容一所需的VBScript脚本语言程序。
2． 编写程序实现下列各种典型测试信号的产生，熟悉并掌握程序设计方法； （1）正弦信号
2? y?Asin(?t??)，T??（2）方波 ? A 0?t?T1y??
? 0 T1?t?T
（3）锯齿波
（4）抛物线
? at 0 ?t? T1y??? 0 T1?t?T ?12? at 0?t?T1y??2? 0 T?t?T ?1八．实验报告
1． 将各个实验结果保存并打印。
2． 对实验数据进行分析，并完成实验报告。
九．附录
1．两路互为倒相的周期斜坡信号的产生
利用实验设备产生两路相位互差1800的斜坡信号的电路见图1.3，其中R0＝R1=R2，R3＝R4。在上位机界面上，编程测试信号为周期斜坡，在O1端得到周期斜坡信号，如图1.4.a所示，在I2和I1端分别得到如图2.4.b、2.4.c所示互为倒相的周期信号。
图1.4 2．软件编程实现测试信号发生
在上位机软件留给用户的编程接口中，编程实现典型信号的发生如周期斜坡信号、正弦信号，周期方波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号。下面给出实现互为倒相的周期斜坡信号的产生
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的编程程序：
‘公共变量定义
‘初始化通道参数
Sub Init() ‘函数定义
Daq.SetChannelXNumber 1 ‘ X通道使用A/D通道 1 Daq.SetChannelYNumber 2 ‘Y通道使用A/D通道 2 Daq.SetSignal1State true ‘ D/A通道1 开通 Daq.SetSignal2State false ‘D/A通道2 关闭
Daq.SetExpLastTime 2000 ‘实验持续时间，2000表示持续2000ms
‘注意此时对应示波器量程选为200才正好占'示波器整个屏幕 ‘改2000为0则表示连续持续 Daq.SetExpSamplePeriod 1 ‘设置采样周期，1表示1ms End Sub ‘函数结束
‘测试信号发生函数 Sub Signal()
Dim eWave(1000) ‘定义测试信号，每个周期1000个点数 Dim i ‘函数内部临时变量的定义 Signal1.SetPeriod 1000 ‘测试信号1的周期设置，1000ms Signal1.SetAmp 5.0 ‘测试信号1的幅值设置，5.0V For i=0 To 499 ‘循环500次
eWave(i)=5.0*(i/500) ‘信号产生，此处为斜坡信号，上升沿为500个点 eWave(I+500)=0 ‘令斜坡信号的后500个点为0 Next ‘返回循环
Singnal1.setwave eWave ‘设置信号源1的信号为测试信号eWave End Sub ‘运行函数 Sub Run()
Daq.SetSignal1Value Signal1.getcursignal() ‘将信号输出至通道1（D/A 1） End Sub
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实验二 数字滤波
一、实验目的
1．通过实验掌握数字滤波器设计方法。
2．学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。
二、实验内容
1．产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。 2．设计并调试数字化一阶惯性滤波器。 3．设计并调试高阶数字滤波器。
三、实验设备
1、计算机（含计算机控制技术实验软件） 2、ACT_I计算机控制技术实验箱 3、实验数据转存设备（如U盘）
四、实验原理
1．测试信号的产生
利用实验装置，设计和连接产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路（参考电路，如图4.2.1所示），并利用数据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求；
图4.2.1
其中正弦信号与尖脉冲干扰信号由上位机编程实现且由数字量输出口输入。电路输出接模拟量输入口。
2．一阶惯性滤波器及其数字化
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一阶惯性滤波器的传递函数为：GF(s)?Y(s)X(s)?1?s?1
利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法：
)y(k?1)
??其中T为采样周期，?为滤波时间常数。T和?必须根据信号频谱来选择。
y(k)?x(k)?(1?TT3．高阶数字滤波器
高阶数字滤波器算法很多，这里给出一种四阶加权平均算法：
y(k)?A1x(k)?A2x(k?1)?A3x(k?2)?A4x(k?3)
4其中权系数Ai满足：?Ai?1，类似地，Ai必须根据信号频谱来选择。
i?1五．实验注意事项
1、进入实验室后检查PC机与计算机控制技术实验箱的并行接口是否连接，若未连接，在PC机处于关机状态下将实验箱与PC机的并行接口连接。 2、检查实验箱电源是否连接。
3、在实验箱上连接电路时，应将实验箱电源开关断开后连接。 4、此实验应在实验一完成之后才能开出。
六、实验步骤
1． 产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号： （1） 接线：在实验箱断电且上位机断开实验的情况下，按图4.2.1所示电路原理搭建实验电路，其中R0=R1=R2，R3=R4。“正弦信号”输入端与实验箱U3单元的O1端连接，“尖脉冲干扰”输入端与实验箱U3单元的O2端连接。运放锁零端G接到-15V。
（2） 在PC机上运行上位机软件。点击主菜单中的“系统”，连接下位机。 （3） 输入产生“正弦信号”与“尖脉冲干扰”的脚本程序以及“一阶惯性滤波器”脚本程序并运行。 （4） 保存波形。
2．根据信号频谱，设计并选择数字化一阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；保存波形。 3．根据信号频谱，设计并选择高阶数字滤波器的参数，编制并运行高阶数字滤波器的滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；保存波形。
4．改变干扰信号，设计产生如带方波干扰的正弦信号，带随机干扰的正弦信
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号电路，同上做实验。
七．预习思考题
1、 数字滤波有哪些方法？
2、 编写实现一阶惯性滤波器与高阶数字滤波器的VB脚本语言程序。
八．实验报告
1、将各个实验结果保存并打印。
2、对实验数据进行分析，并完成实验报告。
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实验三 数字PID控制算法的研究
一．实验目的
1．学习并掌握常规数字PID及积分分离PID控制算法的原理和应用。 2．学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。 3．学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。
二．实验内容
1．利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。 2．采用常规数字PID控制，并用扩充响应曲线法整定控制器的参数。 3．采用积分分离PID控制，并整定控制器的参数。
三、实验设备
1．计算机（含计算机控制技术实验软件） 2．ACT_I计算机控制技术实验箱 3．实验数据转存设备（如U盘）
四、实验原理
1．被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成
用图4.3.1所示电路模拟被控对象，使其传递函数为G(s)?
图4.3.1 5s?10.5s?1?2.5
参数可取为R0?100k,R1?510k,C1?2u,R2?200k,R3?510k,C2?1u 9
计算机控制技术实验指导书
计算机控制系统的方框图如图4.3.2所示，其中D（z）为数字PID控制器。
2．常规数字PID控制算法
u(k)?Pe(k)?I?e{i)?D?e(k)?e(k?1)?
i?1k 图4.3.2 这里P、I、D参数分别为P?Kp,采用增量式形式有：
I?KpTTi,D?KpTdT
u(k)?u(k?1)?P?e(k)?e(k?1)??Ie(k)?D?e(k)?2e(k?1)?e(k?2)?3. 积分分离PID控制算法
设积分分离值为EI，则积分分离PID控制算法可表示为下式：
?u(k)?u(k)?u(k)PIDu(k)???uP(k)?uD(k)其中
e(k)?EIe(k)?EI
up(k)?Pe(k),uI(k)?uI(k?1)?Ie(k),uD(k)?D[e(k)?e(k?1)]
4. 数字PID控制器参数整定
PID参数整定方法很多，本实验采用按扩充阶跃响应曲线法整定PID。其原理为：记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程曲线，在曲线最大斜率处作切线，求得滞后时间τ以及被控时间常数Tt，算出 Tt/τ，如图4.3.3所示。查表4-1得到Kp,Ki,Kd及采样周期T。从而获得一个初步的PID控制台参数。然后在此基础上通过部分参数的调节获得满意的控制性能。
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y τ Tt 图4.3.3 表4--1
t 控制度 1.05 1.2 1.5
控制规律 PI PID PI PID PI PID T 0.1τ 0.05τ 0.2τ 0.16τ 0.5τ 0.34τ Kp 0.84Tt/τ 1.15Tt/τ 0.78Tt/τ 1.0Tt/τ 0.68Tt/τ 0.85Tt/τ Ti 0.34τ 2.0τ 3.6τ 1.9τ 3.9τ 1.62τ Td 0.45τ 0.55τ 0.82τ 五．实验注意事项
1、使用运算放大器时要将锁零G接 -15V。
2、在实验箱上连接电路时，应将实验箱电源开关断开后连接。
六．实验步骤
1、 常规数字PID控制算法的研究
（1）用图4.3.1所示电路模拟被控对象。其中Om为实验箱的U2单元的O1或O2，In为I1或I2。
（2）构成计算机控制系统的方框图如图4.3.2所示。 （3）启动上位机软件，编写常规数字PID控制算法并运行。 （4）记录实验曲线以及控制参数值。
（5） 修改部分控制参数值后再运行，将每次修改后的控制参数值及实
验曲线记录。
（6）分析控制参数值的修改对控制性能的影响。 2． 积分分离PID控制算法的研究
实验步骤同上。
3． 数字PID控制器参数整定
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计算机控制技术实验指导书
实验步骤请依实验原理自行设计。
七．预习思考题
1、 编写实验相关的VB脚本程序。
2、 PID控制器各参数的变化对控制性能有何影响？
八．实验报告
1、将各个实验结果保存并打印。
2、对实验数据进行分析，并完成实验报告。
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