计算机控制系统实验报告.docx

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计算机控制系统实验报告

计算机控制系统

实验报告

院系：

化工机械系

班级：

12自动化

：

马福全

学号：

1220301042

日期：

2015年11月18日

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-II型计算机控制系统实验箱一台

2．PC计算机一台

三、实验容

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，数字量输入围为：

0～4096，模拟量输出围为：

－5V～+5V。

转换公式如下：

Uo=Vref-2Vref（211K11+210K10+...+20K0）/212Vref=5.0V

例如：

数字量=1则

K11=1,K10=0,K9=1,K8=0,K7=1,K6=1,K5=0,K4=1,K3=0,K2=0,K1=0,K0=1

模拟量Uo=Vref-2Vref（211K11+210K10+...+20K0）/212=4.0V

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，在桌面双击图标[Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]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

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:

数字量

模拟量（mV）

理论值

实测值

100

4024

3992

200

3047

3011

300

2071

2058

400

1094

1159

450

606

641

500

118

150

550

-371

-340

600

-859

-831

650

-1347

-1321

700

-1835

-1811

五、数字量与模拟量的对应曲线

六、误差分析

对比表格中的数据，可知理论值和实际值有所差别，既存在误差。

先分析得以下原因：

1、仪器元件不够精确，导致试验产生误差。

这是本实验的最主要的误差来源。

2、由于仪器使用时间较长，导致实验存在误差。

3、外界干扰会对实验造成误差。

七、实验心得

在做实验前,一定要将课本上的知识吃透,因为这是做实验的基础,否则,在老师讲解时就会听不懂,这将使你在做实验时的难度加大,浪费做实验的宝贵时间.

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

1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台

2．PC计算机一台

三、实验容

通过A/D&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，模拟量输入围为：

－5V～+5V，数字量输出围为：

0～1024。

转换公式如下：

数字量=（Vref－模拟量）/2Vref×210

其中Vref是基准电压为5V。

例如：

模拟量=1.0V则

数字量=（5.0－1.0）/（2×5.0）×210=409（十进制）

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，在桌面双击图标[Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]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

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。

并将测量结果填入下表:

模拟量（mV）

数字量

理论值

实测值

-1835

700

700

-1347

650

653

-859

600

605

-800

594

600

-600

573

578

100

502

508

300

481

483

500

461

466

700

440

446

1000

410

416

五、模拟量与数字量的对应曲线

六、误差分析

对比表格中的数据，可知理论值和实际值有所差别，既存在误差。

先分析得以下原因：

1、仪器元件不够精确，导致试验产生误差。

这是本实验的最主要的误差来源。

2、由于仪器使用时间较长，导致实验存在误差。

3、外界干扰会对实验造成误差。

七、实验心得

过这次测试技术的实验,使我学到了不少实用的知识,更重要的是,做实验的过程,思考问题的方法,这与做其他的实验是通用的,真正使我们受益匪浅.

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-II型计算机控制系统实验箱一台

2．PC计算机一台

三、实验容

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（s）=（1－e-TS）/s

Gp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））

Gp2（s）=1/（s（0.1s+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）。

图3-2开环系统结构图1图3-3开环系统结构图2

3．被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“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。

5．PI调节器及PID调节器的增益

Gc（s）=Kp（1+K1/s）

=KpK1（（1/k1）s+1）/s

=K（Tis+1）/s

式中K=KpKi,Ti=（1/K1）

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K,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）·Gp2（s）

=K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）

为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1<10

7．PID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）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）

其中q0=Kp（1+KiT+（Kd/T））

q1=－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，在桌面双击图标[Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]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三[数字PID控制],鼠标单击鼠标单击

按钮，弹出实验课题参数设置窗口。

5.输入参数Kp,Ki,Kd（参考值Kp=1,Ki=0.02,kd=1）。

6.参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p、ts的数值。

7.取满意的Kp,Ki,Kd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。

9.重复4-7步骤。

10.计算Kp，Ki，Kd取不同的数值时对应的p、ts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：

0型系统

实验结果

参数

δ%

Ts（ms）

阶跃响应曲线

Kp

Ki

Kd

1

0.02

1

11．9%

720

见图3—4

1

0.05

1

32．5%

800

见图3--5

5

0.02

1

44．4%

1050

见图3--6

5

0.05

1

46.1%

1900

见图3--7

五、实验结果

1、实验模拟电路图。

图3-2开环系统结构图1图3-3开环系统结构图2

2、被控对象为Gp1取过渡过程为最满意时的Kp，Ki，Kd，画出校正后的Bode图,查出相对稳定裕量γ和穿越频率ωc。

下面是根据表中数据，所得到的曲线。

图3-4Kp=1Ki=0.02Kd=1Gp1最满意的曲线图

其中，相对稳定裕量γ=82°穿越频率ωc=230rad/s

图3-5Kp=1Ki=0.05Kd=1

图3-6Kp=5Ki=0.02Kd=1

图3-7Kp=5Ki=0.05Kd=1

图3-8Kp=1Ki=0.02Kd=1

图3-9Kp=3Ki=0.02Kd=1

图3-10Kp=1Ki=0.02Kd=2

图3-11Kp=3Ki=0.01Kd=1

3、总结一种有效的选择Kp，Ki，Kd的方法，以最快的速度获得满意的参数。

由实验结果可知，比例控制能提高系统的动态响应速度，迅速反应误差，但比例控制不能消除稳态误差。

Kp的加大，会引起系统的不稳定。

积分控制的作用是消除稳态误差，因为只要系统存在误差，积分作用就不断地积累，输出控制量以消除误差，知道偏差为零，积分作用就停止，但积分作用太强会使系统超调量加大，甚至使系统出现振荡。

微分控制与偏差的变化率有关，它可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，减小调整时间，从而改善系统的动态性能。

方法：

参数整定找最佳，从小到大顺序查，先是比例后积分，最后再把微分加，曲线振荡很频繁，比例度盘要放大，曲线漂浮绕大湾，比例度盘往小扳，曲线偏离回复慢，积分时间往下降，曲线波动周期长，积分时间再加长，曲线振荡频率快，先把微分降下来，动差大来波动慢，微分时间应加长，理想曲线两个波，前高后低4比1。

实验四组态控制

一、实验目的

通过一个工程实例熟悉MCGS工控组态软件的基本用法与功能，并按照完成工程的一般过程工程实例，了解如何通过MCGS工控组态软件完成工程项目。

二、实验仪器

1．PC计算机一台

三、实验容

设计一个水箱水位的控制对象,水箱安装3个金属电极A、B、C，分别代表水位的下下限、下线与上限，水位超过上限C点时，水泵停止供水；当水位处于下限B点和上限C点之间时，水泵维持现状；当水位在B点以下时，应启动水泵。

利用用户窗口、数据对象定义、动画连接，编制控制策略实现其功能，A、B、C三点的状态由按钮所给。

四、实验步骤

1.启动计算机，在桌面双击图标[MGCS组态环境]或在计算机程序组中运行[MGCS组态环境]软件。

2.MCGS组态软件采用的是标准的菜单形式，合理的应用菜单结构设计以及完整的功能组合快捷的组建工程。

3.以窗口为单位来构造用户运行系统的图形界面，能构造出各种复杂的动画画面。

图元图符对象可实现自由构图和定义动画，包括颜色、位置、大小、可见度、闪烁、输入输出、按钮动作等多种动画效果。

4.动画构件对象完成特定类型的动画功能，用运行策略来完成和实现对系统运行流程的自由控制，使系统能够按照设定的顺序和条件来操作实时数据库、控制用户窗口的显示、关闭和设备构件的工作状态。

五、实验报告

1．通过上机学习MGCS组态系统，熟悉MGCS组态环境，学会对用户窗口、数据库变量的定义以及属性的含义。

2．学会对自由构图、动画、按钮动作等动画的颜色、位置、大小、可见度、闪烁的效果应用。

3.学会应用各种用户策略的应用，分析各种策略的功能特点。

4.写出MGCS组态系统脚本程序的各种指令。

实验五炉温控制实验

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PID控制器的参数的整定方法。

二、实验仪器

1．EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台

2．PC计算机一台

3．炉温控制实验对象一台

三、炉温控制的基本原理

1．

系统结构图示于图5－1。

图5－1系统结构图

图中Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）

Gh（s）=（1－e-TS）/s

Gp（s）=1/（Ts+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，第一部分由计算机和A/D&D/A卡组成，主要完成温度采集、PID运算、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0～140V变化。

可控硅的导通角为0～5CH。

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。

LED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．PID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：

Uk=Kpek+Kiek2+Kd（ek-ek-1）,其中ek2是误差累积和。

四、实验容：

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，在桌面双击图标[Computerctrl]或在计算机程序组中运行[Computerctrl]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。

3．20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

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．重复步骤4，改变参数设置，观测波形的变化，记入下表5-1：

性能指标

占空比

阶跃响应曲线

δ%

Tp（秒）

Ts（秒）

30

见图5—2

70%

7.5

14.5

40

见图5—3

68%

7.0

13.5

表5-1

图5-2占空比=30

见图5—3占空比=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

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炉温控制对象的给定温度以及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。

7.重复步骤6，改变PID参数，观测波形的变化，记入下表6-2中：

性能指标

参数

阶跃响应曲线

δ%

Tp（毫秒）

Ts（毫秒）

Kp

Ki

Kd

1

0.5

20

见图5—4

25%

6901

15000

1

0.5

10

见图5—5

16.%

8044

12004

0.1

0.5

20

见图5—6

40%

6045

18045

1

0.05

20

见图5—7

6.7%

5260

7023

图5—4Ki=1Kp=0.5Kd=20设置温度=60

图5—5Ki=1Kp=0.5Kd=10设置温度=60

图5—6Ki=0.1Kp=0.5Kd=20设置温度=60

图5—7Ki=1Kp=0.05Kd=20设置温度=60

五、实验结果

1、过渡过程最为满意时的Kp，Ki，Kd及响应曲线

Ki=1Kp=0.05Kd=20设置温度=60

2、此情况下的超调量、响应时间及稳态误差

由曲线可知：

超调量=6.7%响应时间=5260ms稳态误差=5

由以上指标可知：

此次结果令人满意，符合要求。

3、根据实验结果总结的一种对温度控制系统有效的选择Kp，Ki，Kd的方法，以最快的速度获得满意的参数。

由实验数据分析可知：

PID参数的设置的大小，一方面是要根据控制对象的具体情况而定；另一方面是经验。

（1）、幅值震荡，比例大了出现幅值震荡的幅度大，但震荡频率小，系统达到稳定时间长；积分大了响应速度慢，偏差较小，但超调增大；微分可以减小超调量，克服振荡，使系统的稳定性提高，同时加快系统的动态响应速度，一般微分设置都比较小，而且对系统影响比较小。

对于温度控制系统P在5-10%之间；I在180-240s之间；D在30以下。

对于压力控制系统P在30-60%之间；I在30-90s之间；D在30以下。

（2）本次实验的实验仪可能存在一些问题,经过与别人的数据对比,发现此数据里面总是存在较大稳态误差,这可能影响了此次实验的效果。

误差分析：

1.由于实验仪器使用时间较长，导致实验结果不理想；

2.外界环境会对实验结果产生误差；

3.部控制系统控制不精确，会对实验造成误差。