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实验一 采样控制系统的分析一、实验目的2. 熟悉用LF398组成的采样控制系统；3. 通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器ZOH的原理及其实现方法；3. 研究采样周期T的变化对系统采样效果的影响；二、实验设备1THBDC-1型 控制理论计算机控制技术实验平台2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台(含软件“THBDC-1”)三、实验原理1. 采样定理图1-1为信号的采样与恢复的方框图，图中X(t)是t的连续信号，经采样开关采样后，变为离散信号。 图1-1 连续信号的采样与恢复香农采样定理证明要使被采样后的离散信号X*(t)能不失真地恢复原有的连续信号X(t)，其充足条件为： (1-1) 式中为采样的角频率，为连续信号的最高角频率。由于，因而式(1-1)可写为 (1-2)T为采样周期。四、实验环节1. 零阶保持器 本实验采用“采样-保持器”组件LF398，它具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能。图1-2为采样-保持电路（模块U3）。图中MC14538为单稳态电路，改变输入方波信号的周期，即改变采样周期T。 图1-2 采样保持电路 图中方波信号由实验台的低频信号发生器提供。 接好“采样保持电路”的电源。用上位软件的“信号发生器”输出一个频率为5Hz、幅值为2V的正弦信号输入到“采样保持电路”的信号输入端。在下列几种情况下用示波器观测“采样保持电路”的信号输出端信号波形的变化。1.1 当方波(采样产生)信号为100 Hz时；1.2 当方波(采样产生)信号为50 Hz时；1.3 当方波(采样产生)信号为10Hz时；注：方波的幅值要尽也许大。六、实验报告规定1. 按图1-2所示的方框图画出相应的模拟电路图；2. 研究采样周期T的变化对采样结果的响应。实验二 A/D与D/A转换（选作）一、实验目的1通过实验了解实验系统的结构与使用方法；2通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二、实验设备同前。三、实验内容1输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；2在上位机输入一十进制代码，完毕通道的数模转换实验。四、实验环节1. 启动实验台的“电源总开关”，打开5、15V电源。将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“数据采集接口单元“的“AD1”通道,同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；2、将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V；3. 启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；4. 点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始”按钮，观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为1V(可以使用面板上的直流数字电压表进行测量)时应为01(共14位，其中后几位将处在实时刷新状态)。调节阶跃信号的大小，然后继续观测AD转换器的转换结果，并与理论值(详见本实验附录)进行比较；5. 根据DA转换器的转换规律(详见实验附录)，在DA部分的编辑框中输入一个十进制数据（如2457，其范围为04095），然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小；6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。五、附 录1数据采集卡本实验台采用了THBXD数据采集卡。它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为10V、输出量程均为5V。该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。其重要特点有：1) 支持USB1.1协议，真正实现即插即用2) 400KHz14位A/D转换器，通过率为350K，12位D/A转换器，建立时间10s3) 4通道模拟量输入和2通道模拟量输出4) 8k深度的FIFO保证数据的完整性5) 8路开关量输入，8路开关量输出2. AD/DA转换原理数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的相应关系为：-1010V相应为016383(A/D转换为14位)。其中0V为8192。其重要数据格式如下表所示(采用双极性模拟输入)： 输入AD原始码(二进制)AD原始码(十六进制)求补后的码(十进制)正满度01 1111 1111 11111FFF16383正满度1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中间值（零点）00 0000 0000 000000008192负满度+1LSB10 0000 0000 000120231负满度10 0000 0000 000020230 而DA转换时的数据转换关系为：-55V相应为04095(D/A转换为12位)，其数据格式(双极性电压输出时)为： 输入D/A数据编码正满度1111 1111 1111正满度1LSB1111 1111 1110中间值（零点）1000 0000 0000负满度+1LSB 0000 0000 0001负满度0000 0000 00003编程实现测试信号的产生运用上位机的“脚本编程器”可编程实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。其函数表达式分别为：1) 正弦信号 ，2) 方波 3) 斜坡信号 ，a为常量4) 抛物线信号，a为常量这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下：dim tx,op,a 初始化函数sub Initialize(arg) 初始化函数 WriteData 0 ,1 对采集卡的输出端口DA1进行初始化tx=0 对变量初始化end subsub TakeOneStep (arg) 算法运营函数 a=1op=0.5*a*tx*tx 0.1为时间步长tx=tx+0.1if op3 then 波形限幅 tx=0 end ifWriteData op ,1 数据从采集卡的DA1端口输出end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1 end sub通过改变变量tx、a的值可改变抛物线的上升斜率。其它典型信号的编程请参考“THBDC-1”安装目录下的“计算机控制算法VBS基本波形”目录内参考示例程序。实验三 数字滤波器一、实验目的1通过实验熟悉数字滤波器的实现方法；2研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。二、实验设备同前。三、实验内容1设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰信号和正弦信号输入的模拟加法电路；2设计并调试一阶数字滤波器；3设计并调试高阶数字滤波器。四、实验原理1在许多信息解决过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。数字滤波器是数字信号解决中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。一般可以用两种方法来实现：一种是用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。一个数字滤波器，它所表达的运算可用差分方程来表达：2一阶数字滤波器及其数字化一阶数字滤波器的传递函数为 运用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法： 其中TS为采样周期，为滤波器的时间常数。TS和应根据信号的频谱来选择。3高阶数字滤波器高阶数字滤波器算法很多，这里只给出一种加权平均算法：其中权系数满足：。同样，也根据信号的频谱来选择。五、实验环节1、实验接线及准备1.1启动计算机，在桌面双击图标THBDC-1，运营实验软件；1.2启动实验台的“电源总开关”，打开5、15V电源。将低频函数信号发生器单元输出端连接到采集卡的“AD1”通道,并选择方波输出。在虚拟示波器观测方波信号的频率和幅值，然后调节信号发生器中的“频率调节”和“幅度调节”电位器，使方波信号的频率和幅值分别为4Hz，2V。然后断开与采集卡的连接，将低频函数信号发生器单元输出端连接到“脉冲产生电路”单元输入端，产生一个尖脉冲信号Uo；1.3按图2-2连接电路，其中正弦信号来自数据采集卡的“DA1”输出端，尖脉冲信号来自U1单元的输出端。图2-2的输出端与数据采集卡的“AD1”输入端相连，同时将数据采集卡的“DA2”输出端与“AD2”输入端相连；2、脚本程序运营2.1点击软件工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)，打开脚本编辑器窗口；2.2在脚本编辑器窗口的文献菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”文献夹下选中“数字滤波”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设立”，将脚本算法的运营步长设为10ms；2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”，用双踪示波器分别观测图2-2的输出端和数据采集卡输出端“DA2”的波形。调节信号发生器中的“频率调节”电位器，改变方波信号的频率(即尖脉冲干扰信号的频率)。观测数据滤波器的滤波效果；2.4点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，修改算法程序中的参数Ts(注：修改Ts时要同步修改算法的运营步长)、Ti两个参数，然后再运营该程序，在示波器上再次观测参数变化对滤波效果的影响；2.5对于高阶数字滤波器的算法编程实验，请参考本实验环节2.2、 2.3和2.4。不同的是打开的脚本程序文献名为“数字滤波（高阶）”，实验时程序可修改的参数为a1、a2、a3和采样时间Ts。2.6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件六、实验报告规定1画出尖脉冲干扰信号的产生电路图。2编写一阶数字滤波器的脚本程序。3绘制加数字滤波器前、后的输出波形，并分析程序中参数的变化对其滤波效果的影响。七、附 录1尖脉冲干扰信号产生的模拟电路图图3-1 尖脉冲产生电路通过改变方波信号的频率，即可改变尖脉冲的频率。2实验电路的信号的产生把图3-1产生的尖脉冲信号视为干扰信号，与一低频正弦信号（由上位机的“脚本编辑器”编程输出）输入到图2-2所示的两个输入端。 图3-2 测试信号的产生电路图3一阶数字滤波器的程序编写与调试示例dim pv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Ti 变量定义sub Initialize(arg) 初始化函数WriteData 0 ,1 opx=0end subsub TakeOneStep (arg) 算法运营函数pv = ReadData(1) 采集卡通道1的测量值op1=2*sin(x) 正弦信号的产生x=x+0.1 Ti=0.02Ts=0.01 采样时间10msop2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx 一阶数字滤波器的输出opx=op2if op2=4.9 then op2=4.9end ifif op24.9 then 积分限幅，以防积分饱和 q1=4.9end ifif q1-4.9 then q1=-4.9end if pvx=pv pvx为测量值的前项op=q0+q1+q2 PID控制器的输出if op=4.9 then op=4.9end ifWriteData op ,1 输出值给DA1通道end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1end sub位置式PID、积分分离PID控制算法的编程请参考“THBDC-1”安装目录下的“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法数字PID调器算法”目录内参考示例程序。实验六 串级控制算法的研究（选作）一、实验目的1熟悉串级控制系统的原理，结构特点；2熟悉并掌握串级控制系统两个控制器参数的整定方法。二、实验设备同前。三、实验内容1设计一个具有二阶被控对象的串级控制系统，并完毕数-模混合仿真。2学习用逐步逼近法整定串级控制系统所包含的内，外两环中PI控制器的参数。四、实验原理计算机串级控制系统的原理方框图如图6-1所示：图6-1 串级控制系统方框图图中信号的离散化是通过数据采集卡的采样开关来实现的，D1(Z)、D2(Z)是由计算机实现的数字调节器，而其控制规律用得较多的通常是PID调节规律。五、实验环节1、实验接线1.1根据图5-1与5-2，连接一个二阶被控对象闭环控制系统的模拟电路；1.2用导线将图5-2的“u1”输出点与数据采集卡的输入端“AD1”相连，“u2”输出点与数据采集卡的输入端“AD2”相连，该电路的输入端则与数据采集卡的输出端“DA1”相连；1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处在“解锁”状态。2、脚本程序运营2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”，运营实验软件；2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)；2.3在脚本编辑器窗口的文献菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”文献夹下选中“串级控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设立”，将脚本算法的运营步长设为100ms； 2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观测图5-2中u1 、u2输出端各自的响应曲线。然后用逐步逼近法（参考本实验附录3的参数整定）整定串级控制系统的主调节器和副调节器相应的P、I、D参数。在整定过程中，注意观测参数的变化对系统动态性能的影响；2.5 将串级控制的脚本程序语句“WriteData op1 ,1”中的op1(加副控制器时)输出改为op(不加副控制器时)输出，然后反复操作环节2.4，并比较加副控制器前后被控参数的控制效果；2.6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验报告规定1绘出实验中二阶被控对象的模拟电路图；2根据串级控制器的算法编写脚本程序；3绘制实验中被控对象的输出波形。实验七 最少拍控制算法研究（选作）一、实验目的1学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；2研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；3熟悉最少拍无纹波控制系统控制器的设计和实现方法。二、实验设备同前。三、实验内容1设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制。2设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍无纹波控制，并通过混合仿真实验，观测该闭环控制系统输出采样点间纹波的消除。四、实验原理见课本相关章节。五、实验环节1、实验接线1.1根据图7-1连接一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶被控对象的模拟电路；1.2用导线将该电路的输出端与数据采集卡的输入端“AD1”相连，电路的输入端与数据采集卡的输出端“DA1”相连，数据采集卡的输出端“DA2”与输入端“AD2”相连；1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处在“解锁”状态。2、脚本程序运营2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”，运营实验软件；2.2点击虚拟示波器界面上的“”按钮对二阶被控对象的电路进行测试，分别测取惯性环节的放大系数、时间常数以及积分环节的积分时间常数；2.3打开工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)；在脚本编辑器窗口的文献菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”文献夹下选中“最少拍算法(有纹波)”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设立”，将脚本算法的运营步长设为200ms； 2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观测图7-1输出端与采集卡的输出端“DA2”的实验波形； 2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，同时在窗口上点击“打开”按钮，在“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”文献夹下选中“最少拍算法(无纹波)”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后在“脚本编辑器”窗口上点击“启动”按钮，用示波器观测图7-1输出端与采集卡的输出端“DA2”的实验波形；2.6 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。六、实验报告规定1画出二阶被控对象的电路图。2根据最少拍有纹波控制的算法编写脚本程序。3绘制最少拍有纹波、无纹波控制时系统输出响应曲线，并分析之。七、附录1被控对象模拟与计算机闭环控制系统的构成实验系统被控对象的传递函数为：其模拟电路图为：图7-2 二阶被控对象的模拟电路图其中：R1=200K，R2=100K，R3=100K，C1=10uF，C2=10uF计算机控制系统的方框图为图7-3 最少拍计算机控制原理方框图最少拍控制的效果对被控对象的参数变化非常敏感，实验中必须测取模拟对象的实际参数。最少拍无纹波控制算法的编程请参考“THBDC-1”安装目录下的“计算机控制算法VBS计算机控制技术基础算法”目录内参考示例程序。实验八 具有纯滞后系统的大林控制（设计型）一、实验目的1了解大林控制算法的基本原理；2掌握用于具有纯滞后对象的大林控制算法及其在控制系统中的应用。二、实验设备同前。 三、实验内容1具有纯滞后一阶惯性环节大林算法的实现。2具有纯滞后二阶惯性环节大林算法的实现。3在实验中观测振铃现象并研究其消除方法。四、实验原理略。五、实验环节自己设计。六、实验报告规定1画出一阶被控对象的电路图。2根据大林控制算法编写脚本程序。3画出大林算法控制时系统的输出响应曲线，并分析之。4分析纯滞后时间的增大对系统稳定性的影响。五、附录1带纯滞后一阶惯性对象的算法设对象的传递函数为： ， 上式中，滞后环节由上位机软件模拟，为滞后时间，这里取，T为采样周期。对象的其它部分由如下电路来模拟：图8-1 一阶被控对象的模拟电路图这里K=10，Tm=1。2相应计算机控制系统的方框图为图8-2 计算机控制系统方框图 实验九 单闭环直流调速系统（综合型）一、实验目的1掌握用PID控制规律的直流调速系统的调试方法；2了解PWM调制、直流电机驱动电路的工作原理。二、实验设备同前。三、实验原理直流电机在应用中有多种控制方式，在直流电机的调速控制系统中，重要采用电枢电压控制电机的转速与方向。功率放大器是电机调速系统中的重要部件，它的性能及价格对系统都有重要的影响。过去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大机或可控硅（晶闸管）。现在基本上采用晶体管功率放大器。PWM功率放大器与线性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有助于克服直流电机的静摩擦等优点。PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理：1PWM的工作原理：图9-1 PWM的控制电路上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图9-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包具有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位互相错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）。它合用于各开关电源、斩波器的控制。2功放电路直流电机PWM输出的信号一般比较小，不能直接去驱动直流电机，它必须通过功放后再接到直流电机的两端。该实验装置中采用直流15V的直流电压功放电路驱动。3反馈接口在直流电机控制系统中，在直流电机的轴上贴有一块小磁钢，电机转动带动磁钢转动。磁钢的下面中有一个霍尔元件，当磁钢转届时霍尔元件感应输出。4直流电机控制系统如图9-3所示，由霍耳传感器将电机的速度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律（通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出控制量，供执行器来控制电机的转速和方向。图9-2 SG3525内部结构图9-3 直流电机控制系统四、实验环节1、实验接线1.1 用导线将直流电机单元24V的“+” 输入端接到直流稳压电源24V的“+”端；1.2 用导线将直流电机单元05V的“+”输入端接到数据采集卡的“DA1”的输出端，同时将UO的“+”(霍耳输出)输出端接到数据采集卡的“AD1”处；1.3打开实验平台的电源总开关。2、脚本程序运营2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”，运营实验软件。2.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的 “” 按钮(脚本编程器)；2.3在脚本编辑器窗口的文献菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文献夹下选中“直流电机”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设立”，将脚本算法的运营步长设为50ms；2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观测直流电机的运营情况。2.4 当直流电机的转速稳定在设定值后，再点击“脚本编辑器”窗口上 “停止”按钮，重新配置P、I、D的参数或改变算法的运营步长，并再次运营算法程序，观测直流电机的运营情况；2.5 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。五、实验报告规定1画出直流电机控制系统的方框图。2分析P、I、D控制参数对直流电机运营的影响。实验十 步进电机转速控制系统（综合型）一、实验目的1了解步进电机的工作原理；2理解步进电机的转速控制方式和调速方法；3掌握用VBScript或JScript脚本语言进行开关量的编程。二、实验设备同前。三、实验原理1步进电机工作原理简介：步进电机是一种能将电脉冲信号转换成机械角位移或线位移的执行元件，它事实上是一种单相或多相同步电机。电脉冲信号通过环形脉冲分派器，励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场