科目：《计算机控制技术》实验 班级：电气
科目：《计算机控制技术》实验 班级：电气 F1203 姓名：徐晖 学号： 201223910803
实验一 A/D与D/A转换
一、 实验目的?通过实验了解实验系统的结构与使用方法；
?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
THBCC-1型信号与系统？控制理论及计算机控制技术实验平台
THBXD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）
PC 机 1 台（含软件“ THBCC-1 ”）
三、 实验内容
输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；
在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换实验。
四、 实验原理
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土 10V、输出量程均为土 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。其主要特点有：
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 10卩s
3） 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
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对应关系为： -10?10V对应为0?16383（A/D转换为14位）。其中0V为8192。其主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 1111
1FFF
16383
正满度—1LSB
01 1111 1111 1110
1FFE
16382
中间值（零点）
00 0000 0000 0000
0000
8192
负满度+1LSB
10 0000 0000 0001
2001
1
负满度
10 0000 0000 0000
2000
0
而DA转换时的数据转换关系为：-5?5V对应为0?4095（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—1LSB
1111 1111 1110
中间值（零点）
1000 0000 0000
负满度+1LSB
0000 0000 0001
负满度
0000 0000 0000
五、 实验步骤
启动实验台的“电源总开关”，打开土 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；
将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为 1V；
启动计算机，在桌面双击图标“ THBCC-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
00001100011101（共14位，其中后几位将处于实时刷新状态 ）。调节阶跃信号的大小，然后继续观察 AD转
换器的转换结果，并与理论值（详见实验原理）进行比较；
5.根据DA转换器的转换规律（详见本实验附录），在DA部分的编辑框中输入一个十进制数据 （如2457,
其范围为0?4095）,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。
六、 实验结果
1、A/D转换结果
AD
二进制
十进制
DA
十进制
二进制
00001011110100
8948
2457
100110011001
00001100001101
8973
3419
110101011011
00001011110011
8947
2184
100010001000
00001010111010
8890
4032
111111000000
00001011100110
8934
3958
111101110110
(1) 00001011110100
2、D/A转换结果、
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⑵ 3958
实验二 数字PID调节器算法的研究
一、 实验目的1 ?学习并熟悉常规的数字 PID控制算法的原理；
2?学习并熟悉积分分离 PID控制算法的原理；
3?掌握具有数字PID调节器控制系统的实验和调节器参数的整定方法。
二、 实验设备
THBCC-1型信号与系统？控制理论及计算机控制技术实验平台
THBXD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）
PC 机 1 台（含软件“ THBCC-1 ”）
三、 实验内容
1?利用本实验平台，设计并构成一个用于混合仿真实验的计算机闭环实时控制系统；
2?采用常规的PI和PID调节器，构成计算机闭环系统，并对调节器的参数进行整定，使之具有满意 的动态性能；
3?对系统采用积分分离 PID控制，并整定调节器的参数。
四、 实验原理
在工业过程控制中，应用最广泛的控制器是 PID控制器，它是按偏差的比例 （P）、积分（I）、微分（D）
组合而成的控制规律。而数字 PID控制器则是由模拟 PID控制规律直接变换所得。
在PID控制规律中，引入积分的目的是为了消除静差，提高控制精度，但系统中引入了积分，往往使
之产生过大的超调量，这对某些生产过程是不允许的。因此在工业生产中常用改进的 PID算法，如积分分
离PID算法，其思想是当被控量与设定值偏差较大时取消积分控制；当控制量接近给定值时才将积分作用 投入，以消除静差，提高控制精度。这样，既保持了积分的作用，又减小了超调量。
五、 实验步骤
1、实验接线
1.1按图4-1和图4-2连接一个二阶被控对象闭环控制系统的电路;
图4-1数-模混合控制系统的方框图
图4-2被控二阶对象的模拟电路图
被控对象的传递函数为:
G(S)10(s 1)(s
G(S)
10
(s 1)(s 2)
5
(s 1)(0.5s 1)
1.2该电路的输出与数据采集卡的输入端 AD1相连，电路的输入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于 “解锁”状态。
2、脚本程序运行
2.1启动计算机，在桌面双击图标“ THBCC-1 ”，运行实验软件；
2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“ 开嗚采集I”按钮和工具栏上的 “兰” 按钮（脚本编程器）；
2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法 计算机控制技术
基础算法数字PID调器算法”文件夹下选中“位置式 PID ”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“步长设置” ，将脚本算法的运行步长设为 100ms；
2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动” ；用虚拟示波器观察图 4-2输出端的响应曲线；
2.5点击脚本编辑器的调试菜单下 “停止”，利用扩充响应曲线法 （参考本实验附录 4）整定PID控制器
的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后再运行。在整定过程中注意观察参数的变化对系统动态性能的 影响；
2.6参考步骤2.4、2.4和2.5,用同样的方法分别运行增量式 PID和积分分离PID脚本程序，并整定PID
控制器的P、I、D及系统采样时间Ts等参数，然后观察参数的变化对系统动态性能的影响。另外在积分分 离PID程序运行过程中，注意不同的分离阈值 tem对系统动态性能的影响；
2.7实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。
六、实验结果
砒■ Jul 三 I5J 去 H
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a-
冃止砸|
叫
5笨
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第嶙行:
1
（a）位置式PID控制响应曲线
(b)增量式PID控制响应曲线
(c)积分分离PID控制响应曲线
PID 控制算法的控‘变量定义初始化函数
PID 控制算法的控
‘变量定义
初始化函数
算法运行函数
‘采集卡 AD1 通道的测量值
‘给定值
‘比例系数 P
‘积分时间常数 I
‘微分时间常数 D
‘采集周期
‘控制偏差
‘比例项
当前积分项
‘'微分项
‘积分限幅，以防积分饱和
‘ pv为测量值的前项
‘PID 控制器的输出
‘输出值限幅
‘输出值给 DA1 通道
积分分离 PID 控制算法与常规 PID 控制算法相对比，通过实验结果可知：积分分离 制效果要比常规 PID 控制算法控制效果控制效果要好。
七、位置式 PID 控制算法的脚本程序
dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,op
sub Initialize(arg)
WriteData 0 ,1
mx=0 pvx=0 end sub sub TakeOneStep (arg) pv = ReadData(1) sv=2 K=0.8 Ti=5 Td=0
Ts=0.1 ei=sv-pv q0=K*ei if Ti=0 then
mx=0
q1=0 else
mx=K*Ts*ei/Ti end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts q1=q1+mx if q1>4.9 then q1=4.9 end if if q1<-4.9 then
q1=-4.9 end if pvx=pv op=q0+q1+q2 if op<=-4.9 then
op=-4.9
end if if op>=4.9 then op=4.9 end if WriteData op ,1
end sub
退出函数sub Finalize (arg) WriteData 0 ,1 end sub
退出函数
实验三最少拍控制算法研究
一、 实验目的?学习并熟悉最少拍控制器的设计和算法；
?研究最少拍控制系统输出采样点间纹波的形成；
?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
THBCC-1型信号与系统？控制理论及计算机控制技术实验平台
THBXD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）
PC 机 1 台（含软件“ THBCC-1 ”）
三、 实验内容
设计并实现具有一个积分环节的二阶系统的最少拍控制。
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，观察该闭环 控制系统输出采样点间纹波的消除。
四、 实验原理
在离散控制系统中，通常把一个采样周期称作一拍。最少拍系统，也称为最小调整时间系统或最快响 应系统。它是指系统对应于典型的输入具有最快的响应速度，被控量能经过最少采样周期达到设定值，且 稳态误差为定值。显然，这样对系统的闭环脉冲传递函数 （Z）提出了较为苛刻的要求，即其极点应位于 Z
平面的坐标原点处。
最少拍控制算法
计算机控制系统的方框图为：
―—[zoh}__4g（3）|
I I V I I
图7-1最少拍计算机控制原理方框图
根据上述方框图可知，有限拍系统的闭环脉冲传递函数为：
(1)C(z) D(z)HG(z)
(1)
R(z) 1 D(z)HG(z)
e(z)E1
e(z)
E1(z)
R(z)
1
1 D(z)HG(z)
(z)
由（1）、⑵解得:
D ⑵；（z^随动系统的调节时间也就是系统误差e1（kt）
D ⑵；（z^
随动系统的调节时间也就是系统误差
e1（kt）达到零或为一恒值所需的时间，由 Z变换定义可知:
E1(Z)
e1(kT)Z
k 0
8(0) &(T )Z
8(2T)Z
e(kT)Z
有限拍系统就是要求系统在典型的输入信号作用下，当 K N时，e1(kT)恒为零或恒为一常量。N为
尽可能小的正整数，为了实现这个目标，对不同的输入信号，必须选择不同的 e(z )传递函数，由理论分析
得：
R(Z)乙 e(z) 1 z1
1 Z
R(Z) TZ4p e(Z)(1 Z1)2
(1 z1)2
? T2z 1(1 z 1^ z “ 1\3
R(z) 口 e(z) (1 Z )
2(1 z 1)3
2 ?等速输入下最小拍控制器的设计
对于一二阶受控对象加零阶保持器后对象的传递函数为：
HG(S)1 eTSKS(T￡ 1)选择采样周期T,
HG(S)
1 eTS
K
S(T￡ 1)
选择采样周期T,
将上述传递函数离散后得
HG(Z) K°
T1 T1eT/T1)Z1
1
(1 Z )(1 e
(T1 T1eT/T1
TeT/T1)Z2
因为输入是单位斜坡信号，所以选择:
e(z) (1 Z1)2
(Z)11 e(z) 2ZD(z)U(z) (z)E(z) e(z)HG(z)T /帀(2 Z \(11 .KA(1 Z )(1 BZ )
(Z)
1
1 e(z) 2Z
D(z)
U(z) (z)
E(z) e(z)HG(z)
T /帀
(2 Z \(1
1 .
KA(1 Z )(1 BZ )
T/「
其中A
e Z 1)
1、
2eT/T1)Z 1 e
1
1 2 (1
KA 1 (B 1)Z 1 BZ
T T1e T/T1
T /T1
T1, B (T1 T/T1
Te
T/T1)/A
由此可得等速输入下最少拍算法的控制量为
2 1 2e u(k)=(1-B)u(k-1)+Bu(k-2)+ —e(k) e(k
KA KA
T/T1
1)
小 T /T1
e
e(k KA
2)
按等速输入下最少拍无差系统设计的控制器，在等速输入可使闭环系统的输出在第二拍(即两个采样 周期)跟上，此后在采样点上达到无差。但对于其它典型输入的适应性较差。
?等速输入下最小拍无纹波控制器的设计
按最少拍无差系统设计，最多只能达到采样点上无偏差，而不能保证相邻两采样点间无纹波。最少拍 无纹波设计，不仅要做到采样点上无偏差，而且要做到采样点间无纹波。
根据式(3)以及等速输入下最少拍无纹波的条件，可以求得：
1 1 1
(Z) (1 Bz )佝 a?z )z
1 2 1
1 (z) (1 z ) (1 bz )
两式联立求解得
a13B 22
a1
3B 2
2
B 2B 1
a2
(2B 1) , B(B 1)
?~ ， B2 2B 1
所以有D(z)E(z
所以有
D(z)E(z
⑺ (1 eT/T1Z1)(a1 a2z1)
e(z)HG(z) KA(1 Z 1 )(1 bZ 1)
T/T1 1 T /T1 2
1 a1 (a2 a1e )Z a2e Z
1 2
KA 1 (b 1)Z bZ
由此可得等速输入下最少拍无纹波的算法：a1u(k) (1 b)u(k 1) bu(k 2) -e(k)KAa2
由此可得等速输入下最少拍无纹波的算法：
a1
u(k) (1 b)u(k 1) bu(k 2) -e(k)
KA
a2
a1e
T/T1
KA
e(k
1)
a2e T/T1
KA
e(k
2)
五、实验步骤
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;
□ 宀I
La.
■ ■
1
1
图7-1二阶被控对象的模拟电路图
实验系统被控对象的传递函数为:
G(S)KS(T
G(S)
K
S(T1S 1)
0.5
S(S 1)
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7-2最少拍计算机控制原理方框图
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于 “解锁”状态。
2、脚本程序运行
2.1启动计算机，在桌面双击图标“ THBCC-1 ”，运行实验软件；
2.2点击虚拟示波器界面上的“ 开赠采集卜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 “一 ”按钮(脚本编程器)；在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，
并在“计算机控制算法 计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“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“步长设置” ，将脚本算法的运行步长设
为 200ms；
2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下 “启动”；用虚拟示波器观察图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 计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“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，用示波器观察图 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、实验结果
1．二阶被控对象的电路图。
见图 7-1 二阶被控对象的模拟电路图 2．根据最少拍有纹波控制的算法编写脚本程序。
dim sv,pv,op,opx,opxx,ei,eix,eixx,Ts,A,B,k,Ti,x sub Initialize(arg)
WriteData 0 ,1
WriteData 0 ,2 opx=0 opxx=0 eix=0 eixx=0 end sub sub TakeOneStep (arg)
pv = ReadData(1) sv=sv+0.03 Ts=0.2 if sv>=4.8 then sv=4.8 end if ei=sv-pv Ti=1
‘变量定义
初始化函数
‘算法运行函数
采集卡 AD1、2 通道的测量值 斜坡信号的产生
‘采集周期
斜坡输出的最大值
‘控制偏差
k=0.5
C=exp(-Ts/Ti)
A=Ts+Ti*C-Ti
B=(Ti-Ti*C-Ts*C)/A
op=(1-B)*opx+B*opxx+2*ei/(k*A)-(1+2*C)*eix/(k*A)+C*eixx/(k*A) ‘控制输出值
eixx=eix
eix=ei
opxx=opx opx=op if op<=-4.9 then
op=-4.9
end if
if op>=4.9 then
输出值限幅
输出值给DA1通道 斜坡信号给DA2通道
输出值给DA1通道 斜坡信号给DA2通道
'退出函数
當徉垃里in「
-10 - I
平務
io = I
op=4.9
end if
WriteData op ,1
WriteData sv ,2 end sub sub Fin alize (arg)
WriteData 0 ,1
WriteData 0 ,2 end sub
3?最少拍有纹波、无纹波控制时系统输出响应曲线。
10 H6--」TLKrfl-f 准割示ifeat teecc-x-X珈bi?「
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「Rl田GFI3?了电口凸 &絵 寸丘arm八宀叩
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⑻最少拍有纹波控制响应曲线
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EDildl Bub
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EV-pv= RHHdDAlA|1]l
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(b)最少拍无纹波控制响应曲线
实验四单闭环直流调速系统
、实验目的掌握用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。
、实验设备
THBCC-1型信号与系统？控制理论及计算机控制技术实验平台
THBXD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）
PC 机 1 台（含软件“ THBCC-1 ”）
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，主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，有利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:
1. PWM的工作原理
图13-1 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 13-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内
部包含有精密基准源、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、相位相互错开 180度、占空比可调的矩形波（即 PWM信号）。它
适用于各开关电源、斩波器的控制。
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， 它必须经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。
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，当磁钢转到时霍尔元件感应输出。
4?直流电机控制系统如图 13-3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。
■描运阁1 —1苗乎訂厲乱图
■描运阁
1 —
1苗乎訂厲乱
图13-3直流电机控制系统
四、实验步骤
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 0?5V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、脚本程序运行
THBCC-1 ”，运行实验软件。”按钮和工具栏上的二
THBCC-1 ”，运行实验软件。
”按钮和工具栏上的二I”按钮（脚本编程器）;
2.2顺序点击虚拟示波器界面上的2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选 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“步长设置” ，
将脚本算法的运行步长设为 50ms；
2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动” ；观察直流电机的运行情况。
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行步长，并再次运行算法程序，观察直流电机的运行情况；
2.5实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。
五、实验结果
1 ?画出直流电机控制系统的方框图。
如图13-3 所示
2.分析P、I、D控制参数对直流电机运行的影响。
科目：《计算机控制技术》实验 班级：电气F1203
科目：《计算机控制技术》实验 班级：电气F1203 姓名：徐晖 学号：201223910803
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pv = ?号M It址欝
C 'Fr^rrw *il”
⑻直流电机测量曲线
P:比例环节I:积分环节 D:微分环节
控制系统由于引入了比例一积分一微分控制器后，由于引入了一个位于坐标原点的极点，可以使系统
无差度曾加1,同时，由于引入了两个负实数零点，与 PI控制器比较，除了保持系统稳定性能的优点外,
在提高系统动态性能方面具有更大的优越性。
六、参考程序
dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,qO,q1,q2,mx,pvx,op
sub In itialize(arg)
WriteData 0 ,1
'初始化函数
mx=0
pvx=0
end sub
sub Take On eStep (arg)
pv = GetFS
TTTRACE "转速=%f',pv
sv=35
'算法运行函数
'电机的控制的转速，该转速在 20?35左右
K=2
Ti=2
Td=0
Ts=0.05
'采集周期50ms
科目：《计算机控制技术》实验 班级：电气
科目：《计算机控制技术》实验 班级：电气 F1203 姓名：徐晖 学号： 201223910803
'比例项
'比例项
'当前积分项
'微分项
'当前积分限幅，以防积分饱和
'当前输出值
'输出值限幅
'退出函数
ei=(sv-pv )/20
TTRACE "ei=%f", ei q0=K*ei if Ti=0 then mx=0 q1=0 else mx=K*Ts*ei/Ti end if q2=K*Td*(pvx-pv)/Ts q1=q1+mx if q1>3.5 then q1=3.5
end if if q1<-3.5 then q1=-3.5
end if pvx=pv op=q0+q1+q2 if op<=1 then op=1
end if
if op>=3.5 then op=3.5
end if
WriteData op ,1
TTRACE "op=%f", op end sub sub Finalize (arg)
WriteData 0 ,1 end sub
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