微机控制实验报告

实验一 采样与保持仿真实验

一、实验目的与要求

1、了解数/模转换器的零阶保持器作用。 2、验证零阶保持器在控制系统中的作用。 3、验证采样周期对系统稳定性的影响。

4、学习控制系统计算机辅助设计软件MATLAB及其仿真环境SIMULINK的使用。 二、仿真软硬件环境 PC机，MATLAB R2009。 三、实验原理 R + － C × ○ 其中零阶保持器描述回路的采样功能和D/A转换器的保持功能。 四、SIMULINK仿真结构图 五、仿真实验记录 六、思考题 1、在微机控制系统中采样周期T的选择应注意哪些方面? 答：采样周期取越小值，复现精度就越高，也就是说“越真”。若采样周期太长。计算机控制系统受到的干扰就得不到及时克服而带来很大误差，使系统动态品质恶化，甚至导致计算机控制系统的不稳定。 2、若模拟量在A/D转换时变化较大，是否要加保持器?为什么？ 答：从启动信号转换到转换结束的数字输出，经过一定时间，而模拟量转换期间，要求模拟量信号保持不变，所以必须用采样保持器.

该电路具有两个功能：采样跟踪输入信号；保持暂停跟踪输入信号，保持已采集的输入信号，确保在A/D转换期间保持输入信号不变。在A/D转换期间，为了使输入信号不变，保持在开始转换时的值，通常要采用一个采样保持电路。对于MCS-96单片机的A/D转换器，启动转换实际上是把采样开关接通，进行采样，过一段时间后，开关断开，采样电路进入保持模式，才是A/D真正开始转换。

3、D/A转换器为什么会具有零阶保持器的作用？

答：在这种结构中每一个通道都有一个D/A转换器。D/A转换器是按照采样周期T对控制器输出的数字量进行D/A转换的，但由于D/A转换器具有数据输入锁存功能，它能够在接收下一组数字量之前，一直保持前一组数字量不变，因而D/A转换器的输出模拟量，能够在一个采样周期内保持不变，也就是说，D/A转换器本身就具有零阶保持器的功能。

4、计算机控制系统模拟量输出通道中若无零阶保持器会出现什么问题？

答：模拟量输出通道中要有输出保持器，这是因为计算机控制是分时的，每个输出回路只能周期地在一个时间片上得到输出信号，即这时执行部件得到的是时间上离散的模拟信号，而实际的执行部件却要求连续的模拟信号，因此为了使执行部件在两个输出信号的间隔时间内仍然能得到输出信号，就必须有输出保持器，通过它将前一采样控制时刻的输出信号保持下来，直到下一个采样控制时刻到来，重新得到新的输出信号 计算机控制系统中通常采用零阶保持器，即前一采样时刻的输出值原封不动的（理想化的）保持到下一采样时刻到来。 零阶保持器通常用和模拟量输入通道中的采样保持器一样的电容保持电路来实现。 5、系统的平滑性与什么有关？ 答：计算机控制系统平滑性与采样周期有关。当一个连续被控过程由计算机控制时，计算机产生的指令信号是通过零阶保持器输出的，因此，它是一组阶梯信号。在这组阶梯信号作用下，被控过程的输出是一组彼此相连的阶跃响应。由于信号阶梯的大小与采样周期成正比，在采样周期较大时，信号阶梯增大，使被控对象的输出响应不平滑，产生不允许的高频波动。为了减小这种波动，采样周期应取得小些为好，以保证在响应过程中有足够多的采样点数。 实验二 微分与平滑仿真实验 一、实验目的与要求 1、了解微分对采样噪音的灵敏响应。 2、了解平滑算法抑制噪音的作用。 3、进一步学习MATLAB及其仿真环境SIMULINK的使用。 二、仿真软硬件环境 PC机，MATLAB R2009。 三、实验原理

如图微分加在正反馈输入端，计算机用D(Z)式进行微分运算。R为阶跃输入信号，C为系统输出。由于微分是正反馈，当取合适的微分时间常数时，会使系统响应加快。若微分时间常数过大，则会影响系统稳定性。

R + × ○+ C

四、D(Z)设计

1、未平滑时的D(Z)

用一阶差分代替微分运算：

式中TＤ为微分时间常数，T为计算机采样周期。 2、平滑后的D(Z)

微分平滑运算原理如图：

xk-2 x ＊x x k-3取Y(k)为四个点的微分均值，有 xk-1 五、SIMULINK仿真结构图 六、仿真实验记录 七、思考题 1、微分噪音与采样噪音和采样周期T有什么关系?与微分时间常数有什么关系? 答：在采样周期T相同情况下，TD越大，微分噪音越严重； 在TD相同情况下，采样周期T越小，微分噪音越严重。 2、平滑后系统输出有无改善?是否一定需要平滑? 答：微分平滑后输出有了明显改善。并非所有的情况下都需要平滑，在系统输出情况良好的情况下，无需平滑。 0.5T 0.5T xk T T t 实验三 积分分离PID控制仿真实验 一、实验目的与要求 1、学会PID三个系数的选取。 2、了解积分分离值的模拟实验选取。 3、掌握SIMULINK的仿真方法。 二、仿真软硬件环境

PC机，MATLAB R2009。 三、实验原理

如图，R为输入，C为输出。计算机不断采人误差E，进行积分判别与PID运算，然后判结果是否溢出(若溢出则取最大或最小值)，最后将控制量输送给系统。

四、 R PID算法E + × - P I + + ×+ Kp[e(t) PID控制规律为：U(t)D 1TIt0e(t)dtTDde(t)] dtC 其中：e(t)为控制器输入；u(t)为控制器输出。对上式进行零初始条件下的拉氏变换，得PID控制器的传递函数： 五、整定调节参数与系统开环增益用临界比例带法整定参数。设采样周期为50ms，先去掉微分与积分作用，只保留比例控制，增大KP，直至系统等幅振荡，记下振荡周期Tu和振荡时所用比例值Kpu，按以下公式整定参数（比例、积分、微分调节）： T=0.167Tu ，Kp＝0.27/Kpu ，TI＝0.4Tu ，TD＝0.22Tu 六、SIMULINK仿真结构图七、自定义函数设计 实现积分分离功能的自定义函数设计（文件名jffl）： function y=jffl(x) EI=5(或2)； if abs(x)<=EI y=x； end else y=0； 八、仿真实验数据及相应曲线 Ｔtest＝50ms Ｔu＝0.37s Ｋpu＝0.80 T=61.2ms KP=0.3375 TI=0.148s TD=0.0814s Ⅰ 用临界比例带法整定参数 Ⅱ 用Ⅰ栏PID参数，EI修改 Ⅲ 较佳的PID参数 Ⅳ 用Ⅲ栏PID参数，EI修改 EI 5 0.15 5 0.15 KP 0.3375 0.3375 0.2 0.2 KI= KP/TI 2.2804 2.2804 1.5 1.5 KD= KPTD 0.0274 0.0274 0.015 0.015 Mp 1.3796 1.1525 1.5186 1.2682 ts 1.6656s 1.5053s 2.5301 1.8731 （将四条输出曲线和输入曲线一起画在同一个坐标里。） 九、思考题

１、当积分分离值EI取得最大时，还是积分分离式控制吗？若取最小呢？

答：积分分离值EI取得最大或最小都不是积分分离式控制。 ２、试分析比例控制、微分控制、积分控制在系统中的作用。

答：比例跟偏差成正比，决定响应速度；微分的作用使输出快速的跟定输入；积分的作用是使系统稳定后没有静差。