计算机控制系统设计性实验

计算机控制技术实验报告实验一 信号的采样与保持一、实验目的1．熟悉信号的采样和保持过程。

2．学习和掌握香农(采样)定理。

3．学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。

二、实验设备PC 机一台，TD-ACS 实验系统一套，i386EX 系统板一块。

三、实验原理香农（采样）定理：若对于一个具有有限频谱（max ωω<）的连续信号)(t f 进行采样，当采样频率满足max 2ωω≥s 时，则采样函数)(t f *能无失真地恢复到原来的连续信号)(t f 。

m ax ω为信号的最高频率，s ω为采样频率。

四．实验内容1．采样与保持编写程序，实现信号通过 A/D 转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到 D/A 转换器输出。

实验线路图如图2-1所示，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

图2-1 采样保持线路图控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1#定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的“7”号中断，用作采样中断。

正弦波单元的“OUT ”端输出周期性的正弦波信号，通过模数转换单元的“IN7”端输入,系统用定时器作为基准时钟（初始化为10ms ），定时采集“IN7”端的信号，转换结束产生采样中断，在中断服务程序中读入转换完的数字量，送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号。

由于数模转换器有输出锁存能力，所以它具有零阶保持器的作用。

采样周期T= TK×10ms，TK 的范围为01~ FFH ，通过修改TK 就可以灵活地改变采样周期，后面实验的采样周期设置也是如此。

零阶采样保持程序流程图如图2-2所示。

图2-2 零阶采样保持程序流程图实验步骤：（1）参考流程图2-2编写零阶保持程序，编译、链接。

（2）按照实验线路图2-1接线，检查无误后开启设备电源。

（3）用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT ”端，调节正弦波单元的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT ”端输出幅值为3V ，周期1S 的正弦波。

南京邮电大学自动化学院实验报告课程名称：计算机控制系统实验名称：计算机控制系统性能分析所在专业：自动化学生姓名：**班级学号：B************: ***2013 /2014 学年第二学期实验一：计算机控制系统性能分析一、 实验目的：1.建立计算机控制系统的数学模型；2.掌握判别计算机控制系统稳定性的一般方法3.观察控制系统的时域响应，记录其时域性能指标；4.掌握计算机控制系统时间响应分析的一般方法；5.掌握计算机控制系统频率响应曲线的一般绘制方法。

二、 实验内容：考虑如图1所示的计算机控制系统图1 计算机控制系统1. 系统稳定性分析(1) 首先分析该计算机控制系统的稳定性，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解:G1=tf([1],[1 1 0]);G=c2d(G1,0.01,'zoh');//求系统脉冲传递函数 rlocus(G);//绘制系统根轨迹Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s-7-6-5-4-3-2-1012-2.5-2-1.5-1-0.500.511.522.5将图片放大得到0.750.80.850.90.9511.051.11.151.21.25-0.15-0.1-0.050.050.10.15Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i sZ 平面的临界放大系数由根轨迹与单位圆的交点求得。

放大图片分析： [k,poles]=rlocfind(G)Select a point in the graphics window selected_point = 0.9905 + 0.1385i k =193.6417 poles =0.9902 + 0.1385i 0.9902 - 0.1385i 得到0<K<193(2) 假设不考虑采样开关和零阶保持器的影响，即看作一连续系统，讨论令系统稳定的K 的取值范围； 解：G1=tf([1],[1 1 0]); rlocus(G1);-1.2-1-0.8-0.6-0.4-0.200.2-0.8-0.6-0.4-0.20.20.40.60.8Root LocusReal AxisI m a g i n a r y A x i s由图片分析可得，根轨迹在S 平面左半面，系统是恒稳定的，所以： 0<K<∞(3) 分析导致上述两种情况下K 取值范围差异的原因。

计算机系统综合课程设计实验总结一、引言计算机系统综合课程设计实验是计算机科学与技术相关专业的一门重要实践课程，旨在通过实际操作和综合实验任务，让学生全面了解计算机系统的组成和工作原理，培养学生的综合应用能力和问题解决能力。

本文旨在对该实验进行总结和回顾，介绍实验的目的、内容、实施过程和取得的成果。

二、实验目的计算机系统综合课程设计实验的目的是通过设计和实现一个简化的计算机系统，包括处理器、内存、I/O设备等，加深对计算机硬件和软件的理解，培养学生的系统思维和综合应用能力。

通过实验，学生能够掌握计算机系统的基本结构和工作原理，熟悉计算机体系结构、操作系统、编译原理等相关知识，提高自己的实践能力和创新能力。

三、实验内容本次实验的内容主要包括以下几个方面：1. 计算机系统的基本组成：学生需要了解并实现计算机系统的各个部分，包括处理器、内存、I/O设备等，理解它们之间的功能和相互作用关系。

2. 处理器设计与实现：学生需要设计并实现一个简化的处理器，包括指令集、寄存器、控制单元等。

通过设计处理器，学生能够深入理解指令的执行过程和计算机的运行机制。

3. 内存管理和地址映射：学生需要设计并实现一个简化的内存管理系统，包括地址映射、虚拟内存、分页机制等。

通过实现内存管理系统，学生能够理解内存的分配与回收原理，掌握地址映射的方法和技巧。

4. I/O设备的设计与实现：学生需要设计并实现一个简化的I/O设备，包括输入设备和输出设备。

通过设计I/O设备，学生能够了解I/O设备的工作原理和驱动程序的编写方法。

四、实施过程本次实验的实施过程主要包括以下几个阶段：1. 系统设计和规划：在实验开始前，学生需要对整个实验进行系统设计和规划，确定实验的目标、内容和实施方案。

2. 硬件和软件开发：学生根据实验的设计要求，开始进行硬件和软件的开发工作。

他们需要使用相应的开发工具和编程语言，实现计算机系统的各个组成部分。

3. 调试和测试：在开发完成后，学生需要对实验系统进行调试和测试，确保系统的功能和性能达到设计要求。

一、实训背景随着科学技术的不断发展，计算机技术在各个领域的应用日益广泛。

计算机控制技术作为自动化领域的重要组成部分，其研究与应用对于提高生产效率、降低成本、改善产品品质等方面具有重要意义。

为了使学生深入了解计算机控制技术，提高动手能力，本实训课程以计算机控制技术为核心，通过实际操作，使学生掌握计算机控制系统的设计、调试和实施方法。

二、实训目的1. 理解计算机控制系统的基本原理和组成；2. 掌握计算机控制系统的设计方法；3. 熟悉计算机控制系统的调试与实施；4. 培养学生团队合作精神和创新意识。

三、实训内容1. 计算机控制系统的基本组成计算机控制系统主要由以下几个部分组成：（1）被控对象：被控对象是指需要通过计算机控制系统进行控制的设备或过程。

（2）传感器：传感器用于将物理量转换为电信号，以便计算机控制系统进行处理。

（3）控制器：控制器是计算机控制系统的核心，负责接收传感器输入信号，根据预设的控制策略进行计算，并输出控制信号。

（4）执行器：执行器根据控制器输出的控制信号，实现对被控对象的调节。

（5）人机界面：人机界面用于人与计算机控制系统之间的交互，包括操作面板、显示器等。

2. 计算机控制系统的设计方法计算机控制系统的设计主要包括以下几个步骤：（1）系统分析：分析被控对象的特点和需求，确定控制目标。

（2）系统建模：根据被控对象的特点，建立数学模型。

（3）控制器设计：根据数学模型和控制目标，选择合适的控制器类型，并进行参数整定。

（4）系统仿真：在计算机上对控制系统进行仿真，验证系统性能。

（5）系统实施：根据仿真结果，对实际控制系统进行调整和优化。

3. 计算机控制系统的调试与实施计算机控制系统的调试主要包括以下几个方面：（1）硬件调试：检查硬件设备是否正常，包括传感器、控制器、执行器等。

（2）软件调试：检查控制算法是否正确，参数是否合理。

（3）系统联调：将硬件和软件结合起来，进行系统联调，验证系统性能。

目录目录 (1)实验一数据输入输出通道 (2)实验二信号采样与保持 (5)实验三数字PID控制 (7)实验四直流电机闭环调速控制 (9)实验五温度闭环数字控制 (11)实验六最少拍控制器的设计与实现 (13)附录 (15)实验一数据输入输出通道实验目的：1.学习A/D转换器原理及接口方法，并掌握ADC0809芯片的使用。

2.学习D/A转换器原理及接口方法，并掌握TLC7528芯片的使用。

实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验内容：1.编写实验程序，将－5V~+5V的电压作为ADC0809的模拟量输入，将转换所得的8位数字量保存于变量中。

2.编写实验程序，实现D/A转换产生周期性三角波，并用示波器观察波形。

实验原理：1.A/D转换实验ADC0809芯片主要包括多路模拟开关和A/D转换器两部分，其主要特点是：单电源供电、工作时钟CLOCK最高可达到1200KHz、8位分辨率，8个单端模拟输入端，TTL电平兼容等，可以很方便地和微处理器接口。

ADC0809 芯片，其输出八位数据线以及CLOCK 线已连到控制计算机的数据线及系统应用时钟1MCLK (1MHz)上。

其它控制线根据实验要求可另外连接(A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0～IN7)。

实验线路图1-1为：图1-1 A/D转换实验接线图上图中，AD0809 的启动信号"STR"是由控制计算机定时输出方波来实现的。

"OUT1" 表示386EX 内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时间常数。

ADC0809 芯片输入选通地址码A、B、C 为"1"状态，选通输入通道IN7；通过单次阶跃单元的电位器可以给A/D 转换器输入－5V ~ +5V 的模拟电压；系统定时器定时1ms 输出方波信号启动A/D 转换器，并将A/D 转换完后的数据量读入到控制计算机中，最后保存到变量中。

计算机控制课程设计一、课程目标知识目标：1. 让学生掌握计算机控制系统的基础理论知识，包括控制系统的组成、工作原理和性能指标；2. 使学生了解常见传感器的工作原理，并能运用所学知识分析传感器的选用原则；3. 让学生掌握计算机控制算法的基本原理，如PID控制、模糊控制等。

技能目标：1. 培养学生运用计算机编程软件（如MATLAB）进行控制系统仿真的能力；2. 培养学生设计简单的计算机控制系统硬件电路，并进行调试的能力；3. 提高学生运用所学知识解决实际计算机控制问题的能力。

情感态度价值观目标：1. 培养学生对计算机控制技术产生浓厚的兴趣，激发学生的学习热情；2. 培养学生具备团队协作精神，学会与他人共同探讨、分析和解决问题；3. 增强学生的创新意识，培养学生在面对实际问题时敢于尝试、勇于突破的精神。

分析课程性质、学生特点和教学要求：本课程为计算机控制技术的实践性课程，旨在培养学生的实际操作能力和创新能力。

学生处于高年级阶段，已具备一定的专业基础知识和实践能力。

教学要求注重理论与实践相结合，强调学生的动手实践能力和解决实际问题的能力。

二、教学内容1. 计算机控制系统概述- 控制系统基本概念- 控制系统发展历程- 计算机控制系统的优势与应用2. 控制系统硬件组成- 控制器硬件结构- 传感器及其接口技术- 执行器及其接口技术3. 计算机控制算法- PID控制算法原理- 模糊控制算法原理- 其他先进控制算法介绍4. 控制系统仿真与设计- MATLAB/Simulink软件介绍- 控制系统仿真模型搭建- 控制系统硬件设计及调试5. 实际案例分析与讨论- 典型计算机控制系统案例分析- 学生分组讨论实际控制问题- 创新性控制系统设计实践教学内容安排与进度：第一周：计算机控制系统概述第二周：控制系统硬件组成第三周：计算机控制算法第四周：控制系统仿真与设计第五周：实际案例分析与讨论教材章节及内容列举：第一章：计算机控制系统概述（涵盖教学内容1）第二章：控制系统的硬件与接口技术（涵盖教学内容2）第三章：计算机控制算法（涵盖教学内容3）第四章：控制系统的仿真与设计（涵盖教学内容4）第五章：计算机控制系统应用案例（涵盖教学内容5）三、教学方法本课程采用以下多样化的教学方法，以充分激发学生的学习兴趣和主动性：1. 讲授法：用于讲解计算机控制系统的基本概念、原理和算法等理论知识。

.《计算机控制技术》实验报告班级：学号：姓名：信息工程学院2016-2017-2实验1：D/A转换实验实验名称：D/A转换实验一．实验目的学习D/A转换器原理及接口方式，并掌握TLC7528芯片的使用。

二．实验原理TLC7528芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。

会将数字信号转换成模拟信号。

三．实验容本实验输入信号：8位数字信号本实验输出信号：锯齿波模拟信号本实验数/模转换器：TLC7528输出电路预期实验结果：在虚拟示波器中显示数字信号转换成功的锯齿波模拟信号的波形图。

四．实验结果及分析记录实验结果如下：结果分析：为什么会出现这样的实验结果？请用理论分析这一现象。

D/A就是将数字量转化为模拟量，然后通过虚拟示波器显示出来，表现为电压的变化。

1.实验2：采样与保持实验实验名称：信号采样与保持一．实验目的1.熟悉信号的采样与保持过程2.学习和掌握采样定理3.学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号二．实验原理香农(采样) 定理：若对于一个具有有限频谱(|W|<Wmax)的连续信号f (t)进行采样，当采样频率满足Ws≥2Wmax 时，则采样函数f*(t) 能无失真地恢复到原来的连续信号f(t)。

Wmax 为信号的最高频率，Ws 为采样频率。

三．实验容本实验输入信号：正弦波模拟信号本实验输出信号：正弦波数字信号本实验采样信号：方波预期实验结果：1.在模拟示波器中成功显示采样与保持的正弦波信号。

2.成功在模拟示波器中还原输入的正弦波信号。

四．实验结果及分析记录实验结果如下：零阶保持增大采样周期失真3.直线采值二次曲线结果分析：为什么会出现这样的实验结果？请用理论分析这一现象。

实验3：数字滤波实验实验名称：数字滤波一．实验目的1.学习和掌握一阶惯性滤波2.学习和掌握四点加权滤波二．实验原理一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。

由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应用，下面是一个典型数字滤波的方框图：三．实验容本实验输入信号：正弦信号干扰信号本实验输出信号：正弦波模拟量本实验采样信号：周期为5ms的方波本实验被控对象：预期实验结果：输入为带有毛刺的正弦波，经过滤波后，输出为正弦波信号四．实验结果及分析记录实验结果如下：5.结果分析：不同采样周期对实验结果的影响，使用理论分析这一结果。

计算机控制技术实验报告实验名称：计算机控制技术实验实验目的：通过学习计算机控制技术的基本原理和方法，掌握计算机控制技术的应用。

实验原理：计算机控制技术是一种应用于现代工业自动化控制中的控制技术。

计算机控制系统由计算机硬件和软件组成，通过采集、处理和输出各种信号来完成对被控对象的控制。

实验仪器：计算机、控制器、传感器、被控对象等。

实验步骤：1.确定实验目标和实验要求。

2.研究被控对象的性质和特点，设计控制方案。

3.配置硬件设备，连接传感器、控制器和计算机。

4.编写控制程序，设置控制算法，实现被控对象的控制。

5.进行实验操作，观察并记录实验结果。

6.对实验结果进行分析和评价，总结实验经验。

实验结果和分析：在实验中，我们选择了一个温度控制系统作为被控对象。

通过传感器采集环境温度，并通过控制器将控制信号发送给加热器，调节加热器的功率来控制环境温度。

通过实验操作，我们观察了不同环境温度下的控制效果。

实验结果表明，在控制系统正常工作时，环境温度可以稳定在设定温度附近，并具有很好的控制精度。

此外，我们还对控制系统进行了稳定性和响应速度等性能指标的评价。

实验结果显示，控制系统具有较好的稳定性和快速响应的特点，可以满足实际工业生产中对温度控制的要求。

实验总结：通过本次实验，我们深入学习了计算机控制技术的基本原理和方法，并通过实践掌握了实验操作的技巧。

实验结果表明，计算机控制技术在工业生产中具有广泛的应用前景。

在今后的学习中，我们将进一步深入研究计算机控制技术的进一步发展，并不断提高实际应用能力，为工业自动化控制的发展贡献自己的力量。

计算机控制技术--基于Matlab的最少拍控制系统设计学院：计算机科学与技术班级：计科0902班学号：姓名：指导老师：日期： 2012年12月15日一、实验目的：1．学习使用Matlab 设计最少拍控系统的方法； 二、实验工具：X86系统兼容型计算机、MATLAB 软件。

三、实验内容： 1．实验原理最少拍设计，是指系统在典型输入信号（如阶跃信号、速度信号、加速度信号等）作用下，经过最少拍（有限拍）使系统输出的系统稳态误差为零。

因此，最少拍控制系统也称最少拍无差系统或最少拍随动系统，它实质上是时间最优控制系统，系统的性能指标就是系统调节时间最短或尽可能短，即对闭环Z 传递函数要求快速性和准确性。

下面以一个具体实例介绍最少拍系统的设计和仿真。

考虑图1所示的采样数字控制系统，被控对象的脉冲传递函数为210G ()(1)s s s =+图0 最少拍采样数字控制系统设采样周期T=1s ，首先求取广义被控对象的脉冲传递函数： 广义被控对象21112111111110()[](1)11(1)10[](1)110.36793.679(10.718)(1)(10.3679)Ts e G z Z s s s z z z z z z z z z -----------=+=-⨯-+---+=--我们知道，最少拍系统是按照指定的输入形式设计的，输入形式不同，数字控制器也不同。

因此，对三种不同的输入信号分别进行考虑： ① 单位阶跃信号：计算可得到最少拍数字控制器为1111()()1()0.2712(10.3679))()()(1())10.718e z z z z z z D z G z z z ----Φ=Φ=-Φ-==-Φ+检验误差序列：()(1())()1E z z R z =-Φ=由误差的变换函数得知，所设计的系统当k>1后，e （k ）=0就是说，一拍以后，系统输出等于输入，设计正确。

② 单位速度信号：原理同上，我们可以得到：1111()0.5434(10.5)(10.3679)()()(1())(1)(10.718)z z z D z G z z z z ----Φ--==-Φ-+检验误差：1()(1())()E z z R z z -=-Φ=从E(z)看出，按单位速度输入设计的系统，当k 大于等于2之后，即二拍之后，误差e （k ）=0，满足题目要求。

实验五 控制系统计算机辅助设计一、实验目的学习借助MATLAB 软件进行控制系统计算机辅助设计的基本方法，具体包括超前校正器的设计，滞后校正器的设计、滞后－超前校正器的设计方法。

二、实验学时：4 学时 三、实验原理1、PID 控制器的设计PID 控制器的数学模型如公式（5-1）、（5-2）所示，它的三个特征参数是比例系数、积分时间常数（或积分系数）、微分时间常数（或微分系数），因此PID 控制器的设计就是确定PID 控制器的三个参数：比例系数、积分时间常数、微分时间常数。

Ziegler （齐格勒）和Nichols （尼克尔斯）于1942提出了PID 参数的经验整定公式。

其适用对象为带纯延迟的一节惯性环节，即：s e Ts Ks G τ-+=1)( 5-1式中，K 为比例系数、T 为惯性时间常数、τ为纯延迟时间常数。

在实际的工业过程中，大多数被控对象数学模型可近似为式（5-1）所示的带纯延迟的一阶惯性环节。

在获得被控对象的近似数学模型后，可通过时域或频域数据，根据表5-1所示的Ziegler-Nichols 经验整定公式计算PID 参数。

表控制器的参数。

假定某被控对象的单位阶跃响应如图5-4所示。

如果单位阶跃响应曲线看起来近似一条S 形曲线，则可用Ziegler-Nichols 经验整定公式，否则，该公式不适用。

由S 形曲线可获取被控对象数学模型（如公式5-1所示）的比例系数K 、时间常数T 、纯延迟时间τ。

通过表5-1所示的Ziegler-Nichols 经验整定公式进行整定。

如果被控对象不含有纯延迟环节，就不能够通过Ziegler-Nichols 时域整定公式进行PID 参数的整定，此时可求取被控对象的频域响应数据，通过表5-1 所示的Ziegler-Nichols 频域整定公式设计PID 参数。

如果被控对象含有纯延迟环节，可通过pade 命令将纯延迟环节近似为一个四阶传递函数模型，然后求取被控对象的频域响应数据，应用表5-1求取PID 控制器的参数。

基于labview的计算机控制系统实验设计
一、实验目的
1、熟悉LABVIEW的基本操作；
2、学习NI计算机控制系统的设计及使用；
3、利用NI计算机控制系统设计实现一定功能及复杂控制任务；
4、掌握控制设计原理及NI控制系统设计方法。

二、实验内容
1、学习和掌握LabVIEW软件视图介绍；
2、学习和掌握LabVIEW软件VI编程基本知识；
3、学习和掌握LabVIEW软件Vi标准模块的使用；
4、学习和掌握LabVIEW软件与外设的配置；
5、学习和掌握NI卡的控制系统软件视图介绍；
6、学习和掌握NI卡控制学习结构化文本语言；
7、利用LabVIEW软件、NI卡和传感器设计实现基本控制系统；
8、利用LabVIEW软件、NI卡设计实现复杂控制系统实验；
9、控制系统最终测试结果分析及系统性能检验。

三、实验要求
1、了解LabVIEW软件操作，能熟练地对LabVIEW进行安装和配置；
2、能熟练地操作LabVIEW完成VI编程；
3、掌握NI卡的基本配置及控制；
4、掌握结构化文本语言的控制方式；
5、熟练地掌握NI卡控制实现基本控制任务及设计复杂控制系统；
6、熟练地操作控制系统以及完成控制系统最终测试结果分析及系统性能检验。

控制系统仿真与设计实验报告姓名：班级:学号：指导老师：刘峰7.2.2控制系统的阶跃响应一、实验目的1。

观察学习控制系统的单位阶跃响应；2。

记录单位阶跃响应曲线；3.掌握时间相应的一般方法；二、实验内容1.二阶系统G(s)=10/（s2+2s+10)键入程序，观察并记录阶跃响应曲线;录系统的闭环根、阻尼比、无阻尼振荡频率；记录实际测去的峰值大小、峰值时间、过渡时间，并与理论值比较。

（1）实验程序如下：num=［10］;den=［1 2 10］；step(num，den)；响应曲线如下图所示：（2）再键入：damp(den);step(num，den)；[y x t]=step(num,den）；[y,t’]可得实验结果如下：实际值理论值峰值 1.3473 1.2975 峰值时间1。

0928 1。

0649 过渡时间+％5 2.4836 2.6352+%2 3.4771 3。

51362。

二阶系统G(s)=10/（s2+2s+10)试验程序如下：num0=［10]；den0=［1 2 10］;step(num0，den0);hold on;num1=［10］;den1=［1 6.32 10];step（num1,den1）;hold on；num2=［10]；den2=[1 12.64 10］；step（num2，den2);响应曲线：（2）修改参数，分别实现w n1= (1/2）w n0和w n1= 2w n0响应曲线试验程序:num0=［10]；den0=［1 2 10］;step（num0,den0);hold on;num1=[2.5］；den1=[1 1 2。

5］;step(num1,den1)；hold on;num2=［40]；den2=［1 4 40］；step(num2，den2)；响应曲线如下图所示：3。

时作出下列系统的阶跃响应，并比较与原系统响应曲线的差别与特点,作出相应的实验分析结果。