实验1 计算机控制实验设备操作

《计算机控制技术》实验指导书安阳工学院电子信息与电气工程学院目录实验一 数字滤波程序设计（设计性）实验二 PID控制器的设计及性能分析实验三 大延迟系统的SIMULINK建模与仿真实验一数字滤波程序设计（设计性）一、实验目的1 掌握数字滤波的设计方法2 培养学生初步的MATLAB编程能力二、实验设备三、实验原理 通过数字滤波来增强其有效信号，消除或减小各种干扰和噪声，从而提高控制精度和系统的可靠性与稳定性。

四、实验内容与要求1 限幅滤波方法：自己构造一个变化缓慢的数字序列作为输入，画图1-1，加入随机干扰，再画图1-2，设计一段限幅滤波程序，并把滤波后的信号画在图1-3，与图1-1进行比较，如果效果不满意，调整程序中的参数，反复调整，直至效果令人满意为止。

（要求三个子图画在一张图片上。

提示：figure，subplot（3，1，1））2 中位值滤波方法：自己构造一个变化缓慢的数字序列作为输入，画图2-1，加入随机干扰，再画图2-2，设计一段中位置滤波程序，并把滤波后的信号画在图2-3，与图2-1进行比较，如果效果不满意，调整程序中的参数，反复调整，直至效果令人满意为止。

（提示：median）3 算术平均滤波方法：自己构造一个变化较快的数字序列作为输入，画图3-1，加入随机干扰，再画图3-2，设计一段算术平均滤波程序，并把滤波后的信号画在图3-3，与图3-1进行比较，如果效果不满意，调整程序中的参数，反复调整，直至效果令人满意为止。

（提示：mean）4 实验完毕后，认真完成实验报告，写出设计的程序并画出相应的图。

实验二 PID控制器的设计及性能分析一、实验目的1 掌握PID控制器的设计方法2 培养学生初步的MATLAB编程能力二、实验设备三、实验原理 PID控制是工业控制中最常用的一种控制规律，通过调整比例系数、积分系数、微分系数，可以得到不同的控制效果。

四、实验内容与要求例：已知某单位负反馈系统开环传递函数如下：如果采用比例（P）控制器进行调节，试绘制比例系数分别为1、4、10、50时的单位阶跃响应曲线，并分析比例控制器对控制系统性能的影响。

第一部分计算机控制实验系统使用说明计算机控制实验系统构成及说明第一节计算机控制实验系统构成计算机控制实验系统由以下六个模块组成(1)计算机控制实验模块(2)信号源模块(3)控制对象模块(4)数据采集卡模块(5)实验模板程序模块(6)PC机控制模块各模块相互交联关系框图见图1-1所示：图1-1各模块相互交联关系图计算机控制实验装置的布置简图见图1-2所示。

图1-2计算机控制装置简图第二节计算机控制实验系统说明计算机控制实验系统是由上位PC微机（含PCI-1711数据采集卡及驱动软件），ACCC-Ⅲ实验装置，连接电缆线等组成。

1. ACCC-Ⅲ实验装置简介ACCC-Ⅲ实验装置是一个通用的计算机控制实验装置。

它主要包括电源部分U1单元，信号源部分U2单元，与PC机进行通讯的数据处理单元U3,自由插件端子单元U4,模拟电路单元U6~U14以及电机转速、温度、水槽液位控制单元组成，详见附图。

(1) U1电源单元：包括电源开关，保险丝，提供±5V,±15V,0V,1.2~15V可调电压的输出。

(2) U2信号源单元：包括周期性正弦信号,周期性斜坡、方波、抛物线信号，频率幅值可调。

其中斜坡、方波、抛物线信号幅值范围为：0V-10V,频率范围为：0.13Hz-8.3Hz；正弦信号的幅值范围为：0V-5V,频率范围为：低频0.5Hz~81Hz,高频63Hz~10kHz。

(3) U3数据处理单元:PCI-1711数据采集卡在实验装置上的接口端子，通过RS232串行口与上位PC机进行通讯。

(4) U4提供实验所需的电容、电阻、电位器，提供插接电路，可以根据实验需要自行选择连接的元器件。

(5) U5提供16个开关量作为PCI-1711数据采集卡数字量输入的测试信号，16个LED指示灯作为数据采集卡数字量输出控制单元。

(6) U6~U14为运算放大器、电阻及电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成的电路用于锁零。

计控实验报告一、实验目的本次计控实验的主要目的是通过实际操作和观察，深入理解和掌握计算机控制系统的工作原理、组成结构以及相关的控制算法，培养实际动手能力和问题解决能力。

二、实验设备1、计算机一台2、控制实验箱一套3、数据采集卡及相关连接线三、实验原理计算机控制系统是由计算机作为控制核心，通过对输入的被控对象状态信息进行处理和计算，产生控制信号并输出给执行机构，从而实现对被控对象的精确控制。

其基本组成包括传感器、控制器、执行机构和被控对象。

在本次实验中，我们采用了 PID（比例积分微分）控制算法。

PID 控制器是一种常见的线性控制器，它根据给定值与实际输出值之间的偏差，通过比例、积分和微分三个环节的运算，计算出控制量来对系统进行控制。

四、实验内容与步骤（一）系统搭建1、将传感器、执行机构与控制实验箱正确连接。

2、将数据采集卡插入计算机的 PCI 插槽，并通过连接线将实验箱与计算机相连。

（二）软件配置1、安装并打开控制实验软件。

2、在软件中设置采样时间、控制参数等相关参数。

（三）实验操作1、启动系统，观察被控对象的初始状态。

2、给定一个设定值，让系统开始运行。

3、实时观察系统的输出响应，并记录相关数据。

（四）参数调整1、分别改变 PID 控制器的比例系数、积分时间和微分时间，观察系统输出响应的变化。

2、找到一组较优的控制参数，使系统的性能达到最佳。

五、实验数据与结果分析（一）原始数据记录在实验过程中，我们记录了不同控制参数下系统的输出响应数据，如下表所示：｜控制参数｜系统输出响应｜｜｜｜｜比例系数 Kp ＝ 1，积分时间 Ti ＝ 1，微分时间 Td ＝ 0 ｜响应时间较长，超调量较大｜｜比例系数 Kp ＝ 2，积分时间 Ti ＝ 05，微分时间 Td ＝ 01 ｜响应速度加快，超调量减小｜｜比例系数 Kp ＝ 3，积分时间 Ti ＝ 03，微分时间 Td ＝ 02 ｜响应速度进一步加快，超调量较小，系统稳定性较好｜（二）结果分析1、比例系数 Kp 的影响比例系数 Kp 主要影响系统的响应速度。

目录第一部分使用说明书 (1)第一章系统概述 (1)第二章硬件的组成及使用 (2)第二部分实验指导书 ......................................................................................... 错误!未定义书签。

第二章计算机控制技术基础实验 (5)实验一A/D与D/A转换 (5)实验二数字滤波器 (7)实验三离散化方法研究 (9)实验四数字PID调节器算法的研究 (13)实验五串级控制算法的研究 (17)实验六解耦控制算法的研究 (20)实验七最少拍控制算法研究 (24)实验八具有纯滞后系统的大林控制 (27)实验九线性离散系统的全状态反馈控制 (30)实验十模糊控制系统 (33)实验十一具有单神经元控制器的控制系统 (36)实验十二二次型状态调节器 (40)实验十三单闭环直流调速系统 (43)实验十四步进电机转速控制系统 (46)实验十五单闭环温度恒值控制系统 (48)附录上位机软件使用流程 (50)第一部分使用说明书第一章系统概述“THKKL-6”型控制理论及计算机控制技术实验箱是我公司结合教学和实践的需要而进行精心设计的实验系统。

适用于高校的控制原理、计算机控制技术等课程的实验教学。

该实验箱具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。

实验箱的硬件部分主要由直流稳压电源、低频信号发生器、阶跃信号发生器、交/直流数字电压表、电阻测量单元、示波器接口、CPU（51单片机）模块、单片机接口、步进电机单元、直流电机单元、温度控制单元、通用单元电路、电位器组等单元组成。

数据采集部分采用USB2.0接口，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机USB通讯口上，有4路单端A/D模拟量输入，转换精度为12位；2路D/A模拟量输出，转换精度为12位；上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、Bode图等多种功能于一体。

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。

计算机控制实验注意事项：1、硬件接线如下：O1接环节输入，中间环节输出接I1，如果两路AD和DA同时使用，接线按照实验指导书，中间环节电路中的锁零G接到-15V。

2、按下“启动暂停”按键程序开始运行,再次按下该按键程序暂停。

3、测试信号设置选项框中可以设置发出的波形的种类、幅值、频率、占空比、采样开关T、采样时间。

4、深度选项可以设定图形显示控件存储历史数据的深度。

5、下端的参数设置可以设置实验的响应参数。

6、按下退出按键程序退出。

实验一：A/D、D/A转换1．量化实验：a、实验接线，实验箱上信号源部分的斜波信号接到I1，I2接O1。

b、打开LabVIEW软件参考程序实验一.VI。

c、R0=R1=R2=R3=R4=100K。

d、锁零接-15V2．两路互为倒相的周期斜波信号的产生：a、模拟电路如下图1.1所示。

b、实验接线如图所示，其中R0=R1=R2=R3=R4=100K。

O1为周期斜波信号，O2为偏置值，I1，I2互为倒相的周期信号。

c、锁零接-15V。

d、打开LabVIEW软件参考程序实验一.VI。

3．测试信号的发生：a、b、实验二：数字滤波1．连续系统串联校正及动态性能，此实验在自控理论实验中完成。

2．计算机闭环控制系统的混合仿真。

a、模拟电路如下图3.3所示。

b、实验接线，O1接Om，In接I1。

c、锁零接-15V。

d、打开LabVIEW软件参考程序实验三.VI。

实验四：数字PID控制算法的研究1．模拟电路如图4.1所示。

2．实验接线，O1接Om，In接I1。

3．锁零接-15V。

4．R0＝100k，R1＝500k，C1＝2u，R2＝100k，R3＝100k，C2＝1u。

5．打开LabVIEW软件参考程序实验四，数字PID控制器的参数整定，可以通过KP、TI、实验六：解耦控制的算法研究1．模拟电路如图6.2所示。

2．实验接线也如6.2图所示。

3．锁零接-15V。

4．R0＝R1＝100k，R2＝R3＝500k，C1＝1uF，R4＝R5＝R6＝R7=100k，C2＝1uF，R8＝200k。

实验一计算机控制系统实验装置概述实验第一章硬件设备的介绍PCT-I型过程控制实验装置是基于工业过程物理模拟对象，它集自动化仪表技术，计算机技术，通讯技术，自动控制技术为一体的多功能实验装置。

系统包括流量、温度、液位、压力等热工参数，可实现系统参数辨识、单回路控制、串级控制、前馈控制、比值控制等多种控制形式。

本装置还可根据用户的需要设计构成DDC、DCS、PLC、FCS、TCS等多种控制系统。

该实验装置既可作为本科、专科、高职过程控制课程的实验装置，也可作为研究生及科研人员在复杂控制系统、先进控制系统研究方面提供物理模拟对象和实现手段。

第一节水箱实验装置由被控对象和控制回路两部分组成。

其中被控对象包括：上位水箱、下位水箱、储水箱。

上位水箱和下位水箱采用进口有机玻璃，不但坚实耐用，而且透明度高，便于学生直接观察液位的变化和记录实验结果。

水箱容积高达80升，使实验效果更为理想。

水箱结构独特，下水箱有三个槽，分别是工作槽、溢流槽、缓冲槽。

当水箱进水时，水管的水先流进缓冲槽，当缓冲槽中注满水时，水流便满过缓冲槽和工作槽当中的隔板并沿此隔板缓慢注入，这样水流对工作槽中的冲击力非常小，减少振荡，以便更精确的观察和记录实验结果。

同时下水箱的缓冲槽可以做温度变比值控制，热水和冷水在此混合，控制水的温度。

上水箱有五个水槽，两个工作槽，两个缓冲槽，一个溢流槽，两个工作槽通过连通器连接，其容积比是2：1，两个水箱都可以做液位单闭环实验，可以选择不同的工作槽做串级实验，比较不同的容积和流量组成不同的串级实验的效果。

实验过程中如水位失控水流可以直接经过缓冲槽流进储水箱。

储水箱是采用不锈钢板制成，水箱内部采用覆塑工艺，有效提高实验装置的使用寿命。

其容积180升，完全能满足上下水箱的实验的需要。

储水箱上面有一个金属滤网，有效防止异物进入水箱堵塞管道。

整个系统管道采用铝塑管组成，所有的水阀采用优质球阀，彻底避免了系统生锈的可能性，有效提高了使用装置的使用年限。

上机实验操作一基本操作上机实验是指在计算机上进行实验操作，通过软件和硬件的结合来模拟和执行实验。

下面是关于上机实验的一些基本操作。

第一步：准备工作1.首先要确认实验所需的计算机硬件和软件环境是否满足实验要求，例如需要安装特定的操作系统、驱动程序和软件工具等。

2.确保计算机和相关设备的电源和连接线处于正常工作状态。

3.在进行上机实验之前，最好备份一份计算机中重要的数据。

第二步：实验操作1.启动计算机：按下计算机电源按钮，等待操作系统加载完全。

2.登录系统：输入用户名和密码登录到操作系统中。

3.打开实验所需的软件：根据实验需求，打开相应的软件工具。

4.配置实验环境：对实验软件进行一些设置，如选择合适的实验模式、打开所需的工具栏等。

5.导入实验数据：如果实验需要用到预先准备好的数据，可以将其导入到实验软件中。

6.进行实验操作：根据实验指导书或者实验要求进行相应的实验操作，如进行数据分析、图表绘制等。

7.记录实验结果：将实验过程中的关键步骤和结果记录下来，以备后续分析和总结使用。

8.保存实验数据和设置：在实验过程中，及时保存实验数据和设置，以免数据丢失或实验过程中的设置被覆盖。

9.结束实验操作：在实验完成后，关闭实验软件和其他相关应用程序，然后关闭计算机。

第三步：实验分析与总结1.对实验结果进行分析：根据实验记录和数据分析，对实验结果进行综合分析，并进行图表绘制等可视化处理。

2.总结实验经验与教训：回顾实验操作过程，总结实验中获得的经验和教训，为今后的实验操作提供参考。

3.撰写实验报告：根据实验分析结果，撰写实验报告，包括实验目的、原理、方法、结果和结论等内容。

总结：上机实验是一种利用计算机软硬件进行实验操作的方式，它可以对实验操作进行模拟和执行。

在进行上机实验之前，要做好准备工作，确保计算机和相关设备的正常运行。

在实验操作中，要遵循实验指导书或实验要求，逐步进行实验操作，并记录实验过程和结果。

在实验完成后，要对实验结果进行分析和总结，撰写实验报告。

计算机实训室设备操作规程
1使用计算机设备前应检查设备是否齐备、完整、电源是否正常，若有缺失，不通电等情况，必须及时报告上课教师或机房管理人员进行处理。

发现异常举手报告
2 .为确保计算机设备的完好，必须严格按照正确的规范和步骤操作使用计算机设备，如发现工作异常，故障或者损坏，学生不允许擅自处理，应及时报告上课教师及机房管理人员进行处理。

3 .非实训机房计算机的其它软件未经允许不准安装，因教学需要而计算机未安装的软件，必须经得上课教师的允许方可进行安装，决不允许安装带病毒的软件。

4 .严禁使用实训机房的设备玩游戏等与学习无关的内容。

5 .文明使用计算机设备，严禁以粗暴方式（如大力敲击键盘、击打计算机设备等）使用计算机设备以及在各种设备表上刻、涂、写文字图案等。

6 .计算机设备使用完毕后，应注意检查设备的状况，按正确步骤关闭计算机、切断电源，摆放整齐。

7•未经管理人员允许不得更换、修理、拆卸、搬移设备，严禁擅自将机房内各种设备、物品带出机房。

计算机控制原理实验报告一、实验目的本实验旨在通过计算机控制系统的模拟，深入理解计算机控制原理，掌握计算机控制系统的基本组成、工作原理及实现方法。

通过实验，培养我们的动手能力、分析问题和解决问题的能力，为后续学习和工作打下坚实的基础。

二、实验原理计算机控制系统是一种利用计算机实现自动控制的系统，它由计算机、输入输出设备、传感器和执行器等组成。

计算机通过接收来自传感器的输入信号，根据预设的控制算法进行计算，输出控制信号到执行器，从而实现对被控对象的控制。

三、实验步骤1. 准备实验设备：计算机、传感器、执行器、被控对象等。

2. 连接实验设备：将传感器、执行器与计算机连接，并将传感器和执行器与被控对象进行连接。

3. 编写控制程序：根据实验要求，编写控制程序，实现计算机对被控对象的控制。

4. 运行实验：启动计算机，运行控制程序，观察被控对象的响应。

5. 数据记录与分析：记录实验数据，分析实验结果，评估控制性能。

四、实验结果与分析1. 数据记录：在实验过程中，记录了不同输入信号下被控对象的输出响应，以及计算机输出的控制信号。

2. 数据分析：根据记录的数据，分析被控对象的行为特性，以及控制信号对被控对象的影响。

3. 结果展示：通过图表等形式展示实验结果，对比理论分析与实践结果的一致性。

五、结论总结通过本次实验，我们深入了解了计算机控制系统的组成与工作原理，掌握了计算机控制系统的实现方法。

实验过程中，我们不仅锻炼了动手能力，还培养了分析问题和解决问题的能力。

通过数据记录与分析，我们进一步认识到了计算机控制在工业生产和生活中的应用价值。

在未来的学习和工作中，我们将继续深入研究计算机控制原理及其应用领域的相关知识，为推动科技进步和社会发展做出更大的贡献。

同时，我们也应该意识到计算机控制技术的快速发展和应用范围的广泛性，需要不断学习和掌握新技术、新方法，以适应时代的发展和社会的需求。

此外，我们也可以从实验过程中发现一些潜在的问题和挑战。