《计算机控制系统实验》指导书.doc

计算机控制系统实验指导教材目 录目 录1实验一 模入通道（A/D）、模出通道（D/A）实验2实验二 采样与保持实验4实验三 数字PID算法实验6实验四 最小拍有、无纹波系统实验8实验五 大林算法实验10实验六 平滑与数字滤波算法实验12实验七 直流电机闭环调速系统设计和实现14实验八 温度闭环控制系统的设计和实现16实验九 现场总线应用实验18实验一 模入通道（A/D）、模出通道（D/A）实验实验目的：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。实验线路图a为： 实验步骤：（1） 打开联机操作软件，参照流程图，在编辑区编写实验程序。检查无误后编译、链接。（2） 按照上图a接线，连接好后，请仔细检查，无错误后方可开启设备电源。（3） 装载完程序后，系统默认程序的起点在主程序的开始语句。用户可以自行设置程序起点，可先将光标放在起点处，再通过调试菜单项中设置起点或直接点击设置起点图标，即可将程序起点设在光标处。（4） 加入变量监视，具体步骤为：打开“设置”菜单项中的“变量监视”窗口或直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量“AD0AD9”加入变量监视中。在查看菜单项中的工具栏中选中变量区或点击变量区图标，系统软件默认选中寄存器区，点击“变量区”可查看或修改要监视的变量。（5） 在主程序JMP AGAIN语句处设置断点。具体操作如下：先将光标置于要设断点的语句，然后在调试菜单项中选择“设置断点/删除断点”，或直接点击“设置断点/删除断点”的图标，即可在本语句设置或删除断点。（6） 打开虚拟仪器菜单项中的万用表选项或者直接点击万用表图标，选择“电压档”用示波器单元中的“CH1”表笔测量图a中的模拟输入电压“Y”端，点击虚拟仪器中的“运行”按钮，调节图a中的单次阶跃中的电位器，确定好模拟输入电压值。（7） 做好以上准备工作后，运行程序（打开“调试”菜单项中的“运行到断点/运行”或者点击“运行到断点/运行”图标），程序将在断点处停下，查看变量“AD0AD9”的值，取平均值记录下来，改变输入电压并记录，最后填写下表。实验结果：模拟输入电压（V）对应的数字量（H）-4.50c-3.527-2.53c-1.559-0.573080+0.58d+1.5A7+2.5C1+3.5da+4.5F42. D/A转换实验 TLC7528芯片是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。其主要参数如下：转换时间100ns，满量程误差1/2LSB，参考电压10V10V，供电电压5V15V，输入逻辑电平与TTL兼容。实验线路图b为： 实验步骤：（1） 编写实验程序，检查无误后编译、链接并装载到控制计算机中。（2） 运行程序，用示波器观测输出波形，并画出。实验二 采样与保持实验实验目的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。2编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。实验原理1采样与保持香农 (采样) 定理：若对于一个具有有限频谱 (|W|0.5S 时，即Tk32H 时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真，记录此时的采样周期，验证香农定理。2. 信号的还原(1) 分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。(2) 按照线路图接线，检查无误后，开启设备电源。调节正弦波单元的调幅、调频电位器，使正弦波单元输出幅值为3V，周期1S 的正弦波。(3) 分别装载并运行程序，运行程序前将采样周期变量Tk 加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察数模转换单元的输出，和零阶保持程序的运行效果进行比较。实验三 数字PID算法实验实验目的：1. 了解PID参数对系统性能的影响。2. 学习凑试法整定PID参数。3. 掌握积分分离法PID控制规律。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：PIDRE_TC上图是一个典型的PID闭环控制系统方框图。其硬件电路原理及接线图如下：实验中，采用位置式PID算式。在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，并使系统有惯性和滞后。因此，在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。为此，采用积分分离法PID控制算法，即：当误差e(k)较大时，取消积分作用；当误差e(k)较小时才将积分作用加入。实验步骤：1. 编写实验程序，检查无误后编译、链接。2. 按照实验线路图接线，检查无误后开启设备电源。3. 调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为2V，周期6S的方波。确定系统的采样周期以及积分分离值。4. 装载程序，将全局变量TK（采样周期）、EI（积分分离值）、KP（比例系数）、TI（积分系数）和TD（微分系数）加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。5. 运行程序，将积分分离值设为最大7FH（相当于没有引入积分分离），用示波器分别观测输入端R和输出端C。6. 如果系统性能不满意，用试凑法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。7. 修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。8. 将6和7中的较满意的响应曲线分别保存，写实验报告。实验四 最小拍有、无纹波系统实验实验目的：1. 掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。2. 掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：D（Z）r(t)e(t)_C(t)U(z)上图是一个典型的最小拍控制系统方框图。针对阶跃输入：1. 有纹波系统控制算法设计为：，当阶跃输入信号幅值为2.5V时，,U(Z)=D(Z)E(Z)=1.3590-1.4744Z-1+1.0571 Z-2 -0.7580 Z-3+2. 最小拍无纹波系统设计：其硬件电路原理及接线图如下：实验步骤：1. 编写实验程序，检查无误后编译、链接。2. 按照实验线路图接线，检查无误后开启设备电源。3. 将模拟实验对象进行整定。对象的输入信号选择：当为有纹波设计时，选择方波。调节电位器使方波信号的幅值为2.5V，周期为6S，当为无纹波设计时，选择单位斜波信号，斜波幅值为6V，上升时间为6S。4. 分别将有纹波和无纹波设计方法得到的参数写入程序，分别装载并运行程序，用示波器观察对象的测量点“C”和数模转换单元的“OUT1”端，并记录波形进行分析。注意：实验中有纹波是针对阶越输入设计，而无纹波是针对斜波输入信号设计，所以实验时要注意正确的选择信号源。实验五 大林算法实验实验目的：1. 掌握用大林算法实验对纯滞后系统的控制。2. 掌握振铃消除的方法。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容： 1. 大林算法设计大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，可以近似用一阶惯性加纯滞后环节来表示，其传递函数为：。D（Z）r(t)e(t)_C(t)U(z)上图是一个典型的大林算法设计的闭环控制系统方框图。2振铃现象的消除：振铃现象是指数字调节器的输出以2T 的周期上下振荡，由于D(Z)中含有左半平面内的极点，极点越接近1，振荡越严重。振铃现象不是大林算法特有的现象，它与最小拍控制中的纹波现象本质上是一样的，振铃也会引起采样点之间系统输出波纹，并使执行机构磨损，甚至会影响系统的稳定性，因此必须消除振铃。大林提出消除振铃的方法是：找出D(Z)算式中造成振铃的极点因子，令其中Z=1。根据终值定理，这样既消除了振铃，也不会影响D(Z)的稳定性。在上面的式子中：,将振铃因子(10.865Z-1)中Z=1，则。 由于改变了D(Z)，导致系统闭环传函(Z)变化，因此要验证修改后(Z)的稳定性。其硬件电路原理及接线图如下：实验参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的ACC4-2-1.ASM(有振铃)，ACC4-2-1.ASM(消除振铃)。实验步骤：1编写程序，检查无误后编译、链接。2按照实验线路图接线，检查无误后开启设备电源。3调节信号源使其输出幅值为2V，周期6S 的方波。4将D(Z)算式的参数写入程序，装载并运行程序，用示波器观察对象的测量点C，并记录系统的性能指标；用示波器观察数模转换单元的“OUT1”端，看是否有振铃现象。若无振铃，可能是对象整定有误差，此时只要将图中的25K 电阻对应的电位器微调一下即可。5当出现振铃现象时，将消除振铃因子后的D(Z)算式参数写入程序，运行程序，观察振铃现象是否消除。实验六 平滑与数字滤波算法实验实验目的：1. 学习和掌握一阶惯性滤波2. 学习和掌握四点加权滤波实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容： 分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。 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：1. 滤波器算法设计一阶惯性滤波：相当于传函的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式：四点加权滤波算法为：2. 实验参考程序：一阶惯性请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-3-1.ASM，四点加权参照ACC1-3-2.ASM。3实验线路图：图中画“”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行搭接。上图中，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。电路中用RC 电路将S 端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。注意R 点波形不要超过 5V，以免数字化溢出。计算机对有干扰的正弦信号R 通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C 输出。实验步骤：1. 分别编写一阶惯性和四点加权程序，检查无误后编译、链接。2. 按图接线，检查无误后开启设备电源。调节正弦波使其周期约为2S，调信号源单元使其产生周期为100ms 的干扰信号(从“NC”端引出)，调节接线图中的两个47K 电位器使正弦波幅值为3V，干扰波的幅值为0.5V。3. 分别装载并运行程序，运行前可将“TK”加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察R 点和C 点，比较滤波前和滤波后的波形。4. 如果滤波效果不满意，修改参数，再运行程序，观察实验效果。实验七 直流电机闭环调速系统设计和实现实验目的：1了解闭环调速控制系统的构成。2熟悉PID 控制规律，并且用算法实现。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：这是一个典型的直流电机调速实验的系统方框图：根据上述系统方框图，硬件线路图可设计如下，图中画“”的线需用户自行接好。上图中，控制机算机的“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P1.4，输出PWM 脉冲经驱动后控制直流电机，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259 的7 号中断，用作测速中断。实验中，用系统的数字量输出端口“DOUT0”来模拟产生 PMW 脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。在参数给定情况下，经PID 运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。系统定时器定时1ms，作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。实验程序：请参照随机软件中的example目录中的ACC6-1-1.ASM实验步骤：1编写实验程序，编译、链接。2按图接线，检查无误后开启设备电源，将编译链接好的程序装载到控制机中。3打开专用图形界面，运行程序，观察电机转速，分析其响应特性。4若不满意，改变参数：积分分离值Iband、比例系数KPP、积分系数KII、微分系数 KDD 的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。5注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0 的状态应保持上次的状态。当DOUT0 为1 时，直流电机将停止转动；当DOUT0 为0 时，直流电机将全速转动，如果长时间让直流电机全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0 的排线拔掉或按系统复位键。实验八 温度闭环控制系统的设计和实现实验目的：1了解温度闭环控制系统的构成。2熟悉PID 控制规律，并且用算法实现。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：温度闭环控制系统实验的系统方框图如下：根据上述系统方框图，硬件线路图可设计如下，图中画“”的线需用户自行接好。上图中，控制机算机的“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P1.4，输出PWM 脉冲经驱动后控制烤箱或温度单元，“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 (采样中断)。实验中，使用了10K 热敏电阻作为测温元件，温度变化，电阻值变换，经转换电路变换成电压信号，由模数转换器进行转换，转换完成产生采样中断，在中断程序中读取数字量，构成反馈量，在参数给定的情况下，经PID 运算产生相应的控制量，最后由系统的“DOUT0”端输出PWM 脉冲信号，经驱动电路驱动烤箱 (温度范围室温200) 或温度单元 (温度范围室温70) 加热或关断，使温度稳定在给定值。其中系统定时器定时10ms，一方面作为A/D 的定时启动信号，另一方面作为系统的采样基准时钟。实验程序：请参照随机软件中的example 目录中的ACC6-2-1.ASM。实验步骤：1编写程序，再编译，链接。参考程序名称为：ACC6-2-1.ASM。2按图接线，检查无误后开启设备电源。3装载程序，打开专用图形界面，运行程序并观察波形，分析其响应特性。4若不满意，改变参数积分分离值IBAND、比例系数KPP、积分系数KII、微分系数 KDD 的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。5注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0 的状态应保持上次的状态。当DOUT0 为1 时，烤箱或温度单元将停止加热；当DOUT0 为0 时，烤箱或温度单元将满功率加热，如果长时间让烤箱或温度单元处于全功率加热状态，可能会导致烤箱或温度单元损坏，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0 的排线拔掉或按系统复位键。实验九 现场总线应用实验实验目的：1 了解现场总线的基本知识；2 掌握ROFIBUS的使用方法；3 掌握硬件及软件的设计方法。实验设备：PROFIBUS网络教学实验系统一套实验原理和内容： 本实验为教学演示实验。现场总线介绍：Profibus是一种国际化、开放式异步串行通讯标准，广泛适用于制造业自动化和流程自动化、楼宇、交通、电力等各行各业。通过PROFIBUS可以方便地实现各种不同厂商的自动化设备及元器件之间的信息交换。PROFIBUS协议标准由三个兼容部分组成：PROFIBUS-DP（分布式外设）、PROFIBUS-FHS（现场总线信息规范）、PROFIBUS-PA（过程自动化）。标准化的现场总线具有“开放”的通讯接口、“透明”通讯协议，允许用户选用不同制造商生产的分散IO装置和现场设备。现场总线PROFIBUS满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求，一方面它覆盖了传感器执行器领域的通信要求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。特别在“分散IO”领域，由于大量的、种类齐全的、可连接的现场设备可供选用，因此PROFIBUS已成为事实上的国际公认的标准。 设备的操作规程：一、 系统启动1. 将设备右下角的两个开关灯打在ON的位置（向上）接通主电源。系统上电后开始自检，当模块上所有的红灯灭掉时，说明系统已自检结束、开始运行（之前应确保CPU315的开关打在Run或Run-P的位置上）。2. 系统启动后，TP27触摸屏的画面上有一个对话框，内容是CPU处于停止状态，点一下此对话框忽略即可。TP27开始显示的是主画面。3. 在上位机中打开WinCC软件，打开项目文件“ahdx_tcp”或“ahdx_fms”，在工具栏中，单击黑色的箭头图标来运行WinCC项目。项目完全运行后，显示的画面是主画面。二、 TP27触摸屏操作1. ET200M分布式I/O在TP27的主画面中点击按钮“ET200M-远程I/O”，画面切换到“ET200M分布式I/O”，在此画面中通过QB可以以二进制式的方式强制输出，输出的变化可以通过ET200M上的输出模块的指示灯来观察。另外，当在ET200M上的输入模块上拨动开关时，也可以在IB中观察到输入的变化（0到1，1到0）。画面中右下角的“返回”按钮用于回到主画面（以下相同）。2. Profimess电量模块本项目使用Profimess电量模块测量变频器输出的三相线电压和相电压，因此，首先要将变频器运行起来。变频器启动后，在主画面中点击“Profimess电量模块”按钮，近日Profimess电量模块画面。此时，输出框中的数值为变频器输出的三相相电压或线电压（画面右边的指示），按一下“Ph_Ph/Ph_N”按钮，可以进行相电压和线电压的切换显示。3. SIPART DR21调节器SIPART DR21调节器用于模拟量的闭环控制，本实验系统中利用PLC的SM332模拟量输出模块电流信号作为DR21调节器的输入，而DR21调节器的输出电流信号作为PLC SM331模拟量输入模块的输入信号。另外，在DR21调节器的扩展槽中有一个DP接口模块，通过它可将参数送到PLC主站。通过“SP-W”的两个绿色按钮，可以设置调节器的设定值；通过“OU