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计算机控制技术实验教案电气信息学院自动化系2007.5实验目的： 了解计算机控制系统的基本构成，掌握计算机数据采集、数据转换原理，了解常规计算机控制策略。 掌握PCL-818L-B数据采集卡的功能及作用。 了解LabVIEW软件。实验学时与实验内容： 实验总学时：4学时 实验内容： 1. PCL-818L-B数据采集与转换实验 计算机控制技术实验指导书实验一 2学时 2.实验法确定温控炉的数学模型 计算机控制技术实验指导书实验三 2学时实验要求： 独立完成实验。 保持实验室整洁卫生，不要喧哗。 爱护实验器材，出现故障要立即报告指导教师。 认真仔细接线，温控炉实验线路需经指导教师检查后才能通电。 实验过程中认真做好原始记录，经指导教师签字确认后粘贴在实验报告上。 拆线前要先断电源。 实验成绩：实验成绩占课程总成绩的15。（15分）（实验报告必须在实验结束后一周内交齐）实验报告要求： 报告内容：实验名称、实验目的、实验设备、实验过程（步骤）、实验记录的数据 (列表)及曲线，实验结果验证与分析，回答思考题等 。 实验报告要独立完成，不要互相抄袭，图要正规，记录要清晰，字迹要工整。 实验一 PCL-818L-B数据采集与转换实验 PCL-818L-B数据采集卡 台湾研华公司生产，主要功能：A/D转换、D/A转换、数字输入、数字输出，定时、计数。 性能：8路差分或16路单端模拟量输入（12位A/D转换、可达100KHz采样率），1路模拟量输出（12位），16路数字量输入，16路数字量输出。 研华自带设备管理：开始程序Advantech AutomationDevice manager Advantech Device manager LabVIEW程序:AD: c:program FilesNational Instruments Labview 7.0examplesAdvantechAdexp.vi DI: c:program FilesNationalInstrumentsLabview 7.0examplesAdvantechDigInBit.vi 或DigInByte.vi DO: c:program FilesNational InstrumentsLabview 7.0examplesAdvantechDigOutBit.vi 或DigOutByte.vi十六路模拟量单端输入八路模拟量差分输入（抑制共模干扰） 注意稳压电源的使用 预习实验法确定温控炉的数学模型 实验三 实验法确定温控炉的数学模型 注意：+12V、-12V电源一定不能接反。 模拟量输入端口和数字量输出端口可任意选择。温控炉检测与控制电路实验一 PCL-818L-B数据采集与转换实验一 实验目的1 掌握计算机数据采集、数据转换原理。2 按要求完成A/D、D/A 转换实验。二 实验电路及原理说明1 实验原理简介 本实验中的A/D、D/A转换均由插在主机箱内的PCL-818L-B数据采集卡完成。在信号连接上，每一块数据采集卡上都设置有一个功能开关和五个跳线设置。通过功能开关可以设置基地址。通过跳线可以改变输入输出电压的幅值范围。数据采集卡与外部设备、信号的连接通过实验接线板实现。主机、数据采集卡、实验板连线原理图如图1-1 所示。模拟量输入输出采集卡插口数字量输出数字量输入实验接线板图1-1 数据采集卡与接线板之连线图2 实验板端子如图1-2所示，端子说明如下：ADL0-7：八路模拟差分输入“”端ADH0-7：八路模拟差分输入“+”端AGDND：模拟地 DGND：数字地 DIN0-DIN15：16路数字量输入端DO0-DO15：16路数字量输出端模拟输入、出端口（37-pin）数字量输入温 度数字量输出ADL7ADH7ADL6ADH6AGNDADL5ADH5ADL4ADH4ADL3ADH3ADL2ADH2AGNDADL1ADH1ADL0ADH0DO15DO14DO13DO12DGNDDO11DO10DO9DO8DO7DO6DO5DO4AGNDDO3DO2DO1DO0DIN15DIN14DIN13DIN12DGND DIN11DIN10DIN9DIN8DIN7DIN6DIN5DIN4DGNDDIN3DIN2DIN1DIN0PIN37PIN36PIN35PIN18PIN17PIN16GNDGNDCONTROLZEROWENDOAGNDDAGND+12V-12VGAN+5V图1-2 实验接线板端子图三 实验设备1. PCL-818L-B数据采集卡 一块2. 实验接线板 一块3. WD-5稳压电源 一个4. 万用表 一只5. 导线若干四 实验内容及步骤1启动device manager v2.0.1，屏幕将显示图1-3所示画面，选择 000：PCL-818L I/O=300H2按下setup按钮，屏幕将弹出选项卡如图1-4所示。各主要选项选择如下：Board Type：PCL-818LA/D Channels Configuration: 8 Differential选好各选项后，按下OK按钮。3 在device manager v2.0.1窗口中，按下test按钮，将会弹出Advantech Device Test-PCL-818L I/O=300H窗口，该窗口即为本实验的测试窗口，如图1-5 所示。4 选择Analog Input ，从实验接线板的模拟输入任选一通道加入模拟电压信号（5v），开始A/D转换实验。接线时注意，其他模拟输入要置零。记录通道号及数据。5 换一通道，重复步骤4。图1-3 Device Manager V2.0.1主界面窗口图1-4 Setup界面窗口图1-5 Test界面窗口6 选择Digital Input 选项卡，取一导线，将实验接线板的DIN0到DIN15依次对地短接观察红绿灯的变化情况。DIN0到DIN15悬空时默认为高电平。记录实验过程及结果。7 选择Digital Onput 选项卡，数据采集卡数字量输出为16位，将0位置1，用万用表测量实验接线板上相应的数字量输出的电压。记录实验结果。8 另外任选两位，重复步骤7。9 关闭device manager v2.0.1。启动Labview。找到Advantech实例，打开并运行步骤18中相应的实例，初步了解熟悉labview。五 思考题1 PCL-818L-B数据采集卡的功能及作用。2 差分输入与单端输入方式的区别。六 实验报告 1 以表格形式记录实验过程及实验数据。2 写出实验心得及体会。实验三 实验法确定温控炉的数学模型一 实验目的掌握用实验确定一阶系统数学模型的方法, 建立温控炉的数学模型,为后面的自动控制系统实验作准备。二 实验电路及原理说明1 数学模型的获取方法为了设计使系统获得较好的性能指标的数字控制器,首先要了解被控对象的特性,并用以作为设计自动控制系统的依据。根据所用的设计方法不同,测量内容也有所不同。若采用PID调节规律,那就要知道传递函数(包括它的各个参数),对于一些常用的确定性系统,我们可以利用动特性(飞升曲线)来识别传递函数。具体做法是将所测得的飞升曲线和几种标准传递函数的飞升曲线进行比较,并确定该对象属于哪一种典型的传递函数,然后再由飞升曲线中求出这一类传递函数中所有的参数。2 对象模型的归纳在生产过程中有各种各样需要进行调节的对象,表面上看来性能很不同,但是在归结成微分方程或传递函数后却常常会表现出它们之间的共同之处,即方程形式完全相同,所差的仅是参数和输入输出的信号,据此可以将对象的模型作一归纳。设对象的输入信号为r(t),输出信号为c(t),他们对应的象函数为R(S)和C(S),它的传递函数为。根据描述对象特性所需微分方程的阶数不同,对象可分为一阶或二阶。至于阶数高于二阶的,由于试验计算中,分析参数有困难而用纯滞后的一或二阶方程来近似代替。因此实际中对象模型的基本形式常取如下几种:(1) 一阶对象一阶惯性环节（见图3-1）,其传递函数为 , 其中T为对象的时间常数,K为对象的放大倍数。加入阶跃信号,其响应的象函数为 ,则其时域表达式c(t)为: ,由此可见, 一阶惯性环节对阶跃信号的响应曲线为图3-2所示曲线。 图3-1 一阶惯性环节方框图 t 图3-2 飞升曲线之一 从响应曲线可以得到温控炉模型的两个参数K及T。 一阶惯性环节的数学模型可确定。(2) 纯滞后的一阶对象这种对象的传递函数为 , 式中K-放大系数 T-对象时间常数 -对象纯滞后时间它的飞升曲线如图3-3所示。它与图3-2唯一的区别在于起始有一段纯滞后时间。除了上述两种基本形式外,还有二阶对象,带纯滞后的二阶对象以及其他一些形式,由于电阻炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象,所以在此只列出这两种基本形式。图3-3 飞升曲线之二 3 飞升曲线的测量在实际测量对象的飞升曲线时一般均只能在较窄的动态范围内进行。因为输入阶跃信号若从零开始常会有很大的非线性。但阶跃信号也不能取得过小,否则干扰对测量结果误差的影响就会相对增加。图3-4为试验的示意框图。在稳定控制信号作用下系统有一个稳定的输出,然后突然在输入端加一幅度适于阶跃控制信号Cs(t),输出对应也有一个变化部分,此即为输出的飞升曲线图3-5(a) 。当然它所对应的输入也就是这个突然附加的阶跃信号。被测对象输出信号记录仪表图3-4 加热炉对象特性实验示意图由图3-5(a)中的曲线bc减去 , 即得对象的飞升曲线。若将飞升曲线单独画出,即为图3-2所示之飞升曲线。Co(t)Cs(t)附加阶跃信号稳定控制信号bc控制信号（a） （b）图3-5 附加阶跃信号及响应利用上述方法可以测得电阻炉的飞升曲线如图3-3所示。一阶对象参数的求取：对于一阶对象的放大倍数K，可由输出稳态值和输入阶跃信号幅值的比值求得。输出从起始值到达稳态值的0.632倍的时间即为对象时间常数T。而对象滞后时间可直接从图中测量。实测的飞升曲线起始部分往往有弯曲，不易找到确切的位置来确定滞后时间，这时可用一阶加纯滞后的虚线曲线来迫近，使后面大部分重合，而起始部分则可定出一个等效的滞后时间，如图3-6（a）,这时我们可在曲线斜率的转折点（即拐点）A处作一切线，如图3-6（b），与时间轴的交点认为是一阶的起点，即纯滞后时间，而切线与稳态值的交点时间应为T 。这样就求出了一阶对象的三个参数K/T/。三 实验设备1 温控炉 一台2 实验板 一块3 万用表 一块4 PCL-818L-B数据采集卡 一片.5 导线 10根6 WD-5稳压电源 一台采集卡插口模拟量输入输出数字量输入温控炉实验板数字量输出图3-7 数据采集卡、接线板、加热炉接线图四 实验内容及步骤1 如图3-7所示将数据采集卡/实验板/温控炉三个设备连接好。2 在实验板上用若干导线将AGND,DGND,GND短接,实现实验板上的共地连接。3 用四根导线将实验板上的+12V /-12V/+5V/GND四个端子连接到WD-5稳压电源相应的端子上。4 (注意：电源开关应打在OFF位置上) 在实验板上找到control端子(温控炉控制信号输入),用导线将其与实验板上的DO0连接(DO0-DO15为计算机数字信号输出端子,均可作为控制信号输出端，本实验采用DO0作为温控炉的控制信号输出端)。5 在实验板上用导线将wendu端子与ADH5连接,ADL5接地（模拟信号输入端也可从八路模拟差分输入端任选，在步骤7时注意将端口号改到相应值）。6 双击C:程序jianmo1.vi图标，启动加热炉恒温控制系统。系统界面如图3-9所示。图3-9 加热炉温控系统界面7 在控制窗口中将模拟输入通道指定为5，控制输出端口指定为0。8 参数指定完毕后运行该程序（点击工具栏中的 图标即可运行程序），程序运行后会弹出数据文件保存路径的对话框，在对话框中添好文件名，选择好路径后确定。（该文本文件可导入Matlab生成曲线）9 将WD-5稳压电源开关打到ON位置，接通温控炉电源，开始温控炉的加温过程。在加温过程中，可见加热指示灯闪动，当指示灯变亮时，计算机输出低电平到实验板，电炉中加热石英管接通电源，对炉子进行加热； 当指示灯变暗时，计算机输出高