信息工程专业控制实验指导书

计算机控制技术实验指导书2010年11月第一部分 实验系统简介一、实验系统概述EL-AT-III型实验系统由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱组成，如图1，其中计算机根据不同实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理作用，实验箱主要用于构造被控的模拟对象。二、实验箱组成1 系统电源EL-AT-III系统采用高性能开关电源作为系统工作电源，其主要技术性能指标如下：输入电压：AC 220V; 输出电压/电流：+12V/0.5A，-12V/0.5A，+5V/2A输出功率：22W工作环境：-5+402 AD/DA采集卡AD/DA采集卡如图3, 采用EZUSB2131芯片作为主控芯片，负责数据采集和USB通信，用EPM7128作为SPI总线转换，A/D转换器为TL1570I，其采样位数为十位，采样频率为1KHZ。D/A转换器为MAX5159，转换位数为十位，转换速率为1KHZ。AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和两路输入（AD1、AD2），其输入和输出电压均为-5V+5V。图3 AD/DA采集卡另外在AD/DA采集卡上有一个9针的RS232串口插座用来连接AD/DA采集卡和计算机，20针的插座用来和控制对象进行通信。3 实验箱面板实验箱面板布局如图4所示。图4 实验箱面板布局图实验箱面板主要由以下几部分构成：1) 实验模块实验系统由放大器、电阻、电容组成实验模块。每个模块中都包含一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。这样通过对这八个实验模块的灵活组合, 便可构造出各种形式和阶次的模拟环节和控制系统。二极管、电阻、电容、二极管区提供实验所需的二极管、电阻和电容。2) AD/DA卡输入输出模块 引出AD/DA卡两路输出端和输入端，分别是DA1、DA2，AD1、AD2。有一个复位按钮，按下一次，就对AD/DA卡进行复位。20针的插座用来和控制对象连接。3) 电源模块 电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源端子，分别是+12V、-12V、+5V、GND，这些端子给外扩模块提供电源。4) 变阻箱、变容箱模块 变阻箱、变容箱是实验系统的一个突出特点, 只要按动数字旁边的“+”、“-”按钮便可调节电阻电容值，且电阻电容值可直接读出。 三、 被控对象模块本实验系统中另外包含三个受控对象模块：温度控制模块、直流电机控制模块、步进电机控制模块，可以根据需要开设综合设计实验。学生也可用这些模块进行毕业设计或开展课外的科技活动，完成温度控制、直流电机的测速和调速以及步进电机的转向、转速控制等。 本实验系统算法开放，系统结构组合灵活，可自行修改和添加新实验，以完成教学要求。采用典型环节模块化结构设计，利用各模块间相互组合可完成提供的七个典型实验：D/A数摸转换实验、A/D摸数转换实验、数字PID实验、状态反馈与状态观测器实验、数字滤波器实验、大林算法实验及数据采集实验。另外提供了三个控制对象算法，可完成对实验对象的控制，配合温控炉、直流电机、步进电机三个控制对象可做炉温控制实验，电机调速实验以及1. 步进电机控制实验。2.第二部分：计算机控制技术实验实验一 A/D和D/A转换实验 一、 实验目的与要求 通过本实验了解A/D和D/A的工作原理与编程方法，并进行实际调试。二、实验仪器与设备PC机一台EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台万用表一个三、实验原理与线路 Y J1.5 0832 PC机 X 0809 J1.1 实验箱 图1.1 实验接线图在PC机上输入数字量值，经过D/A转换后，将输出Y通过实验接口卡的DAC0832的J1.5端输出，此输出再由接口卡上的ADC0809的J1.1端采样，经A/D转换后采样值X传送回PC机。同时在PC机上的虚拟示波器上将显示输出值Y，经过比较我们可以得到转换后的精度。四、实验内容与步骤1、 弄清A/D，D/A转换的工作原理。2、 按指导书说明将D/A的输出J1.5接到A/D通道0的输入J1.1。3、 输入数字量，进行D/A、A/D转换，记录输出转换后的模拟量值。4、 记录实验曲线，观察结果，分析DAC0832和ADC0809的转换精度。五、实验准备1、 熟悉ADC0809和DAC0832的工作原理。2、初步编写转换程序，实验过程中进行调试。六、思考题1、ADC0809的CLK输入范围是多少？本实验接口卡是如何实现的？2、D/A输出放大器应如何调满？3、A/D放大器如何调整放大倍数？4、ADC0809的转换精度是多少？影响A/D，D/A转换精度的因素有哪些？七、实验报告写出实验步骤，记录最终曲线，并回答思考题，就实验中所遇到的问题提出改进意见。实验二 温度控制实验 一、 实验目的与要求 通过本实验掌握温度控制的方法，并熟练掌握PID控制的原理及调试方法。要求先测取对象的阶跃响应，并初步决定控制参数。二、实验仪器与设备PC机一台EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台温度控制装置一套三、实验原理与线路图2.1 温度控制系统接线图 温度控制系统的给定值由PC机给出，通过AD/DA接口卡上的0832输出，输出量通过调功器进行功率放大，控制散热器温度，温度由热电偶转换为电压值，并由实验接口卡上的0809采样，采样值送回PC机，由PC机进行误差分析，并进行PID控制，控制量再由实验接口卡输出，构成闭环控制，输出给定温度。四、实验内容与步骤1、 按实验指导书说明接好线路。2、 运行控制程序，进入温度控制系统管理主界面。3、 输入PID控制参数，在屏幕上实时显示温度控制曲线。4、 记录闭环时不同控制参数下的阶跃响应曲线，根据响应曲线及时调整控制参数，直到得出满意的控制效果，即上升时间短、闭环稳定无波动。五、实验准备1、 熟悉温度控制系统的工作原理。2、 掌握PID控制原理及控制参数的调试方法。 3、 初步编写PID控制程序，实验过程中结合具体受控对象进行调试。六、思考题1、 PID参数中K、Td、Ti对控制质量各有什么影响？2、 MOC3041和TL494在实验中各起什么作用？七、实验报告写出实验步骤，叙述实验原理并记录最终曲线，回答相应问题。 实验三 PID参数整定实验一、 实验目的1、 研究PID控制器参数对系统稳定性及过渡过程影响。2、 研究采样周期T对系统特性影响。3、 研究I型系统及系统稳定误差。二、 实验仪器1、 EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2、 PC计算机一台三、 实验内容系统结构如图3.1所示。 图3.1 系统结构图开环系统的模拟电路图如图3.2和图3.3所示，其中图3.2对应Gp1(s)，图3.3对应Gp2(s)。图3.2 开环系统结构图1（接地电阻1K） 图3.3 开环系统结构图2（接地电阻5K）被控对象Gp1(s)为“0型”系统, 采用PI控制或PID控制，可使系统变为“I型”系统，被控对象Gp2(s)为“I型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“II型”系统。当r(t)=1(t)时（实际是方波），研究其过渡过程。四、 实验步骤1、 连接被测量典型环节的模拟电路（图8），电路的输入U1接A/D，D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D，D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2、 启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。3、 测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常，查找原因使通信正常后, 进行实验。4、在实验项目的下拉列表中, 选择实验三PID参数整定实验，鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置窗口。5、 输入参数Kp，Ki，Kd（参考值Kp=1，Ki=0.02，Kd=1）。6、 参数设置完成, 点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变Kp，Ki，Kd的数值和与其相对应的性能指标pts的数值。7、 取满意的Kp，Ki，Kd值，观察有无稳态误差。8、 断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路（图9）。电路的输入U1接A/D，D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D，D/A卡的AD1输入，将纯积分电容的两端, 连在模拟开关上。检查无误后接通电源。9、 重复4-7步骤。10、计算Kp，Ki, Kd取不同的数值时, 对应的pTs的数值，测量系统的阶跃响应曲线, 及时域性能指标，记入下表中： 系统的阶跃响应曲线, 及时域性能指标参数pTs阶跃响应曲线KpKiKd五、 实验准备1、掌握PID控制原理及控制参数的调试方法。 2、初步编写PID控制程序，实验过程中结合具体受控对象进行调试。六、思考题1、PID参数有几种调试方法，叙述各种方法的优缺点及适用范围。2、写出调试的最佳PID参数以及对应的各性能指标。七、实验报告写出实验步骤，叙述实验原理并记录最终曲线，回答相应问题。实验四 大林算法实验一、 实验目的与要求1、掌握大林算法的特点及适用范围。2、 了解大林算法中时间常数T对系统的影响。二、 实验仪器与设备PC微机工作站一台EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台三、实验内容1、实验被控对象的构成DA1AD1100K100K200K1UF图4.1 被控对象电路图 惯性环节的仿真电路如图4.1所示，其传递函数为：其中。纯延时环节的传递函数为：其中是采样周期，N为正整数的纯延时个数。在软件中纯延时环节用计算机编程实现。因此被控对象的开环传递函数为：2、大林算法的数字控制器设大林算法的闭环传递函数为：，T是大林时间常数。因此大林算法的数字控制器的脉冲传递函数为：其对应的差分方程为：3、编写控制程序，对模拟的被控对象（图4.1）进行控制，实现其差分方程。4、 记录响应曲线，测出其性能指标。四、 实验步骤1、 连接被控对象的模拟电路（图4.1），电路的输入U1接A/D，D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D，D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2、 启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。3、 测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常，查找原因使通信正常后, 进行实验。4、在实验项目的下拉列表中, 选择实验四大林算法实验，鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置窗口。5、 输入参数延时时间和大林时间常数，点击确认后观察响应曲线，测量与其相对应的性能指标系统响应时间TS和 超调量p的数值。6、 重复步骤4，改变参数设置，将所测波形进行比较，把测量结果记入下表： 参数响应曲线pTS延时时间大林时间常数五、 实验准备1、掌握大林算法的设计原则及设计目标，。 2、初步编写大林控制器程序，实验过程中结合具体受控对象调试其时间常数。六、实验报告写出实验步骤，叙述实验原理并记录最终曲线，回答相应问题。实验五 步进电机实验一、 实验目的与要求通过本实验熟悉步进电机的控制方法，能够控制步进电机正转，反转或摆动，并可以选择控制步进电机转动的速度和转动的角度。二、 实验仪器与设备PC微机工作站一台EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台步进电机及电机驱动装置一套PC机步进电机驱动装置实验箱三、实验原理与线路 图5.1 步进电机控制系统接线图由PC机根据给定参数输出对步进电机的控制量，此控制量通过实验接口卡送到步进电机驱动装置，以驱动步进电机按指定要求运转。由实验接口卡上的8255A口的PA0控制步进电机的A相通电，8255A口的PA1控制步进电机的B相通电，8255A口的PA2控制步进电机的C相通电，8255A口的PA3控制步进电机的D相通电。 通过程序控制四相步进电机的A、B、C、D四相分别依次不断循环的通电，步进电机就正转；反之通过程序控制四相步进电机的D、C、B、A四相分别依次不断循环的通电，步进电机就正转。四、实验内容与步骤1、步进电机控制装置原理图，弄清其原理。2、按指导书说明接好线路。3、运行实验系统软件，进入实验系统管理主界面。4、控制步进电机正转或反转。 5、 每次实验都要记录控制参数和控制的位置误差,并分析其原因。五、实验准备1、 掌握本次实验的原理及接线图。2、 熟悉掌握步进电机的工作原理及步进电机的控制方法。3、 编写步进电机控制程序。六、思考题1、 试述步进电机的控制方法。2、 填写控制参数和控制的位置误差表，并分析产生误差的原因。控制参数和控制的位置误差表控制参数控制误差七、 实验报告 叙述实验原理，写出实验步骤，编写控制程序并回答相应问题。实验六 PWM直流电机控制实验一、 实验目的与要求通过本实验掌握产生直流电机控制的PWM方法，并能够测出直流电机控制的死区和本装置的测速范围。二、实验仪器与设备PC微机一台EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台直流电机及电机驱动装置一套三、实验原理与线路H桥电机驱动电路直流电机实验箱PC机PWM 直流发电机SPEED IN 图6.1 直流电机PWM控制与数字测速实验接线图PC机按CRT指定的PWM占空比输出信息到实验接口卡，再由实验接口卡的J4的PWM端输出所要求的PWM波形，送到电机驱动装置，驱动直流电机J6转动，直流电机J6通过皮带带动直流发电机J3转动,测出电机的转速，送回PC机，PC机据此显示出测速曲线。四、实验内容与步骤1、 弄清直流电机控制的原理及过程。2、 按指导书说明接好线路。3、 运行实验系统软件，进入实验系统主界面。4、 设置PWM占空比，启动直流电机5、 测出直流电机的转速五、实验准备1、掌握实验原理及实验接