07计算机控制原理实验指导

1、计算机控制系统实验指导书青海大学化工学院化工机械系自动化教研室、八 、亠前言数字计算机因为其具有强大的算术运算、逻辑判断、记忆等信息加工能力，使得它 一诞生就被应用到控制领域。 随着计算机科学技术的发展， 使 60 年代控制理论得到应用， 而现代控制理论的发展，又为计算机控制的发展奠定了广阔的理论基础。特别是微电子 技术的发展给计算机控制提供了物质基础。现在在工业生产等领域中，计算机控制正广 泛深入地的得到应用，并取得了可喜的经济效益和社会效益。为适应当前科学技术的发展，在自动控制系统专业中开设了计算机控制系统这 门课程，作为大学生的必修课。本套“计算机控制实验系统”就是为这门课程的教学和 实

2、验而设计的。系统采用AD/DA卡通过USB接口与计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集后信号通过计算机显示屏显示，省去了外接信号源和示波器 测量响应信号的麻烦。 EL-AT-II 型自动控制实验系统支持计算机控制理论课的所有实验， 通过这套实验仪器可使学生进一步了解和掌握计算机控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法以及控制算法的编程实现，学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术，提高应用计算机的能力及水平。另外，与本套实验箱配备的还有三个实际的控制对象：温控炉、直流电机、步进电机，通过对这三个对象的控制可以提高学生对实际控制对象的感性认识。本书分为四章，第一章为 EL

3、-AT-II 型实验箱硬件资源，主要介绍实验箱的硬件组成和系 统单元电路。第二章为系统集成操作软件，主要介绍系统软件的安装，操作以及计算机 和实验箱的通讯设置。第三章为计算机算法编程指导，主要介绍软件算法的实现方法。 第四章为实验系统部分，主要介绍各个实验的电路组成，实验原理和实验步骤。另外， 在附录部分有部分实验的说明和参考结果以及控制对象的原理电路图。目录第一章 硬件资源 2第二章 软件安装及使用 4第三章 实验系统部分 6实验一 D/A 数模转换实验 6实验二 A/D 模数转换实验 7实验三 数字 PID 控制 8实验四 组态控制 12实验五 炉温控制实验 15附录一 温度控制电路原理图

4、 19附录二 实验参考结果 19实验一 D/A 数模转换实验 19实验二 A/D 模数转换实验 19实验三 数字 PID 控制 20实验五 炉温控制实验 20附录三 USB AD/DA 卡调试说明 21第一章硬件资源EL-AT-II型实验系统主要由计算机、 AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可 选）组成如图1,其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和 数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。图1实验系统构成实验箱面板如图2 :图2EL-AT-II型实验箱面板下面主要介绍实验箱的构成：一、系统电源EL-AT-II系统采用本公

5、司生产的高性能开关电源作为系统的工作电源，其主要技术 性能指标为：1 .输入电压：AC220V2. 输出电压 / 电流：+ 12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A3. 输出功率：22W4. 工作环境：5C+ 40C。二、AD/DA采集卡AD/DA 采集卡如图 3采用EZUSB2131芯片做为主控芯片，负责数据采集和 USB通信，用EPM7128作为SPI总线转换，AD为TL1570I其采 样位数为12位，采样率为10KHz o DA为MAX5159转换位数为12位，转换速率为10K。 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

6、5V+5V o图3AD/DA采集另外在AD/DA卡上有一个9针R232串口插座用来连接 AD/DA卡和计算机，20针的插 座用来和控制对象进行通讯。实验箱面板AD/DA卡输入输出模块实验模块1实验模块2电源模块二极管区EL-CAT-II实验模块3电阻、电容、二极管区实验模块4变阻箱、变容箱模块实验模块5实验模块8实验模块6实验模块7实验箱面板布局如图 4：以下几部分构成:4实验 箱面 板布 局实验 箱面 板主 要由本实验系统有八组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每个模块中都有一个由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型式和阶次的模拟环节

7、和控制系统。2. 二极管，电阻、电容、二极管区这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。3. AD/DA卡输入输出模块该区域是引出 AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是DA1 DA2 AD1、AD2有一个按钮复位，按下一次对AD/DA卡进行一次复位。 20针的插座用来和控制对象连接。4. 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。5. 变阻箱、变容箱模块变阻箱、变容箱是本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的值，而且电阻

8、电容值可以直接读出。第二章软件安装及使用一、软件安装：软件安装（分两大部分）一、安装应用软件1按照软件提示，一步一步完成安装图1进入安装界面图2选择安装路径图3单击In stall图4安装完毕界面2 完成应用软件的安装；应用软件会自动出现在“开始一程序”列表中。二、USB驱动安装（操作系统不同安装步骤有差别）Windows2000操作系统下：1 通过USB硬件接口，连接实验箱与计算机，计算机将自动显示图5图5进入安装界面图6选择单选按钮后，单击下一步2图6的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中，所以应选择第一步安装应用程 序的路径和文件名，然后单击”确定,系统将会自动查找驱动安装文件。为下

9、别护谢stra霸询喊吾: 严気 IEE D*vl-=选择如图的复选按钮后，单击下鯛为:朮件设曲到了 *&?罐序艾件.碍少IO Dvlz*修安装完成界面几茁” s；i*jiEi-Taae*r-asssiy. essrcs?!js. -：fi “Win doWSXP鮒舖一杲協应踏亦”-口 湘制珊连接实验箱与计算机，计2图的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文1.序的路径和文件名系统将会自动冗康扶到新媲件向导图12完应上七血|耐向舁在Windows桌面上或开始程序”中双击快捷方式到 Cybernation_C.exe ”快捷方式, 便可启动软件如图152 实验前计算机与实验箱的连接用实验箱自带的 U

10、SB线将实验箱后面的 USB 口与计算机的USB 口连接，启动Cybernation ” 软件。3 软件使用说明本套软件界面共分为三个组画面：软件说明和实验指导书画面（如图15）数据采集显示画面（如图16）图15图16下面介绍软件具体操作和功能：一：工具栏按钮：1. 二 点击或按F1可以选择实验项目作为当前实验项目，系统在指导书窗口显示相应的实验指导书，在实验进行过程中处于禁止状态。2. 点击或按F2切换回”指导书窗口。3. 口点击或按F3切换到”示波器窗口。4. 固点击或按F4切换到”?窗口。5. 卜 点击或按F5开始/放弃当前实验项目，在没有选择任何实验项目的时候为禁止状态。6U点击或按F

11、6弹出”关于对话框，显示程序信息和版权信息。二:示波器操作：1. 测量在”示波器”窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择”测量”打开测量游标（重复前述步骤隐藏测量游标），拖动任一游标到感兴趣的位置，图表区下方会显示 当前游标的位置和与同类的另一游标之间距离的绝对值。如果想精确定位游标只需用 鼠标左键单击相应的游标位置栏并在编辑框中输入合法值回车即可。2. 快照 在示波器”窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择”快照”将当前图像复制到剪贴板，以便粘贴到画图或其他图像编辑软件中编辑和保存。3. 打印目前尚不支持。4. 线型在”示波器”窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中可点击”直线”、折线”或点线来选择数据点和

12、数据点之间的连接方式，体会各种连接方式的差异。5. 配色用鼠标左键双击图表区除曲线之外的元素会弹出标准颜色对话框，用户 可以更改相应元素的颜色（比如将网格颜色改成与背景相同颜色）。6. 缩放用鼠标左键单击图表区刻度区的边界刻度并在编辑框中输入和法值回车即可改变当前显示范围。第三章实验系统部分本套实验系统一共提供了五个典型实验：D/A数模转换实验、A/D模数转换实验、数字PID实验、数字滤波器实验和炉温控制实验。本系统算法完全开放，系统结构组合灵 活，根据各高校情况的不同，可以自行修改和添加新的实验，以完成教学的要求。实验一 D/A数模转换实验一、实验目的1. 掌握数模转换的基本原理。2 .熟悉

13、12位D/A转换的方法。二、实验仪器1 . EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台2. PC计算机一台三、实验内容通过A/D&D/A卡完成12位D/A转换的实验，在这里采用双极性模拟量输出，数字量 输入范围为：04096，模拟量输出范围为： 5V+5V。转换公式如下：Uo=Vref-2Vref(2 11K11+2K10+.+2 0K0)/2 12Vref=5.0V例如：数字量=000110011001则 K11=1,K10=0,K9=1,K8=0,K7=1,K6=1,K5=0,K4=1,K3=0,K2=0,K1=0,K0=1 模拟量 Uo=Vref-2Vref(2 11K11+210K10

14、+.+2 0K0)/2 12=4.0V四、实验步骤1连接A/D、D/A卡的DA输出通道和 AD采集通道。A/D、D/A卡的DA1输出接A/D、 D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2 .启动计算机，在桌面双击图标Computerctrl 或在计算机程序组中运行 Computerctrl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才可以继续进行实验。4 .在实验项目的下拉列表中选择实验一D/A数模转换实验,鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。5 在参数设置对话框中设置相应的实验参数后，在下面的文字框内将算出变换后的 模拟量，6点击确定，在

15、显示窗口观测采集到的模拟量。并将测量结果填入下表数字量模拟量理论值实测值五、实验报告1. 画出数字量与模拟量的对应曲线。2 计算出理论值，将其与实验结果比较，分析产生误差的原因。实验二A/D模数转换实验一、实验目的1. 掌握模数转换的基本原理。2 .熟悉10位A/D转换的方法。二、实验仪器1 . EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台2. PC计算机一台三、实验内容通过A/D&D/A卡完成10位D/A转换的实验，在这里采用双极性模拟量输入，模拟量输入范围为：5V+5V,数字量输出范围为：01024。转换公式如下：10数字量=(Vref 模拟量)/2 Vref x 2其中Vref是基准电压为

16、 5V。例如：模拟量=1.0V则数字量=(5.0 1.0 ) / (2X 5.0 )x 210=409(十进制)四、实验步骤1. 连接A/D、D/A卡的DA输出通道和 AD采集通道。A/D、D/A卡的DA1输出接 A/D、 D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2. 启动计算机，在桌面双击图标Computerctrl 或在计算机程序组中运行Computerctrl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才可以继续进行实验。4. 在实验项目的下拉列表中选择实验二A/D数模转换实验,鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框5. 在弹出的参数窗

17、口中填入想要变换的模拟量，点击变换，在下面的文字框内将算模拟量数字量理论值实测值出变换后的数字量。6.点击确定，在显示窗口观测采集到的数字量。并将测量结果填入下表五、实验报告1 .画出模拟量与数字量的对应曲线。2计算出理论值，将其与实验结果比较，分析产生误差的原因。实验三数字PID控制、实验目的1. 研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2 .研究采样周期T对系统特性的影响。3研究I型系统及系统的稳定误差。、实验仪器1 . EL-AT-II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1.系统结构图如3-1图。图3-1系统结构图图中 Gc ( s) =Kp (1+Ki

18、/s+Kds )Gh (s) = (1 e-TS) /sGp1 ( s) =5/ (0.5S+1 ) (0.1S+1 )Gp2 ( s) =1/ (s (0.1S+1 )2 .开环系统(被控制对象)的模拟电路图如图3-2和图3-3，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图3-3开环系统结构图 23 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控制可使系统变成 “II 型”系统。4当r (t) =1 (t )时(实际是方波)，研究其过

19、渡过程。5. PI调节器及PID调节器的增益Gc (s) =Kp ( 1+K1/s )=KpK1( (1/k1 ) s+1)/s=K(Tis+1)/s式中 K=KpKi,Ti= (1/K1 )不难看出PI调节器的增益 K=KpKi,因此在改变 Ki时，同时改变了闭环增益K,如果不想改变K,则应相应改变Kp。采用PID调节器相同。6. “II型”系统要注意稳定性。对于Gp2( s),若采用PI调节器控制，其开环传递 函数为G (s) =Gc(s) Gp2(s)=K (Tis+1 ) /s 1/s (0.1s+1 )为使用环系统稳定，应满足 Ti0.1，即K1107. PID递推算法如果PID调节

20、器输入信号为e (t)，其输送信号为u (t),则离散的 递推算法如下：u (k) =u (k-1 ) +qOe (k) +q1e (k-1 ) +q2e (k-2 )其中 q0=Kp (1+KiT+ ( Kd/T)q仁一Kp (1+ (2Kd/T)q2=Kp (Kd/T)T-采样周期四、实验步骤1. 连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。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，在桌面双击图标Computerctrl 或在计算机程序组中运行 Computerctrl软件。3. 测试计算机与实验箱的

21、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才可以继续进行实验。4. 在实验项目的下拉列表中选择实验三数字PID控制,鼠标单击鼠标单击 乜按钮，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；:p、ts的数值。7. 取满意的Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误差。8. 断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图3-3)。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

22、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；巾、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲 线及时域性能指标，记入表中：实验结果参数S %Ts阶跃响应曲线KpKiKd五、实验报告1 画出所做实验的模拟电路图。2 .当被控对象为 Gp1（ s时）取过渡过程为最满意时的Kp,Ki,Kd,画出校正后的Bode图，查出相稳定裕量和穿越频率C。3. 总结一种有效的选择Kp,Ki,Kd方法，以最快的速度获得满意的参数。六、预习要求1. 熟悉PID控制器系统的组成。2 .熟悉PID控制器的参数对系统稳定性的影响。七、PID软件流程图图中ek

23、为误差ek2结束为误差的累积和，uk是控制量实验四组态控制一、实验目的通过一个工程实例熟悉 MCG工控组态软件的基本用法与功能，并按照完成工程的一 般过程讲述工程实例，了解如何通过MCG工控组态软件完成工程项目。二、实验仪器1. PC计算机一台三、实验内容动画显示，编制控制策略，输出实时曲线、历史曲线，操作菜单设计，外部设备连接， 运行测试的制作。四、实验步骤1. 启动计算机，在桌面双击图标 MGCS组态环境或在计算机程序组中运行MGCS组 态环境软件。2. MCGS组态软件采用的是标准的菜单形式，合理的应用菜单结构设计以及完整的功 能组合快捷的组建工程。3. 以窗口为单位来构造用户运行系统的

24、图形界面，能构造出各种复杂的动画画面。 图元图符对象可实现自由构图和定义动画，包括颜色、位置、大小、可见度、闪烁、输 入输出、按钮动作等多种动画效果。4. 动画构件对象完成特定类型的动画功能，如：实时曲线构件、历史曲线构件、报 警显示构件、自由表格构件等。用运行策略来完成和实现对系统运行流程的自由控制， 使系统能够按照设定的顺序和条件来操作实时数据库、控制用户窗口的显示、关闭和设 备构件的工作状态。五、实验报告1.通过上机学习 MGCSfi态系统，熟悉 MGCS&态环境，学会对用户窗口、数据库变量的 定义以及属性的含义。2学会对自由构图、动画、按钮动作等动画的颜色、位置、大小、可见度、闪烁的效

25、 果应用。3. 学会应用各种用户策略的应用，分析各种策略的功能特点。4. 写出MGCS1态系统脚本程序的各种指令。实验五炉温控制实验一、实验目的1了解温度控制系统的特点。2. 研究采样周期 T对系统特性的影响。3研究大时间常数系统 PID控制器的参数的整定方法。二、实验仪器1 . EL-AT-II型计算机控制系统实验箱一台2. PC计算机一台3 .炉温控制实验对象一台三、炉温控制的基本原理1 .系统结构图示于图5 1。计算机含A/DSD/A卡图51系统结构图图中 Gc (s) =Kp (1+Ki/s+Kds )Gh (s) = (1 e-TS) /sGp (s) =1/ ( Ts+1)2. 系

26、统的基本工作原理整个炉温控制系统由两大部分组成，第一部分由计算机和 A/D&D/A卡组成，主要完成温度采集、PID运算、产生控制可控硅的触发脉冲，第二部分由传感器信号放大，同步脉冲 形成，以及触发脉冲放大等组成。炉温控制的基本原理是：改变可控硅的导通角即改变电热炉加热丝两端的有效电压，有效电压的可在0140V内变化。可控硅的导通角为 05CH温度传感是通过一只热敏电阻及其放大电路组成的，温度越高其输出电压越小。外部LED灯的亮灭表示可控硅的导通与闭合的占空比时间，如果炉温温度低于设定值则可控硅导通，系统加热，否则系统停止加热，炉温自然冷却到设定值。第二部分电路原理图见附录一。3. PID递推算

27、法：如果PID调节器输入信号为 e (t),其输送信号为u (t),则离散的递推算法如下：Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1),其中 ek2 是误差累积和。四、实验内容：1 .设定炉子的温度在一恒定值。2. 调整P、I、D各参数观察对其有何影响。五、实验步骤1 .启动计算机，在桌面双击图标Computerctrl 或在计算机程序组中运行Computerctrl软件。2 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才可以继续进行实验。3. 20芯的扁平电缆连接实验箱和炉温控制对象，检查无误后，接通实验箱和炉温控 制的电源。开环控制4. 在实验项目

28、的下拉列表中选择实验七七、炉温控制,鼠标单击旦I按钮，弹出实 验课题参数设置对话框。 在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。测量系统响应时间Ts和超调量；巾。5.重复步骤4,改变参数设置，观测波形的变化，记入下表：性能指 标占空比阶跃响应曲线S %Tp （秒）Ts （秒）闭环控制6. 在实验项目的下拉列表中选择实验五 五、炉温控制鼠标单击旦按钮，弹出实验课题参数设置对话框，选择 PID,在参数设置窗口设置炉温控制对象的给定温度以及Ki、Kp、Kd值，点击确认在观察窗口观测系统响应曲线。测量系统响应时间Ts和超调量 卬。7. 重复步骤6，改变PID参数，观测波形的变化，记入下表中：性参数士能指标阶