自动控制原理实验指导书确定版

[键入文字]1`2014年度编制人：刘晓洁何宁自动控制原理实验课是专业基础课的重要实践环节，是对所学的控制理论和分析设计方法综合运用能力的培养。实验指导书自动控制原理2014年度编制人：刘晓洁何宁自动控制原理实验课是专业基础课的重要实践环节，是对所学的控制理论和分析设计方法综合运用能力的培养。实验指导书自动控制原理

目录第一章绪论 第一章绪论《自动控制原理》课程是自动化及相应专业必修的一门重要的专业基础课（主干课程），课程内容丰富、覆盖的知识面广。它既是自动控制技术的基础理论，也是一门理论性较强的工程科学。其实验课程是专业基础课重要的实践环节，是对所学的控制系统的基本理论、分析设计方法及控制理论运用能力的培养；是由抽象概念到感性认识的过渡，而不是简单的对理论的重复性验证工作。自动控制理论实验可以通过多种方式实现，虽然每种实验方式有其自身的教学特色，但是一个设计合理、功能完善、使用方便、综合多种特色方法的实验平台无疑是对提高实验教学起着非常重要的作用。在此将向本实验指导书的使用者介绍一下，目前国内高校正在采用的几种自动控制理论实验的实现方式，以便于学生根据个人的兴趣点和学院实验室开放情况，利用课余时间进行自学。采用计算机半实物仿真的实验方案传统仪器的控制理论实验方案如图1-1所示，一般由模拟实验箱、函数信号发生器、示波器、频谱分析仪等组成。这种方案的优点在于学生可以在做实验过程中熟练地掌握各种仪器的使用方法，但实验效果受到了仪器性能的制约，如模拟示波器读书不准确、没有余辉显示功能、调试复杂等问题。随着计算机技术的发展，计算机半实物仿真的实验方案逐步显示出优势，其实验系统将传统仪器的实验方式与计算机结合，由模拟实验箱、计算机以及电路分立元件组成，其原理构成如图1-2所示。在本学院的计算机运动控制实验室，利用西安唐都科教仪器公司TDN-ACP+自动控制原理教学实验箱、计算机以及部分电路分立元件即可组合构建这样的实验系统。此实验箱如图所示1-3，其原理框图如所示1-4。图1-3TDN-ACP+图1-3TDN-ACP+自动控制原理教学实验箱图1-图1-4自动控制原理教学实验箱原理框图该系统由计算机通过串口或者USB口与TDN-ACP+自动控制原理教学实验箱连接，通过计算机上安装的ACP+软件，实现信号发生器、示波器、频率特性分析、计算机辅助采集等功能，其特点发挥了计算机仿真的优势，由计算机完成实验数据的采集、存储、回放和处理，降低了学习者学习仪器的使用难度，在实验的同时可以将实验结果与理论分析值进行对比，提高了实验效率。计算机半实物仿真的实验方法需要学生设计好电路图，并按有关线路图接线，完成实验内容，如控制系统经典环节、线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析、自动控制系统的校正等实验都可以在实现，下面以二阶系统的模拟电路实验如图1-5所示为例图1-图1-5二阶系统的模拟电路图R=10K时，其电路系统的传递函数为G(S)==按电路所示将实验箱中各种元件用按线帽及导线连接好，在输入端加以阶跃信号1V时，通过此系统的ACP+软件采集到的实验波形如下图1-6所示：图图1-6二阶系统在ACP软件中仿真的阶跃响应图采用计算机半实物仿真实验方法的特点是直观、简单，能够锻炼提高使用者的动手操作能力，但是实验箱有时也会出现故障，如果整个电路中某个一元件接触不好就无法得到实验结果。当然做实验的目的不仅是让使用者掌握巩固理论知识，更要进一步提高其操作动手能力，所以这种实物实验是十分必要的。采用MATLAB软件仿真的实验方案MATLAB是矩阵实验室（Matrix

Laboratory）的简称，由美国MathWorks公司出品的商业数学软件，用于算法开发、数据可视化、数据分析以及数值计算的高级技术计算语言和交互式环境如图1-7，主要包括MATLAB和Simulink两大部分。MATLAB语言是开发自控原理实验的一种实用软件，也是最常用的自控原理仿真软件。它建模与仿真功能强大可以模拟各种典型环节和输入信号，有多种模块可供选用，强大的作图功能和数据处理，且具有投资少、安全、重复性强、图像逼真等特点。下面简要介绍一下基于在MATLAB/Simulink的控制系统建模与仿真的基本方法。图1-7MATLAB软件图1-7MATLAB软件交互式环境MATLAB语言MATLAB语言的程序可以用两种方式来执行，即命令行和M文件方式，对应于函数M文件和独立m文件。独立m文件由命令描述行写成之后存储，即可在MATLAB平台上单独调用执行。函数m文件需要相应的输入和输出变量参数方可执行，实验中采用MATLAB命令行方式。下面以上节中的二阶系统的传递函数表达式为例，通过在m文件编写如下程序，可得到实验仿真波形如图1-8所示。图1-8二阶系统在MATLAB软件中仿真的阶跃响应图具体程序如下：图1-8二阶系统在MATLAB软件中仿真的阶跃响应图T1=1.1;T2=1;K1=10;num=[0,K1];den=[T1*T2,T1,K1];sys1=tf(num,den);T2=0.1;K1=1;num=[0,K1];den=[T1*T2,T1,K1];sys2=tf(num,den);step(sys1,'r',sys2,'b',[0:0.01:12]);gridon;Simulink仿真在MATLAB软件下进行控制理论仿真实验流程如下：在File菜单中建立一个新的Model文件；在Simulink模块库中找出对应的仿真模块；修改模块参数（要先对系统传递函数计算）；将各个模块连接起来，搭建所需要的系统模型；通过仿真，其Simulink结构图及仿真结果如图1-10和1-11所示。MATLAB仿真实验系统建立在纯数学模型基础上，与实际自控系统的元件、信号、仪器等有一定的距离，不如计算机半实物仿真的实验方案更便于学习者实践能力的培养，而且有时需要自行编写函数，要求学习者具有一定的Ｃ语言编程基础。图1-9Simulink模块库浏览器MATLAB的Simulink是一个用来对动态系统进行建模、仿真与分析的软件包。进MATLAB界面后，通过主菜单或在MATLAB在MATLAB软件下进行控制理论仿真实验流程如下：在File菜单中建立一个新的Model文件；在Simulink模块库中找出对应的仿真模块；修改模块参数（要先对系统传递函数计算）；将各个模块连接起来，搭建所需要的系统模型；通过仿真，其Simulink结构图及仿真结果如图1-10和1-11所示。MATLAB仿真实验系统建立在纯数学模型基础上，与实际自控系统的元件、信号、仪器等有一定的距离，不如计算机半实物仿真的实验方案更便于学习者实践能力的培养，而且有时需要自行编写函数，要求学习者具有一定的Ｃ语言编程基础。图1-9Simulink模块库浏览器图1—图1—10二阶系统动态结构图图1—图1—11二阶系统阶跃响应采用Multisim软件仿真的实验方案1—12Multisim软件交互环境Multisim是美国国家仪器（NI）有限公司推出的以Windows为基础的仿真工具，适用于板级的模拟/数字电路板的设计工作。它主要用于电子线路的设计、模拟及调试，有800多种虚拟元器件，可以像实际电路接线一样，组成典型的控制环节及控制系统，不用编程，非常简单、直观，同时也可以进行古典控制系统建模、分析与校正实验，非常适合学习者进行自控原理的虚拟实验。Multisim推出了许多版本，包括Multisim9、Multisim10以及Multisim12等，目前1—12Multisim软件交互环境在Multisim软件下进行控制理论仿真实验流程如下，通过仿真其电路图与仿真结果如图1-13和1-14所示。打开Multism界面，新建一个文件；从元件库及仪器库中找出相应的元件及仪器；根据线路图把各元件及仪器连接起来；修改元件参数；图1图1—13二阶系统电路仿真图图1—图1—14二阶系统阶跃响应图采用Multism软件仿真实现控制理论原理实验，具有实物仿真的实验方案的特点，直观性和便捷性较好，同时在于自动控制原理工程实际应用有所联系，但对使用者电路设计能力有一定要求。采用eMSP实验平台的实验方案近几年电子信息产业的快速发展，新型微处理器不断涌现，数字化、计算机化的实验系统正逐步取代传统实验方案。eMSP实验平台是由台湾俊原科技股份有限公司开发的新型自动控制原理实验系统，其采用XILINXxc3s1000CPU为核心，集成直流伺服电机、人机交互、虚拟仪器、网络传输等技术，将控制理论实验与现代电机控制技术紧密结合，即满足了自动控制原理理论教学数据分析的要求，同时也满足了实践教学中工程应用实例化要求，其平台组成如图1-15所示。eMsp实验平台是由带有光纤网络通信功能的FPGA电机控制模块和直流伺服电动机两大模块组成，其中FPGA电机控制模块采用Xilinx公司100万容量的FPGA可程序逻辑门，具有DSP电力电子控制芯片和DSP交流和直流伺服电机控制内核，可完成直流伺服电动机与交图1-15图1-15eMsp实验平台流电动机的运动控制；同时可以作为光纤网络中的网络节点，利用USB接口与个人计算机进行连接，并提供USB对光纤网络的转换功能，使得个人计算机可以独立控制光纤网络中的每个网络节点，最多可以同时控制31个eMSP实验平台的直流伺服电机；直流伺服电动机模块采用瑞士maxon伺服电机，额定功率大于15Watt，额定转速可达到4500rpm，内部采用MOSFET驱动功率芯片，并带有光电译码器，与电机结合一体，可以实现ΦA、ΦB二相检出，同时PWM与ΦA、ΦB输出皆以LED配合其动作显示，并具备过电流、过电压保护，保证了使用者实验过程中不会因误操作，而导致实验装置的损坏。该系统由计算机通过USB口与eMSP实验平台连接，通过计算机上安装的FPLC、CAI以及textpad软件，实现信号发生器、示波器、频率特性分析、计算机辅助采集等功能，其特点既发挥了计算机仿真的优势，由计算机完成实验数据的采集、存储、回放和处理，降低了学习者学习仪器的使用难度，同时也将实际的控制结果通过实物电机的运动模式，直观地展现出来，从而从此一定程度上解决了上述三种实验方案中存在的自动控制理论与实际应用脱节的问题。图图1-16eMSP实验平台软件交互环境使用者可利用eMSP实验平台完成相应的实验内容，并得出实验结论。实验方法相对简单，但此平台需要使用者在课堂外做好充分的准备工作，包括理解一个完整的电机控制系统组成方案、电动机控制方法的基本理论知识、实验参数的测试方法等。这种实验模式更偏重于从实践现象中学习理论知识的方法，更强调工程实践教学的特点。综上所述，本节为本实验指导书的使用者介绍了四种自动控制原理的实验方式，其中Multisim与MATLAB均是软件仿真，不需要实物实验设备支持，使用者可以在课余自行学习。本实验指导书将以eMSP实验平台实验为主，提供了五个综合型和设计型实物实验，同时为了便于使用者学习提供了五个MATLAB软件的Simulink仿真实验作为参考。

第二章eMsp实验平台实验实验一直流电动机数学模型的测定实验目的学习FPLC软件仿真控制系统的方法。通过软件仿真学习直流电动机系统传递函数的实验测定方法。掌握一阶环节阶跃响应曲线测量性能指标的方法。实验设备微型计算机eMSP实验平台实验原理传递函数是描述系统数学模型的基本形式,对实际系统--直流电动机系统数学模型测定的实验进行研究,是掌握直流电动机传递函数的实验测定和采用计算机仿真软件对实际系统进行仿真分析的一般方法。在进行直流电动机系统传递函数测定的实验前,首先需要对直流电动机传递函数的理论基础知识有所了解。电枢控制直流电动机原理图如图1所示，当电枢控制直流电动机的输入为电枢电压Ua,输出为转轴转速度n时,其传递函数N(s)/Ua(s)可以按照下面的方法推导。直流电动机是由2个子系统构成,一个是电网络系统,由电网络得到电能,产生电磁转矩，另一个是机械运动系统,转动机械能带动负载转动。图1电枢控制直流电动机原理图图1电枢控制直流电动机原理图电网络平衡方程:式(1)中:Ia为电动机的电枢电流;Ra为电动机的电阻；La为电动机的电感；Ea为电枢绕组的感应电动势。电动势平衡方程:式(2)中,Ke为电动势常数,由电动机的结构参数确定。机械平衡方程:式(3)中:Ja为电动机转子的转动惯量;Ma为电动机的电磁转矩;ML为折合阻力矩。转矩平衡方程:式(4)中:Kc为电磁力矩常数,由电动机的结构参数确定。将上述4个方程联立,因为空载下的阻力矩很小,略去ML,并消去中间变量Ia、Ea、Ma,得到关于输入输出的微分方程式:这是一个二阶线性微分方程,因为电枢绕组的电感一般很小,略去La,则可以得到简化的一阶线性微分方程:令初始条件为零,两边拉氏变换,求得传递函数G(s)为当输入信号为单位阶跃输入1,一阶系统的传递函数的形式为,时间响应是单位阶跃响应，如图2所示在图2在图2的输入与输出信号上,可找到K=n(∞)/u(∞)。由输出信号稳态值的63.2%所对应的时间可直接得到T值。但由于直流电机转速的变化情况,无法记录下来,为此采用了测速发电机装置。由于此发电机的输出电压正比于轴的转速,现将其轴与直流电动机轴机械地连接在一起,这样直流电动机的转速变化,可由测速发电机输出电压反映出来。此电压送入示波器里,观测到电压变化的波形,它与图2所示转速的变化规律是一致的，按上述确定T的方法,时间常数就可确定下来。图2一阶系统的单位阶跃响应图2一阶系统的单位阶跃响应实验内容及步骤：在清楚地理解直流电动机传递函数测定原理后，为了得到直流电动机输入与输出电压关系以便测定其数学模型，需要利用PLC软件下打开TESTDCMM0619.CAI文件，然后选择实验一：直流电动机的数学模型测定实验，如图3所示图3直流电动机的数学模型测定实验图3直流电动机的数学模型测定实验其中所使用的模块包括：FG1：方波产生器，产生所需的步阶测试波形。FT1：马达仿真，以一阶系统的低通滤波器来执行。IO1：光电盘的回授处理，可同时取得转角和速度的量测值。IO2：PWM电压驱动，直接驱动直流马达作控制。Led：四位数字七段显示模块，显示波形信号数据。本次实验内容首先需要设定方波产生模块和马达仿真模块两项参数（P参数设定栏），其设置内容包括调整方波命令，设定直流电动机回路输入电压与占空比，其中振幅值和占空比（负载率）可自行设定，需要注意为了保证能够直观的观测到此次实验现象，请设定频率值在10~50之间，如图4所示。图4方波发生器参数设定图4方波发生器参数设定调整直流电动机模拟参数，使模拟结果和实验结果相符，以确认开环路特性，其中直流电动机上升时间T=t测量*（dt/ka），如图5所示。图5图5直流电机参数设定设定好直流电机和方波控制信号参数后，先后点击“程序下载”和“程序启动”按钮，即可本软件中自带的示波器功能中，记录并观察直流电动机的阶跃响应曲线，同时也可通过eMSP实验平台的电动机模块，观察其转速的变化情况。实验数据记录及分析FPLC软件自带的示波器功能记录可记录四路信号通道，其中CH2和CH3重迭显示，以比较仿真速度和量测速度之间的差异。由于测定Km不等于1，所以必须调整CH3的Y轴单位，才能使得CH2和CH3的稳态响应部分重迭。实验时可以根据实验需要改变FG1的参数，以调整测试方波的振幅和频率。可以调整FT1的参数，使得CH2和CH3的瞬时响应部分重迭。观察电动机模块运动变化自行设计实验数据表格，分析实验结果。根据实际的测试结果，确定km值。直流电动机模拟的参数调整到DT=10而KA=500，根据公式求出T=t测量*（dt/ka）值。思考问题除了本实验提过的方法可测定出直流电动机传递函数以外，能否通过附件1提供的MAXTONmotor电动机参数表计算出直流电动机的数学模型，这两种方法得出的模型是否一致，有什么区别？通过调整直流电动机参数设定模块，观察其对直流电动机传递模型中的K和T参数的影响？此测量方法测定的电机模型准确吗，存在哪些问题，是否有更简便的电动机数学模型测定方法？

实验二典型输入信号对直流电动机转速的影响实验目的明确时间响应的概念，观察系统在外加激励作用下，其输出随时间变化的函数关系。观察典型信号对直流电动机转速的作用，理解扰动信号对开环系统的影响。测量直流电动机开环控制系统的响应曲线，了解参数变化对其动态性能的影响。实验设备微型计算机eMSP实验平台实验原理控制系统中常见的典型输入信号由：单位脉冲信号、单位阶跃信号、单位斜坡信号、单位加速度信号、正弦信号等。这些函数都是简单的时间函数，便于数学分析和实验研究，表1列出了各种典型输入信号的时间函数、拉普拉斯变换。表1典型输入信号名称时间函数拉氏变换单位脉冲函数单位阶跃函数单位斜坡函数单位加速度函数正弦函数初始状态为零的系统，在典型输入信号作用下的输出，称为典型时间响应。典型时间响应由动态过程和稳态过程两部分组成。动态过程：在典型输入信号的作用下，系统输出量从初始状态到最终状态的响应过程被称之为动态过程或者瞬态过程。动态过程可以提供关于系统稳定性、响应速度及阻尼等信息。稳态过程：指系统在典型输入信号作用下，当时间t趋于无穷大时，系统输出量的表现形式。稳态过程可以提供关于系统稳态输出、稳态误差等信息。通过实验一完成直流电动机数学模型的测定，已经得到eMSP实验平台直流电动机系统的传递函数为一阶系统，即，此次实验将继续围绕着一阶系统的研究其时间响应曲线的变化，常见的一阶系统的典型时间响应如下表2所示。表2一阶系统的典型时间响应名称响应表达式响应曲线单位脉冲函数单位阶跃函数单位斜坡函数实验内容及步骤通过实验一完成直流电动机数学模型的测定，已经得到eMSP实验平台直流电动机系统的传递函数为一阶系统，即，此次实验将继续围绕着一阶系统的研究其时间响应曲线的变化。为了观察和测定典型输入信号对直流电动机系统转速的作用，需要在FPLC软件下打开TESTDCMM0619.CAI文件，然后选择实验二：典型输入信号对直流电动机的影响，分别包含三种信号波形——方波、三角波、正弦波，如图1和2给出的是正弦波和三角波的实验方框图。图1图1正弦波输入信号对直流电动机转速影响实验图图2三角波输入信号对直流电动机转速影响实验本次实验内容首先需要设定方波产生模块、正弦波、三角波以及直流电机仿真模块的参数（点击P即可进行参数设定），其中方波产生模块参数和直流电动机仿真模块设定方法请参见实验一，本次实验主要讲解一下正弦波和三角波模块参数设定的方法，以下是以正弦波为例说明各个参数的含义和内容：正弦波有四个参数：振幅(A)、频率(F)、相位(θ)和偏移(B)，其公式为：out=Asin(2πFt+θ)+B对于正弦波产生器，所对映的参数包括：kAmp：振幅值。kFrq：频率值，kFrq=65536/8000*Hz，其中Hz的范围为0~4000。例如1000Hz=>frq=8192100Hz=>frq=81910Hz=>frq=821Hz=>frq=8kTh：相角值，0~255代表0~360的相位。当th=0时为正弦波，th=64时为余弦波，th=128时为反相波，依此类推。kBias：偏移值。图3正弦波发生器参数设定图3正弦波发生器参数设定设定好各个模块参数后，先后点击“程序下载”和“程序启动”按钮，即可本软件中自带的示波器功能中，记录并观察在正弦波、三角波、方波信号输入作用下直流电动机转速的响应曲线，同时也可通过eMSP实验平台的电动机模块，观察其转速运动的变化情况。实验数据记录及分析FPLC软件自带的示波器功能记录可记录四路信号通道，其中CH2和CH3重迭显示，以比较仿真速度和量测速度之间的差异。注意直流电动机模拟的参数调整到DT=10而KA=500，以保证直流电动机系统传递函数的确定性。必须调整CH1和CH3的Y轴单位，比较给定值CH1和实际测量值CH3的响应曲线的差异。实验时可以根据实验需要改变FG1的参数，以调整测试输入信号的振幅和频率。可以调整FT1的参数，使得CH2和CH3的瞬时响应部分重迭。观察电动机模块运动变化自行设计实验数据表格，分析实验结果。根据实际的测试结果，分析方波、正弦波、三角波对直流电动机转速的作用。思考问题通过测量eMSP实验平台的电动机模块在不同典型信号输入作用下直流电动机转速的变化，是否可将此系统称之为为随动系统，随动系统组成要素有哪些，有其应用领域有哪些？如何定义和理解扰动信号，扰动信号对开环系统有哪些影响，如何提高此系统的抗干扰能力？阶跃和斜波信号对一阶系统的动态性能有哪些影响？

实验三直流电动机的闭环回路位置控制实验目的通过实验认识二阶系统的阶跃响应和动态系统性能指标的测试方法。研究二阶系统的两个重要参数阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能的影响。了解与学习直流电动机构建二阶系统的方法。实验设备微型计算机eMSP实验平台实验原理典型二阶系统的动态结构图如图1所示，其开环传递函数为：R(s)E(s)R(s)E(s)C(s)-图1二阶系统动态结构图图1二阶系统动态结构图上式中根据的取值，可把系统分为欠阻尼、临界阻尼和过阻尼三种情况进行分析。二阶系统的特征方程为：特征根：两个不相等负实根图2二阶系统特征根图2二阶系统特征根二阶系统在阶跃信号作用下的性能指标，通常由动态性能和稳态性能两部分组成。其中描述稳定的系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间t的变化状况的指标，称为动态性能指标。对于图3所示单位阶跃响应h(t),其动态性能指标通常为：图图3二阶系统的单位阶跃响应1：延迟时间td，指响应曲线第一次达到其终值一半所需要的时间。2：上升时间tr，指响应曲线从终值10%上升到终值90%所需要的时间；对于有振荡的系统，也可定义为响应从零第一次上升到终值所需要的时间。上升时间是系统响应速度的一种度量。3：峰值时间tp，指响应超过终值达到第一个峰值所需要的时间。4：调节时间ts，指响应达到并保持在终值±5%（或±2%）内所需要的时间。5：超调量σ%，指响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞)之差的百分比，即：6:稳态性能(稳态误差ess)是描述系统稳态性能的一种性能指标，通常在阶跃函数、斜坡函数和加速度函数作用下进行测定或计算。若时间趋于无穷大时，系统的输出量不等于输入量或输入量的确定函数，则系统存在稳态误差。稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。上述6个性能指标基本上能够描述系统过渡过程的特征，延迟时间、上升时间、峰值时间、调节时间描述了响应的快速性；而超调量描述了响应的平稳性，一般情况下与系统相对稳定性有关。稳态误差则反映了系统复现输入信号的最终精度。由于时域响应直观、易于理解，因此大多数系统都是以时域特性的好坏来衡量系统的特性。其中在条件下:表1欠阻尼二阶系统动态性能指标计算公式动态性能指标二阶系统()延迟时间td上升时间tr峰值时间tp调节时间ts超调量σ%实验内容及步骤在学习了二阶系统性能指标的测定和计算方法后，本次实验将利用eMsp实验平台的直流电动机搭建一个闭环回路的位置控制系统。通过控制此系统中直流电动机转动的角度，来观察此二阶系统中哪些参数将影响系统阻尼比、响应的快速性以及稳定性。本次实验需要在FPLC软件下打开TESTDCMM0619.CAI文件，然后选择实验三：直流电动机的闭环回路位置控制，如图4所示。图4直流电动机位置控制实验图4直流电动机位置控制实验本次实验内容首先需要设定方波产生模块、P控制模块以及直流电机仿真模块的参数（点击P即可进行参数设定），其中方波产生模块参数和直流电动机仿真模块设定方法请参见实验一。本次实验需要设定P控制模块中的Kp参数，如图5所示。通过修改此参数调整二阶系统进入无阻尼、过阻尼以及欠阻尼状态。图5P控制器参数设定图5P控制器参数设定设定好各个模块参数后，先后点击“程序下载”和“程序启动”按钮，即可本软件中自带的示波器功能中，记录并观察在P控制模块作用下直流电动机转角的响应曲线，同时也可通过eMSP实验平台的电动机模块，观察其转动位置的变化情况。实验数据记录及分析FPLC软件自带的示波器功能记录可记录四路信号通道，其中CH2和CH3重迭显示，以比较仿真速度和量测速度之间的差异。注意直流电动机模拟的参数调整到DT=10而KA=500，以保证直流电动机系统传递函数的确定性。必须调整CH1和CH3的Y轴单位，比较给定值CH1和实际测量值CH3的响应曲线的差异。实验时可以根据实验需要改变FG1的参数，以调整测试输入信号的振幅和频率。可以调整P控制器的参数，使得CH2和CH3的瞬时响应部分重迭。观察电动机模块转动角度变化自行设计实验数据表格，分析实验结果。根据实际的测试结果结合图4-4给出的系统数学模型，分析P控制器对直流电动机转动位置的影响，说明二阶系统阻尼状态的变化。思考问题通过测量eMSP实验平台的电动机模块在阶跃信号输入作用下直流电动机转角位置的变化和已知的系统组成方框图，能否通过理论计算方式，说明系统阻尼状态与Kp之间的关系？以eMsP实验平台为例，说明直流电动机转速闭环控制与位置闭环控制系统数学模型的差异？直流电动机闭环回路位置控制系统的实际应用领域有哪些？如何测量一个二阶系统的性能指标，如何衡量二阶系统控制的好坏？实验四线性系统的稳定性分析实验目的通过实验认识开环放大倍数对系统阶跃响应曲线的影响。通过实验认识惯性环节时间常数和开环放大倍数对系统稳定性的影响。实验设备1．微型机计算机实验原理系统稳定性的基本概念如果线性系统系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复原来状态的性能。若能恢复，则为稳定系统；若不能恢复，且偏差越来越大，则为不稳定系统。实际中关于稳定性的实例很多，如：设计振荡器最关心振幅和频率的稳定性，适当选择电路结构和参数，使电源电压、负载和环境变化时都能得到几乎恒定的振幅和频率，才符合要求。再如：收音机若有自激，就会啸叫，无法收听，而电视机若不稳，无法看图像等等。可见自控系统的稳定性十分重要。一个系统一旦受到外界或内部干扰，就偏离原来的平衡工作状态，且越来越远，扰动消失后也不能恢复原状，显然无法满足要求，也无法正常工作。因此，稳定性是系统正常工作的首要条件及重要性能。分析稳定性并找出保证系统稳定的条件，是设计的基本任务之一。判定系统稳定性的基本方法直接求特征根二阶及以下系统可以方便地求得闭环特征方程解，根据充要条件判断线性系统稳定性。高阶系统不方便因式分解的，可以调用MATLAB的求根函数进行数值运算。当系统结构比较复杂或者极点靠近虚轴时，应考虑计算机运算误差因素，结合相对稳定性进行分析。赫尔维茨稳定判据设线性定常系统的特征方程为：，系统稳定的充分必要条件是：在的条件下，各阶主子式均大于零，否则系统不稳定。即对系统要求：劳斯判据设列劳斯表：系统稳定的充要条件：劳斯表中第一列元素的所有值均大于零，否则系统不稳，且第一列各元素符号的改变次数，代表特征方程正实部根的数目。劳斯稳定判据虽然避免了求解特征根的困难，但是有一定的局限性。例如当系统结构、参数发生变化时，将会使特征方程的阶次、方程的系数发生变化，而且这种变化是很复杂的。从而相应的劳斯表也要重新列写，重新判别系统稳定性。实验内容及步骤通过eMsp实验平台三次实物实验，已经直观地观察到直流电动机闭环位置控制系统动态过程和稳态过程。本次实验将以直流电动机控制系统为模型，通过设定系统开环放大倍数和一阶环节的时间常数来认识线性系统稳定性的分析方法。利用FPLC软件下打开TESTDCMM0619.CAI文件，然后选择实验四：线性系统的稳定性分析，如图1所示：图1线性系统稳定性分析实验图1线性系统稳定性分析实验本次实验内容首先需要设定方波产生模块、TransferFcn1模块以及直流电机仿真模块的参数（点击P即可进行参数设定），其中方波产生模块参数和直流电动机仿真模块设定方法请参见实验一。本次实验需要设定TransferFcn1模块中的Kp参数，如图2所示，通过修改此参数调整系统进入稳定和不稳定状态。图2TransferFcn1参数设定图2TransferFcn1参数设定设定好各个模块参数后，先后点击“程序下载”和“程序启动”按钮，即可本软件中自带的示波器功能中，记录并观察在TransferFcn1模块作用下直流电动机的响应曲线，同时也可通过eMSP实验平台的电动机模块，观察其电动机不稳定情况下转动位置的变化。实验数据记录及分析FPLC软件自带的示波器功能记录可记录四路信号通道，其中CH2和CH3重迭显示，以比较仿真速度和量测速度之间的差异。注意直流电动机模拟的参数调整到DT=10而KA=500，以保证直流电动机系统传递函数的确定性。必须调整CH1和CH3的Y轴单位，比较给定值CH1和实际测量值CH3的响应曲线的差异。实验时可以根据实验需要改变FG1的参数，以调整测试输入信号的振幅和频率。可以调整P控制器的参数，使得CH2和CH3的瞬时响应部分重迭。观察电动机模块从稳定状态过渡到不稳定状态变化过程，自行设计实验数据表格，分析实验结果。根据实际的测试结果结合图1给出的系统数学模型，分析开环放大增益和一阶系统时间常数对直流电动机稳定性的影响，说明系统稳定的条件。思考问题通过测量eMSP实验平台的电动机模块在阶跃信号输入作用下直流电动机转动状态的变化和已知的系统组成方框图，能否通过理论计算方式，说明系统稳定性与Kp之间的关系？以eMsP实验平台为例，说明提高系统稳定的措施？研究线性系统的不稳定状态有什么实际意义，不稳定状态是否在实际工程中也有所应用？

实验五PID控制算法实验目的研究PID控制器参数对系统稳定性及过渡过程的影响。理解和掌握连续控制系统的PID控制算法表达式。研究引入被调量微分负反馈对系统性能的影响。实验设备微型计算机eMSP实验平台实验原理PID控制是最早发展起来的控制策略之一,由于其算法简单、鲁棒性好、可靠性高等优点,被广泛应用于工业过程控制。随着生产的发展,对控制的要求也越来越高,随之发展出许多以计算机为基础的新型控制算法,如自适应PID控制、模糊PID控制、智能PID控制等。模拟PID控制器模拟PID控制系统原理框图如图1所示,系统由模拟PI控制器和受控对象组成。图1图1模拟PID控制系统原理框图PID控制器根据给定值r(t)与实际输出值c(t)构成的控制偏差:e(t)=r(t)-c(t)将偏差的比例(P)、积分(I)和微分(D)通过线性组合构成控制量,对受控对象进行控制。其控制规律为:或写成传递函数形式:式中,Kp为比例系数,Ti为积分时间常数,Td为微分时间常数。简单说来,PID控制器各校正环节的作用是这样的:比例环节：即时成比例地反应控制系统的偏差信号e(t)，偏差一旦产生，控制器立即产生控制作用以减小误差。积分环节：主要用于消除静差，提高系统的无差度，积分作用的强弱取决于积分时间常数Ti，Ti越大，积分作用越弱，反之则越强。微分环节：能反应偏差信号的变化趋势(变化速率)，并能在偏差信号值变得太大之前，在系统中引入一个有效的早期修正信号，从而加快系统的动作速度，减小调节时间。数字PID控制器计算机控制是一种离散的采样控制，在计算机控制系统中所使用的是数字PID控制器，通过将模拟PID表达式中的积分、微分运算数值计算方法来逼近，便可实现数字PID控制，只要采样周期T取值足够小,这种逼近就可以相当精确.将积分项用矩形和代替，微分项用差分代替，使模拟PID离散化为差分方程，可作如下近似:其中：T为采样周期；k为采样序号。使用这种近似方法，就可以得到2种标准的数字PID控制算法：数字PID位置型控制算法数字PID增量型控制算法PID各个参数与系统性能指标之间关系不是绝对的，只有表示一定范围内的相对关系，因为各个参数之间还有相互影响，一个参数改变了，另外两个参数的控制效果也会改变。因此PID控制器的设计通常是比较困难的（即调整Kp、Ki、Kd参数为适当的值），很多情况下，需要依靠控制工程是的经验来进行参数整定。整定PID参数目前整定PID参数的方法有很多种，在此介绍一个适用于本实验平台的整定方法。Ziegler和Nichols提出的临界比例度法是一种非常著名的工程整定方法，通过实验由经验公式得到控制器的近似最优整定参数，用来确定被控对象的动态特性的两个参数：临界增益Ku和临界振荡周期Tu。临界比例度法适用于已知对象传递函数的场合,在闭环的控制系统里,将控制器置于纯比例作用下，从大到小逐渐改变控制器的比例增益Kp，得到等幅振荡的过渡过程。此时的比例增益Kp被称为临界增益Ku,相邻两个波峰间的时间间隔为临界振荡周期Tu。用临界比例度法整定PID参数的步骤如下：将控制器的积分时间常数Ti置于最大(Ti=∞)，微分时间常数Td置零（TD=0），比例系数Kp置适当的值，平衡操作一段时间，把系统投入自动运行。将比例增益Kp逐渐减小，直至得到等幅振荡过程，记下此时的临界增益Ku和临界振荡周期Tu的值。根据Ku和Tu值,按照表1中的经验公式，计算出控制器各个参数，即Kp、Ti、Td的值。表1临界比例度法整定PID参数表控制器类型KpTiTdP0.5Ku∞0PI0.45Ku0.83Tu0PID0.60Ku0.5Tu0.125Tu实验内容及步骤在学习了PID控制算法的原理和参数整定方法后后，本次实验将在利用eMsp平台的实验二直流电动机闭环回路的位置控制系统的基础上，构建一个PID控制的位置系统。本实验将通过调整PID参数的值，来此达到控制直流电动机转动的角度目地。本次实验需要在FPLC软件下打开TESTDCMM0619.CAI文件，然后选择实验五：PID控制算法，如图5-1所示。图1图1PID控制算法实验图2图2PID控制器参数设定本次实验内容需要设定方波产生模块、PID控制模块以及直流电机仿真模块的参数（点击P即可进行参数设定），其中方波产生模块参数和直流电动机仿真模块设定方法请参见实验一。本次实验需要设定PID控制模块中的Kp、Ki、Kd参数，通过修改此参数调整直流电机控制系统观察其瞬态响应过程和稳态过程，其中Kp、Ki、Kd参数设定的方法可参照实验原理中临界比例度法整定PID参数步骤进行，其测量数据通过FPLC自带软件示波器的功能记录。设定好各个模块参数后，先后点击“程序下载”和“程序启动”按钮，即可本软件中自带的示波器功能中，记录并观察在P控制模块作用下直流电动机转角的响应曲线，同时也可通过eMSP实验平台的电动机模块，观察其转动位置的变化情况。实验数据记录及分析FPLC软件自带的示波器功能记录可记录四路信号通道，其中CH2和CH3重迭显示，以比较仿真速度和量测速度之间的差异。注意直流电动机模拟的参数调整到DT=10而KA=500，以保证直流电动机系统传递函数的确定性。必须调整CH1和CH3的Y轴单位，比较给定值CH1和实际测量值CH3的响应曲线的差异。实验时可以根据实验需要改变FG1的参数，以调整测试输入信号的振幅和频率。可以调整PID控制器的参数，使得CH2和CH3的瞬时响应部分重迭。观察电动机模块转动角度变化自行设计实验数据表格，分析实验结果。根据实际的测试结果结合图5-2给出的系统数学模型，分析PID控制参数在直流电动机闭环位置系统中的作用，并用数据说明临界比例度法整定PID参数的结果。思考问题通过测量eMSP实验平台的电动机模块在阶跃信号输入作用下直流电动机转角位置的变化和已知的系统组成方框图，能否通过理论计算方式，说明PID控制算法对系统性能指标的影响？工程中常用的整定PID参数的方法有哪些，与临界比例度法整定PID参数方法相比，是否其他整定方法将更适用于本实验系统？以本实验系统为例，简述比例控制、微分控制和积分控制在系统中的作用？

第三章Simulink软件仿真实验实验一典型环节的仿真与分析一、实验目的学习Simulink模块库中常用标准模块的功能及其应用。通过MATLAB软件仿真认识环节参数对阶跃响应和系统性能指标的影响。掌握根据阶跃响应曲线测量性能指标的方法。二、实验设备1．微型计算机三、实验内容用Simulink对以下系统进行仿真，并观察单位阶跃响应曲线，测量调节时间、超调量等性能指标。参考附件3《Simulink仿真集成环境使用简介》，构建出如下图1-1所示积分模型，改变T参数的值需要修改Denominator中的值如图1-2所示。图1-1Simulink图1-1Simulink环境下积分环节结构图图1-2图1-2参数设定图2Simulink环境下参数属性设定图积分环节时间（S）0123456T=1T=2T=3T=4表1-1记录实验波形：惯性环节图1-3Simulink图1-3Simulink环境下惯性环节结构图时间（S）0123456T=1T=2表1-2调节时间T=1T=2T=3表1-3记录实验波形：二阶振荡环节图1-4图1-4Simulink环境下二阶振荡环节结构图时间（S）024681012T=1T=2表1-4二阶振荡环节参数调节时间超调量T=1，T=1，T=1，T=1，T=2，T=3，表1-5记录实验波形：四、预习要求复习控制系统性能指标的概念。参考附录3学习Simulink库模块功能和系统构建方法。五、报告要求1.整理实验数据，并记录下实验波形。2.回答问题：总结不同环节参数对阶跃响应的影响。说明环节参数对性能指标的影响。

实验二二阶环节阶跃响应的测量与分析一、实验目的1．利用Multism软件仿真学习构建基本环节的电路模拟方法。2．通过实验认识典型环节参数对阶跃响应和系统性能指标的影响。3．掌握根据阶跃响应曲线测量性能指标的方法。二、实验设备1．微型计算机三、实验内容本次实验利用Multisim软件构建模拟电路单元按图2-1接线构造一个二阶环节，通过改变电阻R，使系统分别为欠阻尼、临界阻尼和过阻尼状态。具体实验步骤如下：图2-1二阶系统电路仿真图在Multisim软件中，按图示构建好仿真线路。在输入端Ui加单位阶跃信号，通过Multisim软件瞬态分析功能如图2-2所示，观察并记录输入与输出出波形之间的关系。图2图2-2瞬态分析功能菜单栏进入瞬态分析功能后，出现图形参数配置窗口如图2-3所示，需要设置终止时间与最大时间步，其中终止时间根据仿真结果进行适当调整，而最大时间步需要选择最小数时间分配。图图2-3分析参数标签页设置完瞬态分析标签页的【分析参数】项目后，还需要设置【输出变量】标签页如图4所示，注意设定【分析选择变量】项。图图2-4输出变量标签页根据Uo波形分析系统响应（过阻尼、临界阻尼、欠阻尼、无阻尼）。改变R4的电阻值，观察输出波形，并将理论值与测量值进行比较填入下表2-1。图形R4(KΩ)KWnC（tp）C（∞）Mp(%)tp(S)ts(S)计算值测量值计算值测量值计算值测量值10400表2-1四、预习要求复习二阶系统性能指标分析方法。写出图2-1所示模拟电路单元开环和闭环传递函数表达式，并计算出R=10K和400K时系统的超调量、调节时间以及峰值时间。五、报告要求整理实验数据，并记录下实验波形。回答问题：根据图2-1所示模拟电路单元，总结比例、积分以及微分环节对系统性能指标的影响。总结时域分析法中，二阶系统的两个重要参数ξ和ωn与单位阶跃响应之间的关系。如何保证系统为负反馈系统？（注意各运算放大器均使用反相输入端）若将负反馈改为正反馈或断开反馈回路，将是什么结果？

实验三线性系统稳定性的仿真与分析一、实验目的通过实验认识开环放大倍数对系统阶跃响应曲线的影响。通过实验认识惯性环节时间常数和开环放大倍数对系统稳定性的影响。二、实验设备1．微型机计算机三、实验内容用Simulink软件构建如下图3-1所示的高阶系统结构图，其中图中所示的各环节参数如下：图3-1Simulink环境下的高阶系统结构图各环节时间常数满足：，开环放大倍数满足：当时，通过仿真确定系统临界稳定的放大倍数K。调整K时，观察阶跃响应曲线，用图形文件记录阶跃响应曲线变化的情况。取参数1、2、5、10时，通过仿真确定系统临界稳定的放大倍数K。调整K时，观察阶跃响应曲线，用图形文件记录阶跃响应曲线变化的情况，并添写表3-1。将TransferFcn2模块中的一阶环节变换成积分环节，调整K时，观察阶跃响应曲线，用图形文件记录阶跃响应曲线变化的情况。取参数1、2、5、10时，通过仿真确定系统临界稳定的放大倍数K。调整K时，观察阶跃响应曲线，用图形文件记录阶跃响应曲线变化的情况，并添写表3-1。临界稳定开环放大倍数调整观察阶跃响应曲线图形表3-1表3-1复习高阶系统性能指标分析方法和高阶系统代数稳定性判据。计算出图1所示的三阶控制系统在1、2、5、10时，系统的临界稳定开环放大倍数。五、报告要求整理实验数据，并记录下实验波形。回答问题：说明惯性环节参数对控制系统阶跃响应曲线的影响。根据实验结果，总结开环比例系数K及时间常数T对系统稳定性的影响。实验四二阶系统频率响应的仿真与分析一、实验目的通过实验认识开环放大倍数对系统频率响应曲线的影响。通过实验认识频域分析系统稳定性的方法。二、实验设备1．微型机计算机三、实验内容用Simulink软件构建如下图4-1所示的控制系统图4-1Simulink环境下的控制系统结构图改变系统的开环放大增益，用MATLAB软件仿真绘制出系统的波德图及阶跃响应图，判定闭环系统的稳定性，并记录系统的幅值裕度、相位裕度、开环传递函数以及闭环传递函数。增加一个开环零点s=+2，用MATLAB软件仿真绘制出系统的波德图及阶跃响应图，判定闭环系统的稳定性，并记录系统的幅值裕度、相位裕度、开环传递函数及闭环传递函数。四、预习要求复习控制系统频域稳定性判定方法。复习系统的幅值裕度、相位裕度、极点等基本概念。五、思考题整理实验数据，并记录下实验波形。回答问题：分析控制系统在频域与时域稳定性判定方法的不同点。什么是最小相位系统？波特图是否能判定非最小相位系统的稳定性？如不能，请简述原因。实验五控制系统的校正一、实验目的学习用MATLAB设计控制器，改善控制系统性能指标的方法。通过模拟仿真认识控制系统的时域和频域指标的相关性。了解控制器参数或被控对象对性能指标的影响。二、实验设备微型计算机三、实验内容用Simulink软件构建如下图5-1所示的控制系统图5-1Simulink环境下的控制系统结构图开环放大倍数K可调，要求校正后的系统满足下列设计要求：绘制未校正系统的阶跃响应曲线，测试记录调节时间和超调量，判定此闭环系统的稳定性。绘制出未校正的系统的波特曲线图，并记录c0和WC0。根据要求设计校正装置，加入未校正的系统。绘制校正后系统的波特曲线图，并记录c1和WC1。绘制校正后控制系统的阶跃响应曲线，测试记录相应的调节时间和超调量。计算性能指标改善系数，定义改善系数为将实验结果填写表5-1，并计算出系统校正后的改善系数。调节时间超调量阶跃响应的观察情况校正前的系统==调节时间超调量阶跃响应的观察情况校正后的系统==表5-1四、预习要求复习实验1、实验3和实验4。复习控制系统的频率法校正。根据图5-1写出系统的闭环传递函数。五、思考题整理实验数据，并记录下实验波形。回答问题：写出控制系统加入校正装置前后的开环传递函数和闭环传递函数。写出实验中校正装置的详细设计方法，并简述采用此种设计方法的原因。比较校正前后控制系统的阶跃响应情况，简述校正前后系统动态特性有哪些改变。分析不同校正装置参数对性能指标的影响。

附录一eMsp实验平台软硬件的安装eMsp实验平台是由带有光纤网络通信功能的FPGA电机控制模块和直流伺服电动机两大模块组成，分别如图1-1所示。图1-1eMSP图1-1eMSP实验平台系统架构FPGA控制模块的系统架构如图所示，其内部功能包括如下几个方面：1.以USB232界面和计算机连接，由计算机端来控制MSP430，再经由MSP430来控制FPGA。2.计算机也可通过USB232界面来直接控制FPGA，但其条件为：A.FPGA电路必须事先下载完成。B.由计算机下令MSP430放弃USB232界面，并设定USBmd=1来通知FPGA，允许FPGA来占用USB232界面。C.这时MSP430为离线状态，不再接受PC端控制。MSP430控制AD/DA、RF通讯和FlashROM，而FPGA则控制SRAM、影像界面和光纤网络，两者之间以SPI串行界面做联机。当FPGA处于主控模式时，其工作项目包括：开机时，由MSP430自动下载FPGA电路，再下载DSP程序后，自动启动DSP程序。旧有VHDL程序中，必须追加SPI界面，并利用DIN来控制USB界面的切换。对于数字逻辑实验等VHDL程序的下载，必须转换至MSP主控模式中进行。A.若不存在FPGA程序，则必须转至MSP主控模式执行。B.若FPGA程序中没包括USB界面和光纤网络，则必须转至MSP主控模式执行。C.但不论FPGA程序中是否包括DSP核心，都可在FPGA主控模式中执行。电路配置FPGA控制模块的电路配置图如下，其内部电路包括如下几个方面：1.对外的联机接头包括：DC电源：可选择单电源(5V)或是多电源(5V/+12V/-12V)两种USB界面：直接连接个人计算机光纤界面：连接光纤网络2.实验界面包括：JP1：负责无线网络的联机界面JP2/JP3：两组50P的扩张用接头JP4：标准26P接头，用以连接各种实验模块。3.内部的电路配置包括：A.以SO-DIMM接头连接各种eM_FPGA卡。B.以一颗FT232BM作为USB界面译码，而以一颗MSP作为FPGA的电路下载处理。C.内附SRAM和FlashROM，提供MSP作数据储存。4.内附六颗LED，由上而下依序为：mspLED：指示MSP的电路控制状况usbLED：指示USB界面的读写状态tstLED：可由FPGA电路自行定义stsLED：可由FPGA电路自行定义RxLED：可由FPGA电路自行定义TxLED：可由FPGA电路自行定义eMSP实验平台硬件连接与驱动安装在eMSP实验平台进行实验前，需要完成起硬件设备的连接，其硬件设备包括：5V/12V电源一个、FPGA控制模块一个、直流伺服电机驱动模块一个、USB数据线一根。其具体步骤如下，连接好的硬件设备如图1-2所示。26PIN排线接至FPGA控制模块与直流伺服马达驱动模块。将电源供（像键盘插座）插入FPGA控制模块。连接USB线至计算机。如FPGA无自动下载，请下载FPGA。启动FPLC控制软件。选择您需要操作实验。开始正常启动控制。关机按照相反顺序动作执行。图1-图1-2eMSP实验硬件设备连接图当eMSP实验平台硬件设备连接好后，MSP430微控器工作指示灯（红色LED），会在每隔约2.30秒内闪烁2次，表示CPU工作正常。此时计算机第一次需要安装USB设备驱动程序：先将USB传输线接上计算机主机，将电源连接到FPGA模块，此时计算机会出现安装USB-Serial驱动程序，选择从清单安装此驱动程序放置在c：\盘目录下的eMSP(s)目录\USBdrive文件夹选择当前安装系统，可支持WIN-XP或者WIN7操作系统系统，如图1-3。图1-图1-3图1-4图1-4在安装过程中如果出现下述画面，按继续安装。图1-5图1-5如果安装成功将出现如下图所示画面。图1-6图1-6在安装过程中的注意事项：一般计算机USB端口很多插口，当您安装驱动程序时，是配合您当时插入之埠，下次如您插入不同接口端口时，计算机会再次要求安装驱动程序，这是正常现象，请再次安装驱动程序，否则无法使用。eMSP实验平台FPGA核心模块下载在eMSP实验平台运行本实验指导书的实验时，首先需要下载FPGA控制模块的核心程序，加载方法进入c:\eMSP(s)\DC(s)目录，如图1-7所示。图1-7图1-7点击MS_DOS文件，出现DOS操控画面，如图1-8所示。图1-图1-8在C：\eMSP(s)\DC(s)＞路径下输入“eMSPdspdc.bit”命令，将FPGA下载变成直流电动机的DSP控制芯片。运行完毕后，即可打开FPLC软件，选择TESTDCMM0619.CAI运行相应的实验程序，如下图1-9和图1-10所示。图1-图1-9图1-10

附录二eMsp实验平台实验开发软件简介图1-10在eMsp实验平台上要完成实验的设计工作，需要利用后台的cai_draw、textpad以及fplc软件。软件开发步骤首先使用CAI_draw软件进行实验界面，实验模块的设计。之后使用textpad软件进行软件程序的编写，查看与修改。最后使用fplc软件，将实验程序与实验界面进行连接编译，完成实验的整体设计。CAI_DRAW软件CAI_DRAW软件是一个实验界面的设计软件，设计界面如下图2-1所示，该软件主要需要利用的几个重要应用为：实验模块的设置、命令按钮与相应文件的链接、页面与页面之间的链接以及按钮与页面之间的链接。图2-1CAI_draw设计界面实验模块的设置在设计好自己想要的实验后，选择DRAW下的工具，使用方块，椭圆，直线等可以直接绘制出相应的图形；text可以用来在模块或者按钮下输入文本内容，通常是实验模块的要实现的功能；button为命令按钮可以用来设置与其他文件以及页面的链接。命令按钮与相应实验界面的链接处于箭头状态时，点击命令按钮，相应的下方的编辑栏中会出现1：title、2：command，在title中输入自己命令按钮的名字，如将方波参数设定按钮设置为p按钮，不同的实验可以使用相同的名称按钮，之后单击左下角的按钮，点击时会自动变换数字，置换到command编辑状态下，在其后输入要链接文件名称，如fileexp_pwm.cai，则当你点击该按钮时，就会直接跳转到相应的文件界面，然后再设定相应的文件界面，以达到一个实验的完整性，当运行实验时，点击p按钮实验直接跳转到方波参数设定界面上，如下图2-2所示：图2-2CAI按钮键编辑页面页面与页面之间的链接：在实验设计的过程中，实验页面的链接出现了一些问题，不同的页面之间的链接，必须对应相同的页码，比如第一个实验界面的第二页，要连接第二个实验中的一个界面，那只能是链接实验二中的第二页，否则就会出现问题；同时各个实验界面之间的子界面是可以共同使用的，只要设定好页面数得链接就可以减少实验设计的工作量，而按钮与页面之间的链接相似于按钮与文件的链接，如要链接第二页，只要在command的编辑框中输入page2即可，然后打开相应的page2进行保存即可。在该实验设计过程中还有一些相应的按钮设置，大概流程只是在上诉方法的基础上进行改动，该软件的功能足以提供我来设计自己的实验，但是它无法最大化，不能改变大小，有时会发生闪退的现象，这给使用过程带来了一些不便，软件的设计应该可以越来越完善，这也为后边的实验设计提了醒，验证实验是否成功，最终是由用户的使用感受来说明。textpad软件TextPad的作用主要体现在三个方面：1.建立ASM文件的汇编程序；2.建立系统程序(SYS文件)；3.使用Textpad查看自己已经写好的程序。Textpad相比文本文档的优点是，在打开文档时能够按照文件原有顺序排列成程序应该的顺序和模式，而不会向用记事本打开时混乱无章。利用Textpad编写fplc文档时时，操作方法同在记事本中输入文字的方式一样，唯一的缺点是不能够像语言软件如C++那样进行汇编和调试，它的汇编调试都要在Fplc软件下进行。Textpad的软件界面如下图2-3：图2-3Textpad软件界面FPLC软件Fplc是人机图控软件，它可以规划顺序控制，伺服控制等多功能操控系统。使用者可以自行规划操作画面，在计算机操作下，透过USB界面结FPGA系统，系统连接架构规划如图2-4：个人计算机个人计算机Em_USB模块#0eM_USB模块#1eM_USB模块#2eM_USB模块#N图2-4系统连接框架规划其中：基本模块为eM_USB模块，可用USB界面和个人计算机，并提供USB对光纤网络的转换功能，是的个人计算机可以独立控制光纤网络中的每个网络节点。eM_USB模块也可以作为光纤网络中的网络节点，透过光线网络而接受个人极端及的监控。对于每一个网络节点，个人计算机都可执行：eM_USB模块中FPGA电路下载工作，并在适当的FPGA电路配合下，可执行Em_USB模块中的FPGA内部电路的读写控制。FPLC执行监控工作时，所需要的参考方案包括：CAI档：负责FPLC中监控画面的定义。PLC档：负责FPLC中指令的执行。ASM档：负责DSP核心中的汇编程序。而FPLC的画面模块如下：基本窗口CAI操作画面示波器记录画面系统管理画面直接指令窗口5.FPLC共有15条指令，每个fplc程序中用到的模块，都不是单独属于某个实验，而是所有实验所共享，如需查询这些指令请参考文件《FPLC设计操作手册version1.0》。

附录三Simulink仿真集成环境使用简介Simulink是MATLAB提供的实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它使我们从编程转向模型的构造。Simulink为用户提供了一些基本模块，可以从库浏览器里复制所需模块，并修改参数就可得到用户所需模型。Simulink给用户提供了一个友好的环境，使用户以最轻松最有效的方式完成系统仿真。这里主要介绍它的使用方法和它在控制系统仿真分析和设计操作的有关内容。Simulink的运行运行Simulink有三种方式：在MATLAB的命令窗口直接键入“Simulink”并回车；单击MATLAB工具条上的Simulink图标；在MATLAB菜单上选File→New→Model。运行后会显示图3-1所示的Simulink模块库浏览器，单击工具条左边建立新模型的快捷方式，则显示如图3-2所示的新建模型窗口，在模型窗口中用户便可通过选择模块库中的仿真模块，建立自己的仿真模型，并进行动态仿真。图3图3-1图图3-2常用的标准模块打开模块库（图标）窗口的方法非常简单，以连续系统模块库（continuous）为例，在Simulink模块库浏览窗口中选中Simulink，然后单击Simulink旁边的小加号或者双击鼠标左键，这时就会出现如图3-3所示Simulink基本库窗口，并选择Continuous模块库的图标双击即可进入的连续系统模块库，可选择相应的模块图标拖至编辑窗口即可，先介绍一下模块的操作：模块的选取当选取单个模块时，只要用鼠标在模块上单击即可，此时模块的角上出现黑色小方块。选取多个模块时，选取拖拽鼠标的方式把要选择的模块全部包围即可，若所有被选取的模块都出现小黑方块，则表示模块被选中，如图3-4所示。模块的复制、剪切、删除、移动应用【Edit】│【copy】/【cut】/【paste】/【clear】可对选取的模块进行复制，剪切，粘贴，删除等操作，如果要在同一窗口移动模块，则在模块选中的基础上，用鼠标进行拖拽并放在合适的位置。模块的连接连接两个模块：从一个模块的输出端连到另一个模块的输入端。如果两个模块不在同一水平线上，连线是折线，若用斜线表示则需在连接时按住【Shift】。在连线之间插入：把模块用鼠标拖到连线上，然后释放鼠标即可。连线的分支：当我们需要把一个信号输送给不同的模块时，连线要采用分支结构，其操作步骤是：先连好一条线，把鼠标移到支线的起点，并按下【Ctrl】，再将鼠标拖至目标模块的输入端即可。图图3-3图图3-4模块参数的设置Simulink中几乎所有模块的参数（Parameters）都允许用户进行设置，只要双击要设置的模块或在模块上按鼠标右键并在弹出的菜单中选择【BlockParameters】就会显示参数设置对话框。例3-1：已知单位负反馈二阶系统的开环传递函数为试绘制单位阶跃响应的Simulink结构图。利用Simulink的Library窗口中的【File】|【New】，打开一个新的工作空间；分别从信号源库（Sourse）、输出方式库(Sink)、数学运算库(Math)、连续系统库（Continuous）中，用鼠标把阶跃信号发生器（Step）、示波器（Scope）、传递函数（TransferFcn）、相加器（Sum），四个标准功能模块选中，并将其拖至工作平台；按要求先将前向通道连接好，然后把相加器（Sum）的另一个端口与传递函数和示波器间的线段相连，形成闭环反馈；双击阶跃信号发生器，打开其属性设置对话框，并将其设置为单位阶跃信号，如图3-5所示，同理，将相加器设置为“+-”，使传递函数的Numerator设置为“［10］”，Denominator设置为“[14.470]”；图3图3-5绘制成功后，如图3-6所示，并命名后存盘。图3图3-6模块外形的调整改变模块的大小：选定模块，用鼠标点住其周围的四个黑方块中的任意一个拖动，这时会出现一个虚线的矩形表示新模块的位置，到需要的位置后释放鼠标即可。调整模块的方向：选定模块，选择菜单【Formt】|【RotateBlock】使模块旋转90O，【FlipBlock】使模块旋转180O。给模块加阴影：选定模块，选择菜单【Formt】|【ShowDropShadow】使模块产生阴影效果。模块名的处理模块名的显示与消隐：选定模块，选择菜单【Format】|【FilpName】使模块名被隐藏，同时【ShowName】会使隐藏的模块名显示出来。修改模块名：用鼠标左键单击模块名的区域，使光标处于编辑状态，此时便可对模块名进行任意的修改。同时选定模块，选择菜单【Format】|【Font】可弹出字体对话框，用户可对模块名和模块图标中的字体进行设置。系统仿真及参数设置在Simulink中建立起系统模型框图后，运行菜单【Simulation】|【Start】就可以用Simulink对模型进行动态仿真。一般在仿真运行前需要对仿真参数进行设置，运行菜单【Simulation】|【Parameters】完成设置，如图3-7所示。图3图3-7算法设置在Solver里需要设置仿真起始和终止时间、选择合适的解法（Solver）并指定参数、设置一些输出选择。设置起始时间和终止时间（Simulationtime）【Simulation】|【Starttime】设置起始时间，而【Stoptime】设置终止时间，单位为“秒”。算法设置(Solveroption)算法类型设置仿真的主要过程一般是求解常微分方程组，【Solvero