《计算机控制技术》实验指导书

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1、计算机控制技术 实验指导书信息与通信工程学院电气工程系2006 年 12 月1第一部分第一部分 实验系统简介实验系统简介一、实验系统概述一、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、实验箱组成二、实验箱组成1 系统电源系统电源 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：

2、22W 工作环境：-5+40 2 AD/DA 采集卡采集卡 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2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

3、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 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

4、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。34) 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、三、 被控对象模块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

5、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 机调速实验以及步进电机控制实验。4第二部分：计算机控制技术实验第二部分：计算机控制技术实验实验一实验一 A/DA/D 和和 D/AD/A 转换实验转换实验 一、一

6、、 实验目的与要求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、实验原理与线路三、实验原理与线路Y J1.50832 PC 机 X0809 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

7、 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。5五、实验准备五、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

8、、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。6实验二实验二 温度控制实验温度控制实验 一、一、 实验目的与要求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、实验原理与线路三、实验原理与

9、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

10、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。7五、实验准备五、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。8实验三实验三 PIDPID 参数整定实验参数整定实验一、一、 实验目的实验目的1、 研究 PID 控制器参数对系统稳定性及过渡过程影响。

11、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、二、 实验仪器实验仪器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、三、 实验内容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 Gp

12、2(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。9四、四、 实验步骤实验步骤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

13、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

14、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、五、 实验准备实验准备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。10实验四实验四 大林算法实验大林算法实验一、一、 实验目的与要求实验目的与要

15、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、二、 实验仪器与设备实验仪器与设备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、实验内容三、实验内容1、实验被控对象的构成 惯性环节的仿真电路如图 4.1 所示，其传递函数为：12)(1sTsG其中。2 . 01T纯延时环节的传递函数为：NesG)(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：NesTsG 12)(12、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。1)(0TsesGN因此大

16、林算法的数字控制器的脉冲传递函数为： 111)1 (1)1 ()1)(1 ()(11NTTTTTzezeeKzeezD其对应的差分方程为：DA1 AD1100K100K200K1UF图 4.1 被控对象电路图 111111 2111)1 ()1 (2)1 (Nkkkk kUKUKKKKKeKeKU3、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、四、 实验步骤实验步骤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