07计算机控制原理实验指导.docx
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07计算机控制原理实验指导
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
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-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1
第二章软件安装及使用4
第三章实验系统部分8
实验一D/A数模转换实验8
实验二A/D模数转换实验9
实验三数字PID控制10
实验四组态控制14
实验五炉温控制实验15
附录一温度控制电路原理图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USBAD/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：
AC220V
2．输出电压/电流：
＋12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A
3．输出功率：
22W
4．工作环境：
－5℃～＋40℃。
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。
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－5V～+5V。
图3AD/DA采集卡
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。
三、实验箱面板
实验箱面板布局如图4：
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
图4实验箱面板布局
实验箱面板主要由以下几部分构成：
1．实验模块
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Install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—>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。
．
图7选择如图的复选按钮后，单击下一步图8选择驱动安装文件路径
图9单击下一步图10安装完成界面
WindowsXP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1
2．图2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",系统将会自动搜索驱动安装文件。
图11选择如图的单选按钮后，单击下一步图12选择驱动安装文件路径
图13单击“仍然继续”图14安装完成界面
应用软件和USB驱动都安装完成后,可以运行实验系统.
二、软件启动与使用说明
1．软件启动
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15
2．实验前计算机与实验箱的连接
用实验箱自带的USB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.
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.
点击〖或按F3〗切换到"示波器"窗口。
4.
点击〖或按F4〗切换到"?
"窗口。
5.
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。
6.
点击〖或按F6〗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：
0～4096，模拟量输出范围为：
－5V～+5V。
转换公式如下：
Uo=Vref-2Vref（211K11+210K10+...+20K0）/212Vref=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（211K11+210K10+...+20K0）/212=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。
六、预习要求
1．熟悉数模转换的原理。
2．学习数模转换的转换方法。
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：
0～1024。
转换公式如下：
数字量=（Vref－模拟量）/2Vref×210其中Vref是基准电压为5V。
例如：
模拟量=1.0V则数字量=（5.0－1.0）/（2×5.0）×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:
模拟量
数字量
理论值
实测值
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。
六、预习要求
1．熟悉数模转换的原理。
2．学习数模转换的转换方法。
实验三数字PID控制
一、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。
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
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/s+Kds）
Gh（s）=（1－e-TS）/s
Gp1（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2
3．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Ti>0.1，即K1<10
7．PID递推算法如果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：
u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）
其中q0=Kp（1+KiT+（Kd/T））
q1=－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
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p、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
δ%
Ts
阶跃响应曲线
Kp
Ki
Kd
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为误差，ek1为上一次的误差，ek2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MCGS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MCGS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MGCS组态系统，熟悉MGCS组态环境，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MGCS组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。
图5－1系统结构图
图中Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）
Gh（s）=（1－e-TS）/s
Gp（s）=1/（Ts+1）
2．系统的基本工作原理
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0～140V内变化。
可控硅的导通角为0～5CH。
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．在实验项目的下拉列表中选择实验七[七、炉温控制],鼠标单击
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p。
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
δ%
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
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p。
7.重复步骤6，改变PID参数，观测波形的变化，记入下表中：
性能指标
参数
阶跃响应曲线
δ%
Tp（秒）
Ts（秒）
Kp
Ki
Kd
六、实验报告
1．记录过渡过程为最满意时的Kp,Ki,Kd并画出其响应曲线。
2．分析此情况下的超调量、响应时间及稳态误差。
3．总结一种对温度控制系统有效的选择Kp,Ki,Kd方法，以最快的速度获得满意的参数。
七、温度控制软件流程图
图中ek为误差，ek1为上一次的误差，ek2为误差的累积和，uk是控制量,可控硅导通角控制量=0～5bH,=0导通角最大，=5b导通角为零。
附录一温度控制电路原理图
附录二实验参考结果
实验一D/A数模转换实验
数字量取不同值时的D/A转换结果（每次实验只能得出一个点）：
实验二A/D模数转换实验
模拟量取不同的电压时的A/D转换结果（每次实验只能得出一个点）：
实验三数字PID控制
当系统的Kp、Ki、Kd设定为不同的值时得到的实验结果（每次实验只能得出一条曲线）：
实验五炉温控制实验
附录三USBAD/DA卡调试说明
1：
将U5的芯片安装好，此时程序已经写在24C64中，将J2的跳线帽同VCC连接。
2：
连接USB线，此时U1将加载24C64中的程序。
3：
当系统找到USB设备时，即可运行USB的应用程序，现以运行“测试AD_DA.EXE”为例。
运行“测试AD_DA”程序，在实验项目的下拉列表中选择[测试DA输出和AD采样]，鼠标单击
按钮，弹出测试DA输出和AD采样参数设置对话框，先选择通道一，设置目的电压为5000Mv,然后选择通道二，设置目的电压为5000mV,鼠标单击确定按钮。
4：
调节可变电阻器VR3,使得DA1的输出为5V,调节可变电阻器VR2，使得DA2的输出为5V.
5：
调节可变电阻器VR1，使得LM336输出电
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