计控实验指导书.docx
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计控实验指导书
计算机控制技术
实验指导书
武汉理工大学华夏学院
2010.09.20
一、目的要求
《计算机控制技术》是自动化专业的专业课，其主要任务是使学生获得计算机控制系统的组成、原理、设计等基础知识和基本应用技术。
实验课是本课程重要的教学环节，其目的是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，培养学生独立进行计算机控制系统实验的技能，从而使学生掌握计算机控制系统的一般工程设计方法，提高应用计算机的能力及水平。
二、实验内容
1.实验类别：
专业实验
2.实验目的：
通过本课程实验课程的学习，使学生了解如何将计算机技术和自动控制理论应用于工业生产，使学生既牢固掌握计算机控制技术的基本方法，使学生系统地掌握计算机控制系统的设计、开发方面的知识，可根据要求设计计算机控制系统。
本实验课程为学生解决实际应用中遇到的问题打好基础。
3.实验主要内容：
在学会使用计算机控制实验台：
EL-AT-III型实验箱的使用方法后，必须完成以下实验：
实验一D/A数模转换实验：
掌握数模转换的基本原理；熟悉12位D/A转换的方法。
实验二A/D模数转换实验：
掌握模数转换的基本原理；熟悉12位A/D转换的方法。
实验三数字PID控制实验：
熟悉PID控制方法的控制规律，研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响；究采样周期T对系统特性的影响；研究I型系统及系统的稳定误差。
4.实验类型：
验证型
5.实验要求：
按实验目的和实验内容要求，做好充分的预习准备，连接实验线路，直至正确地实现实验要求，调试通过后，写出实验报告。
6.主要仪器：
EL-AT-III型实验箱、PC计算机。
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-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
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：
0～4095，模拟量输出范围为：
－5V～+5V。
转换公式如下：
Uo=Vref-2Vref（211K11+210K10+...+20K0）/212
Vref=5.0V
例如：
数字量=100110011001则
K11=1，K10=0，K9=0,K8=1,K7=1,K6=0,K5=0,K4=1,K3=1,K2=0,K1=0,K0=1
模拟量Uo=Vref-2Vref（211K11+210K10+...+20K0）/212=1.0V
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，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12位A/D转换的方法。
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
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入，模拟量输入范围为：
－5V～+5V，数字量输出范围为：
0～4095。
转换公式如下：
数字量=（Vref+模拟量）/2Vref×212
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）×212=2457（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，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-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
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，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-III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4－1。
图4－1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，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。
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，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。
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