计控实验指导书14二学期.docx
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计控实验指导书14二学期
前言
数字计算机由于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-III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-III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………………………………………………………………5
第三章实验系统部分……………………………………………………………………11
实验一D/A数模转换实验………………………………………………………………12
实验二A/D模数转换实验………………………………………………………………14
实验三数字PID控制实验………………………………………………………………16
实验四状态反馈与状态观测器实验……………………………………………………21
实验五数字滤波器实验…………………………………………………………………26
实验六大林算法实验……………………………………………………………………32
实验七炉温控制实验……………………………………………………………………36
实验八电机调速实验……………………………………………………………………41
实验九步进电机控制实验………………………………………………………………46
实验十数据采集…………………………………………………………………………48
附录一直流电机控制对象原理图…………………………………………………………49
附录二温控炉控制对象原理图……………………………………………………………50
附录三实验结果参考………………………………………………………………………51
附录四AD/DA卡调试说明…………………………………………………………………61
红字为要做的实验,请大家带预习报告进入实验室
电气班实验一、二合并为一次,其他正常。
共六次。
第一章硬件资源
EL-AT-III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2实验箱面板
下面主要介绍实验箱的构成:
一、系统电源
EL-AT-III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10位,采样率为1KHz。
DA为MAX5159转换位数为10位,转换速率为1K。
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.
Windows98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
图1进入安装界面图2选择如图的单选按钮后,单击下一步
2.图3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"下一步",系统将会自动搜索驱动安装文件。
图3选择驱动安装文件路径图4单击下一步
图5安装完成界面
二、软件启动与使用说明
1.软件启动
在Windows桌面上双击“计算机控制实验”快捷方式,运行软件,或“开始-程序-北京达盛科技软件”中单击“计算机控制实验”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“计算机控制实验”软件。
3.软件使用说明
本套软件界面共分为三个组画面
A.软件说明和实验指导书画面(如图15)
B.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"频率特性"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、版本号和版权信息。
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七个典型实验:
D/A数模转换实验、A/D模数转换实验、数字PID实验、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,还提供了三个控制对象的算法,配合我公司提供的控制对象,可完成对实际对象的控制。
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-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10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:
0~1024,模拟量输出范围为:
-5V~+5V。
转换公式如下:
Uo=Vref-2Vref(29K9+28K8+...+20K0)/210
Vref=5.0V
例如:
数字量=0110011001则
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(29K9+28K8+...+20K0)/210=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10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,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
实验四状态反馈与状态观测器
一、实验目的
1.掌握状态反馈极点配置的设计方法。
2.研究不同极点配置对系统动态性能的影响。
3.掌握全维观测器的构成及设计方法。
4.研究观测器在状态反馈极点配置中的应用。
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.被控对象模拟电路图如图4-1。
图4-1被控对象模拟电路
2.系统数学模型
(1)被控对象传递函数为
Gp(s)=Y(s)/U(s)=100/(s2+3.928s+103.57)
(2)被控对象状态方程X=Ax+Bu
Y=Cx
式中
C=1000
2.
带有状态观测器的状况反馈系统方框图示于图4-2。
图4-2系统方框图
图中G=eAT
H=0T(t)dtB(t)=eAt
K1×2维状态反馈系统矩阵,由计算机算出。
L2×1维观测器的反馈矩阵,由计算机算出。
Kr为使y(t)跟踪r(t)乘的比例系数,它由计算机自动地递推算出。
4.希望的系数极点(参考值):
S1,S2=-7.35±j7.5,它对应在Z平面上应为Z1,Z2=0.712±j0.22
5.观测器极点参考值:
Z1,Z2=0.1±j0
四、实验步骤
1.连接被测量典型环节的模拟电路。
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。
阶跃响应
4.在实验项目的下拉列表中选择实验四[四、状态反馈和状态观测器]。
5.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。
跟踪响应
6.实验步骤5完成后鼠标单击
按钮,弹出实验课题参数设置对话框。
在参数设置对话框中选中跟踪项,然后出现新的参数设置框,设置好参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果
7.修改实验参数设置窗口中所用的参数值,观察波形的变化。
8.将实验内容中的参考值的实测阶跃响应曲线及性能指标记入下表中:
[K1K2]
阶跃响应曲线y(t)
tp
σ%
ts
[0.7120.22]
[0.10]
五、实验报告
1.画出上述两个状态反馈系统的结构图和模拟线路图。
2.计算这两个状态反馈系统的状态反馈阵K及相应的性能指标:
tp、σ%和tp,并与实测值进行比较,检验状态反馈极点配置是否达到了设计要求。
3.画出全维观测器和降维观测器状态反馈极点配置的结构图和模拟线路图,画出这两个系统的实测阶跃响应曲线及实测性能指标tp、σ%和ts。
六、预习要求
1.阅读实验内容。
2.推导实验系统中的全维观测器方程。
3.计算两个状态反馈系统的状态反馈阵K及相应的性能指标tp、ts和σ%。
七、状态观测器软件流程图
图中yk为当前输出,yk1为上一次系统输出,xk1为上一次的观测阵xk是当前观测阵,u1是当前控制量
实验五数字滤波器实验
一、实验目的
1.研究数字滤波器对系统稳定性及过渡过程的影响。
2.熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。
3.掌握数字滤波器的设计方法。
4.了解数字滤波器的通带对系统性能的影响。
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.需加入串联超前校正的开环系统电路及传递函数
(1)实验电路
图5-1需加入串联超前校正的开环系统电路图
(2)系统开环传递函数
图5-2系统开环结构图
(3)系统闭环结构图
图5-3系统闭环结构图
(4)数字滤波器的递推公式
模拟滤波器的传函:
T1s+1
T2S+1
利用双线性变换得数字滤波器的递推公式:
Uk=q0xUk-1+q1xek+q2xek-1
q0=(T-2T2)/(T+2T2)
q1=(T+2T1)/(T+2T2)
q2=(T-2T1)/(T+2T2)
T=采样周期T1=超前时间常数T
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