1、計算機控制技術實 驗 指 導 書武漢理工大學華夏學院2010.09.20一、目的要求計算機控制技術是自動化專業的專業課，其主要任務是使學生獲得計算機控制系統的組成、原理、設計等基礎知識和基本應用技術。實驗課是本課程重要的教學環節，其目的是使學生進一步了解和掌握計算機控制理論的基本概念、控制系統的分析方法和設計方法以及控制算法的編程實現，培養學生獨立進行計算機控制系統實驗的技能，從而使學生掌握計算機控制系統的一般工程設計方法，提高應用計算機的能力及水平。二、實驗內容1.實驗類別：專業實驗2.實驗目的：通過本課程實驗課程的學習，使學生了解如何將計算機技術和自動控制理論應用于工業生產，使學生既牢固掌

2、握計算機控制技術的基本方法，使學生系統地掌握計算機控制系統的設計、開發方面的知識，可根據要求設計計算機控制系統。本實驗課程為學生解決實際應用中遇到的問題打好基礎。3.實驗主要內容：在學會使用計算機控制實驗臺：EL-AT-III型實驗箱的使用方法后，必須完成以下實驗：實驗一 D/A數模轉換實驗：掌握數模轉換的基本原理；熟悉12位D/A轉換的方法。實驗二 A/D模數轉換實驗：掌握模數轉換的基本原理；熟悉12位A/D轉換的方法。實驗三 數字PID控制實驗：熟悉PID控制方法的控制規律，研究PID控制器的參數對系統穩定性及過渡過程的影響；究采樣周期T對系統特性的影響；研究I型系統及系統的穩定誤差。4.

3、實驗類型：驗證型5.實驗要求：按實驗目的和實驗內容要求，做好充分的預習準備，連接實驗線路，直至正確地實現實驗要求，調試通過后，寫出實驗報告。6.主要儀器：EL-AT-III型實驗箱、PC計算機。實驗一 D/A數模轉換實驗一、實驗目的1掌握數模轉換的基本原理。2熟悉12位D/A轉換的方法。二、實驗儀器1EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺2PC計算機一臺三、實驗內容通過A/D&D/A卡完成12位D/A轉換的實驗，在這里采用雙極性模擬量輸出，數字量輸入范圍為：04095，模擬量輸出范圍為：5V+5V。轉換公式如下：Uo= Vref - 2Vref(211K11+210K10+.+2

4、0K0)/ 212Vref=5.0V例如：數字量=100110011001 則K11=1，K10=0，K9=0,K8=1,K7=1,K6=0,K5=0,K4=1,K3=1,K2=0,K1=0,K0=1模擬量Uo= Vref - 2Vref(211K11+210K10+.+20K0)/ 212=1.0V四、實驗步驟1連接A/D、D/A卡的DA輸出通道和AD采集通道。A/D、D/A卡的DA1輸出接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗”快捷方式，運行軟件。3測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續進

5、行實驗。4在實驗項目的下拉列表中選擇實驗一D/A數模轉換實驗, 鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框。5在參數設置對話框中設置相應的實驗參數后，在下面的文字框內將算出變換后的模擬量， 6. 點擊確定，在顯示窗口觀測采集到的模擬量。并將測量結果填入下表: 數字量 模擬量 理論值 實測值五、實驗報告1畫出數字量與模擬量的對應曲線。2計算出理論值，將其與實驗結果比較，分析產生誤差的原因。六、預習要求1熟悉數模轉換的原理。2學習數模轉換的轉換方法。實驗二 A/D模數轉換實驗一、實驗目的1掌握模數轉換的基本原理。2熟悉12位A/D轉換的方法。二、實驗儀器1EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺

6、2PC計算機一臺三、實驗內容通過A/D&D/A卡完成12位D/A轉換的實驗，在這里采用雙極性模擬量輸入，模擬量輸入范圍為：5V+5V，數字量輸出范圍為：04095。轉換公式如下：數字量=（Vref+模擬量）/2Vref×212 其中Vref是基準電壓為5V。例如：模擬量=1.0V 則數字量=（5.0+1.0）/（2×5.0）×212=2457(十進制)四、實驗步驟1.連接A/D、D/A卡的DA輸出通道和AD采集通道。A/D、D/A卡的DA1輸出接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗”快捷方式，運行軟件。

7、3.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續進行實驗。4. 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗二A/D數模轉換實驗, 鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框5.在彈出的參數窗口中填入想要變換的模擬量，點擊變換，在下面的文字框內將算出變換后的數字量。6.點擊確定，在顯示窗口觀測采集到的數字量。并將測量結果填入下表:模擬量數字量理論值實測值五、實驗報告1畫出模擬量與數字量的對應曲線。 2計算出理論值，將其與實驗結果比較，分析產生誤差的原因。六、預習要求1熟悉數模轉換的原理。2學習數模轉換的轉換方法。實驗三 數字PID控制一、實驗目的1研究PID控制器

8、的參數對系統穩定性及過渡過程的影響。2研究采樣周期T對系統特性的影響。3研究I型系統及系統的穩定誤差。二、實驗儀器1EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺2PC計算機一臺三、實驗內容1系統結構圖如3-1圖。圖3-1 系統結構圖圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+1） Gp2（s）=1/（s（0.1s+1）2開環系統（被控制對象）的模擬電路圖如圖3-2和圖3-3，其中圖3-2對應GP1（s）,圖3-3對應Gp2（s）。 圖3-2 開環系統結構圖1 圖3-3開環系統結構圖23被控對象GP1（s）為“0型

9、”系統，采用PI控制或PID控制，可使系統變為“I型”系統，被控對象Gp2（s）為“I型”系統，采用PI控制或PID控制可使系統變成“II型”系統。 4當r（t）=1（t）時（實際是方波），研究其過渡過程。 5PI調節器及PID調節器的增益 Gc（s）=Kp（1+K1/s） =KpK1(（1/k1）s+1) /s =K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=（1/K1）不難看出PI調節器的增益K=KpKi，因此在改變Ki時，同時改變了閉環增益K，如果不想改變K,則應相應改變Kp。采用PID調節器相同。6“II型”系統要注意穩定性。對于Gp2（s）,若采用PI調節器控制，其開環傳遞函數為

10、 G（s）=Gc（s）·Gp2（s） =K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）為使用環系統穩定，應滿足Ti>0.1，即K1<107PID遞推算法 如果PID調節器輸入信號為e（t），其輸送信號為u（t）,則離散的遞推算法如下： 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-采樣周期四、實驗步驟 1.連接被測量典型環節的模擬電路(圖3-2)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。

11、檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗”快捷方式，運行軟件。3.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續進行實驗。4. 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗三數字PID控制, 鼠標單擊鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數設置窗口。5.輸入參數Kp, Ki, Kd（參考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。6.參數設置完成點擊確認后觀察響應曲線。若不滿意，改變Kp, Ki, Kd的數值和與其相對應的性能指標sp、ts的數值。7.取滿意的Kp,Ki,Kd值，觀查有無穩態誤差。8.斷開電源，連接被測量典型環節的模擬電路(圖3-3)。電

12、路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容的兩端連在模擬開關上。檢查無誤后接通電源。 9.重復4-7步驟。10.計算Kp，Ki，Kd取不同的數值時對應的sp、ts的數值，測量系統的階躍響應曲線及時域性能指標，記入表中：實驗結果參數%Ts階躍響應曲線KpKiKd五、實驗報告 1畫出所做實驗的模擬電路圖。2當被控對象為Gp1（s時）取過渡過程為最滿意時的Kp, Ki, Kd,畫出校正后的Bode圖，查出相穩定裕量g和穿越頻率wc。 3總結一種有效的選擇Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度獲得滿意的參數。六、預習要求1熟悉PID控制器系統

13、的組成。2熟悉PID控制器的參數對系統穩定性的影響。七、PID軟件流程圖圖中 ek為誤差，ek1為上一次的誤差，ek2為誤差的累積和，uk是控制量初始化控制步數、采樣點數Point初始化ek，ek1，ek2，uk畫希望值曲線初始化系統輸出希望值start使硬件被控對象初始值輸出等于0采集硬件被控對象的輸出inputf inputf浮點化求ekstartinputfukpek+kiek2+kd(ek-ek1)uk=kpek+kd(ek-ek1)ek1=ek ek2ek2+ek判斷積分分離項判斷uk是否超上下限輸出ukJ+1J<point結束畫被控對象第J點輸出inputf實驗四 爐溫控制實

14、驗一、實驗目的 1了解溫度控制系統的特點。 2研究采樣周期T對系統特性的影響。 3研究大時間常數系統PID控制器的參數的整定方法。二、實驗儀器1EL-AT-III型計算機控制系統實驗箱一臺2PC計算機一臺3爐溫控制實驗對象一臺三、爐溫控制的基本原理1 系統結構圖示于圖41。圖41 系統結構圖 圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp（s）=1/（Ts+1） 2系統的基本工作原理 整個爐溫控制系統由兩大部分組成，第一部分由計算機和A/D&D/A卡組成，主要完成溫度采集、PID運算、產生控制可控硅的觸發脈沖，第二部分由傳感器信號放大，同步脈沖形成

15、，以及觸發脈沖放大等組成。爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導通角即改變電熱爐加熱絲兩端的有效電壓，有效電壓的可在0140V內變化。可控硅的導通角為05CH。溫度傳感是通過一只熱敏電阻及其放大電路組成的，溫度越高其輸出電壓越小。 外部LED燈的亮滅表示可控硅的導通與閉合的占空比時間，如果爐溫溫度低于設定值則可控硅導通，系統加熱，否則系統停止加熱，爐溫自然冷卻到設定值。 第二部分電路原理圖見附錄一。 3PID遞推算法 ： 如果PID調節器輸入信號為e（t），其輸送信號為u（t）,則離散的遞推算法如下： Uk=Kpek+Kiek2+Kd(ek-ek-1),其中ek2是誤差累積和。四、實驗內容： 1

16、設定爐子的溫度在一恒定值。 2調整P、I、D各參數觀察對其有何影響。五、實驗步驟1啟動計算機，雙擊桌面“計算機控制實驗”快捷方式，運行軟件。2 測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續進行實驗。3 20芯的扁平電纜連接實驗箱和爐溫控制對象，檢查無誤后，接通實驗箱和爐溫控制的電源。開環控制4在實驗項目的下拉列表中選擇實驗七七、爐溫控制, 鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框。在參數設置對話框中設置相應的實驗參數后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區顯示實驗結果。測量系統響應時間Ts和超調量sp。5 重復步驟4，改變參數設置，觀測波形的變化，記入下表：

17、性能指標占空比階躍響應曲線%Tp（秒）Ts（秒）閉環控制6. 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗七七、爐溫控制 鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數設置對話框，選擇PID，在參數設置窗口設置爐溫控制對象的給定溫度以及Ki、Kp、Kd值，點擊確認在觀察窗口觀測系統響應曲線。測量系統響應時間Ts和超調量sp。7.重復步驟6，改變PID參數，觀測波形的變化，記入下表中：性能指標參數階躍響應曲線%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd六、實驗報告 1記錄過渡過程為最滿意時的Kp, Ki, Kd并畫出其響應曲線。 2分析此情況下的超調量、響應時間及穩態誤差。3總結一種對溫度控制系統有效的選擇Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度獲得滿意的參數。七、溫度控制軟件流程圖圖中ek為誤差，ek1為上一次