1、第一部分 THBDC-1控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺使用說明書第一章 系統(tǒng)概述“THBDC-1型控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺”是我公司結(jié)合教學和實踐的需要而進行精心設(shè)計的實驗系統(tǒng)。適用于高校的控制原理、計算機控制技術(shù)等課程的實驗教學。該實驗平臺具有實驗功能全、資源豐富、使用靈活、接線可靠、操作快捷、維護簡單等優(yōu)點。實驗臺的硬件部分主要由直流穩(wěn)壓電源、低頻信號發(fā)生器、階躍信號發(fā)生器、低頻頻率計、交/直流數(shù)字電壓表、數(shù)據(jù)采集接口單元、步進電機單元、直流電機單元、溫度控制單元、單容水箱、通用單元電路、電位器組等單元組成。上位機軟件則集中了虛擬示波器、信號發(fā)生器、VBScr

2、ipt和JScript腳本編程器、實驗仿真等多種功能于一體。其中虛擬示波器可顯示各種波形，有X-T、X-Y、Bode圖三種顯示方式，并具有圖形和數(shù)據(jù)存儲、打印的功能，而VBScript腳本編程器提供了一個開放的編程環(huán)境，用戶可在上面編寫各種算法及控制程序。實驗臺通過電路單元模擬控制工程中的各種典型環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)，并對控制系統(tǒng)進行仿真研究，使學生通過實驗對控制理論及計算機控制算法有更深一步的理解，并提高分析與綜合系統(tǒng)的能力。同時通過對本實驗裝置中四個實際被控對象的控制，使學生熟悉各種算法在實際控制系統(tǒng)中的應(yīng)用。在實驗設(shè)計上，控制理論既有模擬部分的實驗，又有離散部分實驗；既有經(jīng)典理論實驗，又有現(xiàn)代

3、控制理論實驗；而計算機控制系統(tǒng)除了常規(guī)的實驗外，還增加了當前工業(yè)上應(yīng)用廣泛、效果卓著的模糊控制、神經(jīng)元控制、二次型最優(yōu)控制等實驗。數(shù)據(jù)采集部分則采用實驗室或工業(yè)上常用的USB數(shù)據(jù)采集卡。它可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計算機USB通訊口上，其采樣頻率為350K；有16路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度均為14位；4路D/A模擬量輸出，轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出。 第二章 硬件的組成及使用一、直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源主要用于給實驗平臺提供電源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保護自恢復(fù)功能。它們

4、的開關(guān)分別由相關(guān)的鈕子開關(guān)控制，并由相應(yīng)發(fā)光二極管指示。其中+24V主用于溫度控制單元和直流電機單元。實驗前，啟動實驗平臺左側(cè)的空氣開關(guān)和實驗臺上的電源總開關(guān)。并根據(jù)需要將±5V、±15V、+24V鈕子開關(guān)拔到“開”的位置。實驗時，通過2號連接導(dǎo)線將直流電壓接到需要的位置。二、低頻函數(shù)信號發(fā)生器低頻函數(shù)信號發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號發(fā)生器專用芯片及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦信號、三角波信號、方波信號、斜坡信號和拋物線信號。輸出頻率分為T1、T2、T3、T4四檔。其中正弦信號的頻率范圍分別為0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz、49.8Hz1.7KHz、700Hz

5、10KHz三檔，Vp-p值為16V。使用時先將信號發(fā)生器單元的鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，并根據(jù)需要選擇合適的波形及頻率的檔位，然后調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”微調(diào)電位器，以得到所需要的頻率和幅值，并通過2號連接導(dǎo)線將其接到需要的位置。三、鎖零按鈕鎖零按鈕用于實驗前運放單元中電容器的放電。當按下按鈕時，通用單元中的場效應(yīng)管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電容器兩端的初始電壓為0V；當按鈕復(fù)位時，單元中的場效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，此時可以開始實驗。四、階躍信號發(fā)生器階躍信號發(fā)生器主要提供實驗時的階躍給定信號，其輸出電壓范圍為-10+10V，正負檔連續(xù)可調(diào)。使用時根據(jù)需要可選擇正輸出或負輸出，具體通過“階

6、躍信號發(fā)生器”單元的拔動開關(guān)來實現(xiàn)。當按下自鎖按鈕時，單元的輸出端輸出一個可調(diào)(選擇正輸出時，調(diào)RP1電位器；選擇負輸出時，調(diào)RP2電位器)的階躍信號(當輸出電壓為1V時，即為單位階躍信號)，實驗開始；當按鈕復(fù)位時，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：單元的輸出電壓可通過實驗臺上的直流數(shù)字電壓表來進行測量。 五、低頻頻率計低頻頻率計是由單片機89C2051和六位共陰極LED數(shù)碼管設(shè)計而成的，具有輸入阻抗大和靈敏度高的優(yōu)點。其測頻范圍為：0.1Hz10.0KHz。低頻頻率計主要用來測量函數(shù)信號發(fā)生器或外來周期信號的頻率。使用時先將低頻頻率計的電源鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，然后根據(jù)需要將測量鈕子開關(guān)拔

7、到“外測”(此時通過“輸入”或“地”輸入端輸入外來周期信號)或“內(nèi)測”(此時測量低頻函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號的頻率)。另外本單元還有一個復(fù)位按鈕，以對低頻頻率計進行復(fù)位操作。注：將“內(nèi)測/外測”開關(guān)置于“外測”時，而輸入接口沒接被測信號時，頻率計有時會顯示一定數(shù)據(jù)的頻率，這是由于頻率計的輸入阻抗大，靈敏度高，從而感應(yīng)到一定數(shù)值的頻率。此現(xiàn)象并不影響內(nèi)外測頻。六、交/直流數(shù)字電壓表交/直流數(shù)字電壓表有三個量程，分別為200mV、2V、20V。當自鎖開關(guān)不按下時，它作直流電壓表使用，這時可用于測量直流電壓；當自鎖開關(guān)按下時，作交流毫伏表使用，它具有頻帶寬（10Hz400kHz）、精度高（±

8、5）和真有效值測量的特點，即使測量窄脈沖信號，也能測得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達到10。七、通用單元電路通用單元電路具體見實驗平臺所示“通用單元電路*”單元、“帶調(diào)零端的運放單元”“反相器單元”和“無源元件單元”。這些單元主要由運放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對象的數(shù)學模型，主要用于比例、積分、微分、慣性等電路環(huán)節(jié)的構(gòu)造。一般為反向端輸入，其中電阻多為常用阻值51k、100k、200k、510k；電容多在反饋端，容值為0.1uF、1uF、10uF，其中通用單元電路二、三、九反向輸入端有0.1uF電容，通用單元電路八反向輸入端

9、有4.7uF電容，可作帶微分的環(huán)節(jié)。以通用單元為例，現(xiàn)在搭建一個積分環(huán)節(jié)，比例常數(shù)為1s。我們可以選擇常用元件100k、10uF，T=1k×10uF=1s，其中通用單元電路二是滿足要求的，把對應(yīng)100k和10uF的插針使用短路帽連接起來，鎖零按鈕按下去先對電容放電，然后用二號導(dǎo)線把正單位階躍信號輸入到積分單元的輸入端，積分電路的輸出端接入反向器單元，保證輸入、輸出方向的一致性。觀察輸出曲線，其具體電路如下圖所示。八、非線性單元由兩個含有非線性元件的電路組成，一個含有雙向穩(wěn)壓管，另一個含有兩個單向二極管并且需要外加正負15伏直流電源，可研究非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性和非線性系統(tǒng)。其中10k、

10、47k電位器由電位器組單元提供。例如47k電位器，既可由一號導(dǎo)線連接也可由二號導(dǎo)線連接電位器單元組中的可調(diào)電位器兩個端點。以連接死區(qū)非線性環(huán)節(jié)為例，輸入端與正電源端、輸入端與負電源端分別為兩個10k可調(diào)電位器的固定端，分別用導(dǎo)線連接；正電源所連電位器的可調(diào)端與D1相連，另一個可調(diào)端與D2相連。然后使用低頻函數(shù)信號發(fā)生器輸出10Hz16v的正弦波，用導(dǎo)線連接到非線性環(huán)節(jié)的輸入端。實驗前斷開電位器與電路的連線，用萬用表測量R的阻值，然后再接入電路中。九、零階保持器零階保持器為實驗主面板上U3單元。它采用“采樣-保持器”組件LF398，具有將連續(xù)信號離散后的零階保持器輸出信號的功能，其采樣頻率由外接

11、的方波信號頻率決定。使用時只要接入外部的方波信號及輸入信號即可。十、數(shù)據(jù)采集接口單元數(shù)據(jù)采集卡采用THBXD，它可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計算機內(nèi)，其采樣頻率為350K；有16路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度均為14位；4路D/A模擬量輸出，轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出。接口單元則放于實驗平臺內(nèi)，用于實驗平臺與PC上位機的連接與通訊。數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出(AI/AO)與開關(guān)量輸入輸出(DI/DO)兩部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。使用虛擬示波器觀察一個模擬信號，可以用導(dǎo)線直接連接到接口中 AD端（其中AD3和AD

12、4兩輸入端有跟隨器輸入，而AD1和AD2通道沒有，用戶實驗時可根據(jù)情況選擇使用，但在選擇AD3和AD4通道時，兩個通道必須均有電信號輸入，不能有懸空）；若使用采集卡中的信號源，用DA輸出（即實驗中我們通常將信號輸入到AD1端，軟件內(nèi)部信號DA1輸出）。十一、實物實驗單元 包括溫度控制單元、直流電機單元和步進電機單元，主要用于計算機控制技術(shù)實驗中，使用方法詳見實驗指導(dǎo)書。第三章 THBDC-1軟件安裝及使用說明第一節(jié) THBDC-1軟件安裝說明一、運行環(huán)境項目描述CPUP4(2.2G)以上內(nèi)存256M以上硬盤不限USB支持USB1.1 最好USB2.0操作系統(tǒng)Windows2000 最好WinX

13、P顯示設(shè)備17寸 顯卡要求64M以上二、軟件安裝首先從提供的光盤上安裝USB驅(qū)動程序及應(yīng)用軟件，USB驅(qū)動程序安裝和普通USB驅(qū)動安裝沒有分別。這里就簡單說明下,首先插入USB線,系統(tǒng)就會自動提示安裝,如下圖: 選擇“從列表或指定位置安裝”。點擊下一步，如下圖：選擇“不要搜索，我要自己選擇安裝的驅(qū)動程序”，點擊下一步，如下： 點擊從磁盤安裝，出現(xiàn)下圖：接著點擊“瀏覽”, 從磁盤或桌面上找到要安裝的驅(qū)動程序UsbCard.inf,”如下圖： 按上圖點擊“打開”，接著如下圖： 在上圖中點擊“確定”，出現(xiàn)如下圖： 點擊“下一步”，出現(xiàn)下圖： 點擊“仍然繼續(xù)”，出現(xiàn)下圖： 點擊“完成”，即USB驅(qū)動程

14、序安裝完畢。注: Usb驅(qū)動的安裝方法對于不同的系統(tǒng)可能有不同的方法。Usb驅(qū)動安裝好之后,接下來安裝“THBDC-1”軟件安裝本軟件雙擊setup.exe即進行安裝。出現(xiàn)如下畫面：（圖1）（圖2）（圖3）（圖4）（圖5）安裝過程中盡量采用默認安裝，安裝完成之后即點擊關(guān)閉之后，會在桌面上顯示一個快捷方式如下圖6。（圖6）系統(tǒng)如果提示需要重新啟動電腦，請保存好各類文檔，然后重新啟動。第二節(jié) THBDC-1軟件的使用說明一、THBDC-1軟件 在桌面上雙擊快捷方式打開軟件界面"THBDC-1"，或從開始菜單程序處找到"THBDC-1"單擊它。 如果USB采集

15、卡驅(qū)動沒有裝好或者usb線沒有連接，啟動時都會彈出警告對話框如下圖。用戶先點擊確定，然后檢查驅(qū)動安裝步驟是否正確及usb線的兩頭是否連上，檢查無誤再重新啟動。 如果安裝無誤，點擊"THBDC-1"則會打開登入窗口，如下圖：用戶先正確填寫自己的姓名，學號，填好后點擊“確定”。（注釋：在登入窗口填寫的姓名和學號，會在報告生成器中自動生成相應(yīng)的姓名和學號，無法重新改寫，所以在做要提交實驗報告的的實驗時，一定要在登入窗口中正確填寫姓名和學號，以免實驗重做）。點擊“確定”，進入如下界面：菜單狀態(tài)區(qū)參數(shù)與操作區(qū)示波器窗口點擊放大上圖，圖中最上面是各類菜單，其下是工具快捷方式。左邊欄是示

16、波器顯示窗口，右面是參數(shù)和操作區(qū)，下面是狀態(tài)顯示窗口，用戶可以通過菜單，工具快捷按鈕，操作區(qū)按鈕，完成對虛擬示波器的控制。初步了解了軟件界面的情況之后，我們就可以開始實驗操作了。一、系統(tǒng)從菜單的"系統(tǒng)"下面找到"開始采集"界面如下圖：開始采集前如想設(shè)置AD采用頻率等參數(shù)，可以在控制區(qū)操作。AD數(shù)據(jù)緩存設(shè)置，可以在“系統(tǒng)”下找到“緩存設(shè)置”，彈出如下對話框：Urb數(shù)據(jù)長度USB每次請求包的長度（最小64，最大2048，要求必須是64的整數(shù)倍）。（默認值是1024）一般不需要設(shè)置，在采用頻率很低時，該值可以調(diào)低到512，256等合適的值，注意：只有系統(tǒng)停止采

17、集狀態(tài)時才允許緩存設(shè)置。緩存數(shù)據(jù)長度每次送入示波器的數(shù)據(jù)長度（必須大于等于Urb數(shù)據(jù)長度，最大819200，要求是偶數(shù)）。緩存數(shù)據(jù)長度將影響示波器的數(shù)據(jù)刷新快慢，即緩存越長示波器刷新的越慢，反之亦然。默認值是4096，可以適當設(shè)置。信號發(fā)生器信號發(fā)生器能夠產(chǎn)生周期正弦波，方波，三角波，鋸齒波，在產(chǎn)生波形前選擇好“信號類型”,“信號頻率”，“信號幅值”，“占空比”,“零電位偏移量”等參數(shù),然后點擊“啟動”按鈕后就可通過采集卡的DA1通道輸出波形。頻率在20HZ以下. 信號發(fā)生器窗口如下圖: AD/DA實驗數(shù)據(jù)采集卡采用“THBXD”USB卡，該卡在進行A/D轉(zhuǎn)換實驗時，輸入電壓與二進制的對應(yīng)關(guān)系

18、為：-1010V對應(yīng)為016383(A/D轉(zhuǎn)換為14位)。其中0V 為8192。其主要數(shù)據(jù)格式如下表所示(采用雙極性模擬輸入)： 輸入AD原始碼(二進制)AD原始碼(十六進制)求補后的碼(十進制)正滿度01 1111 1111 11111FFF16383正滿度1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中間值（零點）00 0000 0000 000000008192負滿度+1LSB10 0000 0000 000120011負滿度10 0000 0000 000020000 而DA轉(zhuǎn)換時的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系為：-55V對應(yīng)為04095(D/A轉(zhuǎn)換為12位)，其數(shù)據(jù)格式(雙極性電壓輸出

19、時)為： 輸入D/A數(shù)據(jù)編碼正滿度1111 1111 1111正滿度1LSB1111 1111 1110中間值（零點）1000 0000 0000負滿度+1LSB 0000 0000 0001負滿度0000 0000 0000如下圖：在做AD轉(zhuǎn)換實驗時，輸入電壓為-10V, AD欄二進制值顯示10 0000 0000 0000，十進制顯示0；輸入0V時，AD欄二進制值顯示00 0000 0000 0000，十進制顯示8192；輸入電壓為+10, AD欄二進制值顯示01 1111 1111 1111，十進制顯示16383。做DA轉(zhuǎn)換試驗時，十進制欄輸入4095，二進制欄輸出1111 1111 1

20、111，波形處于+5V位置。十進制欄輸入2048，二進制欄輸出1000 0000 0000，波形處于0V位置。十進制欄輸入0，二進制欄輸出0000 0000 0000，波形處于-5V位置。Matlab仿真在傳遞函數(shù)G(S)后的表達式中填寫好傳遞函數(shù)的參數(shù)后（可參照實例函數(shù)的樣式），選好“仿真模式”(有四種模式：X-T仿真，Bode圖仿真，根軌跡仿真，極坐標仿真)后，點擊“執(zhí)行”后，通過MATLAB的后臺數(shù)據(jù)處理，等待幾秒鐘后將會在右邊的圖形框中顯現(xiàn)此函數(shù)仿真的波形，供用戶參考。如下圖:（注釋：用戶在用BodeChart軟件做幅頻特性實驗時，手動采集擬合后的波形圖可以和Matlab訪真來對比）B

21、ode圖實驗單擊此按鈕，可以直接調(diào)出做幅頻特性的Bode圖軟件。如下2圖： Bode圖軟件如下： 腳本編程 1.運行THBDC-1軟件，并選擇菜單中的系統(tǒng)腳本編程，即可打開腳本編程器，如下圖所示：（1）點擊“文件”->“新建”,用戶可以在文本框內(nèi)編寫新的算法代碼; (2) 點擊“文件”->“打開”,用戶可以在文本框內(nèi)按照一定路徑打開已有的算法代碼; (3) 點擊“文件”->“保存”,用戶可以將新的算法代碼按一定的路徑保存起來; (4)在“編輯”下有撤消.復(fù)制,剪切,粘貼的功能,這里不做具體說明;(5) 點擊“調(diào)試”->“啟動”,運行程序,并在示波器上輸出波形;(6) 點

22、擊“調(diào)試”->“停止”,停止運行程序.(7) 點擊“調(diào)試”->“步長設(shè)置”,將彈出一個對話框,可以設(shè)置步長.如下圖: (8) 在“語言”菜單下,有兩中語言函數(shù)可以利用的.具體的如下第八,第九大條.下面是具體的實驗:1. 使用導(dǎo)線，連接數(shù)據(jù)采集接口的AD1和DA1；并使用腳本編程器打開計算機控制算法VBS基本波形中的正弦波腳本；且在腳本編程器的菜單語言選擇VBScript。2. 將AD參數(shù)設(shè)置為：通道1，1KHz，并開始采集數(shù)據(jù)；打開腳本編程器的調(diào)試菜單的啟動菜單，運行腳本。即THBDC-1虛擬示波器上觀察到輸出的正弦波。如下圖： 3. 波形采集完成后，可選擇腳本編程器調(diào)試菜單中的停

23、止菜單，停止腳本輸出。注意：腳本編程器可通過修改調(diào)試菜單中的步長設(shè)置，修改單步步長；本腳本編程器支持VBScript和JScript，其中JScript的操作步驟和VBScript相似。報告生成器做實驗時如果采用登陸模式，在上面就會顯示對應(yīng)的學號、姓名（此姓名，學號是不可以更改的），在寫實驗報告中如果要用到實驗中的當前波形圖，可以在對應(yīng)參數(shù)區(qū)填入與當前實驗相對應(yīng)的參數(shù),然后點擊“保存當前實驗波形”，如果還要保存其他實驗波形的話，可以繼續(xù)實驗，同樣在對應(yīng)參數(shù)區(qū)填入對應(yīng)參數(shù)，然后點擊“保存當前實驗波形”，實驗完成后在報告生成器窗口中填寫實驗類別、實驗名稱、實驗?zāi)康摹嶒炗懻摻Y(jié)果和學生所在班級,所有

24、填寫完之后點擊“報告生成”，按一定的路徑及以的格式來保存報告。如果只要交電子稿，就以文件的形式發(fā)送到老師指定的路徑文件中，如果要打印提交的話，可以直接雙擊打開這份報告，在word中打印實驗報告。此報告生成器還有兩個功能：一是點擊“插入其他位圖波形”，可以插入其他波形與當前實驗波形相比較；二是點擊“可插入算法原代碼”，可插入當前實驗算法的原代碼，以便與實驗相對照。(工具欄有快捷方式)如下2個圖：（注：在安裝office2003時，一定要選擇完全安裝，切記不要選擇典型安裝，否則不能生成報告） 波形保存保存當前整個示波器窗口及波形，以Bitmap文件類型保存。如下圖：波形打印如果電腦連了打印機的話，

25、本軟件有直接打印的功能，可以直接打印出當前的主界面。在工具快捷欄也有打印機的圖標，如下圖：退出實驗完之后退出當前主界面。二、示波器下的按鈕功能 1、幅值自動選擇(點擊一下,同時會出現(xiàn)表示符“”表示已經(jīng)選上)：調(diào)整示波器窗口始終隨著波形的幅值滿屏顯示。取消（在選上的基礎(chǔ)上在點擊下，同時表示符消失，表示已取消）：取消自動調(diào)整，同時彈出對話框，設(shè)置最大，最小顯示幅值。如下圖：2、時基自動選擇：調(diào)整示波器窗口始終隨著波形的時間滿屏顯示；取消：取消自動調(diào)整。3、暫停顯示選擇：暫停顯示；取消：取消自動調(diào)整。 3、波形同步選擇：同步顯示波形（注要：只有波形模式在 Plot X，Plot(X1,X2),Plo

26、t(X1+X2)種模式下有效，其它模式不起作用）；取消：取消同步顯示。4、波形模式Chart X 單通道采集時，連續(xù)左移方式顯示波形，同時在工具快捷方式欄下方中央會顯示波形模式,如下圖；Plot X 單通道采集時，連續(xù)一屏一屏從左到有刷新顯示波形，此時波形顯示長度就是緩存數(shù)據(jù)長度；單通道同步顯示必須在此模式下,如下圖； Chart(X1,X2)雙通道時，分別顯示。顯示原理同 Chart X ；Plot(X1,X2)雙通道時，分別顯示。顯示原理同 PlotX ；Chart(X1X2)雙通道時，兩波形疊加顯示。顯示原理同 Chart X ；Plot(X1X2)雙通道時，兩波形疊加顯示。顯示原理同

27、PlotX ；Plot(X1，X2)雙通道時，X1數(shù)值為時間軸，X2為幅值軸。顯示原理同 PlotX ；AmpSpectrum（幅值譜）信號的不同頻率的幅度在頻率序列上的表示，（注:一個方波信號）如下圖： PowerSpectrum（功率譜）以F（t）為電壓在1歐姆電阻上不同頻率上能量消耗的分布。同時快捷工具欄下方中央會顯示波形模式,（注：接一個方波信號）如下圖； 5、波形操作XY軸放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠標選定的矩形波形窗口到滿屏.此按鈕在工具快捷方式欄也有顯示,如下圖: X軸放大 在此操作模式下，可以任意放大鼠標選定的時間軸區(qū)域波形到滿屏。如下圖:Y軸放大 在此操作模式下，可以

28、任意放大鼠標選定的幅值軸區(qū)域波形到滿屏。如下圖:波形抓取 在此抄做模式下,可以抓取當前實驗波形.如下圖:十字跟蹤 在此操作模式下，示波器會彈出兩跟蹤線。用戶可以用鼠標拖動跟蹤線到指定的位置，狀態(tài)欄會實時顯示跟蹤線和波形交叉點的坐標位置。如下圖:6、線型/點型改變波形的形狀。即線型時連線顯示，點型時，點式顯示。7、波形復(fù)位復(fù)位放大縮小后的波形到原始狀態(tài)。8、基準復(fù)位復(fù)位控制區(qū)里的水平，基準按鈕到初始狀態(tài)。 9、波形清除 清除當前實驗波形，使得示波器窗口為空白，以便重新生成實驗波形。10、波形復(fù)制波形拷貝到粘貼板。三、工具快捷欄其余按鈕:如下圖 “開始”相當于“開始采集”的功能： “暫停” 使當前

29、波形暫時停下來時，以便進行測量觀察。要繼續(xù)使波形移動的話，可以點擊“開始”。 “停止” 使波形停止下來，重新開始實驗。開始“系統(tǒng)”下的“信號發(fā)生器”的工具快捷方式如下圖：開始“系統(tǒng)”下的“腳本編程”的工具快捷方式如下圖： 菜單欄“示波器”下“時基自動”的工具快捷方式。如果按鈕陷下去，表示已在當前狀態(tài)。菜單欄“示波器”下“X-t”和“X-Y”的工具快捷方式。如果按鈕陷下去，表示已在當前狀態(tài)。在第七大條有具體實例。四、幫助菜單下 實驗指導(dǎo)書本軟件直接提供了每個實驗的電子文檔，用戶在做實驗時，可以按照實驗指導(dǎo)書的步驟進行操作。如下兩圖：試驗指導(dǎo)書包括了試驗?zāi)康模囼炘O(shè)備，試驗內(nèi)容，實驗結(jié)果等（注：工

30、具欄有快捷式）：如下圖所示。軟件使用說明書包括THBDC-1軟件安裝和使用說明，及Bode圖軟件使用說明書。如下2圖：五、參數(shù)與操作區(qū)的一些按鈕功能通道選擇 選擇AD采集的通道（通道1為 USB采集卡的1通道，通道12為USB采集卡的1和2通道，此時雙通道采集，每個通道的實際采樣頻率為設(shè)置采樣頻率的一半）。采樣頻率設(shè)置采集卡的采樣頻率（注要：單位是K，即最小為1000Hz，最大可以達到250KHz）。采集卡的默認增益系數(shù)為1。分頻系數(shù)波形在Chart模式時，可以任意調(diào)節(jié)采樣頻率。該原理是等間隔均勻丟棄數(shù)據(jù)點。也即相當于降低了采樣頻率，該功能特點是不需要停止采集，隨著滑動按鈕的調(diào)節(jié)，可以馬上看到

31、調(diào)節(jié)結(jié)果。主要用在實驗時對象信號頻率很低，而實驗又需要顯示整個實驗波形過程，這時通過滑動按鈕可以調(diào)到合理的波形。（值1對應(yīng)無分頻，值20對應(yīng)每緩存長度數(shù)據(jù)只顯示1點）。窗口長度調(diào)節(jié)Chart模式時的波形歷史數(shù)據(jù)長度。基準平移可以邏輯設(shè)置幅值的平移增量。雙通道采集時可以用來分段顯示波形。基準增益可以邏輯設(shè)置幅值的比例系數(shù)。水平微調(diào)開始測量之前，如果波形不在零點位置，可以調(diào)此微調(diào)，使波形處于零點位置。每一格代表0.01，調(diào)節(jié)范圍在-0.1到0.1共0.2的范圍。（注：此水平微調(diào)在窗口最大化時，才會顯示出來）六、狀態(tài)區(qū)的各欄注釋狀態(tài)欄第一格為系統(tǒng)運行狀況信息欄，第二欄為當前波形實時分析的頻率值（注要

32、：雙通道時，是指第一通道波形的頻率），第三欄第四欄為十字跟蹤時，跟蹤線X1與波形相交點的時基坐標值和幅值坐標值。第五欄和第六欄為十字跟蹤時，跟蹤線X2與波形相交點的時基坐標值和幅值坐標值。第七欄第八欄為跟蹤線X2與跟蹤線X1的坐標值差，第九欄為|X2-X1|坐標值差的倒數(shù)。當X1X2剛好對應(yīng)一個波形時，該倒數(shù)即為該波形的頻率。七、工具欄中的X-t，X-Y的使用1、X-t的使用1.1 采用實驗臺上的通用實驗單元，組建一個慣性環(huán)節(jié)，如下圖所示：電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，Ro=200K，C=1uF；將Ui端連接到階躍信號輸出端，Uo端連接到數(shù)據(jù)采集口單元的AD1，且階躍信號的輸

33、出幅值為2V；1.2 從開始菜單處打開軟件界面“THBDC-1”，打開后軟件界面如下圖所示：1.3 將窗口長度的指針移向大，點擊開始采集按鈕，并按下階躍按鈕，輸出2V的階躍信號，即可記錄如下圖所示：注意：在X-t視圖下，也可以采用雙通道觀察，具體操作步驟和單通道觀察實驗波形一致。2、X-Y的使用2.1 按照下圖所示，連接實驗電路：將r(t)連接到數(shù)據(jù)采集接口的AD1和低頻函數(shù)信號發(fā)生器的正弦波輸出端，c(t)端連接到數(shù)據(jù)采集接口的AD2。2.2 打開THBDC-1軟件，將AD參數(shù)設(shè)置為：通道選擇：通道(1-2)，采樣頻率：50；點擊開始采集按鈕，并選擇菜單中的示波器選項波形模式Chart XY

34、，打開函數(shù)信號發(fā)生器的開關(guān)，輸出正弦波，即可得到X-Y圖：八、VBScript函數(shù)說明1. 初始化函數(shù)：Initialize(arg)調(diào)用方法：sub Initialize(arg)2. 算法運行函數(shù)：TakeOneStep (arg)調(diào)用方法：sub TakeOneStep (arg)3. 退出函數(shù)：Finalize (arg)調(diào)用方法：sub Finalize (arg)4. 模擬量輸出函數(shù)：WriteData voltage , channels調(diào)用方法：WriteData 0 ,1；此函數(shù)表明模擬量輸出通道DA1輸出0V。5. 模擬量測量函數(shù)：ReadData(channels)調(diào)用方

35、法：ReadData(1)；此函數(shù)表明模擬量采集通道為AD1。6. 數(shù)字量輸出函數(shù)：SetDO sign , channels調(diào)用方法：SetDO TURE，1；此函數(shù)表明數(shù)字量輸出DO1為1；sign的狀態(tài)有TURE和FALSE。7. 轉(zhuǎn)速測量函數(shù)：GetFS調(diào)用方法：GetFS；此函數(shù)用于測量第一通道的輸入信號頻率。九、JScript函數(shù)說明1. 初始化函數(shù)：Initialize(arg)調(diào)用方法：function Initialize(arg)2. 算法運行函數(shù)：TakeOneStep (arg)調(diào)用方法：function TakeOneStep (arg)3. 退出函數(shù)：Finaliz

36、e (arg)調(diào)用方法：function Finalize (arg)4. 模擬量輸出函數(shù)：WriteData （voltage , channels）調(diào)用方法：WriteData （0 ,1）；此函數(shù)表明模擬量輸出通道DA1輸出0V。5. 模擬量測量函數(shù)：ReadData(channels)調(diào)用方法：ReadData(1)；此函數(shù)表明模擬量采集通道為AD1。6. 數(shù)字量輸出函數(shù)：SetDO （sign , channels）調(diào)用方法：SetDO （1，1）；此函數(shù)表明數(shù)字量輸出DO1為1（TURE）；sign的狀態(tài)有1（TURE）和0（FALSE）兩種。7. 轉(zhuǎn)速測量函數(shù)：GetFS調(diào)用方法

37、：GetFS；此函數(shù)用于測量第一通道的輸入信號頻率。十、腳本編程流程圖結(jié)束Initialize(arg)TakeOneStep (arg)控制算法循環(huán)判斷Finalize (arg)YY開始第三節(jié) Bode 軟件的使用說明從開始菜單處找到"THBDC-1"打開軟件界面"BodeChart"，還有一種打開方式是從THBDC菜單欄里面“系統(tǒng)àBode圖實驗”打開，打開之后軟件界面如下圖所示。菜單欄幅頻特性窗口狀態(tài)區(qū)信號輸出和采集控制區(qū) 如果USB采集卡驅(qū)動沒有裝好或者usb線沒有連接，啟動時都會彈出警告對話框如下圖所示。用戶最好關(guān)閉連接好后，再重新

38、啟動。正確打開之后，先熟悉各個按鈕，如下介紹:一、在文件菜單下：重新實驗如果實驗效果不好,或者參數(shù)設(shè)錯,可以點擊“重新實驗”，即重新開始，如下圖：波形打印實驗完后,要打印此實驗結(jié)果,可以直接點擊“波形打印”。THBDC-1點擊此按鈕，則將返回THBDC軟件的登入窗口。如下2圖：退出關(guān)閉當前窗口，退出Bode圖。二、在操作菜單下：折線生成在手動采集下，把所需點采完之后，點擊“折線生成”，則會把顯示區(qū)的點依次連接起來。（同時折線生成的快捷方式如下圖：）曲線擬合按照所采集到的點，它會盡量的把這些點以光滑的曲線連接起來。波形拷貝波形拷貝到粘貼板波形清除清除此當前實驗波形，以便重新做實驗。坐標自動調(diào)整幅

39、頻特性窗口始終隨著波形的幅值滿屏顯示。波形恢復(fù)復(fù)位放大縮小后的波形到原始狀態(tài)，如下圖： 波形測量在此操作模式下，示波器會彈出兩跟蹤線。用戶可以用鼠標拖動跟蹤線到指定的位置，狀態(tài)欄會實時顯示跟蹤線和波形交叉點的坐標位置。如下圖波形抓取在此操作模式下,可以抓取當前實驗波形.如下圖:三、狀態(tài)區(qū)的各欄注釋狀態(tài)欄第一欄為前波形實時分析的輸出頻率值，第二欄為當前波形測量頻率值，第三欄為角頻率即幅頻特性窗口的橫軸，第四欄為幅值比，第五欄為采集進度即用戶在做手動采集實驗時可以察看這欄，一般采集的最佳時間在“數(shù)據(jù)采集”的顯示百分比為70%90%之間。第六欄第七欄為波形測量十字跟蹤時，跟蹤線X1與波形相交點的時角

40、頻率和幅值坐標值。初步了解了軟件界面的情況之后，下面進行實驗操作。實驗前請檢查：是否將實驗電路的輸入端和數(shù)據(jù)采集的A/D的第一通道并聯(lián)，并且連接到正弦波信號的輸出端。1、手動方式步驟如下：（1）點擊開始采集:開啟硬件數(shù)據(jù)的采集。（2）調(diào)節(jié)信號源到起始頻率，如0.2Hz，等待到信號源信號穩(wěn)定后，點擊手動單采，等待，軟件即會自動完成該頻率點的頻率，幅值比分析，并單點顯示在波形窗口上。（3）繼續(xù)增加調(diào)節(jié)信號源頻率（如0.3Hz），等信號源信號穩(wěn)定后，點擊手動單采，等待，軟件即會自動完成該頻率點的頻率，幅值比分析，并單點顯示在波形窗口上。（4）繼續(xù)第2步驟，一直到關(guān)鍵頻率點都完成。（5）點擊停止采集，

41、結(jié)束硬件采集任務(wù)。（6）點擊曲線擬合或者折線連接，完成波特圖的幅頻特性圖。（7）保存波形到畫圖板或者直接打印，即完成實驗。下面舉例說明手動測量：（1）按照下圖所示，連接實驗電路：具體的實驗參數(shù)如圖所示，并將低頻函數(shù)信號發(fā)生器的輸出端連接到電路的r(t)端，地與實驗臺的地線連接起來，數(shù)據(jù)采集接口單元的AD1端連接到電路的c(t)端。并將波形選擇為正弦波輸出，Vp-p為8V，頻段選擇為f1，（2） 運行BodeChart軟件，并設(shè)置AD配置參數(shù)：通道號：通道（1-2），采樣頻率：1000；（3） 等待輸出波形穩(wěn)定，一般采集進度處于50%左右；點擊手動單采按鈕，并等待波形的采集完成。（4） 重復(fù)步驟

42、3，多次增大函數(shù)信號發(fā)生器的輸出波形頻率，并采集不同頻率點的Bode圖相關(guān)參數(shù)。（5） 在輸出頻率大于2Hz，先點擊停止采集按鈕，修改采樣頻率為5000；修改完畢后，點擊開始采集按鈕，繼續(xù)單點采集數(shù)據(jù)。最后可得實驗曲線。如下圖所示： 注意事項：1、實驗前請檢查：是否將實驗電路的輸入端和數(shù)據(jù)采集的A/D的第一通道并聯(lián)，并且連接到正弦波信號的輸出端。2、正弦波信號采用0.2Hz100Hz，且Vp-p為8.09.5V。3、點擊“手動單采”按鈕最佳時間為“數(shù)據(jù)采集”的顯示百分比為70%90%之間。4、修改采樣頻率時，先點擊“停止采集”按鈕，修改采樣頻率后，點擊“開始采集”鈕，繼續(xù)測量Bode圖的關(guān)鍵點

43、；5、正弦波的頻率與采樣頻率的關(guān)系如下：6、正弦波的頻率低于1Hz的時，采樣頻率為1000Hz；正弦波的頻率在1Hz到10Hz的時，采樣頻率為5000Hz；正弦波的頻率在10Hz到100Hz的時，采樣頻率為50000Hz。第二部分 THBDC-1控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺實驗指導(dǎo)書第一章 控制理論實驗實驗一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬一、實驗?zāi)康?. 熟悉THBDC-1型 控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺及“THBDC-1”軟件的使用；2. 熟悉各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)特性及其電路模擬；3. 測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并了解參數(shù)變化對其動態(tài)特性的影響。二、實驗設(shè)備1. THB

44、DC-1型 控制理論·計算機控制技術(shù)實驗平臺；2. PC機一臺(含“THBDC-1”軟件)、USB數(shù)據(jù)采集卡、37針通信線1根、16芯數(shù)據(jù)排線、USB接口線；三、實驗內(nèi)容1. 設(shè)計并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2. 測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對其輸出響應(yīng)的影響；四、實驗原理自控系統(tǒng)是由比例、積分、微分、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系組建而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其對階躍輸入的響應(yīng)，將對系統(tǒng)的設(shè)計和分析十分有益。本實驗中的典型環(huán)節(jié)都是以運放為核心元件構(gòu)成，其原理框圖如圖1-1所示。圖中Z1和Z2表示由R、C構(gòu)成的復(fù)數(shù)阻抗。1. 比例（P）環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的特點是輸出不失真、不延遲、

45、成比例地復(fù)現(xiàn)輸出信號的變化。 圖1-1它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：當Ui(S)輸入端輸入一個單位階躍信號，且比例系數(shù)為K時的響應(yīng)曲線如圖1-2所示。2. 積分（I）環(huán)節(jié) 圖1-2 積分環(huán)節(jié)的輸出量與其輸入量對時間的積分成正比。它的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號，當積分系數(shù)為T時的響應(yīng)曲線如圖1-3所示。圖1-33. 比例積分(PI)環(huán)節(jié)比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其中T=R2C，K=R2/R1設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號，圖1-4示出了比例系數(shù)(K)為1、積分系數(shù)為T時的PI輸出響應(yīng)曲線。圖1-44. 比例微分(PD)環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：

46、 其中設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號，圖1-5示出了比例系數(shù)(K)為2、微分系數(shù)為TD時PD的輸出響應(yīng)曲線。 圖1-5 5. 比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：其中， 設(shè)Ui(S)為一單位階躍信號，圖1-6示出了比例系數(shù)(K)為1、微分系數(shù)為TD、積分系數(shù)為TI時PID的輸出。圖1-66. 慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：當Ui(S)輸入端輸入一個單位階躍信號，且放大系數(shù)(K)為1、時間常數(shù)為T時響應(yīng)曲線如圖1-7所示。圖1-7五、實驗步驟1. 比例（P）環(huán)節(jié)根據(jù)比例環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元(U12、U6)設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬

47、電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=1時，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K。若比例系數(shù)K=2時，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=200K。當ui為一單位階躍信號時，用“THBDC-1”軟件觀測(選擇“通道1-2”，其中通道AD1接電路的輸出uO；通道AD2接電路的輸入ui)并記錄相應(yīng)K值時的實驗曲線，并與理論值進行比較。另外R2還可使用可變電位器，以實現(xiàn)比例系數(shù)為任意設(shè)定值。注： 實驗中注意“鎖零按鈕”和“階躍按鍵”的使用，實驗時應(yīng)先彈出“鎖零按鈕”，然后按下“階躍按鍵”，具體請參考第二章“硬件的組成及使用”相關(guān)部分； 為了更好的觀測

48、實驗曲線，實驗時可適當調(diào)節(jié)軟件上的分頻系數(shù)(一般調(diào)至刻度2)和選擇“”按鈕(時基自動)，以下實驗相同。2. 積分（I）環(huán)節(jié)根據(jù)積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元(U12、U6)設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若積分時間常數(shù)T=1S時，電路中的參數(shù)取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K×10uF=1)；若積分時間常數(shù)T=0.1S時，電路中的參數(shù)取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K×1uF=0.1)；當ui為單位階躍信號時，用“THBDC-1”軟件觀測并記錄相應(yīng)T值時的輸出響應(yīng)曲線，并與理論值進

49、行比較。注：由于實驗電路中有積分環(huán)節(jié)，實驗前一定要用“鎖零單元”對積分電容進行鎖零。3. 比例積分(PI)環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元(U12、U6)設(shè)計并組建相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若取比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=1S時，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×10uF=1)；若取比例系數(shù)K=1、積分時間常數(shù)T=0.1S時，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×

50、;1uF=0.1S)。注：通過改變R2、R1、C的值可改變比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和積分時間常數(shù)T。當ui為單位階躍信號時，用“THBDC-1”軟件觀測并記錄不同K及T值時的實驗曲線，并與理論值進行比較。4. 比例微分(PD)環(huán)節(jié)根據(jù)比例微分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元(U12、U6)設(shè)計并組建其模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=1、微分時間常數(shù)T=0.1S時，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×1uF=0.1S)；若比例系數(shù)K=1、微分時間常數(shù)T=1S時，

51、電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K×10uF=1S)；當ui為一單位階躍信號時，用“THBDC-1”軟件觀測(選擇“通道3-4”，其中通道AD3接電路的輸出uO；通道AD4接電路的輸入ui)并記錄不同K及T值時的實驗曲線，并與理論值進行比較。注：在本實驗中“THBDC-1”軟件的采集頻率設(shè)置為150K，采樣通道最好選擇“通道3-4(有跟隨器，帶負載能力較強)”5. 比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分微分環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元(U12、U6)設(shè)計并組建其相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單

52、元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=2、積分時間常數(shù)TI =0.1S、微分時間常數(shù)TD =0.1S時，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=1uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2,TI=R1C2=100K×1uF=0.1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S)；若比例系數(shù)K=1.1、積分時間常數(shù)TI =1S、微分時間常數(shù)TD =0.1S時，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=10uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=1.1,TI=R1C2=100K&#

53、215;10uF=1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S)；當ui為一單位階躍信號時，用“THBDC-1”軟件觀測(選擇“通道3-4”，其中通道AD3接電路的輸出uO；通道AD4接電路的輸入ui)并記錄不同K、TI、TD值時的實驗曲線，并與理論值進行比較。注：在本實驗中“THBDC-1”軟件的采集頻率設(shè)置為150K，采樣通道最好選擇“通道3-4(有跟隨器，帶負載能力較強)”6. 慣性環(huán)節(jié)根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的方框圖，選擇實驗臺上的通用電路單元(U12、U6)設(shè)計并組建其相應(yīng)的模擬電路，如下圖所示。圖中后一個單元為反相器，其中R0=200K。若比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=1S時，電路

54、中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×10uF=1)。若比例系數(shù)K=1、時間常數(shù)T=0.1S時，電路中的參數(shù)取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×1uF=0.1)。通過改變R2、R1、C的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和時間常數(shù)T。當ui為一單位階躍信號時，用“THBDC-1”軟件觀測并記錄不同K及T值時的實驗曲線，并與理論值進行比較。7. 根據(jù)實驗時存儲的波形及記錄的實驗數(shù)據(jù)完成實驗報告。六、實驗報告要求1. 畫出各典型環(huán)節(jié)的實驗電路圖，并注明參數(shù)。2. 寫出各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。3. 根據(jù)測得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響。七、實驗思考題1. 用運放模擬典型環(huán)節(jié)時，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？2. 積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？3.