计算机控制技术基础实验.docx

计算机控制技术基础实验.docx

《计算机控制技术基础实验.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《计算机控制技术基础实验.docx（18页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

计算机控制技术基础实验

第三章计算机控制技术基础实验

实验一A/D与D/A转换

一、实验目的

1．通过实验了解实验系统的结构与使用方法；

2．通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。

二、实验设备

1．THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）

3．PC机1台（含软件“THBCC-1”）

三、实验内容

1．输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；

2．在上位机输入一十进制代码，完成通道的数模转换实验。

四、实验步骤

1.启动实验台的“电源总开关”，打开±5、±15V电源。

将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“数据采集接口单元“的“AD1”通道,同时将采集接口单元的“DA1”输出端连接到接口单元的“AD2”输入端；

2、将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V；

3.启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”软件，在打开的软件界面上点击“开始采集”按钮；

4.点击软件“系统”菜单下的“AD/DA实验”，在AD/DA实验界面上点击“开始”按钮，观测采集卡上AD转换器的转换结果，在输入电压为1V（可以使用面板上的直流数字电压表进行测量）时应为00001100011101（共14位，其中后几位将处于实时刷新状态）。

调节阶跃信号的大小，然后继续观察AD转换器的转换结果，并与理论值（详见本实验附录）进行比较；

5.根据DA转换器的转换规律（详见本实验附录），在DA部分的编辑框中输入一个十进制数据（如2457，其范围为0～4095），然后虚拟示波器上观测DA转换值的大小；

6实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

五、附录

1．数据采集卡

本实验台采用了THBXD数据采集卡。

它是一种基于USB总线的数据采集卡，卡上装有14Bit分辨率的A/D转换器和12Bit分辨率的D/A转换器，其转换器的输入量程均为±10V、输出量程均为±5V。

该采集卡为用户提供4路模拟量输入通道和2路模拟量输出通道。

其主要特点有：

1）支持USB1.1协议，真正实现即插即用

2）400KHz14位A/D转换器，通过率为350K，12位D/A转换器，建立时间10μs

3）4通道模拟量输入和2通道模拟量输出

4）8k深度的FIFO保证数据的完整性

5）8路开关量输入，8路开关量输出

2.AD/DA转换原理

数据采集卡采用“THBXD”USB卡，该卡在进行A/D转换实验时，输入电压与二进制的对应关系为：

-10～10V对应为0～16383（A/D转换为14位）。

其中0V为8192。

其主要数据格式如下表所示（采用双极性模拟输入）：

输入

AD原始码（二进制）

AD原始码（十六进制）

求补后的码（十进制）

正满度

01111111111111

1FFF

16383

正满度－1LSB

01111111111110

1FFE

16382

中间值（零点）

00000000000000

0000

8192

负满度+1LSB

10000000000001

2001

1

负满度

10000000000000

2000

0

而DA转换时的数据转换关系为：

-5～5V对应为0～4095（D/A转换为12位），其数据格式（双极性电压输出时）为：

输入

D/A数据编码

正满度

111111111111

正满度－1LSB

111111111110

中间值（零点）

100000000000

负满度+1LSB

000000000001

负满度

000000000000

3．编程实现测试信号的产生

利用上位机的“脚本编程器”可编程实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。

其函数表达式分别为：

1）正弦信号

，

2）方波

3）斜坡信号

，a为常量

4）抛物线信号

，a为常量

这里以抛物线信号为例进行编程，其具体程序如下：

dimtx,op,a‘初始化函数

subInitialize（arg）‘初始化函数

WriteData0,1‘对采集卡的输出端口DA1进行初始化

tx=0‘对变量初始化

endsub

subTakeOneStep（arg）‘算法运行函数

a=1

op=0.5*a*tx*tx‘0.1为时间步长

tx=tx+0.1

ifop>3then‘波形限幅

tx=0

endif

WriteDataop,1‘数据从采集卡的DA1端口输出

endsub

subFinalize（arg）‘退出函数

WriteData0,1

endsub

通过改变变量tx、a的值可改变抛物线的上升斜率。

其它典型信号的编程请参考“THBCC-1”安装目录下的“计算机控制算法VBS\基本波形”目录内参考示例程序。

实验二步进电机转速控制系统

一、实验目的

1．了解步进电机的工作原理；

2．理解步进电机的转速控制方式和调速方法；

3．掌握用VBScript或JScript脚本语言进行开关量的编程。

二、实验设备

1．THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）

3．PC机1台（含软件“THBCC-1”）

三、实验原理

1．步进电机工作原理简介：

步进电机是一种能将电脉冲信号转换成机械角位移或线位移的执行元件，它实际上是一种单相或多相同步电机。

电脉冲信号通过环形脉冲分配器，励磁绕组按照顺序轮流接通直流电源。

由于励磁绕组在空间中按一定的规律排列，轮流和直流电源接通后，就会在空间形成一种阶跃变化的旋转磁场，使转子转过一定角度（称为步距角）。

在正常运行情况下，电机转过的总角度与输入的脉冲数成正比；电机的转速与输入脉冲频率保持严格的对应关系，步进电机的旋转同时与相数、分配数、转子齿轮数有关；电机的运动方向由脉冲相序控制。

因为步进电机不需要A/D转换，能够直接将数字脉冲信号转化成为角位移，它被认为是理想的数控执行元件。

故广泛应用于数控机床、打印绘图仪等数控设备中。

不过步进电机在控制的精度、速度变化范围、低速性能方面都不如传统的闭环控制的直流伺服电动机。

在精度不是需要特别高的场合，可以使用步进电机，以发挥其结构及驱动电路简单、可靠性高和成本低的特点。

伴随着不同数字化技术的发展以及步进电机本身技术的提高，步进电机将会在更多的领域得到应用。

现在比较常用的步进电机有反应式步进电机、永磁式步进电机、混合式步进电机和单相式步进电机等。

其中反应式步进电机的转子磁路是由软磁材料制成，定子上有多相励磁绕组，利用磁导的变化产生转矩。

现阶段反应式步进电机应用最广泛。

2．步进电机驱动电路原理

步进电机和普通电机的区别主要就在于其脉冲驱动的形式，必须使用专用的步进电机驱动控制器。

正是这个特点，步进电机可以和现代的数字控制技术相结合。

图14-1步进电机系统的驱动框图

如图14-1所示，它一般有脉冲发生单元、脉冲分配单元、功率驱动单元保护和反馈单元组成。

除功率驱动单元以外，其他部分越来越趋向于用软件来实现。

3．软件控制方法（并行控制）

并行控制是指用硬件或软件方法实现脉冲分配器的功能，它输出的多相脉冲信号，经功率

放大后驱动电机的各相绕组，其框图如图14-2所示。

图14-2步进电机软件控制框图

该实验系统中的脉冲分配器由软件实现的，由数据采集卡中的DO1～DO4作为并行驱动驱动，驱动四相反应式步进电机。

四、实验步骤

1、实验接线

1.1将数据采集卡单元中的DO1～DO4分别接到步进电机单元的A、B、C和D输出端；

1.2打开实验平台的电源总开关。

2、脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件。

2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“

”按钮和工具栏上的“

”按钮（脚本编程器）；

2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“步进控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察步进电机的运行情况；

2.4点击“脚本编辑器”窗口上“停止”按钮，更改算法的运行步长，并再次运行算法程序，观察步进电机的运行；

2.5实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

五、实验报告要求

1．画出步进电机转速控制系统的方框图。

2．根据实验程序编写四相八拍方式的程序。

六、参考程序

dimn‘变量定义

subInitialize（arg）‘初始化函数

SetDOFALSE,1

SetDOFALSE,2

SetDOFALSE,3

SetDOFALSE,4

endsub

subTakeOneStep（arg）‘算法运行函数

n=n+1

ifn=1then

SetDOTRUE,1'步进电机的A（DO1）

SetDOTRUE,2'步进电机的B（DO2）

SetDOFALSE,3'步进电机的C（DO3）

SetDOFALSE,4'步进电机的D（DO4）

endif

ifn=2then

SetDOFALSE,1

SetDOTRUE,2

SetDOTRUE,3

SetDOFALSE,4

endif

ifn=3then

SetDOFALSE,1

SetDOFALSE,2

SetDOTRUE,3

SetDOTRUE,4

endif

ifn=4then

SetDOTRUE,1

SetDOFALSE,2

SetDOFALSE,3

SetDOTRUE,4

n=0

endif

endsub

subFinalize（arg）‘退出函数

SetDOFALSE,1

SetDOFALSE,2

SetDOFALSE,3

SetDOFALSE,4

endsub

实验三单闭环温度恒值控制系统

一、实验目的

1．理解温度闭环控制的基本原理；

2．了解温度传感器的使用方法；

3．学习温度PID控制参数的配置。

二、实验设备

1．THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）

3．PC机1台（含软件“THBCC-1”）

三、实验原理

1．温度驱动部分

该实验中温度的驱动部分采用了直流15V的驱动电源，控制电路和驱动电路的原理与直流电机相同，直流15V经过PWM调制后加到加热器的两端。

2．温度测量端（温度反馈端）

温度测量端（反馈端）一般为热电式传感器，热电式传感器式利用传感元件的电磁参数随温度的变化的特性来达到测量的目的。

例如将温度转化成为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可达到这些电参数的变化来表达温度的变化。

在各种热电式传感器中，已把温度量转化为电势和电阻的方法最为普遍。

其中将温度转换成为电阻的热电式传感器叫热电偶；将温度转换成为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻，如铜电阻、热敏电阻、Pt电阻等。

铜电阻的主要材料是铜，主要用于精度不高、测量温度范围（－50℃～150℃）不大的的地方。

而铂电阻的材料主要时铂，铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件和作为温度标准。

铂电阻与温度的关系在0℃～630.74℃以内为

Rt＝R0（1＋at＋bt2）

式中Rt――温度为t℃时的温度；R0――温度为0℃时的电阻；

t――任意温度；a、b――为温度系数。

该实验系统中使用了Pt100作为温度传感器。

在实际的温度测量中，常用电桥作为热电阻的测量电阻。

在如图15-1中采用铂电阻作为温度传感器。

当温度升高时，电桥处于不平衡，在a，b两端产生与温度相对应的电位差；该电桥为直流电桥。

图15-1温度测量及放大电路

4．温度控制系统与实验十三的直流电机转速控制相类似，虽然控制对象不同，被控参数有差别，但对于计算机闭环控制系统的结构，却是大同小异，都有相同的工作原理，共同的结构及特点。

四、实验步骤

1、实验接线

1.1用导线将温度控制单元24V的“+”输入端接到直流稳压电源24V的“+”端；

1.2用导线将温度控制单元0～5V的“+”输入端接到数据采集卡的“DA1”的输出端，同时将温度变送器的“+”输出端接到数据采集卡的“AD1”处；

1.3打开实验平台的电源总开关。

2、脚本程序的参数整定及运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件。

2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“

”按钮和工具栏上的“

”按钮（脚本编程器）；

2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“温度控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察温度加热器内温度的变化。

2.4当控制温度稳定在设定值后，再点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，重新配置P、I、D的参数或改变算法的运行步长，等加热器温度冷却后再次启动程序，并观察运行结果。

2.5实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

注：

为了更好地观测温度曲线，本实验中可将“分频系数”设置到最大。

五、实验报告要求

1．画出温度控制系统的方框图。

2．分析P、I、D控制参数对温度加热器中温度控制的影响。

六、参考程序

dimpv,sv,ei,ex,ey,k,ti,td,q0,q1,q2,op,x,Ts,ux,tv‘变量定义

subInitialize（arg）

WriteData0,1

endsub

subTakeOneStep（arg）‘初始化函数

pv=ReadData

（1）'当前温度电压测量值

sv=50'设置温度

k=20

ti=5

td=0

Ts=0.1'采样时间100ms

ei=（（sv-35）/30+1.18）-abs（pv）'当前偏差

q0=k*（ei-ex）'比例项

ifTi=0then

q1=0

else

q1=K*Ts*ei/Ti'积分项

endif

q2=k*td*（ei-2*ex+ey）/Ts'微分项

ey=ex

ex=ei

op=op+q0+q1+q2

ifop>=3.5then

op=3.5

endif

ifop<=1then

op=1

endif

tv=35+30*（abs（pv）-1.18）

TTTRACE"温度=%f",tv'输出温度

TTRACE"op=%f",op

TTRACE"ei=%f",ei

TTRACE"pv=%f",pv

WriteDataop,1

endsub

subFinalize（arg）‘退出函数

WriteData0,1

endsub

实验四具有纯滞后系统的大林控制

一、实验目的

1．了解大林控制算法的基本原理；

2．掌握用于具有纯滞后对象的大林控制算法及其在控制系统中的应用。

二、实验设备

1．THBCC-1型信号与系统•控制理论及计算机控制技术实验平台

2．THBXD数据采集卡一块（含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根）

3．PC机1台（含软件“THBCC-1”）

三、实验内容

1．具有纯滞后一阶惯性环节大林算法的实现。

2．具有纯滞后二阶惯性环节大林算法的实现。

3．在实验中观察振铃现象并研究其消除方法。

四、实验原理

在生产过程中，大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，对象的纯滞后时间

对控制系统的控制性能极为不利，它使系统的稳定性降低，过渡过程特性变坏。

当对象的纯滞后时间

与对象的惯性时间常数Tm之比，即

/Tm

0.5时，采用常规的比例积分微分（PID）控制，很难获得良好的控制性能。

长期以来，人们对纯滞后对象的控制作了大量的研究，比较有代表性的方法有大林算法和纯滞后补偿（Smith预估）控制。

本实验以大林算法为依据进行研究，大林算法综合目标不是最少拍响应，而是一个具有纯滞后时间的一阶滞后响应。

它的等效闭环传递函数为

，

（

=1,2,……）

（1）

为要求的等效环节的时间常数，T为采样周期。

对

用零阶保持器法离散化，可求得系统的闭环Z传递函数：

（2）

五、实验步骤

1、实验接线

1.1根据图8-1，连接一个惯性环节的模拟电路；

1.2用导线将该电路输出端与数据采集卡的输入端“AD1”相连，电路的输入端与数据采集卡的输入端“DA1”相连；

1.3待检查电路接线无误后，打开实验平台的电源总开关，并将锁零单元的锁零按钮处于“解锁”状态。

2、脚本程序运行

2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBCC-1”，运行实验软件；

2.2顺序点击虚拟示波器界面上的“

”按钮和工具栏上的“

”按钮（脚本编程器）；

2.3在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制算法VBS\计算机控制技术基础算法”文件夹下选中“大林算法”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；

2.4点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；用虚拟示波器观察观察图8-1输出端的响应曲线；

2.5点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，修改程序中n（可模拟对象的滞后时间，滞后时间为n*运行步长，单位为ms；当运行步长设100ms时，n的取值范围为1～5）值以修改对象的滞后时间，再点击“启动”按钮。

用示波器观察图8-1输出端的响应曲线；

注：

为了观察大林算法对于滞后系统的控制效果，可将程序中大林算法部分用PID算法替换，然后将两种程序的运行结果进行比较。

2.6实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。

六、实验报告要求

1．画出一阶被控对象的电路图。

2．根据大林控制算法编写脚本程序。

3．画出大林算法控制时系统的输出响应曲线，并分析之。

4．分析纯滞后时间

的增大对系统稳定性的影响。

五、附录

1．带纯滞后一阶惯性对象的算法

设对象的传递函数为：

，

（3）

上式中，滞后环节

由上位机软件模拟，

为滞后时间，这里取

，T为采样周期。

对象的其它部分由如下电路来模拟：

图8-1一阶被控对象的模拟电路图

这里K=10，Tm=1。

相应计算机控制系统的方框图为

图8-2计算机控制系统方框图

大林算法的目标是使系统的闭环Z传递函数为式

（2）所示，即

基于本系统的广义对象Z传递函数为

则有：

由上式得

5．大林算法控制程序的编写与调试示例

dimpv,sv,ei,eix,op,opx,opxx,opxxx,Ts,Tm,k,n‘变量定义

subInitialize（arg）‘初始化函数

WriteData0,1

opxx=0

opx=0

eix=0

n=0

endsub

subTakeOneStep（arg）‘算法运行函数

pv=ReadData

（1）‘采集卡AD1通道的测量值

n=n+1

ifn>4then'滞后时间为：

控制步长*n

sv=2‘给定值

ei=sv-pv

Ts=0.1‘采样时间100s

Tm=1

k=10op=exp（-Ts/Tm）*opx+（1-exp（-Ts/Tm））*opxx+（1-exp（-Ts/Tm））*ei/（k*（1-exp（-Ts/Tm）））-（1-exp（-Ts/Tm））*exp（-Ts/Tm）*eix/（k*（1-exp（-Ts/Tm）））

opxx=opx

opx=op

eix=ei

WriteDataop,1‘输出值给DA1通道

endif

endsub

subFinalize（arg）‘退出函数

WriteData0,1

endsub