《计算机控制系统实验》指导书Word格式.docx
《《计算机控制系统实验》指导书Word格式.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《计算机控制系统实验》指导书Word格式.docx（19页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。
模拟输入电压（V）
对应的数字量（H）
-4.5
0c
-3.5
27
-2.5
3c
-1.5
59
-0.5
73
80
+0.5
8d
+1.5
A7
+2.5
C1
+3.5
da
+4.5
F4
2.D/A转换实验
TLC7528芯片是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。
其主要参数如下：
转换时间100ns，满量程误差1/2LSB，参考电压－10V～＋10V，供电电压＋5V～＋15V，输入逻辑电平和TTL兼容。
实验线路图b为：
实验步骤：
（1）编写实验程序，检查无误后编译、链接并装载到控制计算机中。
（2）运行程序，用示波器观测输出波形，并画出。
实验二采样和保持实验
实验目的
1．熟悉信号的采样和保持过程
2．学习和掌握香农（采样）定理
3．学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号
实验设备
PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块
实验内容
1．编写程序，实现信号通过A/D转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到D/A转换器输出。
2．编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。
实验原理
1．采样和保持
香农（采样）定理：
若对于一个具有有限频谱（|W|<
Wmax）的连续信号f（t）进行采样，当采样频率满足Ws≥2Wmax时，则采样函数f*（t）能无失真地恢复到原来的连续信号f（t）。
Wmax为信号的最高频率，Ws为采样频率。
实验线路图：
本实验中，我们将具体来验证香农定理。
可设计如下的实验线路图，图中
画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。
上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX内部主片8259的“7”号中断，用作采样中断。
这里，正弦波单元的“OUT”端输出周期性的正弦波信号，通过模数转换单元的“IN7”端输入,系统用定时器作为基准时钟（初始化为10ms），定时采集“IN7”端的信号，转换结束产生采样中断，在中断服务程序中读入转换完的数字量，送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号。
由于数模转换器有输出锁存能力，所以它具有零阶保持器的作用。
采样周期T=TK×
10ms，TK的范围为01~FFH，通过修改TK就可以灵活地改变采样周期。
实验参考程序：
请参照随机软件中的example目录中的ACC1-2-1.ASM文件
2．信号的还原
（1）实验原理
从香农定理可知，对于信号的采集，只要选择恰当的采样周期，就不会失去信号的主要特征。
在实际使用中，一般总是取实际采样频率Ws比2Wmax大，如：
Ws≥10Wmax。
但是如果采用插值法恢复信号，就可以降低对采样频率的要求，香农定理给出了采样频率的下限，但是用不同的插值方法恢复信号需要的采样频率也不相同。
（2）实验线路图设计
为了验证上面的原理，可以设计如下的实验线路图，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。
上图中，控制计算机“OUT1”表示386EX内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX内部主片8259的7号中断，用作采样中断。
这里，正弦波单元的“OUT”端输出周期性正弦波信号，通过模数单元的“IN7”端输入，系统用定时器作为基准时钟（初始化为10ms），定时采集“IN7”端的信号，并通过控制机算计读取转换完后的数字量，再送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号。
10ms，TK的范围为01～FFH。
直线插值法参照随机软件中的example目录中的ACC1-2-2.ASM文件，
二次曲线插值法请参照随机软件中的example目录中的ACC1-2-3.ASM文件。
实验步骤及结果
1.采样和保持
（1）编写零阶保持程序，编译、链接。
（2）按照实验线路图接线，检查无误后开启设备电源。
（3）用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT”端，调节正弦波单元的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT”端输出幅值为3V，周期1S的正弦波。
（4）加载程序到控制机中，将采样周期变量“Tk”加入到变量监视中，运行程序，用示波器的另一路表笔观察数模转换单元的输出端“OUT1”。
（5）增大采样周期，当采样周期>
0.5S时，即Tk>
32H时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真，记录此时的采样周期，验证香农定理。
2.信号的还原
（1）分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。
（2）按照线路图接线，检查无误后，开启设备电源。
调节正弦波单元的调幅、调频电位器，使正弦波单元输出幅值为3V，周期1S的正弦波。
（3）分别装载并运行程序，运行程序前将采样周期变量Tk加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。
用示波器观察数模转换单元的输出，和零阶保持程序的运行效果进行比较。
实验三数字PID算法实验
1.了解PID参数对系统性能的影响。
2.学习凑试法整定PID参数。
3.掌握积分分离法PID控制规律。
实验原理和内容：
上图是一个典型的PID闭环控制系统方框图。
其硬件电路原理及接线图如下：
实验中，采用位置式PID算式。
在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，并使系统有惯性和滞后。
因此，在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。
为此，采用积分分离法PID控制算法，即：
当误差e（k）较大时，取消积分作用；
当误差e（k）较小时才将积分作用加入。
1.编写实验程序，检查无误后编译、链接。
2.按照实验线路图接线，检查无误后开启设备电源。
3.调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为2V，周期6S的方波。
确定系统的采样周期以及积分分离值。
4.装载程序，将全局变量TK（采样周期）、EI（积分分离值）、KP（比例系数）、TI（积分系数）和TD（微分系数）加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。
5.运行程序，将积分分离值设为最大7FH（相当于没有引入积分分离），用示波器分别观测输入端R和输出端C。
6.如果系统性能不满意，用试凑法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。
7.修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。
8.将6和7中的较满意的响应曲线分别保存，写实验报告。
实验四最小拍有、无纹波系统实验
1.掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。
2.掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。
上图是一个典型的最小拍控制系统方框图。
针对阶跃输入：
1.有纹波系统控制算法设计为：
，
当阶跃输入信号幅值为2.5V时，
U（Z）=D（Z）E（Z）=1.3590-1.4744Z-1+1.0571Z-2-0.7580Z-3+…
2.最小拍无纹波系统设计：
3.将模拟实验对象进行整定。
对象的输入信号选择：
当为有纹波设计时，选择方波。
调节电位器使方波信号的幅值为2.5V，周期为6S，当为无纹波设计时，选择单位斜波信号，斜波幅值为6V，上升时间为6S。
4.分别将有纹波和无纹波设计方法得到的参数写入程序，分别装载并运行程序，用示波器观察对象的测量点“C”和数模转换单元的“OUT1”端，并记录波形进行分析。
注意：
实验中有纹波是针对阶越输入设计，而无纹波是针对斜波输入信号设计，所以实验时要注意正确的选择信号源。
实验五大林算法实验
1.掌握用大林算法实验对纯滞后系统的控制。
2.掌握振铃消除的方法。
1.大林算法设计
大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，可以近似用一阶惯性加纯滞后环节来表示，其
传递函数为：
。
上图是一个典型的大林算法设计的闭环控制系统方框图。
2．振铃现象的消除：
振铃现象是指数字调节器的输出以2T的周期上下振荡，由于D（Z）中含有左半平面内的
极点，极点越接近－1，振荡越严重。
振铃现象不是大林算法特有的现象，它和最小拍控制
中的纹波现象本质上是一样的，振铃也会引起采样点之间系统输出波纹，并使执行机构磨损，
甚至会影响系统的稳定性，因此必须消除振铃。
大林提出消除振铃的方法是：
找出D（Z）算式中造成振铃的极点因子，令其中Z=1。
根据
终值定理，这样既消除了振铃，也不会影响D（Z）的稳定性。
在上面的式子中：
将振铃因子（1＋0.865Z-1）中Z=1，则
由于改变了D（Z），导致系统闭环传函Φ（Z）变化，因此要验证修改后Φ（Z）的稳定性。
请参照随机软件中的example目录中的ACC4-2-1.ASM（有振铃），
ACC4-2-1.ASM（消除振铃）。
1．编写程序，检查无误后编译、链接。
2．按照实验线路图接线，检查无误后开启设备电源。
3．调节信号源使其输出幅值为2V，周期6S的方波。
4．将D（Z）算式的参数写入程序，装载并运行程序，用示波器观察对象的测量点C，并记录系统的性能指标；
用示波器观察数模转换单元的“OUT1”端，看是否有振铃现象。
若无振铃，可能是对象整定有误差，此时只要将图中的25K电阻对应的电位器微调一下即可。
5．当出现振铃现象时，将消除振铃因子后的D（Z）算式参数写入程序，运行程序，观察振铃现象是否消除。
实验六平滑和数字滤波算法实验
1.学习和掌握一阶惯性滤波
2.学习和掌握四点加权滤波
分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤
波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。
一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字
滤波两种。
由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应
用，下面是一个典型数字滤波的方框图：
1.滤波器算法设计
一阶惯性滤波：
相当于传函
的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式：
四点加权滤波算法为：
2.实验参考程序：
一阶惯性请参照随机软件中的example目录中的ACC1-3-1.ASM，四点加权参照ACC1-3-2.ASM。
3．实验线路图：
图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行搭接。
上图中，控制计算机的“OUT1”表示386EX内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX内部主片8259的7号中断，用作采样中断。
电路中用RC电路将S端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。
注意R点波形不要超过±
5V，以免数字化溢出。
计算机对有干扰的正弦信号R通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C输出。
1.分别编写一阶惯性和四点加权程序，检查无误后编译、链接。
2.按图接线，检查无误后开启设备电源。
调节正弦波使其周期约为2S，调信号源单元使其产生周期为100ms的干扰信号（从“NC”端引出），调节接线图中的两个47K电位器使正弦波幅值为3V，干扰波的幅值为0.5V。
3.分别装载并运行程序，运行前可将“TK”加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。
用示波器观察R点和C点，比较滤波前和滤波后的波形。
4.如果滤波效果不满意，修改参数，再运行程序，观察实验效果。
实验七直流电机闭环调速系统设计和实现
1．了解闭环调速控制系统的构成。
2．熟悉PID控制规律，并且用算法实现。
这是一个典型的直流电机调速实验的系统方框图：
根据上述系统方框图，硬件线路图可设计如下，图中画“○”的线需用户自行接好。
上图中，控制机算机的“DOUT0”表示386EX的I/O管脚P1.4，输出PWM脉冲经驱动后控制直流电机，“IRQ7”表示386EX内部主片8259的7号中断，用作测速中断。
实验中，用系统的数字量输出端口“DOUT0”来模拟产生PMW脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。
霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。
在参数给定情况下，经PID运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。
系统定时器定时1ms，作为系统采样基准时钟；
测速中断用于测量电机转速。
实验程序：
请参照随机软件中的example目录中的ACC6-1-1.ASM
1．编写实验程序，编译、链接。
2．按图接线，检查无误后开启设备电源，将编译链接好的程序装载到控制机中。
3．打开专用图形界面，运行程序，观察电机转速，分析其响应特性。
4．若不满意，改变参数：
积分分离值Iband、比例系数KPP、积分系数KII、微分系数KDD的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。
5．注意：
在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0的状态应保持上次的状态。
当DOUT0为1时，直流电机将停止转动；
当DOUT0为0时，直流电机将全速转动，如果长时间让直流电机全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0的排线拔掉或按系统复位键。
实验八温度闭环控制系统的设计和实现
1．了解温度闭环控制系统的构成。
温度闭环控制系统实验的系统方框图如下：
上图中，控制机算机的“DOUT0”表示386EX的I/O管脚P1.4，输出PWM脉冲经驱动后控制烤箱或温度单元，“OUT1”表示386EX内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX内部主片8259的7号中断（采样中断）。
实验中，使用了10K热敏电阻作为测温元件，温度变化，电阻值变换，经转换电路变换成电压信号，由模数转换器进行转换，转换完成产生采样中断，在中断程序中读取数字量，构成反馈量，在参数给定的情况下，经PID运算产生相应的控制量，最后由系统的“DOUT0”端输出PWM脉冲信号，经驱动电路驱动烤箱（温度范围室温～200℃）或温度单元（温度范围室温～70℃）加热或关断，使温度稳定在给定值。
其中系统定时器定时10ms，一方面作为A/D的定时启动信号，另一方面作为系统的采样基准时钟。
请参照随机软件中的example目录中的ACC6-2-1.ASM。
1．编写程序，再编译，链接。
参考程序名称为：
ACC6-2-1.ASM。
2．按图接线，检查无误后开启设备电源。
3．装载程序，打开专用图形界面，运行程序并观察波形，分析其响应特性。
4．若不满意，改变参数积分分离值IBAND、比例系数KPP、积分系数KII、微分系数KDD的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。
当DOUT0为1时，烤箱或温度单元将停止加热；
当DOUT0为0时，烤箱或温度单元将满功率加热，如果长时间让烤箱或温度单元处于全功率加热状态，可能会导致烤箱或温度单元损坏，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0的排线拔掉或按系统复位键。
实验九现场总线使用实验
1．了解现场总线的基本知识；
2．掌握ROFIBUS的使用方法；
3．掌握硬件及软件的设计方法。
PROFIBUS网络教学实验系统一套
本实验为教学演示实验。
现场总线介绍：
Profibus是一种国际化、开放式异步串行通讯标准，广泛适用于制造业自动化和流程自动化、楼宇、交通、电力等各行各业。
通过PROFIBUS可以方便地实现各种不同厂商的自动化设备及元器件之间的信息交换。
PROFIBUS协议标准由三个兼容部分组成：
PROFIBUS-DP（分布式外设）、PROFIBUS-FHS（现场总线信息规范）、PROFIBUS-PA（过程自动化）。
标准化的现场总线具有“开放”的通讯接口、“透明”通讯协议，允许用户选用不同制造商生产的分散IO装置和现场设备。
现场总线PROFIBUS满足了生产过程现场级数据可存取性的重要要求，一方面它覆盖了传感器执行器领域的通信要求，另一方面又具有单元级领域的所有网络通信功能。
特别在“分散IO”领域，由于大量的、种类齐全的、可连接的现场设备可供选用，因此PROFIBUS已成为事实上的国际公认的标准。
设备的操作规程：
一、系统启动
1.将设备右下角的两个开关灯打在ON的位置（向上）接通主电源。
系统上电后开始自检，当模块上所有的红灯灭掉时，说明系统已自检结束、开始运行（之前应确保CPU315的开关打在Run或Run-P的位置上）。
2.系统启动后，TP27触摸屏的画面上有一个对话框，内容是CPU处于停止状态，点一下此对话框忽略即可。
TP27开始显示的是主画面。
3.在上位机中打开WinCC软件，打开项目文件“ahdx_tcp”或“ahdx_fms”，在工具栏中，单击黑色的箭头图标来运行WinCC项目。
项目完全运行后，显示的画面是主画面。
二、TP27触摸屏操作
1.ET200M分布式I/O
在TP27的主画面中点击按钮“ET200M-远程I/O”，画面切换到“ET200M分布式I/O”，在此画面中通过QB可以以二进制式的方式强制输出，输出的变化可以通过ET200M上的输出模块的指示灯来观察。
另外，当在ET200M上的输入模块上拨动开关时，也可以在IB中观察到输入的变化（0到1，1到0）。
画面中右下角的“返回”按钮用于回到主画面（以下相同）。
2.Profimess电量模块
本项目使用Profimess电量模块测量变频器输出的三相线电压和相电压，因此，首先要将变频器运行起来。
变频器启动后，在主画面中点击“Profimess电量模块”按钮，近日Profimess电量模块画面。
此时，输出框中的数值为变频器输出的三相相电压或线电压（画面右边的指示），按一下“Ph_Ph/Ph_N”按钮，可以进行相电压和线电压的切换显示。
3.SIPARTDR21调节器
SIPARTDR21调节器用于模拟量的闭环控制，本实验系统中利用PLC的SM332模拟量输出模块电流信号作为DR21调节器的输入，而DR21调节器的输出电流信号作为PLCSM331模拟量输入模块的输入信号。
另外，在DR21调节器的扩展槽中有一个DP接口模块，通过它可将参数送到PLC主站。
通过“SP-W”的两个绿色按钮，可以设置调节器的设定值；
通过“OUT-Y”的两个黄色按钮，可以设置调节器的输出值，输出值（电流）送到PLC的模拟量输入模块，再由模拟量输出模块送回到DR21调节器的输入，并从PV-X显示出来。
在主画面中点击“DR21调节器”按钮，进入DR21调节器画面，画面上显示的参数值和实际的DR21调节器面板上显示的完全一致。
4.DP/ASI链路
ASI作为执行器和传感器接口，可以很方便地将现场分散的各种开关、按钮、电磁阀等输入输出设备连接到总线上，并通过DP/ASI链路模块将所有ASI从站的数据传送到PLC主站中。
本系统中有三个ASI从站：
接近开关、3输入/2输出模块和按钮盒。
在触摸屏主画面中，点击“DP/ASI”按钮打开“ASI执行器和传感器接口”画面。
1）用一个金属物靠近接近开关的感应部位，可看到“接近开关”上的矩形框“Add.=1”变为绿色。
2）点击“输入输出”上的按钮“Add.=2”，打开“ASI输入输出模块”画面。
按动ASI输入输出模块上连接的模拟开关，可看到“输入状态”上的相应矩形框变为绿色；
点击“输出操作”上的“位0”和“位1”按钮，可以切换模块的输出状态。
按“返回”按钮可回到“ASI执行器和传感器接口”画面。
3）在“ASI执行器和传感器接口”画
升级会员 