計(jì)控實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書2011

1、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí) 驗(yàn) 指 導(dǎo) 書武漢理工大學(xué)華夏學(xué)院2010.09.20一、目的要求計(jì)算機(jī)控制技術(shù)是自動(dòng)化專業(yè)的專業(yè)課，其主要任務(wù)是使學(xué)生獲得計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的組成、原理、設(shè)計(jì)等基礎(chǔ)知識(shí)和基本應(yīng)用技術(shù)。實(shí)驗(yàn)課是本課程重要的教學(xué)環(huán)節(jié)，其目的是使學(xué)生進(jìn)一步了解和掌握計(jì)算機(jī)控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計(jì)方法以及控制算法的編程實(shí)現(xiàn)，培養(yǎng)學(xué)生獨(dú)立進(jìn)行計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的技能，從而使學(xué)生掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的一般工程設(shè)計(jì)方法，提高應(yīng)用計(jì)算機(jī)的能力及水平。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.實(shí)驗(yàn)類別：專業(yè)實(shí)驗(yàn)2.實(shí)驗(yàn)?zāi)康模和ㄟ^本課程實(shí)驗(yàn)課程的學(xué)習(xí)，使學(xué)生了解如何將計(jì)算機(jī)技術(shù)和自動(dòng)控制理論應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，使學(xué)生既牢固掌

2、握計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的基本方法，使學(xué)生系統(tǒng)地掌握計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、開發(fā)方面的知識(shí)，可根據(jù)要求設(shè)計(jì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)。本實(shí)驗(yàn)課程為學(xué)生解決實(shí)際應(yīng)用中遇到的問題打好基礎(chǔ)。3.實(shí)驗(yàn)主要內(nèi)容：在學(xué)會(huì)使用計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)臺(tái)：EL-AT-III型實(shí)驗(yàn)箱的使用方法后，必須完成以下實(shí)驗(yàn)：實(shí)驗(yàn)一 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)：掌握數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理；熟悉12位D/A轉(zhuǎn)換的方法。實(shí)驗(yàn)二 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)：掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理；熟悉12位A/D轉(zhuǎn)換的方法。實(shí)驗(yàn)三 數(shù)字PID控制實(shí)驗(yàn)：熟悉PID控制方法的控制規(guī)律，研究PID控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響；究采樣周期T對(duì)系統(tǒng)特性的影響；研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。4.

3、實(shí)驗(yàn)類型：驗(yàn)證型5.實(shí)驗(yàn)要求：按實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，做好充分的預(yù)習(xí)準(zhǔn)備，連接實(shí)驗(yàn)線路，直至正確地實(shí)現(xiàn)實(shí)驗(yàn)要求，調(diào)試通過后，寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。6.主要儀器：EL-AT-III型實(shí)驗(yàn)箱、PC計(jì)算機(jī)。實(shí)驗(yàn)一 D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握數(shù)模轉(zhuǎn)換的基本原理。2熟悉12位D/A轉(zhuǎn)換的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過A/D&D/A卡完成12位D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)，在這里采用雙極性模擬量輸出，數(shù)字量輸入范圍為：04095，模擬量輸出范圍為：5V+5V。轉(zhuǎn)換公式如下：Uo= Vref - 2Vref(211K11+210K10+.+2

4、0K0)/ 212Vref=5.0V例如：數(shù)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(shí)驗(yàn)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(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。3測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)

5、行實(shí)驗(yàn)。4在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)一D/A數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn), 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。5在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，在下面的文字框內(nèi)將算出變換后的模擬量， 6. 點(diǎn)擊確定，在顯示窗口觀測(cè)采集到的模擬量。并將測(cè)量結(jié)果填入下表: 數(shù)字量 模擬量 理論值 實(shí)測(cè)值五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1畫出數(shù)字量與模擬量的對(duì)應(yīng)曲線。2計(jì)算出理論值，將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，分析產(chǎn)生誤差的原因。六、預(yù)習(xí)要求1熟悉數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理。2學(xué)習(xí)數(shù)模轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換方法。實(shí)驗(yàn)二 A/D模數(shù)轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握模數(shù)轉(zhuǎn)換的基本原理。2熟悉12位A/D轉(zhuǎn)換的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)

6、2PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容通過A/D&D/A卡完成12位D/A轉(zhuǎn)換的實(shí)驗(yàn)，在這里采用雙極性模擬量輸入，模擬量輸入范圍為：5V+5V，數(shù)字量輸出范圍為：04095。轉(zhuǎn)換公式如下：數(shù)字量=（Vref+模擬量）/2Vref×212 其中Vref是基準(zhǔn)電壓為5V。例如：模擬量=1.0V 則數(shù)字量=（5.0+1.0）/（2×5.0）×212=2457(十進(jìn)制)四、實(shí)驗(yàn)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(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。

7、3.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)二A/D數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn), 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框5.在彈出的參數(shù)窗口中填入想要變換的模擬量，點(diǎn)擊變換，在下面的文字框內(nèi)將算出變換后的數(shù)字量。6.點(diǎn)擊確定，在顯示窗口觀測(cè)采集到的數(shù)字量。并將測(cè)量結(jié)果填入下表:模擬量數(shù)字量理論值實(shí)測(cè)值五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1畫出模擬量與數(shù)字量的對(duì)應(yīng)曲線。 2計(jì)算出理論值，將其與實(shí)驗(yàn)結(jié)果比較，分析產(chǎn)生誤差的原因。六、預(yù)習(xí)要求1熟悉數(shù)模轉(zhuǎn)換的原理。2學(xué)習(xí)數(shù)模轉(zhuǎn)換的轉(zhuǎn)換方法。實(shí)驗(yàn)三 數(shù)字PID控制一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究PID控制器

8、的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響。2研究采樣周期T對(duì)系統(tǒng)特性的影響。3研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如3-1圖。圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)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(huán)系統(tǒng)（被控制對(duì)象）的模擬電路圖如圖3-2和圖3-3，其中圖3-2對(duì)應(yīng)GP1（s）,圖3-3對(duì)應(yīng)Gp2（s）。 圖3-2 開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖1 圖3-3開環(huán)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖23被控對(duì)象GP1（s）為“0型

9、”系統(tǒng)，采用PI控制或PID控制，可使系統(tǒng)變?yōu)椤癐型”系統(tǒng)，被控對(duì)象Gp2（s）為“I型”系統(tǒng)，采用PI控制或PID控制可使系統(tǒng)變成“II型”系統(tǒng)。 4當(dāng)r（t）=1（t）時(shí)（實(shí)際是方波），研究其過渡過程。 5PI調(diào)節(jié)器及PID調(diào)節(jié)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(diào)節(jié)器的增益K=KpKi，因此在改變Ki時(shí)，同時(shí)改變了閉環(huán)增益K，如果不想改變K,則應(yīng)相應(yīng)改變Kp。采用PID調(diào)節(jié)器相同。6“II型”系統(tǒng)要注意穩(wěn)定性。對(duì)于Gp2（s）,若采用PI調(diào)節(jié)器控制，其開環(huán)傳遞函數(shù)為

10、 G（s）=Gc（s）·Gp2（s） =K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）為使用環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足Ti>0.1，即K1<107PID遞推算法 如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)為e（t），其輸送信號(hào)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(shí)驗(yàn)步驟 1.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-2)。電路的輸入U(xiǎn)1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(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。3.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)三數(shù)字PID控制, 鼠標(biāo)單擊鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置窗口。5.輸入?yún)?shù)Kp, Ki, Kd（參考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。6.參數(shù)設(shè)置完成點(diǎn)擊確認(rèn)后觀察響應(yīng)曲線。若不滿意，改變Kp, Ki, Kd的數(shù)值和與其相對(duì)應(yīng)的性能指標(biāo)sp、ts的數(shù)值。7.取滿意的Kp,Ki,Kd值，觀查有無穩(wěn)態(tài)誤差。8.斷開電源，連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖3-3)。電

12、路的輸入U(xiǎn)1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(guān)上。檢查無誤后接通電源。 9.重復(fù)4-7步驟。10.計(jì)算Kp，Ki，Kd取不同的數(shù)值時(shí)對(duì)應(yīng)的sp、ts的數(shù)值，測(cè)量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及時(shí)域性能指標(biāo)，記入表中：實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)%Ts階躍響應(yīng)曲線KpKiKd五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1畫出所做實(shí)驗(yàn)的模擬電路圖。2當(dāng)被控對(duì)象為Gp1（s時(shí)）取過渡過程為最滿意時(shí)的Kp, Ki, Kd,畫出校正后的Bode圖，查出相穩(wěn)定裕量g和穿越頻率wc。 3總結(jié)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(shù)。六、預(yù)習(xí)要求1熟悉PID控制器系統(tǒng)

13、的組成。2熟悉PID控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)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(shù)、采樣點(diǎn)數(shù)Point初始化ek，ek1，ek2，uk畫希望值曲線初始化系統(tǒng)輸出希望值start使硬件被控對(duì)象初始值輸出等于0采集硬件被控對(duì)象的輸出inputf inputf浮點(diǎn)化求ekstartinputfukpek+kiek2+kd(ek-ek1)uk=kpek+kd(ek-ek1)ek1=ek ek2ek2+ek判斷積分分離項(xiàng)判斷uk是否超上下限輸出ukJ+1J<point結(jié)束畫被控對(duì)象第J點(diǎn)輸出inputf實(shí)驗(yàn)四 爐溫控制實(shí)

14、驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1了解溫度控制系統(tǒng)的特點(diǎn)。 2研究采樣周期T對(duì)系統(tǒng)特性的影響。 3研究大時(shí)間常數(shù)系統(tǒng)PID控制器的參數(shù)的整定方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)3爐溫控制實(shí)驗(yàn)對(duì)象一臺(tái)三、爐溫控制的基本原理1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示于圖41。圖41 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp（s）=1/（Ts+1） 2系統(tǒng)的基本工作原理 整個(gè)爐溫控制系統(tǒng)由兩大部分組成，第一部分由計(jì)算機(jī)和A/D&D/A卡組成，主要完成溫度采集、PID運(yùn)算、產(chǎn)生控制可控硅的觸發(fā)脈沖，第二部分由傳感器信號(hào)放大，同步脈沖形成

15、，以及觸發(fā)脈沖放大等組成。爐溫控制的基本原理是：改變可控硅的導(dǎo)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(nèi)變化?？煽毓璧膶?dǎo)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(dǎo)通與閉合的占空比時(shí)間，如果爐溫溫度低于設(shè)定值則可控硅導(dǎo)通，系統(tǒng)加熱，否則系統(tǒng)停止加熱，爐溫自然冷卻到設(shè)定值。 第二部分電路原理圖見附錄一。 3PID遞推算法 ： 如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)為e（t），其輸送信號(hào)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(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1

16、設(shè)定爐子的溫度在一恒定值。 2調(diào)整P、I、D各參數(shù)觀察對(duì)其有何影響。五、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，雙擊桌面“計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)”快捷方式，運(yùn)行軟件。2 測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3 20芯的扁平電纜連接實(shí)驗(yàn)箱和爐溫控制對(duì)象，檢查無誤后，接通實(shí)驗(yàn)箱和爐溫控制的電源。開環(huán)控制4在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)七七、爐溫控制, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Ts和超調(diào)量sp。5 重復(fù)步驟4，改變參數(shù)設(shè)置，觀測(cè)波形的變化，記入下表：

17、性能指標(biāo)占空比階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）閉環(huán)控制6. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)七七、爐溫控制 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，選擇PID，在參數(shù)設(shè)置窗口設(shè)置爐溫控制對(duì)象的給定溫度以及Ki、Kp、Kd值，點(diǎn)擊確認(rèn)在觀察窗口觀測(cè)系統(tǒng)響應(yīng)曲線。測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間Ts和超調(diào)量sp。7.重復(fù)步驟6，改變PID參數(shù)，觀測(cè)波形的變化，記入下表中：性能指標(biāo)參數(shù)階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）KpKiKd六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1記錄過渡過程為最滿意時(shí)的Kp, Ki, Kd并畫出其響應(yīng)曲線。 2分析此情況下的超調(diào)量、響應(yīng)時(shí)間及穩(wěn)態(tài)誤差。3總結(jié)一種對(duì)溫度控制系統(tǒng)有效的選擇Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度獲得滿意的參數(shù)。七、溫度控制軟件流程圖圖中ek為誤差，ek1為上一次