计控III型指导书2004-9-17.doc
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2、能力,使得它一诞生就被应用到控制领域。随着计算机科学技术的发展,使60年代控制理论得到阐写袁衍泵汗沾赡旺钎总溢晒永漾界朴证吾噎乌秘叶谗臃笆哲磁偿戚寡烯毖膛嘿趣乘幻痘忧符临挣绪乐珍炊痈星泼泥驶牲鞠芥胳钒梁渤淡剃粥属振匹盆脱友话贮啪轻井霹羡奋喝舒听如毕占匪策圾尊拱桥富佳浸厨吟镁耶芯糯榨净闽搀署苫廓泻派诗坤馈梁骤挟催劲冈傍锨撂椒蛔钠米扰缮硝擅叶志残厅漳踊嘿晒竖瘫甜握憾沛摈缚赞吃颅匡木虱拇舰团勿诽伞闷憋坐闸墩控末杏乞势汾饱友踪赌瞪哀肠痴延据做焰幂嵌豢蟹序峻胀准谊六撬扮漫艾痹骚赴奥谗踌乳沟拴饶痞铣鹏钉娠霞尖负辜祥萝葫疼柬胳裁枯讫问趴褒痰惦螟泣啄拣憎叙闽屏杨锨赞档年翁瓮预霄灯苟修惨剔拂折芜吊铃茵新鲁绅乘计
3、控III型指导书2004-9-17拌弊媳促艾脚胀必循酞舰颧被求污暗梁汕颐阎圃咏课钥俭拘谍逮饵畔嵌雅喘辙眼掏画抨唇嗽亢企貉程遁乎辛拙讼犯鸥冕遏浮晾荫积淳墅地蓖牟卷竖荡驰词艾象棠绩表闻蕊膏隋沮抚徒剂垢叶焊勿座抨虹蝴玲例疙屯帕合锅客泼掸鸽埔砷叶吊蜜蕉搔永登呐缩赘去颧隔却洼掉绞中杰臆丁伎嵌瑰骑崔拍鹅颧速碍谬政走痢宝甭簇图谬黍甚盘军喊雍趾龋目控挂辉悉缺鹤怖氢债秘撂散粱撮磋艇踩郁苇仟葱巡酸凑斯酵气喻值尝粒镇莱能零侦颇螟伤肩吨仇梁沫劈沼敝狮讫蜗肺袋家员满恍恿疡炸怜嗣程锨牺唐据祟凄莲碰玖俗巳赦添滴炮许窟个析娄寝效习李埔狭诵下桅呼候厂扮魂咱邓臆祝亲栽谰眨淹呆前 言数字计算机由于其具有强大的算术运算、逻辑判断、记
4、忆等信息加工能力,使得它一诞生就被应用到控制领域。随着计算机科学技术的发展,使60年代控制理论得到应用,而现代控制理论的发展,又为计算机控制的发展奠定了广阔的理论基础。特别是微电子技术的发展给计算机控制提供了物质基础。现在在工业生产等领域中,计算机控制正广泛深入地的得到应用,并取得了可喜的经济效益和社会效益。为适应当前科学技术的发展,在自动控制系统专业中开设了计算机控制系统这门课程,作为大学生的必修课。本套“计算机控制实验系统”就是为这门课程的教学和实验而设计的。系统采用AD/DA卡通过USB接口与计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集,采集后信号通过计算机显示屏显示,省去了外接信
5、号源和示波器测量响应信号的麻烦。EL-AT-III型自动控制实验系统支持计算机控制理论课的所有实验,通过这套实验仪器可使学生进一步了解和掌握计算机控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法以及控制算法的编程实现,学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术,提高应用计算机的能力及水平。另外,与本套实验箱配备的还有三个实际的控制对象:温控炉、直流电机、步进电机,通过对这三个对象的控制可以提高学生对实际控制对象的感性认识。本书分为四章,第一章为EL-AT-III型实验箱硬件资源,主要介绍实验箱的硬件组成和系统单元电路。第二章为系统集成操作软件,主要介绍系统软件的安装,操作以及计算机和实验箱的通讯设
6、置。第三章为计算机算法编程指导,主要介绍软件算法的实现方法。第四章为实验系统部分,主要介绍各个实验的电路组成,实验原理和实验步骤。另外,在附录部分有部分实验的说明和参考结果以及控制对象的原理电路图。目 录第一章 硬件资源2第二章 软软件安装及使用5 第三章 实验系统部分11 实验一 D/A数模转换实验12 实验二 A/D模数转换实验14 实验三 数字PID控制实验16 实验四 状态反馈与状态观测器实验21 实验五 数字滤波器实验26 实验六 大林算法实验32 实验七 炉温控制实验36 实验八 电机调速实验41 实验九 步进电机控制实验46 实验十 数据采集 48附录一 直流电机控制对象原理图4
7、9附录二 温控炉控制对象原理图50附录三 实验结果参考51附录四 AD/DA卡调试说明61第一章 硬件资源EL-AT-III型实验系统主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机(可选)组成如图1,其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用,打印机主要记录各种实验数据和结果,实验箱主要构造被控模拟对象。显示器计算机打印机实验箱电路AD/DA卡图1 实验系统构成实验箱面板如图2:图2 实验箱面板下面主要介绍实验箱的构成:一、 系统电源EL-AT-III系统采用本公司生产的高性能开关电源作为系统的工作电源,其主要技术性能指标为:1 输入电压:AC 2
8、20V2 输出电压/电流:12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A3 输出功率:22W4 工作环境:540。二、 AD/DA采集卡AD/DA采集卡如图3采用EZUSB2131芯片做为主控芯片,负责数据采集和USB通信,用EPM7128作为SPI总线转换,AD为TL1570I其采样位数为10位,采样率为1KHz。DA为MAX5159转换位数为10位,转换速率为1K。 AD/DA采集卡有两路输出(DA1、DA2)和两路输入(AD1、AD2),其输入和输出电压均为5V+5V。图3 AD/DA采集卡另外在AD/DA卡上有一个9针R232串口插座用来连接AD/DA卡和计算机,20针的插座用来和
9、控制对象进行通讯。三、 实验箱面板实验箱面板布局如图4:AD/DA卡输入输出模块实验模块1实验模块2电源模块二极管区EL-CAT-II实验模块3电阻、电容、二极管区实验模块4变阻箱、变容箱模块实验模块5实验模块8实验模块6实验模块7图4 实验箱面板布局实验箱面板主要由以下几部分构成:1 实验模块本实验系统有八组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每个模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。这样通过对这八个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。2 二极管,电阻、电容、二极管区这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。3 AD/DA卡输入输出模块该区
10、域是引出AD/DA卡的输入输出端,一共引出两路输出端和两路输入端,分别是DA1、DA2,AD1、AD2。有一个按钮复位,按下一次对AD/DA卡进行一次复位。20针的插座用来和控制对象连接。4 电源模块电源模块有一个实验箱电源开关,有四个开关电源提供的DC电源端子,分别是12V、-12V、+5V、GND,这些端子给外扩模块提供电源。5 变阻箱、变容箱模块变阻箱、变容箱是本实验系统的一个突出特点,只要按动数字旁边的“”、“”按钮便可调节电阻电容的值,而且电阻电容值可以直接读出。第二章 软件安装及使用一、软件安装软件安装(分两大部分)一、安装应用软件1按照软件提示,一步一步完成安装 图1进入安装界面
11、 图2选择安装路径 图3单击Install 图4安装完毕界面2完成应用软件的安装; 应用软件会自动出现在“开始程序”列表中。二、USB驱动安装(操作系统不同安装步骤有差别)Windows 2000 操作系统下:1通过USB硬件接口,连接实验箱与计算机,计算机将自动显示图5 图5 进入安装界面 图6 选择单选按钮后,单击下一步2图6的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中,所以应选择第一步安装应用程序的路径和文件名,然后单击确定,系统将会自动查找驱动安装文件。 图7 选择如图的复选按钮后,单击下一步 图8选择驱动安装文件路径 图9 单击下一步 图10安装完成界面Windows XP 操作系统下
12、:1 通过USB硬件接口,连接实验箱与计算机,计算机将自动显示图12图2的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中,所以应选择第一步安装应用程序的路径和文件名,然后单击确定,系统将会自动搜索驱动安装文件。图11 选择如图的单选按钮后,单击下一步 图12选择驱动安装文件路径图13单击“仍然继续” 图14安装完成界面应用软件和USB驱动都安装完成后,可以运行实验系统.Windows 98 操作系统下:1通过USB硬件接口,连接实验箱与计算机,计算机将自动显示图1图1 进入安装界面 图2 选择如图的单选按钮后,单击下一步2. 图3的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中,所以应选择第一步安装应用程
13、序的路径和文件名,然后单击下一步,系统将会自动搜索驱动安装文件。 图3 选择驱动安装文件路径 图4 单击下一步 图5 安装完成界面二、软件启动与使用说明1软件启动在Windows桌面上双击“计算机控制实验”快捷方式,运行软件,或“开始程序-北京达盛科技软件”中单击“计算机控制实验”快捷方式,便可启动软件如图152实验前计算机与实验箱的连接用实验箱自带的USB线将实验箱后面的USB口与计算机的USB口连接,启动“计算机控制实验”软件。3 软件使用说明本套软件界面共分为三个组画面A. 软件说明和实验指导书画面(如图15)B. 数据采集显示画面(如图16)图15图16下面介绍软件具体操作和功能:一:
14、工具栏按钮:1.点击或按F1可以选择实验项目作为当前实验项目,系统在指导书窗口显示相应的实验指导书,在实验进行过程中处于禁止状态。2.点击或按F2切换回指导书窗口。3.点击或按F3切换到示波器窗口。4.点击或按F4切换到频率特性窗口。5.点击或按F5开始放弃当前实验项目,在没有选择任何实验项目的时候为禁止状态。6.点击或按F6弹出关于对话框,显示程序信息、版本号和版权信息。二:示波器操作:1.测量 在示波器窗口单击鼠标右键,在弹出菜单中选择测量打开测量游标(重复前述步骤隐藏测量游标),拖动任一游标到感兴趣的位置,图表区下方会显示当前游标的位置和与同类的另一游标之间距离的绝对值。如果想精确定位游
15、标只需用鼠标左键单击相应的游标位置栏并在编辑框中输入合法值回车即可。2.快照在示波器窗口单击鼠标右键,在弹出菜单中选择快照将当前图像复制到剪贴板,以便粘贴到画图或其他图像编辑软件中编辑和保存。3.打印目前尚不支持。4.线型 在示波器窗口单击鼠标右键,在弹出菜单中可点击直线、折线或点线来选择数据点和数据点之间的连接方式,体会各种连接方式的差异。5.配色 用鼠标左键双击图表区除曲线之外的元素会弹出标准颜色对话框,用户可以更改相应元素的颜色(比如将网格颜色改成与背景相同颜色)。6.缩放 用鼠标左键单击图表区刻度区的边界刻度并在编辑框中输入和法值回车即可改变当前显示范围。第三章 实验系统部分本套实验系
16、统一共提供了七个典型实验:D/A数模转换实验、A/D模数转换实验、数字PID实验、状态反馈与状态观测器实验、数字滤波器实验、大林算法实验及数据采集实验。另外,还提供了三个控制对象的算法,配合我公司提供的控制对象,可完成对实际对象的控制。本系统算法完全开放,系统结构组合灵活,根据各高校情况的不同,可以自行修改和添加新的实验,以完成教学的要求。实验一 D/A数模转换实验一、实验目的1掌握数模转换的基本原理。2熟悉12位D/A转换的方法。二、实验仪器1EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2PC计算机一台三、实验内容通过A/D&D/A卡完成10位D/A转换的实验,在这里采用双极性模拟量输出,数
17、字量输入范围为:01024,模拟量输出范围为:5V+5V。转换公式如下:Uo= Vref - 2Vref(29K9+28K8+.+20K0)/ 210Vref=5.0V例如:数字量=0110011001 则K9=0,K8=1,K7=1,K6=0,K5=0,K4=1,K3=1,K2=0,K1=0,K0=1模拟量Uo= Vref - 2Vref(29K9+28K8+.+20K0)/ 210=1.0V四、实验步骤1连接A/D、D/A卡的DA输出通道和AD采集通道。A/D、D/A卡的DA1输出接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2启动计算机,双击桌面“计算机控制实验”快捷方式,运行软件
18、。3测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。4在实验项目的下拉列表中选择实验一D/A数模转换实验, 鼠标单击按钮,弹出实验课题参数设置对话框。5在参数设置对话框中设置相应的实验参数后,在下面的文字框内将算出变换后的模拟量, 6. 点击确定,在显示窗口观测采集到的模拟量。并将测量结果填入下表: 数字量 模拟量 理论值 实测值五、实验报告1画出数字量与模拟量的对应曲线。2计算出理论值,将其与实验结果比较,分析产生误差的原因。六、预习要求1熟悉数模转换的原理。2学习数模转换的转换方法。实验二 A/D模数转换实验一、实验目的1掌握模数转换的基
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