三峡大学计算机控制技术实验指导书Word格式.docx
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七、拆线前要先断电源。
实验报告要求
一、实验前,要写预习报告,内容有:
实验目的,原理,实验电路,使用仪器的名称,记录的内容(列表),必要的计算,注意事项等。
二、实验后,写实验报告,内容有:
在预习报告的基础上,将所测数据填表,有的需要画出实验曲线。
理论验证与分析,误差分析,回答思考题等。
三、实验报告要独立完成,不要互相抄袭,图要正规,记录要清晰,字迹要工整。
实验一PCL-818L-B数据采集与转换实验
一实验目的
1.掌握计算机数据采集、数据转换原理。
2.按要求完成A/D、D/A转换实验。
二实验电路及原理说明
1实验原理简介
本实验中的A/D、D/A转换均由插在主机箱内的PCL-818L-B数据采集卡完成。
在信号连接上,每一块数据采集卡上都设置有一个功能开关和五个跳线设置。
通过功能开关可以设置基地址。
通过跳线可以改变输入输出电压的幅值范围。
数据采集卡与外部设备、信号的连接通过实验接线板实现。
主机、数据采集卡、实验板连线原理图如图1-1所示。
图1-1数据采集卡与接线板之连线图
2实验板端子如图1-2所示,端子说明如下:
ADL0-7:
八路模拟差分输入“-”端
ADH0-7:
八路模拟差分输入“+”端
AGDND:
模拟地
DGND:
数字地
DIN0-DIN15:
16路数字量输入端
DO0-DO15:
16路数字量输出端
图1-2实验接线板端子图
三
实验设备
1.PCL-818L-B数据采集卡一块
2.实验接线板一块
3.WD-5稳压电源一个
4.万用表一只
四实验内容及步骤
1.启动devicemanagerv2.0.1,屏幕将显示图1-3所示画面,选择
000:
PCL-818LI/O=300H
2.按下setup按钮,屏幕将弹出选项卡如图1-4所示。
各主要选项选择如下:
BoardType:
PCL-818L
A/DChannelsConfiguration:
8Differential
选好各选项后,按下OK按钮。
3.在devicemanagerv2.0.1窗口中,按下test按钮,将会弹出AdvantechDeviceTest-PCL-818LI/O=300H窗口,该窗口即为本实验的测试窗口,如图1-5所示。
4.选择AnalogInput,从实验接线板的模拟输入任选一通道加入模拟电压信号(5v),开始A/D转换实验。
接线时注意,其他模拟输入要置零。
记录通道号及数据。
5.换一通道,重复步骤4。
图1-3DeviceManagerV2.0.1主界面窗口
图1-4Setup界面窗口
图1-5Test界面窗口
6.选择DigitalInput选项卡,取一导线,将实验接线板的DIN0到DIN15依次对地短接观察红绿灯的变化情况。
DIN0到DIN15悬空时默认为高电平。
记录实验过程及结果。
7.选择DigitalOnput选项卡,数据采集卡数字量输出为16位,将0位置1,用万用表测量实验接线板上相应的数字量输出的电压。
记录实验结果。
8.另外任选两位,重复步骤7。
9.关闭devicemanagerv2.0.1。
启动Labview。
找到Advantech实例,打开并运行步骤1-8中相应的实例,初步了解熟悉labview。
五思考题
1PCL-818L-B数据采集卡的功能及作用。
2差分输入与单端输入方式的区别与各自优点。
六实验报告
1以表格形式记录实验过程及实验数据。
2写出实验心得及体会。
实验二温度测量元件特性曲线测定
1了解热敏电阻工作原理。
2掌握热电阻测温元件的输出特性。
3对热电阻的输出特性进行线性化处理。
二实验原理及说明
在目前广泛使用的温度传感器有热电偶、热敏电阻等器件。
本实验所用加热炉是采用热敏电阻作为感温器件。
热敏电阻感受温度变化后,它的电阻值将会发生改变,从而引起电压的变化。
我们所测量的实际是电压值,而要得到温度值,还需要知道电压值与温度值之间的对应关系来做一个转换。
这个电压值与温度值之间的对应关系需要我们通过实验测得。
4.温度计一支
5.加热炉一台
1.将温度计插入加热炉,预备读取加热炉内空气的温度值。
2.接线:
(1)数据采集卡(已安装在电脑里)、接线板、加热炉之间的接线如图2-1所示。
(2)将接线板上的+5V、-12V、+12V、GND分别接至稳压电源的相应端子,以给加热炉内部电路提供低压电源。
实验接线板端子如图2-2所示。
(3)将接线板上的模拟地AGND、数字地DGND、电源地GND短接共地。
(4)在接线板上选择一个差分通道作为输入通道,比如通道7,将其低端ADL7接地,高端ADH7接WENDO接线柱。
(5)将接线板CONTROL端子接低电平。
图2-1数据采集卡、接线板、加热炉之间的接线图
图2-2实验接线板端子图
3.启动devicemanagerv2.0.1,屏幕将显示图2-3画面,选择PCL-818LI/O=300H。
4.按下setup按钮,屏幕将弹出选项卡如图2-4所示。
5.在devicemanagerv2.0.1窗口中,按下test按钮,将会弹出AdvantechDeviceTest-PCL-818LI/O=300H窗口,该窗口即为本实验的测试窗口,如图2-5所示。
图2-3DeviceManagerV2.0.1主界面
图2-4Setup界面窗口
6.选择AnalogInput准备读取通道7的电压值。
7.打开电源,加热炉开始加热,记录温度计所示温度值和所对应的电压值。
8.根据测得的温度、电压对应值,绘制温度、电压关系曲线。
9.用分段线性化的方法给出温度、电压关系式。
图2-5Test界面窗口
1.同学之间比较所测的温度、电压关系曲线,关系式,看看是不是相同,如果不同,想想为什么。
2.根据你所测得得温度、电压关系式,考虑在什么温度范围内才能得到较高的精度。
1.记录实验过程中的原始数据。
2.绘制温度、电压关系曲线。
3.推导温度、电压关系式。
实验三实验法确定温控炉的数学模型
掌握用实验确定一阶系统数学模型的方法,建立温控炉的数学模型,为后面的自动控制系统实验作准备。
1数学模型的获取方法
为了设计使系统获得较好的性能指标的数字控制器,首先要了解被控对象的特性,并用以作为设计自动控制系统的依据。
根据所用的设计方法不同,测量内容也有所不同。
若采用PID调节规律,那就要知道传递函数(包括它的各个参数),对于一些常用的确定性系统,我们可以利用动特性(飞升曲线)来识别传递函数。
具体做法是将所测得的飞升曲线和几种标准传递函数的飞升曲线进行比较,并确定该对象属于哪一种典型的传递函数,然后再由飞升曲线中求出这一类传递函数中所有的参数。
2对象模型的归纳
在生产过程中有各种各样需要进行调节的对象,表面上看来性能很不同,但是在归结成微分方程或传递函数后却常常会表现出它们之间的共同之处,即方程形式完全相同,所差的仅是参数和输入输出的信号,据此可以将对象的模型作一归纳。
设对象的输入信号为r(t),输出信号为c(t),他们对应的象函数为R(S)和C(S),它的传递函数为
。
根据描述对象特性所需微分方程的阶数不同,对象可分为一阶或二阶。
至于阶数高于二阶的,由于试验计算中,分析参数有困难而用纯滞后的一或二阶方程来近似代替。
因此实际中对象模型的基本形式常取如下几种:
(1)一阶对象
一阶惯性环节(见图3-1),其传递函数为
其中T为对象的时间常数,K为对象的放大倍数。
加入阶跃信号
其响应的象函数为
则其时域表达式c(t)为:
由此可见,一阶惯性环节对阶跃信号的响应曲线为图3-2所示曲线。
图3-1一阶惯性环节方框图
t
图3-2飞升曲线之一
从响应曲线可以得到温控炉模型的两个参数K及T。
一阶惯性环节的数学模型可确定。
(2)纯滞后的一阶对象
这种对象的传递函数为
式中K---放大系数
T---对象时间常数
---对象纯滞后时间
它的飞升曲线如图3-3所示。
它与图3-2唯一的区别在于起始有一段纯滞后时间
除了上述两种基本形式外,还有二阶对象,带纯滞后的二阶对象以及其他一些形式,由于电阻炉一般都属于一阶对象和带纯滞后的一阶对象,所以在此只列出这两种基本形式。
3飞升曲线的测量
在实际测量对象的飞升曲线时一般均只能在较窄的动态范围内进行。
因为输入阶跃信号若从零开始常会有很大的非线性。
但阶跃信号也不能取得过小,否则干扰对测量结果误差的影响就会相对增加。
图3-4为试验的示意框图。
在稳定控制信号作用下系统有一个稳定的输出,然后突然在输入端加一幅度适于阶跃控制信号Cs(t),输出对应也有一个变化部分,此即为输出的飞升曲线图3-5(a)。
当然它所对应的输入也就是这个突然附加的阶跃信号。
图3-4加热炉对象特性实验示意图
由图3-5(a)中的曲线bc减去
即得对象的飞升曲线。
若将飞升曲线单独画出,即为图3-2所示之飞升曲线。
控制信号
(a)(b)
图3-5附加阶跃信号及响应
利用上述方法可以测得电阻炉的飞升曲线如图3-3所示。
一阶对象参数的求取:
对于一阶对象的放大倍数K,可由输出稳态值和输入阶跃信号幅值的比值求得。
输出从起始值到达稳态值的0.632倍的时间即为对象时间常数T。
而对象滞后时间
可直接从图中测量。
实测的飞升曲线起始部分往往有弯曲,不易找到确切的位置来确定滞后时间,这时可用一阶加纯滞后的虚线曲线来迫近,使后面大部分重合,而起始部分则可定出一个等效的滞后时间
,如图3-6(a),这时我们可在曲线斜率的转折点(即拐点)A处作一切线,如图3-6(b),与时间轴的交点认为是一阶的起点,即纯滞后时间
,而切线与稳态值的交点时间应为
+T。
这样就求出了一阶对象的三个参数K/T/
三实验设备
1温控炉一台
2实验板一块
3万用表一块
4PCL-818L-B数据采集卡一片.
5导线若干
6WD-5稳压电源一台
图3-7数据采集卡、接线板、加热炉接线图
1如图3-7所示将数据采集卡/实验板/温控炉三个设备连接好。
2在实验板上用若干导线将AGND,DGND,GND短接,实现实验板上的共地连接。
实验接线板端子分步如图3-8所示。
3用四根导线将实验板上的+12V/-12V/+5V/GND四个端子连接到WD-5稳压电源相应的端子上。
4(注意:
电源开关应打在OFF位置上)在实验板上找到control端子(温控炉控制信号输入),用导线将其与实验板上的DO0连接(DO0-15为计算机数字信号输出端子,本实验采用DO0作为温控炉的控制信号输出端)。
5在实验板上用导线将wendu端子与ADH5连接,ADL5接地。
图3-8实验接线板端子图
6双击桌面上的jianmo.vi图标,启动加热炉恒温控制系统。
系统界面如图3-9所示。
图3-9加热炉温控系统界面
7在控制窗口中将模拟输入通道指定为5,控制输出端口指定为0,给定温度指定为40度。
8
参数指定完毕后运行该程序(点击工具栏中的图标即可运行程序),程序运行后会弹出数据文件保存路径的对话框,在对话框中添好文件名,选择好路径后确定。
9将WD-5稳压电源开关打到ON位置,开始温控炉的加温过程。
在加温过程中,可见加热指示灯闪动,当指示灯变亮时,计算机输出低电平到实验板,电炉中加热石英管接通电源,对炉子进行加热;
当指示灯变暗时,计算机输出高电平到实验板,电炉中加热石英管断开电源。
观察控制脉冲以及温度实时变化曲线。
10当温度实时曲线不再上升时,加温过程结束。
整个加温过程大约持续12-20分钟后进入稳定状态,当确定温度不再上升时,点击显示屏控制窗口的停止按钮,这是整个升温过程将在温度历史曲线窗口上显示出来,记录该曲线。
实测开环加热炉温度上升曲线如图3-10所示。
11改变控制信号输出端口和模拟信号输入端口,重复步骤6-10(步骤1-3不变,步骤4时选择控制信号输出可从DO1-15任选,步骤5时模拟信号输入端也可从八路模拟输入端任选,在步骤7时注意将端口号改到相应值)。
图3-10实测之加热炉温度上升曲线
五实验报告
1实验所得升温曲线。
2利用实验测得的升温曲线,说明如何得到该温控炉的数学模型,并确定数学模型的具体参数值。
3写出本次实验心得及体会。
实验四温控炉的PID恒温控制实验
1.熟悉并了解温控炉的计算机控制原理。
2.理解比例、积分、微分控制的作用。
3.掌握用PID算法实现恒温控制的方法。
在工农业生产或科学试验中,温度是极为普遍又极为重要的热工参数之一。
为了保证生产过程正常安全地进行,提高产品地质量和数量,以及减轻工人地劳动强度,节约能源,对加热用的电炉要求在一定条件下保持恒温,不能随电源波动或炉内物体变化等等,因此,要求对炉温进行实时检测及控制。
电阻炉炉温的控制,根据工艺要求不同而有所变化,大体上可归纳为以下几个过程:
1.自由升温阶段,即根据电阻炉自身的条件,不对升温速度进行控制的升温过程。
2.恒速升温阶段,即要求升温速度按某一斜率进行的升温过程。
3.保温段,即要求在某一过程中炉温基本维持不变。
4.恒速降温阶段,即要求降温速度按某一斜率进行的降温过程。
5.自由降温段,即根据电炉自身的条件,不对降温速度进行控制的降温过程。
加热炉炉温自动控制系统元件方块图如图4-1所示。
计算机内部的PCL-818L型数据采集卡通过实验接线板和温控炉连接。
温控炉内部电路图如图4-2所示。
图4-1数据采集卡、接线板、温控炉接线图
图4-2加热炉内部控制电路
控制过程如下:
计算机定时(本实验采样时间为500mS)对炉温进行测量和控制,炉内温度由一半导体热电阻进行测量,测量信号经变换放大后输出到数据采集卡,转换成相应的数字量后,再送入计算机进行运算和判别,由计算机输出一个控制信号,控制加热炉电源的接通时间,从而控制电炉的电功率。
控制系统方框图见图4-3。
图4-3恒温控制系统方框图
当设定温控炉的温度后,热电阻温度检测元件检测出来的温度信号被送到计算机内与设定值进行比较,得到偏差信号,再对此偏差信号进行PID运算后输出一个控制信号,通过该控制信号改变数字输出信号(方波信号)的占空比。
计算机输出的信号经实验板的DO(计算机数字输出端)接入温控炉的CONTROLINPUT端子(如图4-4所示),当计算机将此端子输出置低电平时,BT137导通,电炉进行加热。
从温控炉内部电路图(图4-2)可以看出,当改变计算机输出到CONTROLINPUT端子的信号的占空比时,炉子的电功率也就随之改变。
3PCL-818L数据采集卡一片
4导线若干
5WD-5稳压电源一台
6温度测量与控制软件一套
1如图4-1所示。
将数据采集卡/实验板/温控炉三个设备连接好。
2在接线板上用若干导线将AGND,DGND,GND短接,实现实验板上的共地连接。
接线板端子如图4-4所示。
4(注意:
电源开关应打在OFF位置上)在实验板上找到control端子(温控炉控制信号输入),用导线将其与实验板上的DO0连接.(DO0-15为计算机数字信号输出端子,本实验采用DO0作为温控炉的控制信号输出端。
图4-4实验接线板端子图
6双击桌面上的wd.vi图标,启动加热炉恒温控制系统。
系统主界面如图4-5所示。
8在PID参数栏中分别填写比例系数Kp,积分常数Ki,微分常数Kd。
9
保存下来的数据可以作为其它软件如Matlab分析时用。
10将WD-5稳压电源开关打到ON位置,开始温控炉的加温过程。
当指示灯变暗时,计算机输出高电平到实验板,电炉中加热石英管断开电源,停止加热。
图4-5加热炉恒温控制系统主界面
11当温度实时曲线不再上升时,加温过程结束。
整个加温过程大约持续12-20分钟后进入稳定状态。
当确定温度不再上升时,点击显示屏控制窗口的停止按钮,这是整个升温过程将在温度历史曲线窗口上显示出来,观察该曲线,看其是否理想,并记录该曲线。
12改变PID参数设置,重复步骤7-10。
(步骤1-3不变,步骤4选择控制信号输出可从DO1-15任选。
步骤5模拟信号输入端也可从八路模拟输入端任选,在步骤7时注意将端口号该到相应值)。
直到得到比较理想的温度曲线。
1.比例、积分、微分控制的作用分别是什么?
2.实验所得温度响应曲线与理想曲线之间有没有差别?
如果有,想想为什么?
1.采用PID控制后的温度响应数据和曲线。
2.分析所得温度响应的相关性能指标。
参考文献
1Advantech公司,PCL-818系列数据采集卡用户手册,2004年
2石博强等编著,Labview6.1编程技术实用教程,中国铁道出版社,2002年第一版
3于海生等编著,微型计算机控制技术,清华大学出版社,1999年第一版
班级学号
学生姓名
评分
实验名称
实验目的
实验过程
实验报告
实验原始记录
实验分析及结论
提出对实验的合理建议
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