《计算机控制技术》实验指导书完成稿Word文档下载推荐.docx

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（1）了解DVCC计算机控制技术实验仪结构。

（2）了解和掌握各典型环节的传递函数及模拟电路图。

（3）观察和分析各典型环节的响应曲线。

实验三模/数转换实验（验证性试验）

（1）了解A/D芯片ADC0809转换性能及编程。

（2）编制程序通过0809采样输入电压并转换成数字量。

实验四数/模转换实验（验证性试验）

（1）掌握DAC0832芯片的性能、使用方法及对应的硬件电路。

（2）编写程序控制D/A输出的波形，使其输出周期性的三角波。

实验五数字PID控制实验（验证性试验）

（1）学习、了解PID控制器的组成原理。

（2）掌握PID控制器的工作过程。

（3）学会用临界比例算法计算PID三参数。

实验六直流电机闭环调速实验（综合性试验/必做）

（1）巩固闭环控制系统的基本概念。

（2）了解闭环控制系统中反馈量的引入方法。

（3）编写程序，实现直流电机闭环调速，使速度稳定在某一给定值上。

实验七温度闭环控制实验（综合性试验）

（2）掌握温度的一种采集方法。

进一步熟悉运算器的数据传送通路。

（3）编写程序，实现温度闭环控制，使温度稳定在某一给定值上。

。

实验八步进电机调速实验（综合性试验/必做）

（1）编制程序，控制步进电动机的运转速度。

（2）编制程序，控制步进电动机的旋转方向。

根据实验大纲要求，本门课程安排六个实验，其中实验一、实验二、实验六、实验八为必做实验，另二个实验由实验指导教师从本指导书的其余四个实验中选取。

通过这6个实验，使学生加深对PLC控制、典型控制系统、模数/数模转换、闭环控制系统的工作原理的理解。

目录

实验一：

PLC控制实验1

实验二：

典型环节的模拟研究3

实验三：

模/数转换实验5

实验四：

数/模转换实验7

实验五：

数字PID控制实验9

实验六：

直流电机闭环调速实验11

实验七：

温度闭环控制实验13

实验八：

步进电机调速实验15

PLC控制实验

实验学时：

2

实验类型：

验证

实验要求：

必修

一、实验目的

二、实验内容

编写梯形图，使彩灯闪烁，其闪烁间隔为0.5秒。

三、仪器、设备和材料

微机、三菱FXGP、三菱仿真软件FX-TRN

四、实验原理

如图（a）所示，X0为输入继电器，Y0为输出继电器，T0、T1为定时器。

当接上电源并按下按钮X0（X0是自锁按钮）后，定时器T0工作，定时时间（由K5确定）0.5S到后，使常开触点T0闭合，使Y0工作（彩灯点亮）并接通T1开始定时，T1工作0.5S后T1的常闭触点打开，使T0、T1复位，Y0复位（彩灯熄灭），并使T0常开触点打开，T1常闭触点闭合，由此开始新一轮循环，使彩灯Y0闪烁，其闪烁间隔为0.5秒，Y0的输出波形见图（c）。

图（b）所示方法2原理图请同学们自己分析。

五、实验步骤

1、在三菱FXGP中编程并画出梯形图

2、在三菱仿真软件FX-TRN中进行仿真

3、观察仿真结果

六、实验结果分析

可以观察到彩灯闪烁发光，时间间隔通过定时器T0、T1延时实现。

梯形图中常开触点T0闭合，输出继电器Y0为1使彩灯点亮；

常开触点T0断开，输出继电器Y0为0使彩灯熄灭。

七、思考题

1、如要彩灯闪烁时间调整为2S，如何修改梯形图？

2、如果用两个彩灯来循环点亮，梯形图应该如何编写？

典型环节的模拟研究

搭建比例（P）、比例积分（PI）、比例积分微分（PID）等典型环节的电路模型，输入0~5V的阶跃信号，并用示波器观察并分析各典型环节的响应曲线。

DVCC计算机控制实验箱一台、微机一台、示波器一台、

1．观察比例环节的阶跃响应曲线

该环节用A和C单元构建；

在A单元中分别选取R1=100K和R1=200K的反馈阻值。

2、观察比例积分环节的阶跃响应曲线

该环节用B，D单元构建；

在B或D单元中分别选取C=1uf和C=2uf的反馈值.。

3、观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线

在B或D单元中分别选取R1=10K和R1=20K的反馈阻值。

改变PID参数，观察并分析各典型环节的响应曲线。

七、其它说明

在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。

如果选用虚拟示波器，只要运行WAVE程序即可，WAVE程序的详细使用说明见WAVE软件的帮助文本。

模/数转换实验

选修

了解A/D芯片ADC0809转换性能及编程。

编制程序通过0809采样输入电压并转换成数字量。

DVCC计算机控制实验箱一台、微机一台、万用表一个。

A/D转换器大致有三类：

一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；

二是逐次逼近法A/D转换器，精度，速度，价格适中；

三是并行A/D转换器，速度快，价格也昂贵。

实验用的ADC0809是逐次逼近法的八位A/D转换器，典型采样时间需100us。

编程中应该保证A/D转换的完成，这可以在程序中插入适当延时代码或监视EOC信号的电平来实现。

后一种方式尤其适合采用中断处理。

（1）搭接输入信号：

I单元中的电位器右边用‘短路套’短接GND，左边用‘短路套’短接VF+5V，在I单元中的电位器中心KV测孔可得到0V~+5V可调信号输出。

（2）I单元电位器的中心KV测孔连线到模/数转换器Q单元的IN0。

（3）运行示例程序DV2。

由I单元提供0V～+5V信号输出，经模/数转换器Q单元中ADC0809的模拟输入IN0通道采样，采样值送到从07000开始的存贮器单元贮存。

（4）观测运行结果：

在运行程序DV2数秒后，按实验机的复位键，此时程序运行结束，然后再让实验机进入通信状态，在存储器窗口内读出0000：

7000H存贮器单元中内容来观察实际采样转换结果贮存实验结果。

输入模拟电压A（V）

观察A/D转换数字量D

理论A/D转换数字D

0V

5V

2V

数/模转换实验

掌握DAC0832芯片的性能、使用方法及对应的硬件电路。

编写程序控制D/A输出的波形，使其输出周期性的三角波。

DVCC计算机控制实验箱一台、微机一台、示波器一台。

产生三角波由数字量的增减来控制，三角波分两段来产生。

数/模转换器（P）单元DAC0832的片选CS在实验机内部已固定为00H。

1、运行程序

2、观测实验结果，只要运行WAVE程序即可，WAVE程序的详细使用说明见WAVE软件的帮助文本。

注：

在观察中，如用户按了实验板上的“RST”键，则必须重复上述过程，才可继续观察。

观察实验结果是否是三角波，并分析产生三角波的原理。

数字PID控制实验

由A、B、C、D、J、P和Q单元构建如图1所示数字PID控制实验电路，运行程序DV5，用示波器观察输出，根据临界比例算法计算PID三参数。

PID控制规律为：

其中E（t）为控制器输入，U（t）为控制器输出。

用矩阵法算积分，用向后差分代替微分，采样周期为T，则数字PID有二种形式，分别是位置式和增量式。

1、位置式：

其表达式为：

位置式控制算法提供执行机构的位置Uk，需要用到过去的累计误差，一般用于以可控硅或伺服电机作执行器件的控制系统中

2、增量式：

其表达式为

增量式控制算法提供执行机构的增量△uk，只需要保持现时以前3个时刻的偏差值即可，一般用在步进电机或多圈电位器作执行器件的控制系统中

PID系数不可过小，因为这会使计算机控制输出也较小，从而使系统量化误差变大，甚至有时控制器根本无输出而形成死区。

这时可将模拟电路开环增益适当减小，而使PID系数变大。

（1）搭接模拟信号：

信号发生器U单元的输出B4OUT作为系统输入R。

该单元的KD1置‘阶跃’档（最左端），KD2置‘0.2-6S’档，用‘短路套’将‘TB41’、‘TD2’短接，调节调幅电位器使B4OUT输出电压为3.5V，调节调频电位器使B4OUT输出周期约为5S。

（2）A单元中的TA11和TA113用“短路套”短接，B单元中的TA26和TA213用“短路套”短接，C单元中的TA36、TA38和TA310用“短路套”短接，D单元中的TA44、TA49和TA414用“短路套”短接；

把U模块的B4OUT测孔连线到A的1H1测孔，A单元的AOUT1测孔连线到B单元的1H2测孔，把B单元的AOUT2测孔连线到Q单元的IN7测孔，把P单元的OUT2测孔连线到C单元的1H3测孔，把C单元的AOUT3测孔连线到D单元的1H4测孔，D单元的F4测孔连线到B单元的1IN2测孔上。

把J单元中的电位器WHA52连线到D单元的1IN4和AOUT4测孔上，电位器WHA52的阻值调到300K。

（3）根据临界比例算法计算PID三参数。

运行程序DV5，用示波器观察输出C，如果现象不明显则可以调节最后一个330K电位器和U中的调频调幅，记录MP,ts,PID参数。

六、实验结果分析

直流电机闭环调速实验

综合

（3）掌握PID算法数字化的方法和编程。

编写程序，实现直流电机闭环调速，使速度稳定在某一给定值上。

0832输出OUT2为-5V～0V～+5V模拟电压，即分别对应于直流电机的反转最高速/停止/

正转最高速。

1．实验连线：

将L单元的F测孔与IRQ6测孔相连，将TCOUT2（S区）和IRQ7相连，L单元DMOT插座用4芯线对应连机电小平台的DMOT插座。

DAC0832的片选CS在实验机内部已固定为00H。

2．先设置控制参数，再运行程序DV81，观测结果。

如果选用虚拟示波器观察实验结果，只要运行WAVE程序即可，WAVE程序的详细使用说明见WAVE软件的帮助文本。

调节控制参数，运行程序，观察并分析直流电机速度控制过程。

1、本系统是什么性质的反馈（正反馈还是负反馈）？

2、反馈是如何引入闭环控制系统的？

温度闭环控制实验

编写程序，实现温度闭环控制，使温度稳定在某一给定值上。

DVCC计算机控制实验箱一台、微机一台、示波器一台、加热机构和温度传感器。

将M单元的VT与Q单元的IN0，将TCOUT2（S区）和IRQ6相连。

74LS273

的片选地址为70H。

热电耦的输出连M单元的JC31，电热杯的220V交流电源线插入实验箱左边插座中。

实验电路有关原理图如图7-2所示。

2．设置控制参数，再运行程序DV82，即可实现温度控制

注意：

由于采用自然散热所以需要时间偏长。

调节控制参数，运行程序，观察并分析控制温度稳定过程。

1、环境温度对温度控制过程有没有影响？

它是否影响系统达到设定温度所需的时间？

步进电机调速实验

1、掌握步进电动机控制系统的硬件设计方法。

2．掌握步进电动机速度调节、方向控制技术。

3．进一步学习编制步进电动机驱动程序的软件设计方法。

编制程序，控制步进电动机的运转速度和旋转方向。

DVCC计算机控制实验箱一台、微机一台。

步进电动机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动、反转和制动的执行元件。

其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移。

步进电动机的运转是由电脉冲信号控制的，步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进/倒退一步。

步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电动机为一个数字/角度转换器。

当某一相绕阻通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。

四相步进电动机又分为四相单四拍、四相双四拍、四相八拍等工作方式。

1．运行速度的控制

从图8-2可以看出，当改变电脉冲的周期，ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生变化，这就导致通电和断电的变化率发生变化，使电机转速改变，所以调节电脉冲的周期就可以控制步进电机的运转速度。

2．运转方向的控制

从图3-3-1仍可看出，步进电机以四相单四拍方式工作时，按A→B→C→D→A次序通电时，为正转；

如按A→D→C→B→A次序通电时，为反转。

其它工作方式下的方向控制原理相同。

1．实验连线，将O模块中的BJDJ插座用5芯电缆线连到机电小平台BJDJ插座。

步进电机驱动电路原理如下图所示，其中采用一片74LS273（8位D触发器）的低4位输出Q0-Q3来锁存步进码值;

一片ULN2003AN（7位OC门驱动器）来驱动步进电机。

同时驱动四只LED发光管显示各相状态。

74LS273的片选地址为070H

2．设置控制参数后再运行程序DV83，即可控制步进电机的运行。

1、如何编写程序改变步进电机的速度和方向？