工业计算机实验报告.docx

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工业计算机实验报告

实验一A/D、D/A转换实验

一、实验目的

1.了解温控系统的组成。

2.了解NI测量及自动化浏览器的使用并对数据采集卡进行设置。

3.了解Dasylab软件的各项功能，并会简单的应用。

4.通过实验了解计算机是如何进行数据采集、控制的。

二、实验设备

微型计算机、NIUSB6008数据采集卡、温度控制仪、温箱。

三、实验内容

1．了解温度控制系统的组成。

2．仔细观察老师对数据采集卡输入输出任务建立的过程及设置还有dasylab基本功能的演示。

3．仔细阅读dasylab相关文档，学习帮助文件tutorial了解其基本使用方法。

4．动手实践，打开范例，仔细揣摩，并独立完成数据采集卡输入输出任务的建立并建立并运行单独的AD及DA系统，完成之后，按照自己的需要及兴趣搭建几个简单的系统运行。

四、温控系统的组成

计算机温度控制系统由温度控制仪与计算机、数据采集卡一起构成，被控对象为温箱,温箱内装有电阻加热丝构成的电炉，还有模拟温度传感器AD590。

系统框图如图1-1所示：

五、温控仪基本工作原理

温度控制仪由信号转换电路、电压放大电路、可控硅移相触发器及可控硅加热电路组成。

被控制的加热炉允许温度变化范围为0～100℃.集成电路温度传感器AD590（AD590温度传感器输出电流与绝对温度成正比关系,灵敏度为1uA/K）.将炉温的变化转换为电流的变化送入信号转换、电压放大电路.信号转换电路将AD590送来的电流信号转换为电压信号,然后经精密运算放大器放大、滤波后变为0～5V的标准电压信号，一路送给炉温指示仪表,直接显示炉温值。

另一路送给微机接口电路供计算机采样.计算机通过插在计算机USB总线接口上的NIUSB600812位数据采集卡将传感器送来的0～5V测量信号转换成0～FFFH的12位数字量信号,经与给定值比较,求出偏差值,然后对偏差值进行控制运算,得到控制温度变化的输出量,再经过NIUSB6008将该数字输出量经12位D/A转换器变为0～5V的模拟电压信号送入可控硅移相触发器,触发器输出相应控制角的触发脉冲给可控硅,控制可控硅的导通与关断,从而达到控制炉温的目的。

六、思考题

1.数据采集系统差分输入与单端输入有些什么区别？

各有什么优缺点？

单端输入：

输入信号以共同的地线为基准，判断信号与GND的电压差。

优点：

连接较短，所有输入信号与信号源共地

缺点：

抗干扰能力差

差分输入：

判断两个信号线的电压差，每个输入信号都有自己的基准地线。

优点：

可以有效抑制共模干扰信号，提高采集精度

缺点：

接线较单端复杂

2.dasylab相对于ni其他软件有什么优缺点？

Dasylab都是用一些功能模块来建立系统，模块间用“导线”连接，相对于NI其他软件而言编程更方便，效率更高，功能更直观，图形化的界面，无需繁琐的编程工作，满足非专业编程人员的测试需要，通过多种功能模块的搭建可方便完成数据采集、显示、存储、分析、统计、运算、控制、触发等各种功能

3.利用你的发散思维，罗列出dasylab的应用场合，越多越好。

利用Dasylab可以应用于各种工业控制场合进行控制系统的搭建、测试，如温度控制，液面控制，压力控制，流量控制等。

4.给出一个你心目中dasylab的理想应用，用简单的dasylab模块画出来并辅以简洁的说明。

利用Dasylab设计一游泳池温度液面高度控制系统

模块如图1-2所示：

图1-2

说明：

利用Slider分别设置给定的液面高度和温度，并通过Scaling进行换算，通过Recorder显示给定液面高度和温度，AnalogInput对水池温度、液面高度进行数据采集输入，通过Scaling进行换算通过Recorder显示当前液面高度和温度，通过对PID参数设置来调节泳池液面高度和温度，通过选择合适的参数获得最佳的响应曲线，最后通过模块AnalogOutput进行输出，从而达到温度液面高度控制作用。

七、实验总结

通过本次实验了解了温控仪的组成和基本工作原理，如何对数据采集卡进行设置，以及对Dasylab有了简单的认识，通过阅读相关帮助文件学会了如何用Dasylab设计简单的控制系统，通过实验了结了计算机是如何进行数据采集控制的，对计算机在工业控制领域的应用有了一定了解。

实验二基于DASYLab的的温度控制系统设计实验

一、实验目的

利用Dasylab软件实现基本的PID温度控制算法。

二、实验设备

同实验一。

三、实验内容

1．利用NImax建立数据采集卡的输入输出任务。

在前面实验的基础上，在DASYLab工作区搭建完整的P、PI、PD、PID控制电路，设置相应的参数，运行程序查看控制效果。

2．分别搭建模入、模出通道并验证其有效性

3.在选取系统提供的PID模块，创建完整PID系统，添加合适的辅助模块，观察温度曲线。

在做好一组算法曲线之后，打开温箱外壳，自然冷却，待温度低于30度时装回外壳，再做另外一种算法。

对上课所学内容一一印证。

4.在有时间的情况之下，参考图2-1自行搭建PID系统。

观察此次实验曲线和前面的采样曲线有什么区别？

到达峰值的时间？

超调量的大小等。

四、实验原理（见实验一）

五、PID实验说明

参考程序示意如图2-1所示：

图2-1基于DASYLab的PID控制程序示意图

图2-1是本次实验的最小系统示意图，完整的、功能相对完善的图请同学自行完成。

当给定温度为40°C时，控制电流曲线和测量温度值、误差变化如图2-2所示：

图2-2PID控制响应曲线1：

设定温度值2:

测量温度值3：

误差

有关上面给出程序框图的说明：

1）图2-1程序框图为最小系统仅供参考，各人可根据自身的具体情况做适当的修改，譬如图2-2的PID控制响应曲线上面有毛刺，不平滑，如果考虑在内，应当怎样去除毛刺？

构建出一个实际应用的仪器面板应当如何做？

2）上面的图示并未反映各个模块具体是怎么配置的情况，请自行分析，适当地设置。

3）有关PID参数的整定，请按照教科书或参考材料上的介绍的方法先做一个规划，有序地进行。

六、实验步骤

1.实验前认真阅读注意事项；

2.检查温控箱和数据采集卡的连线是否接好；

3.打开电脑，确定温控仪是否处在机控状态；

4.用NImax软件对数据采集卡进行配置（建立输入输出任务）。

然后进入NIDASYLab软件界面，点击老师通过电子教室分发的相关文档学习了解usb6008、nimax软件的设置，dasylab的基本用法；

5.选取模入通道模块、系统自带PID模块、模出通道及一些虚拟仪表等构成闭环；

6.设定合适的PID参数；

7.设定好以后点击启动按钮开始实验，观察实验现象；

8.做完一种算法实验后，关掉温度控制仪电源，打开温箱的外壳，使其自然冷却。

9.待炉温下降至30度以下，选择另外一种算法，用上述同样的方法重复前面的步骤实验；

10.观察此次实验曲线和前面的采样曲线有什么区别：

包括到达峰值的时间，超调量的大小等。

11.完善最小系统，加上滤波等模块，建立仪器面板等组成一个较为实用的系统。

七、实验注意事项

1.确定温控仪处在机控状态。

控制方式一定要处于机控，否则可能炉温上升过快，采样失败，更有可能导致炉温过热，烧毁电炉。

2.升温时电流大小达到0.9A左右

3.温度给定设在40度左右，以延长电炉的寿命并缩短实验时间。

4.采样期间因其过程较慢，要耐心等待。

5.每过一段时间用手触碰温箱的外壳，如果手感觉不烫，就说明温度没有失控。

6.务必先预习DASYLab帮助中“Basics、Tutorial”部分内容，而后再设计编程，以免浪费时间。

7..先利用控制模块组中的PID模块组成系统并改变参数做实验，然后不使用控制模块组中的PID模块，自行搭建PID控制模块试试。

8.因预习时同学们手头不一定有数据采集卡，因此可以暂时用声卡或信号发生器代替，到实际做实验时将其替换回即可。

八、实验步骤：

1.建立输入输出任务后进入NIDASYLab软件界面，搭建PID控制系统：

参考程序示意如图2-3所示：

图2-3基于DASYLab的PID控制程序示意图

对Scaling中的a、b参数分别设置为20和0，将Slider调至2V，电机启动按钮开始实验，通过观察Recorder中曲线得最终稳定温度值为43度，对Scaling参数进行修正，将b参数设置为“-3”，a保持不变。

2.PID参数调节：

待炉温下降至30度以下，调节PIDControl模块设置PID算法，改变P、I、D的参数后点击开始按钮开始实验，观察Recorder中曲线，然后选择另一种实验步骤，重复上述步骤观察Recorder中曲线的变化情况，对比几次算法所产生的曲线，选择响应最佳的那一种算法。

由于本次实验时间有限，通过改变几次PID参数后得出最佳响应参数为P=10，I=0,D=0，此算法下输出响应如图2-4所示：

图2-4PID控制响应曲线1：

设定温度值2:

测量温度值3：

误差

九、实验思考题：

1.现在的温控系统只能控制炉温的上升，炉温的下降要靠自然冷却，所以在此期间无法通过计算机控制，如果是由你来设计一个温度控制系统，应该如何改进，以便炉温的上升和下降都能用计算机控制？

可在输出中增加一风扇驱动模块，当炉温高于设定值时，驱动风扇使温度下降，当炉温低于设定值时风扇不工作，利用PID模块对风扇转速进行调节，由于本次实验中传感器对炉温的变化反应灵敏，故风扇功率不宜过大，否则会导致温度下降过大。

2.对于数据采集过程中产生的毛刺，如何去除？

用哪个模块？

简要说明之。

在输入模块后增加一数字滤波器模块，模块在Module>>SignalAnalysis>>DigitalFilter中，采用低通、巴特沃思滤波器，设置如图2-5所示：

图2-5数字滤波器参数设置

3.感觉温度上升太慢，要针对这点改进，即做到温度上升较快，而又满足控制优化的目标，应当如何改进，给出dasylab的实际连线图，并简要说明之。

要使温度上升较快而又满足控制优化目标则应对PID模块进行调整，实验中只有PID环节而没有反馈环节，因此可以可PID加一反馈环节，如图2-6所示：

图2-6PID环节调整

通过改变反馈环节的参数，并和PID环节一起调整则能起到温度上升较快且满足控制优化目标。

十、实验总结：

通过本次实验了解了如何用Dasylab实现基本的PID算法，以及如何通过改变PID算法是得到最优温度响应曲线。

对PID在工业控制领域的应用有了一定了解。

由于本次实验每次获得响应曲线时间较长，所以每次实验时需有一定耐心，不能过于急躁，否则容易忽略一些细节上的错误导致实验效率低下。

实验时可以发现，曲线有很多毛刺，以及其他干扰，故在搭建系统是必须考虑滤波，而在实际测量中则应考虑现场干扰对测量系统的影响，以及如何减小干扰对系统的影响。

实验三基于DASYLab的网络测控

一、实验目的：

通过实验了解网络测控系统的组成及应用前景。

二、实验设备：

同实验一

三、实验内容：

不相邻的同学二人一组，在前面实验的基础上，一人设置成服务器，另一人设置成客户机，在原有程序基础上加入网络传输等模块并合理地配置之后，双方启动程序，服务器端向客户机端发送数据，在观察结果无误之后，二人交换服务器与客户机的角色直至完成实验。

四、实验步骤：

1、网络测试系统组成：

在对某型号的武器装备试验进行测试时，由于试验现场环境恶劣且具有危险，而且要求对该信号进行定期或不定期的监测，在这种情况下，我们采用了网络测试技术，其测试连接如图3-1所示。

图3-1系统构成框图

图中的Dewebook是集信号调理和A/D数据采集功能于一身的仪器，由在试验现场的电脑（服务器）通过1394口的数据线与其连接，运行虚拟仪器软件Dasylab10.0的程序对其进行控制。

将测试数据采集后，存入服务器的同时通过LAN网络发送给远端的客户机，由客户机进行数据整理、分析。

2、TCP/IP网络设置：

2.1设置IP地址：

服务器IP地址如图3-2所示：

图3-2服务器IP地址

客户机IP地址如图3-3所示：

图3-3客户机IP地址

2.2建立两机间的网络通讯：

在客户机WINDOWS桌面下，点击“开始”，在点击“运行”，键入“command”命令,点击“确定”。

在出现的DOS界面下PING服务器的IP地址，即键入“ping115.154.93.17”,回车后如出现图3-4所示，即表明两电脑之间的网络可以互联互通。

图3-4两机通讯正常截图

反之，表明两机之间通讯失败。

需要检查网络，直至出现图3-4的显示。

3、Dasylab软件设计与模块设置：

3.1服务器的Dasylab程序设计：

在试验现场的服务器运行主程序如图3-5所示：

图3-5服务器的Dasylab程序界面

程序的主要模块有信号发生器、数字示波、工程量转换、数据存盘、和网络传输。

在Dasylab程序界面下点击“measurement”的下拉菜单，点击“remotecontrol”,来进行远程控制的设置，定义此机为服务器。

口令“Password”可以不设置。

如图3-6所示：

图3-6定义服务器

在服务器主程序下双击“NETOUTPUT00”模块,进行网络输出模块设置。

在“datatransfer”选项中点选“blocks”，即网络间以“blocks”的方式传输数据，较“SingleValues”方式会占用更多的计算机资源和网络带宽，但数据传输正确且几乎无迟滞性，现有的计算机性能都能满足要求。

如图3-7所示：

图3-7NetOutput设置

3.2客户机的Dasylab程序设计：

在试验远端的客户机运行主程序如图3-8所示：

图3-8客户机的Dasylab程序界面

程序的主要模块有网络接收、数据写盘、数字显示。

在Dasylab程序界面下点击“measurement”的下拉菜单，点击“remotecontrol”,来进行远程控制的设置，定义此机为客户机，受名为“依然Fantasy-PC”的服务器控制。

在客户机主程序下双击“NETINPUT00”模块，进行网络模块的设置，在“NetworkConnection”的设置中，点击“ComputerName”的“Browse”,选择与其相连的服务器名称。

点击“ModuleName”的“Browse”,选择服务器的网络输出模块名称。

在“Option”设置中钩选，意思是如服务器重起试验，本机停止且重起试验。

其它可保持缺省设置。

如图3-9所示：

图3-9NetInput设置

至此，完成了网络化的模块设置和程序设计。

4、运行：

4.1运行服务器的Dasylab程序：

对信号发生器0~15个通道分别设置为0~15V的恒定电压，工程量转换模块分别进行IN[n-1]-IN[n]运算（其中IN[9]保持不变），转换为°C，在变换和Scaling模块中分别对0~4通道求绝对值以及10倍放大，运行服务器程序如图3-10所示：

图3-10服务器程序运行结果

4.2远端的客户机上运行Dasylab程序：

如图3-11所示：

图3-11客户机程序运行结果

由服务器和客户机运行结果可以看出，两程序的输出相同。

五、实验思考题

1.如何查看本机的ip地址？

对于WIN7系统打开网络和共享中心再点击本地连接，点击详细信息，即可查看本机ip地址，如图3-12所示：

图3-12查看本机IP

2.10开头的ip地址属于哪一类地址有什么特点？

以10开头的IP地址是一个B类的IP地址，此类IP地址主要应用在采用TCP/IP协议互联单位局域网或校园网络内部。

B类IP地址中网络的标识长度为16位，主机标识的长度为16位，B类网络地址适用于中等规模的网络，每个网络所能容纳的计算机数为6万多台。

B类IP地址地址范围128.0.0.0-191.255.255.255B类IP地址的子网掩码为255.255.0.0，每个网络支持的最大主机数为256的2次方-2=65534台。

3.怎样知道本机到目标机的网络通道是畅通的？

在运行栏里输入ping+目标主机IP+-t然后回车，就能看到是否与目标主机连通，如图3-13所示：

图3-13Ping查看网络通道是否通畅

4.举出你一个你熟悉的网络测控案例，并用dasylab绘出来，简要说明之。

利用网络测控可用于摄像监控，然后在控制室对采集的图像进行显示，在服务器端分别对采集的图像信息进行处理和记录，最后通过网络输出至控制室端的客户机处，客户机通过对输入的信息进行解码处理，通过屏幕显示出监控画面，并用磁盘记录所监控的画面。

利用Dasylab设计一网络监控系统

模块如图3-12，3-13所示：

图3-12服务器监控程序

图3-13客户机显示程序

六、实验总结：

通过本次实验了解了网络测控系统的组成，对ip地址分类有了一定程度了解，通过两人交换服务器与客户机的角色加深了对网络测控系统的应用的理解，本次实验由于是在实验室外进行，从教师处所拷贝的软件“Dasylab”为试用版，而在搭建好系统后，进行服务器与客户机间的连接，由于两人所用均为同一试用版软件，运行后客户机端会报错“serveandclienthavethesameserialnumber”导致客户机处无法工作，此时应将一方重新安装该软件即不能用同一试用版本的软件，后运行程序即可正常运行得到服务器输出过来的信息。