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1、前数字计算机由于其具有强大的算术运算、逻辑判断、记忆等信息加工能力，使得它诞生就被应用到控制领域。随着计算机科学技术的发展，使 6 0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

2、，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 A D/D A卜通过 R S 232串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

3、接信号源和示波器测量响应信号的麻烦。EL-AT-II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

4、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。木书分为四章，第一章为 EL-AT-II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

5、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第二章软件安装及使用.4第三章计算机算法编程指导.9第四章实验系统部分.12实验一 D/A数模转换实验.13实验二 A/D模数转换实验.15实验三数字 P ID控制实验.17实验四状态反

6、馈与状态观测器实验.21实验五数字滤波器实验.25实验六大林算法实验.30实验七炉温控制实验.33实验八电机调速实验.37实验九步进电机控制实验.41附录一直流电机控制对象原理图.43附录二温控炉控制对象原理图.44附录三实验结果参考.45附录四 A D/D A 卡调试说明.54第一章硬件资源 EL-AT-H型实验系统主要由计算机、A D/D A采集卡、自动控制原理实

7、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。显示器打印机计算机 AD/DA 卡实险箱电路图 1 实验系统构成实验箱面板如图 2：图 2 EL-AT-II型实验箱面板下面主要介绍实验箱的构成：一、系统电源 EL-AT-II系统采用本公司生

8、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 220V2.输出电压/电流：+12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A3.输出功率：22W4.工作环境：一 5+4 0 C。二、AD/DA采集卡 AD/DA采集卡如图 3 采用 ADUC812芯片做为采集芯片，负责采样数据及与上位机的通信，其采样位数为 12位，采样率为 10K。在卡上有一块 32K的 RAM62256,用来存储采集后

9、的数据。AD/DA采集卡有两路输出（D A I、DA2）和四路输入（A D I、AD2、AD3、AD4）,其输入和输出电压均为-5V+5V。图 3 AD/DA采集长另外在 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

10、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

11、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 k输入输出模块该区域是引出 A D/D A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 D A I、DA2,A D I、AD2。有一个按钮复位，按下一次对 A D/D A上进行一次复位。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

12、开关，有四个开关电源提供的 D C 电源端子，分别是+12V、-12V、+5V、G N D,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“+”、“一”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 1.将实验仪器自带的光盘放入计算机光驱，进入软件安装目录光

13、盘驱动器：计算机控制 winat。2.启动软件安装程序 seiup.exe,如下图 1：计算机按制实 Mr系就 I 一口|2 进入安装界面 3.按照软件提示，一步一步完成安装,图 1 启动安装软件界面图图 3 选择安装路径图 4 设置开始菜单中的快捷方式图 4 显示安装进程 4.软件安装完毕后，重新启动计算机,:、I?*1 图 5 安装完毕会在桌面和“开始一程序”中自动生成“ComputerOr

14、l”快捷方式。二、软件启动与使用说明 I.软件启动在 Windows桌面上或“开始一程序中双击 ComputerCtrl快捷方式，便可启动软件如图 6。图 6 软件启动界面 2.实验前计算机与实验箱的通讯设置和测试用实验箱自带的串口线将实验箱后面的串口与计算机的串口连接，启动“CompulerCE”软件。1）实验前通讯口的设置设置方法：点击系统设置一串口设置如图 7,在对

15、话框内填入与计算机相连的串口值。图 7 串口设置对话框 2）实验前通讯口的测试测试方法：接通电源点击系统设置一通信串口测试如图 8,点击通信串口测试按钮，控制测试区内将出现 0 2 5 5个数据，如图 9,如果数据没有或不全，则说明通讯有故障，应检杳计算机串口与实验箱的连接。图 9 串口测试成功窗口逋讯口测 M|清糠接受敷慢|如由图 8 串口测试窗口 3

16、.软件使用说明本套软件界面共分为四个区域如图 A.菜单工具栏区域；B.实验课题区域；C.采集结果显示区域;D.数据测量区域；:节、/t i：i.i*o i K3 r s i c 图 10软件界面分配下面介绍软件的各个区域功能：A.菜单工具栏。I）实验课题（ALT+T）在该菜单下选择所做的实验课题项目。鼠标单击实验课题名称即可进入相应的实验。2）系统设置（ALT+M）串口设置：设置

17、实验中所使用的串口。所设定的串口标号应与计算机实际所使用的一致。通信串口测试：测试实验系统与计算机的通信是否正常。在实验之前必须进行串口通信测试，在确认串口通信正常后才可以进行实验。测试方法是鼠标单击对话框中的通信串口测试按钮，如果通信正常所示的空白区内将有信息返 I 可，如果通信不正常则无返回信息。3）算法管理在该菜单下

18、显示可完成的实验的算法，点击实验项目即可出现相应的实验的算法。4）实验数据（ALT+F）打开数据：打开已经保存的实验数据。选择该菜单选项后出现如图 11所示的对话窗口。在该窗口中选择打开文件的路径和文件名，点击确定按钮即可打开一个已保存的实验数据。二|5 1说明书！二 J山东大学版:J Adobe 二 J演示软件空自控指导书 new搜寻 Q）：|当我的文首 1 回

19、金园画画 IM v eBooks IM v Pi cturx文件名国）：|打开|文件类型 a）：|实，课题文件&t a-三取消-/图 11打开实验数据对话窗口保存数据：保存当前的实验数据。选择该菜单选项后出现如图 12所示的对话窗口。在该窗口中选择保存文件的路径和文件名，点击确定按钮即可保存当前的实验数据。打印：将实验的结果在打印机上打印输出。鼠标单击该选项后弹出如图 13

21、图 1 3数据打印对话窗 3打印设置：设置打印时的相关信息。鼠标打击将弹出如图 14所示的对话窗口。将需要打印的信息填入相应的空白处。填写完成后单击确认按钮保存。保存完成后单击退出按钮退出该对话窗口。|打印设置 131学校信息学校名称比京虹大举-实验室名称|自控原理实室数据报告信息实睑学生班级 97241 学生叙 06指导老师丽前|确认|退出|打印设

22、置对话窗口 5）查看（AET+V）课题资料：选择该项将显示自控原理课题的基本资料。其中包括实验所用的基本原理、电路及相应的实验说明。工具栏：切换工具栏的打开与关闭。彦旦昌器 Y|状态栏：切换状态栏的打开与关闭；如需帮助，请按 F1犍 X 时间轴坐标 Gns）:8.000000 Y 电压轴坐标（V）:2.000000 6）都助（A L T+H）该菜单说明本“自动控制原理”软件是哪个版本。B.实

23、验课题在实验课题区域列出了本实验系统所能完成的实验课题，双击其中的个课题，将弹出参数设置窗口。具体参数设置请参考实验说明部分。in计算机控制系妩实睑课程目;D/掇模转换实验多 A/D模数转换实验字数字 P 工 D 控制国爱状态反馈与状态观测向辛数字滤波实验多大林篁法由电炉温控制实睑国辛电机调速实险移步进电机控制实验图 15实验课题

24、区域 C.采集结果显示在该区域内主要是显示实验系统通过 A D 后的结果曲线。纵坐标是幅值轴，单位为(V),范围是：-5V-+5 v 横坐标是时间轴，单位为(ms)。D.数据测量数据测量是测量系统响应的测量工具如图 16,鼠标单击单游标或双游标，然后单击测量按钮，即可在显示区显示测量线，测量线可以用鼠标拖动,在拖动的过程中屏幕右下方将动态显示测量的结

25、果网 1 单游标时间(ns)X I:4080.00 X2:12000.00|X1-X2|:7920.00|G 双海标电压 Y1:0.00 Y2:-2.8 6|Y I-Y 2|:2.86图 16数据测量区域第三章计算机算法编程指导本软件使用 VC+6.0 设计，软件实验算法也是使用 VC+6.0 编程实现，所以新算法的编译和样本算法的修改也必须得在 VC+6.0的环境下实现。为了便于算法的修改，软件的设计者把算法设计成动

26、态链接库，在进入计算机控制软件做实验时，软件会自动调用相应的动态链接库，实现算法的修改，为实验者提供了个开放的平台。利用我公司的计算机控制软件可实现大量的各种方式的算法控制实验。计算机控制系统共开设 9 个实验，它们对应的动态链接库文件名为 LAB1.DLL-LAB9.DLL,路径为计算机软件安装路径下：ComputerCtrl。下面举例说明算法的实

27、现方法：1.样本算法的修改例：修改实验三(数字 P1D实验)的算法打开“VC+6.0 软件,打开菜单 wFile-Open Workspacew，在弹出的对话框中选择 ComputerCtrlLab3 Lab3.dsw,打开实验三算法工作窗口，实验三的算法文件 Lab3.cpp文件会自动打开。实验三的算法文件如下:/Lab3.cpp/计算机控制实验系统/实验课题三数字 PID控制动态连接库 Lab3.DLL./GoBackDala

28、(参数 1)运算结果返回应用程序/InitPID(参数 1,参数 2,参数 3,参数 4)主程序取得相关参数/copyright 薛小祥/e-mail 12月 7 日/#include include/Declare the DLL functions prototypesfloat GoBackData(float data);void InitP!D(float begin,float kp,float ki,float kd);/-速度 Pid参数-float Start,ek,ekl,ek2,uk;float KP,KI,KD;/DH

29、EntryPoint():The entry point of the DLL/BOOL WINAPI DLLEntryPoint(HINSTANCE hDLL,DWORD dwReason,LPVOID Reserved)switch(dwReason)case D L L PROCESS.A TTA C H:(/一些初始化代码 b reak;)case DLL_PROCESS_DETACH:(一些用于清理的代码 b reak;)re tu rn TRUE;)实验初始函数 void In itP ID(flo a t b e g in,flo a t k

30、 p,flo a t k i,f lo a t kd)(Start=ekl=ek2=KP=KI=KD=uk=0.0;S tart=begin;KP=kp;KI=ki;KD=kd;)实验返回函数该函数名称是固定的 flo a t GoBackData(float data)(ek=S tart-d ata;ek2=ek2+ek;i f(abs(ek)1.)uk=(KP*ek+K D*(ek-ekl);e ls euk=(KP*ek+KT*ek2+KD*(ek-ekl);ekl=ek;re tu rn uk;)上述文件算法为“实验返 I可函数该函

31、数名称是固定的”以下的部分，其中 d a t a 为输入的数字量，UK为函数的返回值。在“VC+6.0”软件环境下，修改 UK初始值或表达式，修改完毕后，选择菜单“P r o je c t-S e ttin g s”在出现的对话框中选择“L ink”项，查看链接路径，系统默认为“E:XXX计算机控制 SETUPZLLAB3.DLL，此路径为修改后的算法的动态链接库文件的路径，可.以重新设置为别的路径。然后选

32、择菜单“B u ild-B u ild L a b 3.d ll”编译新的算法，就会在相应的设置路径下生成 Lab3.d l l文件，将此文件复制到安装目录 ComputerCtr口下即可，覆盖原文件前请先备份原文件。或者在“L ink”属性中设置链接路径为安装路径 Compute rC tr 1 Lab3.d ll 然后编译。编译完成后，打开“计算机控制”软件，运行实验三，即采用新的算法程序其它实验的算法修

33、改与此雷同。2.新实验算法的实现与样本算法的修改类似，编好新的实验算法后，编译新算法，生成 DLL文件。注意此文件名必须为 Labi Lab9中的一个，然后覆盖相应的 DLL文件，打开计算机控制软件运行相应的实验，便可运行新的算法。说明：实验一 D/A转换实验和实验二 A/D转换实验由于采用 AD/DA卡直接完成，所以没有用到下面书中所说的算法。第四章实验系统部

34、分木套实验系统一共提供了六个典型实验：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、数字滤波器实验和大林算法实验。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，可以自行修改利添加新的实验，以完成教学的要

35、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 1 2位 D/A转换的方法.二、实验仪器 1.EL-A T-II型计算机控制系统实验箱一台 2.PC计算机一台三、实验内容通过 A/D&D/A卡完成 1 2位 D/A转换的实验，在这里采用双极性模拟量输出，数字量输入范围为：0 4 0 9 6,模拟量输出范围为：5V+5V。转换公式如下：Uo=Vref-2Vref(2l lK ll+210K

36、10+.+2K0)/212Vref=5.0V例如：数字量=000110011001则 K ll=l,K10=0,K9=l,K8=0,K7=l,K6=l,K5=0,K4=l,K3=0,K2=0,Kl=0,K0=l模拟量 Uo=Vref-2Vref(2nK ll+2I0K10+.+2K0)/2 4.0V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，在桌面双击图标 C om puterctrl

37、或在计算机程序组中运行 Computerctr1 软件。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.在实验课题下拉菜单中选择实验一 D/A数模转换实验,鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。5.在弹出的参数窗口中填入想要变换的数字量，点击变换，在下面的文字框内将算出变换后的模拟量

38、。6.点击运行，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 0 5 4.9500 3.7793 3.71000 2.55859 2.51500 1.33789 1.32000 0.117188 0.022500-1.10352-1.173000-2.32422-2.33500-3.54492-3.64000-4.76563-4.84096-5 1.9五、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

39、，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.掌握模数转换的基本原理。2.熟悉 10位 A/D转换的方法。二、实验仪器1.EL-AT-11型计算机控制系统实验箱一台 2.PC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入，模拟量输入范围为：-5V+

40、5V,数字量输出范围为:0-1 0 2 4。转换公式如下：数字量=(V ref模拟量)/2V refX 210其中 V re f是基准电压为 5V。例如：模拟量=1.0 V 则数字量=(5.0-1.0)/(2X5.0)X2=409(十进制)四、实验步骤 1.连接 A/D、D/A上的 DA输出通道利 AD采集通道。A/D、D/A卡的 DA1输出接 A/D、D/A k的 AD1输入。检查无误后接通电源。2.启动计算机，在桌面双击图标 Computerctrl 或在计

41、算机程序组中运行 Computerctrl 软件。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.在实验课题下拉菜单中选择实验 A/D模数转换实验,鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。5.在弹出的参数窗口中填入想要变换的模拟量，点击变换，在下面的文字框内将算出变换后的数字量。6.点击运

42、行，在显示窗口观测采集到的数字量。并将测量结果填入下表:_模拟量数字量理论值实测值 5 0 4.04 102 1053 204 2092 307 3101 409 4140 512 514-1 614 619-2 716 712-3 819 822-4 921 924-5 1024 1013五、实验报告 1.画出模拟量与数字量的对应曲线。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

43、.学习数模转换的转换方法。实验三一、实验目的 1.研究 PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响 2.研究采样周期 T 对系统特性的影响。3.研究 I 型系统及系统的稳定误差。二、实验仪器 1.E L-A T-II型计算机控制系统实验箱一台 2.PC计算机一台三、实验内容数字 PID控制1.系统结构图如 3-1图。图 3-1 系统结构图图中 G c(s)=K p(1+Ki/s+Kds)G h(s)=

44、(1-e-T S)/sGpl(s)=5/(0.5s+l)(0.Is+D)Gp2(s)=1/(s(0.Is+D)2.开环系统(被控制对象)的模拟电路图如图 3-2和图 3-3,其中图 3-2对应 G P1(s),图 3-3对应 Gp2(s)。图 3-2 开环系统结构图 1 图 3-3升环系统结构图 23.被控对象 G P 1(s)为“0 型”系统，采用 PT控制或 PID控制，可使系统变为“I 型”系统，被控对象 Gp2(s)为“I 型”系统，采用 P I控制或 PID控制可使系统

45、变成“I I 型”系统。4.当 r(t)=1(t)时(实际是方波)，研究其过渡过程。5.P I调节器及 PID调节器的增益 Gc(s)=K p(1+Kl/s)=KpKl(1/k l)s+1)/s=K(Tis+l)/s式中 K=K pK i,Ti=(1/K1)不难看出 P I调节器的增益 K=KpKi,因此在改变 K i时，同时改变了闭环增益 K,如果不想改变 K,则应相应改变 Kp。采用 PID调节器相同。6.“I I 型”系统要注意稳定性。对于 Gp2(s)，若采

46、用 P I调节器控制，其开环传递函数为 G(s)=Gc(s)Gp2(s)=K(Tis+1)/s 1/s(0.ls+1)为使用环系统稳定，应满足 Ti0.L 即 KK107.PID递推算法如果 PID调节器输入信号为 e(t),其输送信号为 u(t)，则离散的递推算法如下：u(k)=u(k-l)+qOe(k)+qle(k-1)+q2e(k-2)其中 qO=K p(l+KiT+(Kd/T)ql=-K p(1+(2Kd/Tq2=Kp(Kd/T)T一采样周期四、实验步骤 1.连接被测量

47、典型环节的模拟电路（图 3-2）.电路的输入 U1接 A/D、D/A卡的 DA1输出，电路的输出 U2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，在桌面双击图标 Computcrctrl 或在计算机程序组中运行 Computerctrl 软件。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.在实验课题下拉菜

48、单中选择实验三数字 PID控制,鼠标单击实验课题将弹出实验课题参数设置窗口。5.输入参数 Kp,Ki,Kd（参考值 Kp=l,Ki=0.02,kd=l）。6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变 Kp,Ki,Kd的数值和与其相对应的性能指标 op、ts的数值。7.取满意的 Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误差。8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路（图 3-3）o 电路的输入 U1

49、接 A/D、D/A卡的 DA1输出，电路的输出 U2接 A/D、D/A卡的 AD1输入。检查无误后接通电源。9.重复 4-7步骤。10.计算 Kp,Ki,Kd取不同的数值时对应的 op、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲线及时域性能指标，记入表中：五、实验报告 1.画出所做实验的模拟电路图。2.当被控对象为 Gpl（s时）取过渡过程为最满意时的 Kp,Ki,Kd,画出校正后的 Bodo图，查出相稳定裕量 y和穿越

50、频率 coc。3.总结一种有效的选择 Kp,Ki,Kd方法，以最快的速度获得满意的参数。六、预习要求 1.熟 2.熟七、P1D图中 uk是控制悉 PID控制器系统的组成。悉 P1D控制器的参数对系统稳定性的影响。软件流程图 ck为误差，ekl为上一次的误差，ek2为误差的累积和,量实验四、状态反馈与状态观测器一、实验目的 1.掌握状态反馈极点配置的设计方法。2.研究不同极点配置对系

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