计算机控制技术实验指导书（第2版）于军琪郭春燕普亮编写建筑科技大学信控学院信息技术实验中心2009年3月目录1 课程简介、实验项目及学时安排 (1)1.1课程简介 (1)1.2实验项目及学时安排 (1)2 实验仪器仪表设备简介 (2)2.1自动控制原理实验箱 (2)2.2其它实验设备 (3)3 计算机控制技术课程实验 (4)3.1实验1采样与保持实验 (4)3.2实验2数字PID控制实验 (8)3.3实验3直流电机闭环调速实验 (14)3.4实验4模拟/数字温度闭环综合控制实验 (19)3.5实验5工控机组态实验 (23)3.6实验6模/数、数/模转换试验 (30)1 课程简介、实验项目及学时安排1.1 课程简介本课程是自动化专业的主干专业课程，是以应用为主的工程技术类课程。

本课程的目的在于培养及提高学生对微机原理与接口技术的知识，了解掌握数字PID控制器的程序实现方法，为掌握计算机综合应用能力打好基础。

通过对计算机控制技术课程容的学习与教学实验仪器的结合，上机实践汇编语言文件的建立、汇编和调试，计算机控制系统搭建方法的学习，使学生达到以下要求：1.掌握汇编语言常用指令，熟悉汇编语言和c语言混合编程；2.掌握计算机的接口技术；3.掌握数字PID控制器的程序实现方法。

1.2 实验项目及学时安排计算机控制技术实验课是以认识和熟悉微机原理与接口技术和模拟验证所学理论为基础，在此基础上开展自行设计系统、确定实验方案和实验线路，进行自主实验，学习系统分析和系统设计的思维方法，培养研究系统的能力。

所安排了验证性和综合性不同属性的实验项目。

2 实验仪器仪表设备简介2.1 自动控制原理实验箱自控/计控原理实验机由以下七个模块组成： 1. 自动控制原理实验模块 2. 计算机控制原理实验模块 3. 信号源模块 4. 控制对象模块 5. 虚拟示波器模块 6. 控制对象输入显示模块 7. CPU 控制模块各模块相互交联关系框图如图2.1所示：RS232接口图2.1 各模块相互交联关系框图自动控制原理实验模块由六个模拟运算单元及元器件库组成，这些模拟运算单元的输入回路和反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。

例如构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例微分环节，PID 环节和典型的二阶、三阶系统等。

利用本实验机所提供的多种信号源输入到模拟运算单元中去，再使用本实验机提供的虚拟示波器界面可观察和分析各种自动控制、计算机控制原理实验的响应曲线。

利用本实验平台及虚拟示波器还可以用相轨迹法和相平面法观察和分析非线性系统的瞬间响应和稳态误差等。

本实验机的元器件库中还提供了直读式的可变电阻和可变电容，使实验可更方便、简捷地进行。

由于本实验机除了提供了丰富的元器件库，并且在A1-A6模拟运算单元的输入回路和反馈回路中还预留了多个可由实验人员自行接续的电阻/电容位置，将方便地扩展各种实验。

预留位置在实验机中用‘RES’表示。

本实验箱采用模块式造出各种形式和阶次的模拟环节和控制系统。

被控实验对象构建方便，含有9个放大器和一个比较器， 0~999.9KΩ的直读式可变电阻和0~0.7uf的直读式可变电容。

标准实验部分只需使用短路套连接即可，直观且简化了实验操作和设备管理。

扩充环节可以灵活搭建多种不同参数的系统。

2.2 其它实验设备微型计算机 Aspire T135、数字万用表。

3 计算机控制技术课程实验3.1 实验1 采样与保持实验一、实验目的1、加深理解采样与保持器的工作原理与作用。

2、加深理解采样周期大小对原信号进行采样失真状况的影响程度，即加深对香农定理的理解。

3、理解掌握采样周期对系统稳定性影响情况。

二、实验原理、容及步骤实验原理[实验1.1]采样实验采样实验框图如图1-1所示。

计算机通过模/数转换模块以一定的采样周期对B9单元产生的正弦波信号采样，并通过上位机显示。

在不同采样周期下，观察比较输入及输出的波形（失真程度）。

计算机编程实现以不同采样周期对正弦波采样，调节信号发生器（B5）单元的调宽旋钮，并以此作为A/D采样周期T。

改变T 的值，观察不同采样周期下输出波形与输入波形相比的复原程度（或失真度）。

对模拟信号采样首先要确定采样间隔。

采样频率越高，采样点数越密，所得离散信号就越逼近于原信号。

采样频率过低，采样点间隔过远，则离散信号不足以反映原有信号波形特征，无法使信号复原。

合理的采样间隔应该是即不会造成信号混淆又不过度增加计算机的工作量。

采样时，首先要保证能反映信号的全貌，对瞬态信号应包括整个瞬态过程；信号采样要有足够的长度，这不但是为了保证信号的完整，而且是为了保证有较好的频率分辨率。

在信号分析中，采样点数N一般选为2的m次幂，使用较多的有512、1024、2048、4096等。

[实验1.2]采样/保持器实验1．判断采样/保持控制系统稳定性的充要条件线性连续系统的稳定性的分析是根据闭环系统特征方程的根在S平面上的位置来进行的。

如果特征方程的根都在左半S平面，即特征根都具有负实部，则系统稳定。

图1.1 采样实验框图采样/保持控制系统的稳定性分析是建立在Z变换的基础之上，因此必须在Z平面上分析。

S 平面和Z平面之间的关系是：S平面左半平面将映射到Z平面上以原点为圆心的单位圆，S平面的右半平面将映射到Z平面上以原点为圆心的单位圆外。

所以采样/保持控制系统稳定的充要条件是：系统特征方程的根必须在Z平面的单位圆。

只要其中有一个特征根在单位圆外，系统就不稳定；当有一个根在Z平面的单位圆上而其他根在单位圆时，系统就处于临界稳定。

也就是说，只要特征根的模均小于1，则系统稳定；若有一个特征根的模大于1，则系统不稳定。

2．采样周期T对系统的稳定性的影响闭环采样/保持控制系统原理方块图如图1.2所示：图1.2 闭环采样/保持控制系统原理方块图从采样实验中知道采样输出仅在采样点上有值，而在采样点之间无值。

如其输出以前一时刻的采样值为参考基值进行外推，即可使两个采样点之间为连续信号过度。

可以完成上述功能的装置或者器件就称为保持器。

因为数/模转换器（D/A）具有两极输出锁存能力，所以具有零阶保持器的作用。

使用了采样保持器后，采样点间的信号是外推而得的，实际上已含有失真的成份，因此，采样周期信号频率过低将会影响系统的稳定性。

采样周期T可由用户在界面上直接修改，在不同采样周期下，观察、比较输出的波形。

闭环采样/保持控制系统实验构成电路如图 1.3所示，闭环采样系统实验中被控对象由积分环节（A3单元）与惯性环节（A5单元）构成。

图1.3 闭环采样/保持控制系统实验构成电路采样控制系统稳定的充要条件是：系统特征方程的根必须在Z平面的单位圆，只要其中有一个特征根在单位圆外，系统就不稳定；当有一个根在Z平面的单位圆上而其他根在单位圆时，系统就处于临界稳定。

根据图1.3计算出临近稳定的采样周期。

实验容1、研究采样周期不同时采样输出波形。

2、研究采用零阶保持器取不同采样周期时系统的输出波形以及系统的稳定情况。

实验步骤[实验1.1]采样实验在实验中欲观测实验结果时，只要运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择采样实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，即可选用本实验配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。

实验步骤：（1）将正弦波信号发生器单元（B6）中开关置于‘0.1~1Hz’档，输出正弦波为SIN测孔，调节正弦波信号发生器B6单元的调频和调幅电位器（正弦波的幅度为2V，频率为0.5Hz）。

（2）函数信号发生器单元（B5）的S1置‘阶跃’档（最顶端），S2置到‘2－60mS’档，调节函数信号发生器（B5）单元中的调宽电位器使采样周期信号频率达到最大（约78Hz）。

（3）测孔联线（3）运行、观察、记录：调节函数信号发生器（B5）单元中的调宽电位器使采样周期信号频率达到最大（约78Hz），然后慢慢降低,虚拟示波器显示的正弦波严重失真，记录下此时的采样周期。

[实验1.2]采样/保持器实验闭环采样/保持控制系统实验构成电路如图1.3所示。

实验中欲观测实验结果时，只要运行LABACT程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择采样/保持实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。

实验步骤：注：‘S ST’用‘短路套’短接!（1）将函数发生器（B5）单元的输出（OUT）作为系统输入R。

a．将B5单元的S1置‘阶跃’档（最顶端），S2‘0.2-6S’档。

b．调节B5单元的调幅电位器使OUT输出电压为2.5V，调节调宽电位器使OUT正输出宽度>6秒。

（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（3）‘中断请求’线 B5 （S）→B9（IRQ6）（4）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1（选‘X1’档）接到A5单元输出端OUT（C）。

（5）运行、观察、记录：a．该实验的显示界面的采样周期T（界面右上角）可由用户在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果，改变这些参数后，只要再次点击“开始”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。

b．采样周期T设定为10ms 、30ms和50ms ，使用虚拟示波器CH1通道观察A5单元输出OUT（C）的波形。

观察相应实验现象，记录波形，并判断其稳定性，在表1-1中填入给此次的各参数与结果。

三、实验仪器设备及实验注意事项1.实验设备：计算机控制技术实验箱、计算机、数字万用表等。

2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格；3.实验开始前先检查仪器设备是否完好，并仔细观察熟悉实验箱面板布置；4.接好线后首先组相互检查无误后，再经指导教师确认无误后方可合闸送电进行实验；5.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象），应立即切断电源，并报告指导教师，仔细查找原因，问题解决后，方可继续进行实验；6.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。

四、实验报告要求4.画出实验1.1中采用不同采样周期时，输出波形（至少取2个值）。

5.完成表1.1。

6.讨论、分析实验中出现的各种现象。

五、预习要求及思考题预习要求1.阅读计算机控制技术教材中有关采样保持器的容，弄清其工作原理。

2.阅读本教材中的附录，熟悉掌握Aedk Labact系统本实验用到的单元电路的线路原理和调试界面下的主要命令。

3.掌握典型环节用模拟电路单元实现的方法。

4.计算临界稳定的采样周期。

思考题1.采样周期T应该如何取对信号恢复有利？（提示：当中涉及到A/D转换时间和计算机对信息处理所用的时间）2.系统无零阶保持器时，系统的输出波形会出现什么情况？为什么？3.2 实验2 数字PID 控制实验一、实验目的1. 了解和掌握连续控制系统的PID 控制算法的模拟表达式（微分方程）。