計(jì)算機(jī)測(cè)控實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、目 錄第一部分 THKKL-6型 使用說明書1第一章 系統(tǒng)概述1第二章 硬件的組成及使用3第三章 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)6實(shí)驗(yàn)一 A/D與D/A轉(zhuǎn)換6實(shí)驗(yàn)二 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究8實(shí)驗(yàn)三 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)12實(shí)驗(yàn)四 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)15實(shí)驗(yàn)五 單閉環(huán)溫度恒值控制系統(tǒng)17附 錄 上位機(jī)軟件使用流程19第一部分 使用說明書第一章 系統(tǒng)概述“THKKL-6”型控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱是我公司結(jié)合教學(xué)和實(shí)踐的需要而進(jìn)行精心設(shè)計(jì)的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。適用于高校的控制原理、計(jì)算機(jī)控制技術(shù)等課程的實(shí)驗(yàn)教學(xué)。該實(shí)驗(yàn)箱具有實(shí)驗(yàn)功能全、資源豐富、使用靈活、接線可靠、操作快捷、維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)。 實(shí)驗(yàn)箱的硬件

2、部分主要由直流穩(wěn)壓電源、低頻信號(hào)發(fā)生器、階躍信號(hào)發(fā)生器、交/直流數(shù)字電壓表、電阻測(cè)量單元、示波器接口、CPU（51單片機(jī)）模塊、單片機(jī)接口、步進(jìn)電機(jī)單元、直流電機(jī)單元、溫度控制單元、通用單元電路、電位器組等單元組成。數(shù)據(jù)采集部分采用USB2.0接口，它可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計(jì)算機(jī)USB通訊口上，有4路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度為12位；2路D/A模擬量輸出，轉(zhuǎn)換精度為12位；上位機(jī)軟件則集中了虛擬示波器、信號(hào)發(fā)生器、Bode圖等多種功能于一體。在實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)上，控制理論既有模擬部分的實(shí)驗(yàn)，又有離散部分實(shí)驗(yàn)；既有經(jīng)典控制理論實(shí)驗(yàn)，又有現(xiàn)代控制理論實(shí)驗(yàn)；計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)除了常規(guī)的

3、實(shí)驗(yàn)外，還增加了當(dāng)前工業(yè)上應(yīng)用廣泛、效果卓著的模糊控制、神經(jīng)元控制、二次型最優(yōu)控制等實(shí)驗(yàn)；第二章 硬件的組成及使用一、直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源主要用于給實(shí)驗(yàn)箱提供電源。有+5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/2.0A四路，每路均有短路保護(hù)自恢復(fù)功能。它們的開關(guān)分別由相關(guān)的鈕子開關(guān)控制，并由相應(yīng)發(fā)光二極管指示。其中+24V主要用于溫度控制單元。實(shí)驗(yàn)前，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱左側(cè)的電源總開關(guān)。并根據(jù)需要將+5V、±15V、+24V鈕子開關(guān)拔到“開”的位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過2號(hào)連接導(dǎo)線將直流電壓接到需要的位置。二、低頻信號(hào)發(fā)生器低頻信號(hào)發(fā)生器主要輸出有正弦信號(hào)、方波信號(hào)、斜坡信號(hào)和拋物

4、線信號(hào)四種波形信號(hào)。輸出頻率由上位機(jī)設(shè)置，頻率范圍0.1 Hz 100Hz?？梢酝ㄟ^幅度調(diào)節(jié)電位器來調(diào)節(jié)各個(gè)波形的幅度，而斜坡和拋物波信號(hào)還可以通過斜率調(diào)節(jié)電位器來改變波形的斜率。三、鎖零按鈕鎖零按鈕用于實(shí)驗(yàn)前運(yùn)放單元中電容器的放電。使用時(shí)用二號(hào)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線將對(duì)應(yīng)的接線柱與運(yùn)放的輸出端連接。當(dāng)按下按鈕時(shí)，通用單元中的場(chǎng)效應(yīng)管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電容器兩端的初始電壓為0V；當(dāng)按鈕復(fù)位時(shí)，單元中的場(chǎng)效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，此時(shí)可以開始實(shí)驗(yàn)。四、階躍信號(hào)發(fā)生器階躍信號(hào)發(fā)生器主要提供實(shí)驗(yàn)時(shí)的階躍給定信號(hào)，其輸出電壓范圍約為-15V+15V，正負(fù)檔連續(xù)可調(diào)。使用時(shí)根據(jù)需要可選擇正輸出或負(fù)輸出，具體通過“

5、階躍信號(hào)發(fā)生器”單元的鈕子開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按下自鎖按鈕時(shí)，單元的輸出端輸出一個(gè)可調(diào)的階躍信號(hào)(當(dāng)輸出電壓為1V時(shí)，即為單位階躍信號(hào))，實(shí)驗(yàn)開始；當(dāng)按鈕復(fù)位時(shí)，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：?jiǎn)卧妮敵鲭妷嚎赏ㄟ^實(shí)驗(yàn)箱上的直流數(shù)字電壓表來進(jìn)行測(cè)量。五、電阻測(cè)量單元可以通過輸出的電壓值來得到未知的電阻值，本單元可以在實(shí)驗(yàn)時(shí)方便地設(shè)置電位器的阻值。當(dāng)鈕子開關(guān)撥到×10K位置時(shí)，所測(cè)量的電阻值等于輸出的電壓值乘以10，單位為千歐。當(dāng)鈕子開關(guān)撥到×100K位置時(shí)，所測(cè)量的電阻值等于輸出的電壓值乘以100，單位為千歐。注：為了得到一個(gè)較準(zhǔn)確的電阻值，應(yīng)該選擇適當(dāng)?shù)臋n位，盡量保證輸出的電壓

6、與1V更接近。六、交/直流數(shù)字電壓表交/直流數(shù)字電壓表有三個(gè)量程，分別為200mV、2V、20V。當(dāng)自鎖開關(guān)不按下時(shí)，它作直流電壓表使用，這時(shí)可用于測(cè)量直流電壓；當(dāng)自鎖開關(guān)按下時(shí)，作交流毫伏表使用，它具有頻帶寬（10Hz400KHz）、精度高（1K Hz時(shí)：±5）和真有效值測(cè)量的特點(diǎn)，即使測(cè)量窄脈沖信號(hào)，也能測(cè)得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達(dá)到10。七、通用單元電路通用單元電路具體有“通用單元1”“通用單元6”、“反相器單元”和“系統(tǒng)能控性與能觀性分析”等單元。這些單元主要由運(yùn)放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過不同的接線，可以模擬各種受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型，主要

7、用于比例、積分、微分、慣性等電路環(huán)節(jié)的構(gòu)造。一般為反向端輸入，其中電阻多為常用阻值51K、100K、200K、510K；電容多在反饋端，容值為0.1uF、1uF、10uF。以組建積分環(huán)節(jié)為例，積分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)為1s。首先確定帶運(yùn)放的單元，且其前后的元器件分別為100K、10uF（T=100K×10uF=1s），通過觀察“通用單元1”可滿足要求，然后將100K和10uF通過實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接起來。實(shí)驗(yàn)前先按下“鎖零按鈕”對(duì)電容放電，然后用2號(hào)導(dǎo)線將單位階躍信號(hào)輸出端接到積分單元的輸入端，積分電路的輸出端接至反向器單元，保證輸入、輸出方向的一致性。然后按下“鎖零按鈕”和階躍信號(hào)輸出按鈕，用示

8、波器觀察輸出曲線，其具體電路如下圖所示。八、非線性單元由一個(gè)含有兩個(gè)單向二極管并且需要外加±15V直流電源，可研究非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性和非線性系統(tǒng)。其中10K電位器由電位器組單元提供。電位器的使用可由2號(hào)導(dǎo)線將電位器引出端點(diǎn)接入至相應(yīng)電路中。但在實(shí)驗(yàn)前先斷開電位器與電路的連線，用萬用表測(cè)量好所需R的阻值，然后再接入電路中。九、采樣保持器它采用“采樣-保持器”組件LF398，具有將連續(xù)信號(hào)離散后再由零階保持器輸出的功能，其采樣頻率由外接的方波信號(hào)頻率決定。使用時(shí)只要接入外部的方波信號(hào)及輸入信號(hào)即可。十、單片機(jī)控制單元主要用于計(jì)算機(jī)控制實(shí)驗(yàn)部分，其作用為計(jì)算機(jī)控制算法的執(zhí)行。主要由單片機(jī)

9、（AT89S52）、AD采集（AD7323，四路12位，電壓范圍：-10V+10V）和DA輸出（LTC1446，兩路12位，電壓范圍：-10V+10V）三部分組成。發(fā)光二極管可顯示AD轉(zhuǎn)換結(jié)果（由具體程序而定）。十一、實(shí)物實(shí)驗(yàn)單元包括溫度控制單元、直流電機(jī)單元和步進(jìn)電機(jī)單元，主要用于計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)中，使用方法詳見實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。十二、數(shù)據(jù)采集卡 采用ADUC7021和CY68013芯片組成，支持4路AD（-10V+10V）采集，兩路DA（-10V+10V）輸出。采樣頻率為40K，轉(zhuǎn)換精度為12位，配合上位機(jī)可進(jìn)行常規(guī)信號(hào)采集顯示、模擬量輸出、頻率特性分析等功能。注意事項(xiàng)：1每次連接線路前要關(guān)閉

10、電源總開關(guān)。2按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書連接好線路后，仔細(xì)檢查線路是否連接正確、電源有無接反。如確認(rèn)無誤后方可接通電源開始實(shí)驗(yàn)。第二部分 實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)實(shí)驗(yàn)一 A/D與D/A轉(zhuǎn)換一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過實(shí)驗(yàn)了解實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)與使用方法；2通過實(shí)驗(yàn)了解模擬量通道中模數(shù)轉(zhuǎn)換與數(shù)模轉(zhuǎn)換的實(shí)現(xiàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1THKKL-6型 控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2 PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THKKL-6”、“Keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351單片機(jī)下載線4USB數(shù)據(jù)線；三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1輸入一定值的電壓，測(cè)取模數(shù)轉(zhuǎn)換的特性，并分析之；2在程序輸入一個(gè)要得到的電壓值，完成通道的數(shù)

11、模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。3. 編寫A/D與D/A的轉(zhuǎn)換程序四、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的“電源總開關(guān)”，打開+5V、±15V電源。將“階躍信號(hào)發(fā)生器”單元輸出端連接到“單片機(jī)控制單元”的“AI1”通道，同時(shí)將“單片機(jī)控制單元”的“AO1”輸出端連接到示波器接口單元的“通道1”輸入端；2將“階躍信號(hào)發(fā)生器”的輸入電壓調(diào)節(jié)為1V；3啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，打開軟件“Keil uVision3”，打開“實(shí)驗(yàn)01AD電壓轉(zhuǎn)換ex01.Uv2”工程文件閱讀并理解程序，編譯；4連接好下載線，打開“Easy 51Pro”軟件，下載實(shí)驗(yàn)程序；5打開“THKKL-6”軟件的虛擬示波器，選擇通道1并進(jìn)行采集；6調(diào)節(jié)階躍信號(hào)的大小，

12、然后繼續(xù)觀察AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果；7實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，退出實(shí)驗(yàn)軟件，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱電源。五、附 錄編程實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生編寫單片機(jī)程序可實(shí)現(xiàn)各種典型信號(hào)的產(chǎn)生，如正弦信號(hào)，方波信號(hào)，斜坡信號(hào)，拋物線信號(hào)等。其函數(shù)表達(dá)式分別為：1) 正弦信號(hào) ，2) 方波 3) 斜坡信號(hào)4) 拋物線信號(hào)六、思考題1、當(dāng)模擬輸入電壓在+10V-10V范圍時(shí)，計(jì)算A/D轉(zhuǎn)換器最低有效位代表的電壓值；量化誤差是多少?2、觀察疊加了尖脈沖干擾的正弦信號(hào)和經(jīng)過高通濾波后的信號(hào)，計(jì)算高通濾波器的低頻截止頻率實(shí)驗(yàn)二 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器算法的研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)并熟悉常規(guī)的數(shù)字PID控制算法的原理；2學(xué)習(xí)并熟悉積分分離PID控制算法的原

13、理；3掌握具有數(shù)字PID調(diào)節(jié)器控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)和調(diào)節(jié)器參數(shù)的整定方法。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1THKKL-6型 控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2 PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THKKL-6”、“Keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351單片機(jī)下載線4USB數(shù)據(jù)線；三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1利用本實(shí)驗(yàn)箱，設(shè)計(jì)并構(gòu)成一個(gè)用于混合仿真實(shí)驗(yàn)的計(jì)算機(jī)閉環(huán)實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)；2采用常規(guī)的PI和PID調(diào)節(jié)器，構(gòu)成計(jì)算機(jī)閉環(huán)系統(tǒng)，并對(duì)調(diào)節(jié)器的參數(shù)進(jìn)行整定，使之具有滿意的動(dòng)態(tài)性能；3對(duì)系統(tǒng)采用積分分離PID控制，并整定調(diào)節(jié)器的參數(shù)。四、實(shí)驗(yàn)原理在工業(yè)過程控制中，應(yīng)用最廣泛的控制器是PID控制器，它是按偏差的比例（P）、積分（

14、I）、微分（D）組合而成的控制規(guī)律。而數(shù)字PID控制器則是由模擬PID控制規(guī)律直接變換所得。在PID控制規(guī)律中，引入積分的目的是為了消除靜差，提高控制精度，但系統(tǒng)中引入了積分，往往使之產(chǎn)生過大的超調(diào)量，這對(duì)某些生產(chǎn)過程是不允許的。因此在工業(yè)生產(chǎn)中常用改進(jìn)的PID算法，如積分分離PID算法，其思想是當(dāng)被控量與設(shè)定值偏差較大時(shí)取消積分控制；當(dāng)控制量接近給定值時(shí)才將積分作用投入，以消除靜差，提高控制精度。這樣，既保持了積分的作用，又減小了超調(diào)量。五、實(shí)驗(yàn)步驟1實(shí)驗(yàn)接線1.1 按圖2-1和圖2-2連接一個(gè)二階被控對(duì)象閉環(huán)控制系統(tǒng)的電路；1.2 用導(dǎo)線將該電路的輸入端連接到單片機(jī)控制單元的“AO1”輸出

15、端，電路的輸出端與單片機(jī)控制單元的“AI1”和示波器單元的“通道1”輸入端相連；1.3 待檢查電路接線無誤后，打開電源總開關(guān)，并按下鎖零按鈕使其處于“鎖零”狀態(tài)；2程序運(yùn)行2.1 打開電源開關(guān)，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行所有實(shí)驗(yàn)軟件；2.2 打開“實(shí)驗(yàn)04位置式PID”的工程文件，閱讀并理解程序。然后編譯、下載程序；2.3 彈起鎖零按鈕使其處于“解鎖”狀態(tài)，用虛擬示波器觀察輸出端的響應(yīng)曲線。結(jié)束本次實(shí)驗(yàn)后按下鎖零按鈕使其處于“鎖零”狀態(tài)； 2.4 參考步驟2.2、2.3，用同樣的方法分別運(yùn)行增量式PID和積分分離PID實(shí)驗(yàn)程序，用虛擬示波器觀察輸出端的響應(yīng)曲線；2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，退出實(shí)驗(yàn)軟件，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)

16、箱電源。注： 程序每次開始運(yùn)行時(shí)會(huì)先延時(shí)一段時(shí)間（一般5秒左右），目的是讓電容有充足的放電時(shí)間，使實(shí)驗(yàn)不受影響。 每次重新進(jìn)行實(shí)驗(yàn)時(shí)要先按下鎖零按鈕，再對(duì)單片機(jī)進(jìn)行復(fù)位，然后彈起鎖零按鈕進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1繪出實(shí)驗(yàn)中二階被控對(duì)象在各種不同的PID控制下的響應(yīng)曲線。2編寫積分分離PID控制算法的程序。3. 編寫增量式PID控制算法的程序七、思考題1. 該實(shí)驗(yàn)中被控對(duì)象是什么？有什么特點(diǎn)？2. 試敘述帶積分分離的PID控制算法的特點(diǎn)和應(yīng)用的場(chǎng)合。3. 位置式PID算式與增量式算式有何區(qū)別？各有什么優(yōu)缺點(diǎn)？4. 數(shù)字PID調(diào)節(jié)器的參數(shù)Kp 、Ti 、Td和采樣周期T對(duì)系統(tǒng)響應(yīng)有何影響？參數(shù)的

17、整定使用什么方法？八、附錄1被控對(duì)象的模擬與計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的構(gòu)成圖2-1 數(shù)-?；旌峡刂葡到y(tǒng)的方框圖圖中信號(hào)的離散化通過數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。被控對(duì)象的傳遞函數(shù)為： 它的模擬電路圖如下圖所示圖2-2 被控二階對(duì)象的模擬電路圖2常規(guī)PID控制算法常規(guī)PID控制位置式算法為對(duì)應(yīng)的Z傳遞函數(shù)為式中：Kp-比例系數(shù)Ki=積分系數(shù)，T采樣周期Kd微分系數(shù)其增量形式為 3積分分離PID控制算法系統(tǒng)中引入的積分分離算法時(shí)，積分分離PID算法要設(shè)置分離閾E0：當(dāng) e(kT)E0時(shí)，采用PID控制，以保持系統(tǒng)的控制精度。當(dāng) e(kT)>E0時(shí)，采用PD控制，可使p減小。積分分離PID控制算法為：

18、式中Ke稱為邏輯系數(shù)：當(dāng) e(k)E0時(shí)， Ke=1當(dāng) e(k)>E0時(shí)， Ke=0對(duì)應(yīng)的控制方框圖為圖2-3 上位機(jī)控制的方框圖圖中信號(hào)的離散化是由數(shù)據(jù)采集卡的采樣開關(guān)來實(shí)現(xiàn)。4數(shù)字PID控制器的參數(shù)整定在模擬控制系統(tǒng)中，參數(shù)整定的方法較多，常用的實(shí)驗(yàn)整定法有：臨界比例度法、階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。數(shù)字控制器參數(shù)的整定也可采用類似的方法，如擴(kuò)充的臨界比例度法、擴(kuò)充的階躍響應(yīng)曲線法、試湊法等。下面簡(jiǎn)要介紹擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法。擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法只適合于含多個(gè)慣性環(huán)節(jié)的自平衡系統(tǒng)。用擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法整定PID參數(shù)的步驟如下： 數(shù)字控制器不接入控制系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于開環(huán)工作狀態(tài)下，將被調(diào)量調(diào)

19、節(jié)到給定值附近，并使之穩(wěn)定下來。 記錄被調(diào)量在階躍輸入下的整個(gè)變化過程，如下圖所示。 在曲線最大斜率處作切線，求得滯后時(shí)間和被控對(duì)象時(shí)間常數(shù)Tx，以及它們的比值Tx/，然后查下表確定控制器的KP、Ki、Kd及采樣周期T?？刂贫瓤刂坡蒚KPTiTd1.05PI0.10.84Tx/3.4PID0.051.15Tx/2.00.451.2PI0.20.78Tx/3.6PID0.161.0Tx/1.90.551.5PI0.50.68Tx/3.9PID0.340.85Tx/1.620.82擴(kuò)充階躍響應(yīng)曲線法通過測(cè)取響應(yīng)曲線的、Tx參數(shù)獲得一個(gè)初步的PID控制參數(shù)，然后在此基礎(chǔ)上通過部分參數(shù)的調(diào)節(jié)（試湊）使

20、系統(tǒng)獲得滿意的控制性能。實(shí)驗(yàn)三 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握用PID控制規(guī)律的直流調(diào)速系統(tǒng)的調(diào)試方法；2了解PWM調(diào)制、直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路的工作原理。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1THKKL-6型 控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2 PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THKKL-6”、“Keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351單片機(jī)下載線4USB數(shù)據(jù)線；三、實(shí)驗(yàn)原理直流電機(jī)在應(yīng)用中有多種控制方式，在直流電機(jī)的調(diào)速控制系統(tǒng)中，主要采用電樞電壓控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速與方向。功率放大器是電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)中的重要部件，它的性能及價(jià)格對(duì)系統(tǒng)都有重要的影響。過去的功率放大器是采用磁放大器、交磁放大機(jī)或可控硅（晶閘管）

21、?，F(xiàn)在基本上采用晶體管功率放大器。PWM功率放大器與線性功率放大器相比，有功耗低、效率高，有利于克服直流電機(jī)的靜摩擦等優(yōu)點(diǎn)。PWM調(diào)制與晶體管功率放大器的工作原理：1PWM的工作原理圖13-1 PWM的控制電路上圖所示為SG3525為核心的控制電路，SG3525是美國(guó)Silicon General公司生產(chǎn)的專用PWM控制集成芯片，其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)及各引腳如圖13-2所示，它采用恒頻脈寬調(diào)制控制方案，其內(nèi)部包含有精密基準(zhǔn)源、鋸齒波振蕩器、誤差放大器、比較器、分頻器和保護(hù)電路等。調(diào)節(jié)Ur的大小，在A、B兩端可輸出兩個(gè)幅度相等、頻率相等、相位相互錯(cuò)開180度、占空比可調(diào)的矩形波（即PWM信號(hào)）。它適用

22、于各開關(guān)電源、斬波器的控制。2功放電路直流電機(jī)PWM輸出的信號(hào)一般比較小，不能直接去驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，它必須經(jīng)過功放后再接到直流電機(jī)的兩端。該實(shí)驗(yàn)裝置中采用直流15V的直流電壓功放電路驅(qū)動(dòng)。3反饋接口在直流電機(jī)控制系統(tǒng)中，在直流電機(jī)的軸上貼有一塊小磁鋼，電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)磁鋼轉(zhuǎn)動(dòng)。磁鋼的下面中有一個(gè)霍爾元件，當(dāng)磁鋼轉(zhuǎn)到時(shí)霍爾元件感應(yīng)輸出。4直流電機(jī)控制系統(tǒng)如圖13-3所示，由霍耳傳感器將電機(jī)的速度轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡變換成數(shù)字量后送到計(jì)算機(jī)與給定值比較，所得的差值按照一定的規(guī)律（通常為PID）運(yùn)算，然后經(jīng)數(shù)據(jù)采集卡輸出控制量，供執(zhí)行器來控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。圖13-2 SG3525內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖13-

23、3 直流電機(jī)控制系統(tǒng)四、實(shí)驗(yàn)步驟1實(shí)驗(yàn)接線用導(dǎo)線將直流電機(jī)單元05V的“+”輸入端接到單片機(jī)控制單元的“AO1”的輸出端，同時(shí)將“霍耳輸出”端接到單片機(jī)接口的“T0”和示波器接口的“通道1”處；將驅(qū)動(dòng)模塊輸出端與電機(jī)連接，注意正負(fù)要對(duì)應(yīng)連接。用導(dǎo)線24V的“”與“GND”連在一起。2程序運(yùn)行2.1 打開電源開關(guān)，打開電源開關(guān)，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行所有實(shí)驗(yàn)軟件；2.2 打開“實(shí)驗(yàn)13 直流閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)”的工程文件，閱讀并理解程序。然后編譯、下載程序；2.3用示波器觀察“霍耳輸出”的曲線，觀察直流電機(jī)的運(yùn)行情況，當(dāng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值后，計(jì)算出頻率；注：由于電機(jī)加了3個(gè)小磁鋼，所以計(jì)算出的頻率值

24、的三分之一為電機(jī)一秒的轉(zhuǎn)數(shù)。2.4重新配置P、I、D的參數(shù)或改變算法的運(yùn)行步長(zhǎng)，并再次運(yùn)行算法程序，觀察直流電機(jī)的運(yùn)行情況；2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，退出實(shí)驗(yàn)軟件，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱電源。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出直流電機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖。2分析P、I、D控制參數(shù)對(duì)直流電機(jī)運(yùn)行的影響。實(shí)驗(yàn)四 步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解步進(jìn)電機(jī)的工作原理；2理解步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)速控制方式和調(diào)速方法；二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1THKKL-6型 控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2 PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THKKL-6”、“Keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351單片機(jī)下載線4USB數(shù)據(jù)線；三、實(shí)驗(yàn)原理1步進(jìn)電機(jī)工作

25、原理簡(jiǎn)介：步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或線位移的執(zhí)行元件，它實(shí)際上是一種單相或多相同步電機(jī)。電脈沖信號(hào)通過環(huán)形脈沖分配器，勵(lì)磁繞組按照順序輪流接通直流電源。由于勵(lì)磁繞組在空間中按一定的規(guī)律排列，輪流和直流電源接通后，就會(huì)在空間形成一種階躍變化的旋轉(zhuǎn)磁場(chǎng)，使轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過一定角度(稱為步距角)。在正常運(yùn)行情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)過的總角度與輸入的脈沖數(shù)成正比；電機(jī)的轉(zhuǎn)速與輸入脈沖頻率保持嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系， 步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)同時(shí)與相數(shù)、分配數(shù)、轉(zhuǎn)子齒輪數(shù)有關(guān)；電機(jī)的運(yùn)動(dòng)方向由脈沖相序控制。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)不需要A/D轉(zhuǎn)換，能夠直接將數(shù)字脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)化成為角位移，它被認(rèn)為是理想的數(shù)控執(zhí)行元件。故廣泛應(yīng)用于數(shù)控

26、機(jī)床、打印繪圖儀等數(shù)控設(shè)備中。不過步進(jìn)電機(jī)在控制的精度、速度變化范圍、低速性能方面都不如傳統(tǒng)的閉環(huán)控制的直流伺服電動(dòng)機(jī)。在精度不是需要特別高的場(chǎng)合，可以使用步進(jìn)電機(jī)，以發(fā)揮其結(jié)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單、可靠性高和成本低的特點(diǎn)。伴隨著不同數(shù)字化技術(shù)的發(fā)展以及步進(jìn)電機(jī)本身技術(shù)的提高，步進(jìn)電機(jī)將會(huì)在更多的領(lǐng)域得到應(yīng)用?，F(xiàn)在比較常用的步進(jìn)電機(jī)有反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)、永磁式步進(jìn)電機(jī)、混合式步進(jìn)電機(jī)和單相式步進(jìn)電機(jī)等。其中反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)的轉(zhuǎn)子磁路是由軟磁材料制成，定子上有多相勵(lì)磁繞組，利用磁導(dǎo)的變化產(chǎn)生轉(zhuǎn)矩?，F(xiàn)階段反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)應(yīng)用最廣泛。2步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)電路原理步進(jìn)電機(jī)和普通電機(jī)的區(qū)別主要就在于其脈沖驅(qū)動(dòng)的形式，必須使

27、用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)控制器。正是這個(gè)特點(diǎn)，步進(jìn)電機(jī)可以和現(xiàn)代的數(shù)字控制技術(shù)相結(jié)合。圖14-1 步進(jìn)電機(jī)系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)框圖如圖14-1 所示，它一般有脈沖發(fā)生單元、脈沖分配單元、功率驅(qū)動(dòng)單元保護(hù)和反饋單元組成。除功率驅(qū)動(dòng)單元以外，其他部分越來越趨向于用軟件來實(shí)現(xiàn)。3軟件控制方法（并行控制）并行控制是指用硬件或軟件方法實(shí)現(xiàn)脈沖分配器的功能，它輸出的多相脈沖信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)電機(jī)的各相繞組，其框圖如圖14-2所示。圖14-2 步進(jìn)電機(jī)軟件控制框圖該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中的脈沖分配器由軟件實(shí)現(xiàn)的，由數(shù)據(jù)采集卡中的DO1DO4作為并行驅(qū)動(dòng)驅(qū)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)四相反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1實(shí)驗(yàn)接線將單片機(jī)控制單元中的D0D

28、3分別接到步進(jìn)電機(jī)單元的A、B、C和D輸出端；2程序運(yùn)行2.1 打開電源開關(guān)，打開電源開關(guān)，啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行所有實(shí)驗(yàn)軟件；2.2 打開“實(shí)驗(yàn)14 步進(jìn)電機(jī)控制”的工程文件，閱讀并理解程序。然后編譯、下載程序；2.3 觀察步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況；2.4 更改延時(shí)時(shí)間，再次編譯、下載程序，觀察步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況；2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，退出實(shí)驗(yàn)軟件，關(guān)閉實(shí)驗(yàn)箱電源。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)的方框圖。2根據(jù)實(shí)驗(yàn)程序編寫四相八拍方式的程序。實(shí)驗(yàn)五 單閉環(huán)溫度恒值控制系統(tǒng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?理解溫度閉環(huán)控制的基本原理；2了解溫度傳感器的使用方法；3學(xué)習(xí)溫度PID控制參數(shù)的配置。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1THKK

29、L-6型 控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱；2 PC機(jī)1臺(tái)(含軟件“THKKL-6”、“Keil uVision3”及“Easy 51Pro”)；351單片機(jī)下載線4USB數(shù)據(jù)線；三、實(shí)驗(yàn)原理1溫度驅(qū)動(dòng)部分該實(shí)驗(yàn)中溫度的驅(qū)動(dòng)部分采用了直流15V的驅(qū)動(dòng)電源，控制電路和驅(qū)動(dòng)電路的原理與直流電機(jī)相同，直流24V經(jīng)過PWM調(diào)制后加到加熱器的兩端。2溫度測(cè)量端（溫度反饋端）溫度測(cè)量端（反饋端）一般為熱電式傳感器，熱電式傳感器式利用傳感元件的電磁參數(shù)隨溫度的變化的特性來達(dá)到測(cè)量的目的。例如將溫度轉(zhuǎn)化成為電阻、磁導(dǎo)或電勢(shì)等的變化，通過適當(dāng)?shù)臏y(cè)量電路，就可達(dá)到這些電參數(shù)的變化來表達(dá)溫度的變化。在各種熱電式傳感器

30、中，已把溫度量轉(zhuǎn)化為電勢(shì)和電阻的方法最為普遍。其中將溫度轉(zhuǎn)換成為電阻的熱電式傳感器叫熱電偶；將溫度轉(zhuǎn)換成為電阻值大小的熱電式傳感器叫做熱電阻，如銅電阻、熱敏電阻、 Pt 電阻等。銅電阻的主要材料是銅，主要用于精度不高、測(cè)量溫度范圍（50150）不大的的地方。而鉑電阻的材料主要時(shí)鉑，鉑電阻物理、化學(xué)性能在高溫和氧化性介質(zhì)中很穩(wěn)定，它能用作工業(yè)測(cè)溫元件和作為溫度標(biāo)準(zhǔn)。鉑電阻與溫度的關(guān)系在0630.74以內(nèi)為 RtR0（1atbt2）式中 Rt溫度為t 時(shí)的溫度；R0溫度為0時(shí)的電阻； t任意溫度；a、b為溫度系數(shù)。本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)中使用了Pt100作為溫度傳感器。在實(shí)際的溫度測(cè)量中，常用電橋作為熱電阻的測(cè)量電阻。在如圖15-1中采用鉑電阻作為溫度傳感器。當(dāng)溫度升高時(shí)，電橋處于不平衡，在a，b兩端產(chǎn)生與溫度相對(duì)應(yīng)的電位差；該電橋?yàn)橹绷麟姌颉D15-1 溫度測(cè)量及放大電路4溫度控制系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)十三的直流