計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)講義

1、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(guò)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(guò)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1 THKKL-5型 控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱2 THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含 37 芯通信線、 16 芯排線和USB 電纜線各1 根 )3 PC 機(jī) 1 臺(tái)(含軟件“ THKKL-5 ” )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在上位機(jī)輸入一十進(jìn)制代碼，完成通道的數(shù)模轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)。四、實(shí)驗(yàn)步驟1啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的“電源總開(kāi)關(guān)”輸出端連接到“數(shù)據(jù)采集接口單元”的“，打開(kāi)± 5、

2、77; 15V 電源。將“階躍信號(hào)發(fā)生器”單元AD1 ”通道，同時(shí)將采集接口單元的“DA1 ”輸出端連接到接口單元的“AD2 ”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)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THKKL-5”軟件，在打開(kāi)的軟件界面上點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕；4點(diǎn)擊軟件“系統(tǒng)”菜單下的“AD/DA 實(shí)驗(yàn)”，在 AD/DA實(shí)驗(yàn)界面上點(diǎn)擊“開(kāi)始”按鈕，觀測(cè)采集卡上AD 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，在輸入電壓為1V( 可以使用面板上的直流數(shù)字電壓表進(jìn)行測(cè)量)時(shí)應(yīng)為 00001100011101(共 14 位，其中后幾位將處于實(shí)時(shí)刷新?tīng)顟B(tài))。調(diào)節(jié)階躍信號(hào)的大小，然后繼續(xù)觀察AD轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換結(jié)果，并

3、與理論值(詳見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)附錄)進(jìn)行比較；5根據(jù)進(jìn)制數(shù)據(jù)（如DA 轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換規(guī)律(詳見(jiàn)本實(shí)驗(yàn)附錄)，在 DA 部分的編輯框中輸入一個(gè)十2457，其范圍為0 4095），然后虛擬示波器上觀測(cè)DA 轉(zhuǎn)換值的大??；6實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。五、附錄1數(shù)據(jù)采集卡本實(shí)驗(yàn)箱采用了THBXD數(shù)據(jù)采集卡。它是一種基于USB總線的數(shù)據(jù)采集卡，卡上裝有14Bit分辨率的A/D轉(zhuǎn)換器和12Bit分辨率的D/A轉(zhuǎn)換器，其轉(zhuǎn)換器的輸入量程均為±10V 、輸出量程均為±5V 。該采集卡為用戶提供4 路模擬量輸入通道和2 路模擬量輸出通道。其主要特點(diǎn)有：1) 支持 USB1.1 協(xié)議，

4、真正實(shí)現(xiàn)即插即用2) 400KHz 14 位 A/D 轉(zhuǎn)換器，通過(guò)率為350K ， 12 位 D/A 轉(zhuǎn)換器，建立時(shí)間10 s3) 4 通道模擬量輸入和 2 通道模擬量輸出4) 8K 深度的 FIFO 保證數(shù)據(jù)的完整性5) 8 路開(kāi)關(guān)量輸入， 8 路開(kāi)關(guān)量輸出2 AD/DA轉(zhuǎn)換原理數(shù)據(jù)采集卡采用“THBXD ”USB 卡，該卡在進(jìn)行A/D 轉(zhuǎn)換實(shí)驗(yàn)時(shí)，輸入電壓與二進(jìn)制的對(duì)應(yīng)關(guān)系為： -10 10V 對(duì)應(yīng)為 0 16383(A/D轉(zhuǎn)換為 14 位 ) 。其中 0V 為 8192。其主要數(shù)據(jù)格式如下表所示(采用雙極性模擬輸入)：輸入AD 原始碼 (二進(jìn)制 )AD 原始碼 (十六進(jìn)制 )求補(bǔ)后的碼

5、(十進(jìn)制 )正滿度01 1111 1111 11111FFF16383正滿度 1LSB01 1111 1111 11101FFE16382中間值（零點(diǎn)）00 0000 0000 000000008192負(fù)滿度 +1LSB10 0000 0000 000120011負(fù)滿度10 0000 0000 000020000而 DA 轉(zhuǎn)換時(shí)的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換關(guān)系為： -5 5V 對(duì)應(yīng)為 0 4095(D/A 轉(zhuǎn)換為 12 位 )，其數(shù)據(jù)格式 (雙極性電壓輸出時(shí) ) 為：輸入D/A 數(shù)據(jù)編碼正滿度1111 1111 1111正滿度 1LSB1111 1111 1110中間值（零點(diǎn)）1000 0000 0000負(fù)滿度

6、 +1LSB0000 0000 0001負(fù)滿度0000 0000 00003編程實(shí)現(xiàn)測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生利用上位機(jī)的 “腳本編程器” 可編程實(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)2yA sin(t) ， T2) 方波yA0tT10T1tT3) 斜坡信號(hào)yat0tT1， a 為常量0T1tT4) 拋物線信號(hào)y1at 20tT1 ，a 為常量20T1tT這里以拋物線信號(hào)為例進(jìn)行編程，其具體程序如下：dim tx,op,a初始化函數(shù)sub Initialize(arg)初始化函數(shù)WriteData 0 ,1對(duì)采集卡的輸出端口 DA1 進(jìn)行

7、初始化tx=0對(duì)變量初始化end subsub TakeOneStep (arg)算法運(yùn)行函數(shù)a=1op=0.5*a*tx*tx0.1為時(shí)間步長(zhǎng)tx=tx+0.1ifop>3then波形限幅tx=0end ifWriteData op ,1數(shù)據(jù)從采集卡的DA1端口輸出end subsub Finalize (arg)退出函數(shù)WriteData 0 ,1end sub通過(guò)改變變量tx、 a 的值可改變拋物線的上升斜率。實(shí)驗(yàn)二數(shù)字濾波器一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過(guò)實(shí)驗(yàn)熟悉數(shù)字濾波器的實(shí)現(xiàn)方法；2研究濾波器參數(shù)的變化對(duì)濾波性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 THKKL-5型 控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)

8、驗(yàn)箱2 THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含 37 芯通信線、 16 芯排線和USB 電纜線各1 根 )3 PC 機(jī) 1 臺(tái)(含軟件“ THKKL-5 ” )三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1設(shè)計(jì)一個(gè)帶尖脈沖（頻率可變）干擾信號(hào)和正弦信號(hào)輸入的模擬加法電路；2設(shè)計(jì)并調(diào)試一階數(shù)字濾波器；3設(shè)計(jì)并調(diào)試高階數(shù)字濾波器。四、實(shí)驗(yàn)原理1在許多信息處理過(guò)程中，如對(duì)信號(hào)的濾波，檢測(cè)，預(yù)測(cè)等都要廣泛地用到濾波器。數(shù)字濾波器是數(shù)字信號(hào)處理中廣泛使用的一種線性環(huán)節(jié)，它從本質(zhì)上說(shuō)是將一組輸入的數(shù)字序列通過(guò)一定規(guī)則的運(yùn)算后轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪唤M希望輸出的數(shù)字序列。一般可以用兩種方法來(lái)實(shí)現(xiàn)：一種是用數(shù)字硬件來(lái)實(shí)現(xiàn)；另一種是用計(jì)算機(jī)的軟件編程來(lái)實(shí)現(xiàn)。一個(gè)數(shù)字

9、濾波器，它所表達(dá)的運(yùn)算可用差分方程來(lái)表示：NNy( n)ai x(ni)bi y(n i )i 0i 02一階數(shù)字濾波器及其數(shù)字化一階數(shù)字濾波器的傳遞函數(shù)為Y (s)1GF ( s)s1X (s)利用一階差分法離散化，可以得到一階數(shù)字濾波器的算法：TSx(k)TS1)y( k)(1) y(k其中 T S 為采樣周期，為濾波器的時(shí)間常數(shù)。TS 和應(yīng)根據(jù)信號(hào)的頻譜來(lái)選擇。3高階數(shù)字濾波器高階數(shù)字濾波器算法很多，這里只給出一種加權(quán)平均算法：y( K ) A1x(K )A2 x(K1)A3 x(K 2) A4 x(K 3)其中權(quán)系數(shù) Ai4滿足：Ai1 。同樣， Ai 也根據(jù)信號(hào)的頻譜來(lái)選擇。i 1五

10、、實(shí)驗(yàn)步驟1實(shí)驗(yàn)接線及準(zhǔn)備1.1 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)THKKL-5 ，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件；1.2 啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)箱的“電源總開(kāi)關(guān)” ，打開(kāi)± 5、± 15V 電源。將低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器單元輸出端連接到采集卡的“ AD1 ”通道，并選擇方波輸出。在虛擬示波器觀測(cè)方波信號(hào)的頻率和幅值，然后調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”電位器，使方波信號(hào)的頻率和幅值分別為4Hz， 2V 。然后斷開(kāi)與采集卡的連接，將低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器單元輸出端連接到“通用電路單元十一”輸入端，輸出端產(chǎn)生一個(gè)尖脈沖信號(hào)Uo；1.3 按圖 2-2 連接電路，其中正弦信號(hào)來(lái)自數(shù)據(jù)采集卡的“DA1 ”輸出端，尖

11、脈沖信號(hào)來(lái)自“通用電路單元十一” 的輸出端。 圖 2-2 的輸出端與數(shù)據(jù)采集卡的 “ AD1 ”輸入端相連，同時(shí)將數(shù)據(jù)采集卡的“ DA2 ”輸出端與“ AD2 ”輸入端相連。2腳本程序運(yùn)行2.1 點(diǎn)擊軟件工具欄上的“”按鈕(腳本編程器)，打開(kāi)腳本編輯器窗口；2.2 在腳本編輯器窗口的文件菜單下點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制算法計(jì)算機(jī)控制技術(shù)基礎(chǔ)算法”文件夾下選中 “數(shù)字濾波” 腳本程序并打開(kāi)，閱讀、理解該程序，然后點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為10ms；2.3 點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”，用雙蹤示波器分別觀察圖2-2的輸出端和數(shù)據(jù)采集卡輸出

12、端“DA2 ”的波形。調(diào)節(jié)信號(hào)發(fā)生器中的“頻率調(diào)節(jié)”電位器，改變方波信號(hào)的頻率(即尖脈沖干擾信號(hào)的頻率)。觀察數(shù)據(jù)濾波器的濾波效果；2.4 點(diǎn)擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，修改算法程序中的參數(shù)Ts(注：修改 Ts 時(shí)要同步修改算法的運(yùn)行步長(zhǎng))、 Ti 兩個(gè)參數(shù)，然后再運(yùn)行該程序，在示波器上再次觀察參數(shù)變化對(duì)濾波效果的影響；2.5 對(duì)于高階數(shù)字濾波器的算法編程實(shí)驗(yàn)，請(qǐng)參考本實(shí)驗(yàn)步驟2.2、2.3 和2.4。不同的是打開(kāi)的腳本程序文件名為“數(shù)字濾波（高階）”，實(shí)驗(yàn)時(shí)程序可修改的參數(shù)為a1、 a2、 a3和采樣時(shí)間Ts。2.6 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出

13、尖脈沖干擾信號(hào)的產(chǎn)生電路圖。2編寫一階數(shù)字濾波器的腳本程序。3繪制加數(shù)字濾波器前、后的輸出波形，并分析程序中參數(shù)的變化對(duì)其濾波效果的影響。七、附錄1尖脈沖干擾信號(hào)產(chǎn)生的模擬電路圖圖 2-1 尖脈沖產(chǎn)生電路通過(guò)改變方波信號(hào)的頻率，即可改變尖脈沖的頻率。2實(shí)驗(yàn)電路的信號(hào)的產(chǎn)生把圖 2-1 產(chǎn)生的尖脈沖信號(hào)視為干擾信號(hào)，與一低頻正弦信號(hào)（由上位機(jī)的“腳本編輯器”編程輸出）輸入到圖 2-2 所示的兩個(gè)輸入端。圖2-2測(cè)試信號(hào)的產(chǎn)生電路圖3一階數(shù)字濾波器的程序編寫與調(diào)試示例dim pv,op1,op2,Ts,t,opx,x,Tisub Initialize(arg)變量定義初始化函數(shù)WriteData

14、0 ,1opx=0end subsub TakeOneStep (arg)pv = ReadData(1)op1=2*sin(x)算法運(yùn)行函數(shù)采集卡通道1 的測(cè)量值正弦信號(hào)的產(chǎn)生x=x+0.1Ti=0.02Ts=0.01op2=Ts/Ti*pv+(1-Ts/Ti)*opx采樣時(shí)間 10ms一階數(shù)字濾波器的輸出opx=op2if op2>=4.9 thenop2=4.9end ifif op2<=-4.9 thenop2=-4.9end ifWriteData op1 ,1WriteData op2 ,2正弦信號(hào)從DA1濾波后的信號(hào)從端口輸出DA2 端口輸出end subsub Fi

15、nalize (arg)退出函數(shù)WriteData 0 ,1WriteData 0 ,2end sub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1 THKKL-5型 控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱2 THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含 37 芯通信線、 16 芯排線和USB 電纜線各1 根 )3 PC 機(jī) 1 臺(tái)(含軟件“ THKKL-5 ” )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

16、部件，它的性能及價(jià)格對(duì)系統(tǒng)都有重要的影響。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）?，F(xiàn)在基本上采用晶體管過(guò)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：1 PWM 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

17、。調(diào)節(jié)Ur 的大小，在度、占空比可調(diào)的矩形波（即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(kāi)PWM 信號(hào)）。它適用于各開(kāi)關(guān)電源、斬波器的控制。1802功放電路直流電機(jī) PWM 輸出的信號(hào)一般比較小，再接到直流電機(jī)的兩端。該實(shí)驗(yàn)裝置中采用直流不能直接去驅(qū)動(dòng)直流電機(jī)，它必須經(jīng)過(guò)功放后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

18、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(lái)控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速和方向。圖 13-2 SG3525 內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖 13-3直流電機(jī)控制系統(tǒng)四、實(shí)驗(yàn)步驟1實(shí)驗(yàn)接線1.1 用導(dǎo)線將直流電機(jī)的“+”輸入端接到驅(qū)動(dòng)模塊的輸出“+”端，直流電機(jī)的“”輸入端接到驅(qū)動(dòng)模塊的輸出“”端；1.2 用導(dǎo)線將直流電機(jī)單元的控制信號(hào)輸入“端，同時(shí)將“霍耳輸出”端接到數(shù)據(jù)采集卡的“+”端接到數(shù)據(jù)采集卡的“ AD1 ”處；DA1 ”的輸出1.3 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)平箱的電源總開(kāi)關(guān)。2腳本程序運(yùn)行2.1 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THKKL-5”，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件。2.2順序點(diǎn)擊虛擬示波器界面上的“”按

19、鈕和工具欄上的“”按鈕 (腳本編程器 )；2.3 在腳本編輯器窗口的文件菜單下點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用算法”文件夾下選中“直流電機(jī)”腳本程序并打開(kāi)，閱讀、理解該程序，然后點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為50ms；2.3 點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”；觀察直流電機(jī)的運(yùn)行情況。2.4 當(dāng)直流電機(jī)的轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在設(shè)定值后，再點(diǎn)擊“腳本編輯器”窗口上“停止”按鈕，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，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出直流電機(jī)

20、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。六、參考程序dim pv,sv,ei,K,Ti,Td,q0,q1,q2,mx,pvx,opsub Initialize(arg)WriteData 0 ,1mx=0pvx=0end subsub TakeOneStep (arg)pv = GetFSTTTRACE " 轉(zhuǎn)速 =%f",pvsv=35K=2Ti=2Td=0Ts=0.05ei=(sv-pv )/20TTRACE "ei=%f", eiq0=K*eiif Ti=0thenmx=0q1=0elsemx=K*Ts*ei/Tie

21、nd ifq2=K*Td*(pvx-pv)/Tsq1=q1+mxif q1>3.5 thenq1=3.5end ifif q1<-3.5then'初始化函數(shù)'算法運(yùn)行函數(shù)'當(dāng)前測(cè)量值'采集周期50ms'比例項(xiàng)'當(dāng)前積分項(xiàng)'微分項(xiàng)'當(dāng)前積分限幅，以防積分飽和q1=-3.5end ifpvx=pvop=q0+q1+q2' 當(dāng)前輸出值if op<=1 then'輸出值限幅op=1end ifif op>=3.5 thenop=3.5end ifWriteData op ,1TTRACE "

22、;op=%f", opend subsub Finalize (arg) '退出函數(shù) WriteData 0 ,1end sub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；3掌握用VBScript 或 JScript 腳本語(yǔ)言進(jìn)行開(kāi)關(guān)量的編程。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 THKKL-5型 控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱2 THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含 37 芯通信線、 16 芯排線和3 PC 機(jī) 1 臺(tái)(含軟件“ THKKL-5 ” )USB電纜線各1 根 )三、實(shí)驗(yàn)原理1步進(jìn)電機(jī)工作原理簡(jiǎn)介：步進(jìn)電機(jī)是一種能將電脈沖

23、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(guò)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(guò)一定角度(稱為步距角 )。在正常運(yùn)行情況下，電機(jī)轉(zhuǎn)過(guò)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)控機(jī)床、打印繪圖儀等數(shù)控設(shè)備中。

24、不過(guò)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， 必須使用專用的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)

25、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(lái)越趨向于用軟件來(lái)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1.1 將數(shù)據(jù)采集卡單元中的DO1 DO4 分別接到步進(jìn)電機(jī)單

26、元的1.2 打開(kāi)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開(kāi)關(guān)。DO1 DO4 作為并行驅(qū)A 、B、C 和 D 輸出端；2腳本程序運(yùn)行2.1 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THKKL-5”，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件。2.2 順序點(diǎn)擊虛擬示波器界面上的“”按鈕和工具欄上的“”按鈕 (腳本編程器 )；2.3 在腳本編輯器窗口的文件菜單下點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用算法”文件夾下選中“步進(jìn)控制”腳本程序并打開(kāi)，閱讀、理解該程序，然后點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為100ms；2.3 點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”；觀察步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行情況；2.4 點(diǎn)擊“腳本編輯器”窗口上“停止”按鈕

27、，更改算法的運(yùn)行步長(zhǎng)，并再次運(yùn)行算法程序，觀察步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行；2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。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。六、參考程序dim nsub Initialize(arg)SetDO FALSE ,1SetDO FALSE ,2SetDOFALSE,3SetDO FALSE ,4end subsub TakeOneStep (arg)n=n+1if n=1 thenSetDO TRUE ,1SetDO TRUE ,2SetDO FALSE ,3SetDO FALSE ,4end ifif n=2 th

28、enSetDO FALSE ,1SetDO TRUE ,2SetDO TRUE ,3SetDO FALSE ,4end ifif n=3 thenSetDO FALSE ,1SetDO FALSE ,2SetDO TRUE ,3SetDO TRUE ,4end ifif n=4 thenSetDO TRUE ,1SetDO FALSE ,2SetDOFALSE,3SetDO TRUE ,4n=0end ifend subsub Finalize (arg)SetDO FALSE ,1SetDO FALSE ,2SetDOFALSE,3SetDO FALSE ,4end sub實(shí)驗(yàn)五單閉環(huán)溫度恒

29、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1 THKKL-5型 控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱2 THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含 37 芯通信線、 16 芯排線和USB 電纜線各1 根 )3 PC 機(jī) 1 臺(tái)(含軟件“ THKKL-5 ” )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 15V 經(jīng)過(guò) 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

30、元件的電磁參數(shù)隨溫度的變化的特性來(lái)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(guò)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(lái)表達(dá)溫度的變化。在各種熱電式傳感器中， 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（50 150）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0 630.74以內(nèi)為Rt R0（

31、 1 at bt2）式中 Rt 溫度為 t 時(shí)的電阻值；R0 溫度為 0時(shí)的電阻值；t 任意溫度；a、 b 為溫度系數(shù)。該實(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?溫度控制系統(tǒng)與實(shí)驗(yàn)十三的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速控制相類似，雖然控制對(duì)象不同，被控參數(shù)有差別， 但對(duì)于計(jì)算機(jī)閉環(huán)控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)，卻是大同小異，都有相同的工作原理，共同的結(jié)構(gòu)及特點(diǎn)。圖 15-1 溫度測(cè)量及放大電路四、實(shí)驗(yàn)步驟1實(shí)驗(yàn)接線1.1用導(dǎo)線將溫度控制單元的

32、“控制單元輸入”端接到數(shù)據(jù)采集卡的“DA1 ”的輸出端，同時(shí)將溫度變送器的“輸出”端接到數(shù)據(jù)采集卡的“AD1 ”處；1.2打開(kāi)實(shí)驗(yàn)箱的電源總開(kāi)關(guān)。2腳本程序的參數(shù)整定及運(yùn)行2.1 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)“THKKL-5”，運(yùn)行實(shí)驗(yàn)軟件。2.2本編程器順序點(diǎn)擊虛擬示波器界面上的“ )；”按鈕和工具欄上的“”按鈕 (腳2.3 在腳本編輯器窗口的文件菜單下點(diǎn)擊“打開(kāi)”按鈕，并在“計(jì)算機(jī)控制技術(shù)應(yīng)用算法”文件夾下選中“溫度控制”腳本程序并打開(kāi)，閱讀、理解該程序，然后點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“步長(zhǎng)設(shè)置”，將腳本算法的運(yùn)行步長(zhǎng)設(shè)為100ms；2.3 點(diǎn)擊腳本編輯器窗口的調(diào)試菜單下“啟動(dòng)”；觀察溫

33、度加熱器內(nèi)溫度的變化。2.4 當(dāng)控制溫度穩(wěn)定在設(shè)定值后，再點(diǎn)擊腳本編輯器的調(diào)試菜單下“停止”，重新配置 P、I 、D 的參數(shù)或改變算法的運(yùn)行步長(zhǎng)，等加熱器溫度冷卻后再次啟動(dòng)程序，并觀察運(yùn)行結(jié)果。2.5 實(shí)驗(yàn)結(jié)束后，關(guān)閉腳本編輯器窗口，退出實(shí)驗(yàn)軟件。注：為了更好地觀測(cè)溫度曲線，本實(shí)驗(yàn)中可將“分頻系數(shù)”設(shè)置到最大。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1畫出溫度控制系統(tǒng)的方框圖。2分析P、I、D控制參數(shù)對(duì)溫度加熱器中溫度控制的影響。六、參考程序dim pv,sv,ei,ex,ey,k,ti,td,q0,q1,q2,op,x,Ts,ux,tvsub Initialize(arg)WriteData 0 ,1end sub

34、sub TakeOneStep (arg)pv = ReadData(1)'當(dāng)前測(cè)量值sv=50'設(shè)置溫度k=1ti=5td=0Ts=0.1'采樣時(shí)間 100msei=sv-20*abs(pv)'當(dāng)前偏差q0=k*(ei-ex)' 比例項(xiàng)if Ti=0thenq1=0elseq1=K*Ts*ei/Ti'當(dāng)前積分項(xiàng)end ifq2=k*td*(ei-2*ex+ey) /Ts'微分項(xiàng)ey=exex=eip=op+q0+q1+q2if op>=3.5 thenop=3.5end ifif op<=1 thenop=1end iftv

35、=20*abs(pv)TTTRACE " 溫度 =%f",tv'輸出溫度TTRACE "op=%f",opTTRACE "ei=%f",eiTTRACE "pv =%f",pvWriteData op ,1end subsub Finalize (arg)WriteData 0 ,1end sub實(shí)驗(yàn)六離散化方法研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)并掌握數(shù)字控制器的設(shè)計(jì)方法；2熟悉將模擬控制器D(S)離散為數(shù)字控制器的原理與方法；3通過(guò)數(shù)模混合實(shí)驗(yàn)，對(duì) D(S)的多種離散化方法作比較研究， 并對(duì) D(S)離散化前后閉環(huán)系

36、統(tǒng)的性能進(jìn)行比較，以加深對(duì)計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的理解。二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1 THKKL-5型 控制理論·計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)箱2 THBXD數(shù)據(jù)采集卡一塊(含 37芯通信線、16 芯排線和USB電纜線各1 根 )3PC 機(jī)1 臺(tái)(含軟件“THKKL-5” )三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1按連續(xù)系統(tǒng)的要求，照?qǐng)D3-1的方案設(shè)計(jì)一個(gè)與被控對(duì)象串聯(lián)的模擬控制器D(S) ，并用示波器觀測(cè)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。2利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)，設(shè)計(jì)一個(gè)數(shù)?；旌戏抡娴挠?jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，并利用D(S) 離散化后所編寫的程序?qū)ο到y(tǒng)進(jìn)行控制。3研究采樣周期T S 變化時(shí)，不同離散化的方法對(duì)閉環(huán)控制系統(tǒng)性能的影響。4對(duì)上述連續(xù)系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能作

37、比較研究。四、實(shí)驗(yàn)原理由于計(jì)算機(jī)的發(fā)展，計(jì)算機(jī)及其相應(yīng)的信號(hào)變換裝置（ A/D 和 D/A ）取代了常規(guī)的模擬控制。在對(duì)原有的連續(xù)控制系統(tǒng)進(jìn)行改造時(shí)，最方便的辦法是將原來(lái)的模擬控制器離散化，其實(shí)質(zhì)是將數(shù)字控制部分（A/D 、計(jì)算機(jī)和D/A ）看成一個(gè)整體，它的輸入與輸出都是模擬量，因而可等效于一個(gè)連續(xù)的傳遞函數(shù)D(S) 。這樣，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可近似地視為以D(S)為控制器的連續(xù)控制系統(tǒng)。下面以一個(gè)具體的二階系統(tǒng)來(lái)說(shuō)明D(S) 控制器的離散化方法。1二階系統(tǒng)的原理框圖如圖3-1 所示。圖 3-1二階對(duì)象的方框圖圖 3-2二階對(duì)象的模擬電路圖2系統(tǒng)性能指標(biāo)要求系統(tǒng)的速度誤差系數(shù)K v5 1/s ，

38、超調(diào)量p10% ，系統(tǒng)的調(diào)整時(shí)間 t s 1 s據(jù) Kv 要求可得：lim SK 05， K 05s 0S( 0.5S1)G0 (S)510S(0.5S1)S(S2)令 D(S)S2 ，則校正后的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為SaS210102D (S)nSaS(S2)S(S a)S(S 2n )由上式得n10，2na ，取 1，則 a2110 4.4722D (S)S2210.5s10.5sS4.474.4710.450.22s0.22s1所以校正后系統(tǒng)的模擬電路圖如下圖所示。圖 3-3校正后二階系統(tǒng)的模擬電路圖R 2(1R1C1 S)10.5SK v5，要求對(duì)象 K 由 5 增至D (S)(1R2C 2

39、S)2.2，為使校正后的R110.22S10。R1 500K， C11uFR 20.45， R2 220K （實(shí)際可取200K 電阻）， C21uFR13 D(S) 的離散化算法圖 3-4 數(shù)模混合控制的方框圖圖 3-3 中 D(S) 的離散化可通過(guò)數(shù)據(jù)采集卡的采樣開(kāi)關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。傳遞函數(shù)與Z 傳遞函數(shù)間的相互轉(zhuǎn)換，可視為模擬濾波器與數(shù)字濾波器之間的轉(zhuǎn)換。常用的轉(zhuǎn)換方法有：a) 階躍響應(yīng)不變法（或用脈沖響應(yīng)法）b) 后向差分法c) 雙線性變換1) 階躍躍響應(yīng)不變法u(t)L 11D (s)su(kT)us(kT)u( z)Z u(kT )Zu (kT )su( kT ) 數(shù)字濾波器在階躍作用下輸出

40、響應(yīng)的u (kT )us (kT ) 模擬濾波器在階躍作用下輸出響應(yīng)的采樣值u s ( kT)D(Z)U(Z)Z us (kT )E(Z)11z 1D(S)10.5S，U (S)10.5S11.2710.22SS(10.22S)S S4.54u( t)11.27e 4.54tu( z)11.272.27(1.27e 4.54 t ) z 11z 11e 4.54 T z 1(1z 1 )(1 e 4 .54t z 1 )據(jù)此得D(Z)U(Z)U ( z)2.27(1.27e 4.54T )z 1E(Z)11e 4.54T z 11z 1即U(k)e 4.54 T U(k- 1)2.27e(k)

41、 - (1.27 e 4.54 T )e(k - 1)2) 后向差分法令de(t)e( k)e(k1) ， dtTde(t )e(k) e(k1)dtT后向差分 S 與 Z 之間關(guān)系為：1 z 1，代入 D(S) 表達(dá)式中得STU (Z)10.5 1Z 1D(Z )TE(Z )0.22 1Z 11T于是得1T0.50.5ZT 0.2210.22ZT0.2211U (k )0.22T0.50.5U (k 1)Te(k )e( k 1)T0.220.22T 0.223) 雙線性變換Tse 2TsZ eT se2TsTT s1T s由泰勒級(jí)數(shù)得e 21s ， e 2221Tsz 12S2Z1或S21ZTTZ1T1z1 ，代入 D(s) 得1s2121Z0.51ZD(Z)T21Z10.221ZT1111(1Z1 )(1 Z1 )TT (1Z1 )0.44(1Z 1 )U ( z)(1 T)(1 T)Z 111(1 T) (1 T)Z 1E ( z)(0.44T )(0.44T )Z0.44T0.44T11Z0.44T即 u (k )0.44T u( k1)1 TTe(k )1Te( k 1)0.44T0.440.44T五、實(shí)驗(yàn)步驟1實(shí)驗(yàn)接線及準(zhǔn)備1.1按圖 3-2 連接一個(gè)二階被控對(duì)象的模擬電路；1.2用導(dǎo)線將該電路的輸入端連接到數(shù)據(jù)采集卡的“DA1 ”輸出端，電路