《计算机控制技术》实验指导书深圳大学光电工程学院2016年12月
《计算机控制技术》实验指导书 深圳大学光电工程学院 2016 年 12 月
QIUSH目录一．计算机控制实验指导1． 概述A/D与D/A转换.32.实验一3．实验二数字滤波2..94.实验三D(s)离散化方法的研究.135.实验四数字PID控制算法的研究..166.实验五串级控制算法的研究..197.实验六解耦控制算法的研究....238.实验七最少拍控制算法的研究...289．实验八具有纯滞后系统的大林控制..3010.实验九线性离散系统的全状态反馈控制..3311.实验十二维模糊控制器..3612.实验十一单神经元控制器.二，计算机控制对象实验指导.391.实验一：直流电机转速计算机控制实验2.实验二水箱液位计算机控制实验41三．计算机控制软件说明1．概述....43..472．安装指南及系统要求..483.功能使用说明.4．VBScript编程及疑难解答..55.785.使用实例
目录 一．计算机控制实验指导 1．概述.1 2．实验一 A/D 与 D/A 转换.3 3．实验二 数字滤波.7 4．实验三 D(s)离散化方法的研究.9 5．实验四 数字 PID 控制算法的研究.13 6．实验五 串级控制算法的研究.16 7．实验六 解耦控制算法的研究.19 8．实验七 最少拍控制算法的研究.23 9．实验八 具有纯滞后系统的大林控制.28 10．实验九 线性离散系统的全状态反馈控制.30 11．实验十 二维模糊控制器.33 12．实验十一 单神经元控制器.36 二．计算机控制对象实验指导 1．实验一 直流电机转速计算机控制实验.39 2．实验二 水箱液位计算机控制实验.41 三．计算机控制软件说明 1．概 述.43 2．安装指南及系统要求.47 3．功能使用说明.48 4．VBScript 编程及疑难解答.55 5．使用实例.78
OIU计算机控制实验指导概述一．系统功能特点1.以PC微机为操作台，高效率支持“计算机控制”的教学实验。2.系统含有高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。3.系统含有界面友好、功能丰富的软件。PC微机在实验中，除了用作实验测试所需的虚拟仪器外，还可用作测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。4.系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。可自已设计实验内容，构建系统对象，编写控制算法，进行计算机控制技术的研究。二：系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统软件）、ACCT-I实验箱、并行通讯线等组成。ACCT-I实验箱内装有以ADμC812芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过并口与PC微机连接。1.ACCT-I实验箱简介ACCT-I实验箱是一个通用的实验箱。它主要由电源部分U1单元，信号源部分U2单元，与PC机进行通讯的数据处理单元U3，元器件单元U4，非线性单元U5，U6，U7，模拟电路单元U8U16组成，详见附图。电源单元U1，包括电源开关，保险丝，+5V，一5V，+15V，一15V，0V，1.2V～15V可调电压的输出。U2信号源单元可以产生周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号和正弦信号，频率幅值可调。U3单元为数据处理模块，用于完成数据采集与数据输出，并通过并行口与上位PC机进行通讯。U4单元提供了实验所需的电容与电阻，电位器，另提供插接电路，供放置自己选定大小的元器件。U5，U6，U7分别为典型的非线性环节电路。U8～U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成的电路用于锁零。在“计算机控制”实验中，这些单元常被用于模拟被控对象。2.软件系统上位机软件使用及怎样用VBScript语言编写计算机控制软件脚本文件详见《计算1
计算机控制实验指导 1 概 述 一．系统功能特点 1．以 PC 微机为操作台，高效率支持“计算机控制”的教学实验。 2．系统含有高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节 与系统。 3．系统含有界面友好、功能丰富的软件。PC 微机在实验中，除了用作实验测试所需 的虚拟仪器外，还可用作测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。 4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。可自己设计实验 内容，构建系统对象，编写控制算法，进行计算机控制技术的研究。 二．系统构成 实验系统由上位 PC 微机（含实验系统软件）、ACCT-I 实验箱、并行通讯线等组成。 ACCT-I 实验箱内装有以 ADμC812 芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡， 通过并口与 PC 微机连接。 1．ACCT-I 实验箱简介 ACCT-I 实验箱是一个通用的实验箱。它主要由电源部分 U1 单元，信号源部分 U2 单 元，与 PC 机进行通讯的数据处理单元 U3，元器件单元 U4，非线性单元 U5，U6，U7，模 拟电路单元 U8～U16 组成，详见附图。 电源单元 U1，包括电源开关，保险丝，＋5V，－5V，＋15V，－15V，0V，1.2V～15V 可调电压的输出。 U2 信号源单元可以产生周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号和正弦信号， 频率幅值可调。 U3 单元为数据处理模块，用于完成数据采集与数据输出，并通过并行口与上位 PC 机 进行通讯。 U4 单元提供了实验所需的电容与电阻，电位器，另提供插接电路，供放置自己选定大 小的元器件。 U5，U6，U7 分别为典型的非线性环节电路。 U8～U16 为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成 的电路用于锁零。在“计算机控制”实验中，这些单元常被用于模拟被控对象。 2．软件 系统上位机软件使用及怎样用 VBScript 语言编写计算机控制软件脚本文件详见《计算
QIuS计算机控制实验指导机控制技术软件说明》。三.计算机控制实验系统实验内容1.A/D与D/A转换2.数字滤波3.D(s)离散化方法的研究4.数字PID控制算法的研究5.串级控制算法的研究6.解耦控制算法的研究7.最少拍控制算法的研究8.具有纯滞后系统的大林控制9.线性离散系统的全状态反馈控制10.二维模糊控制器11.单神经元控制器四．实验注意事项1.实验开始前需要对实验箱上的运算放大器电路进行调零。2.运算放大器边上的锁零点G接线要正确。在需要锁零时，可与输入信号同步的锁零信号相连。如采用PC产生输入信号，则连U3单元的G1（同步对应O1信号），G2（同步对应O2）：如采用U2单元的输入信号，则连接U2单元上的G（同步对应U2单元发生信号）。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般情况下不需要锁零信号。不需要锁零时，请把G与-15V相连。3.系统软件支持锁零信号设定。通过对O1的端口输出实现其对应端口G1的输出，通过对O2的端口输出实现对应端口G2的输出（脚本程序对应处编程设定），G1与G2信号分别与O1，O2信号同步。经常的操作有：用一路输出作为计算机控制时数据处理的D/A通道，另一路用来控制锁零信号：当同时需用O1与O02作为数据处理的D/A通道时，处理方法参照上面第2点内容。4.在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反相器。2
计算机控制实验指导 2 机控制技术软件说明》。 三．计算机控制实验系统实验内容 1． A/D 与 D/A 转换 2． 数字滤波 3． D(s)离散化方法的研究 4． 数字 PID 控制算法的研究 5． 串级控制算法的研究 6． 解耦控制算法的研究 7． 最少拍控制算法的研究 8． 具有纯滞后系统的大林控制 9． 线性离散系统的全状态反馈控制 10．二维模糊控制器 11．单神经元控制器 四．实验注意事项 1．实验开始前需要对实验箱上的运算放大器电路进行调零。 2．运算放大器边上的锁零点 G 接线要正确。在需要锁零时，可与输入信号同步的锁 零信号相连。如采用 PC 产生输入信号，则连 U3 单元的 G1（同步对应 O1 信号），G2（同 步对应 O2）；如采用 U2 单元的输入信号，则连接 U2 单元上的 G（同步对应 U2 单元发生 信号）。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般情况下不需要锁零信号。不需要 锁零时，请把 G 与-15V 相连。 3．系统软件支持锁零信号设定。通过对 O1 的端口输出实现其对应端口 G1 的输出， 通过对 O2 的端口输出实现对应端口 G2 的输出(脚本程序对应处编程设定)，G1 与 G2 信号 分别与 O1，O2 信号同步。经常的操作有：用一路输出作为计算机控制时数据处理的 D/A 通道，另一路用来控制锁零信号；当同时需用 O1 与 O2 作为数据处理的 D/A 通道时，处 理方法参照上面第 2 点内容。 4．在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反 相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接 入反相器
U计算机控制实验指导实验一A/D与D/A转换一，实验自的1.通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。2.通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。二．实验内容1.利用实验系统完成测试信号的产生2.测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。3.设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。三，实验步骤1.了解并熟悉实验设备，掌握以ADuC812为核心的数据处理系统的模拟量通道设计方法，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法：2.利用实验设备产生0～5V的斜坡信号，输入到一路模拟量输入通道，在上位机软件的界面上测取该模拟量输入通道当A/D转换数为4位时的模数转换量化特性；3.利用实验箱设计并连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路，分别输入两路模拟量输入通道，在上位机界面的界面上测取它们的模数转换结果，然后将该转换结果的数字量，通过数模转换变为模拟量和输入信号作比较：4.编写程序实现各种典型测试信号的产生，熟悉并掌握程序设计方法；5.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四. 附录1.ADμC812概述ADuC812是一个高性能数据采集芯片。芯片内集成了：（1）与8051兼容的内核：额定工作频率12MHz，3个16位定时器／计数器，32条可编程的I/O线，9个中断源（2个优先级）。（2）模拟I/O：一个8通道、5us转换时间、12位精度、逐次逼近型ADC转换器，ADC至RAM的DMA控制器：两个12位电压输出DAC转换器。（3）存贮器：8KB片内闪速/电擦除程序存贮器（EEPROM）640字节片内闪速/电擦除数据存贮器（EEPROM），256字节片内数据存贮器（SRAM），16KB外部数据地址空间，64KB外部程序地址空间。（4）片内其它外围：UART串行I/O,SPI串行I/O，看门狗定时器，电源监视器。2.实验设备中的模拟量输入通道n
计算机控制实验指导 3 实验一 A/D 与 D/A 转换 一．实验目的 1．通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。 2．通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。 二．实验内容 1．利用实验系统完成测试信号的产生 2．测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。 3．设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。 三．实验步骤 1．了解并熟悉实验设备，掌握以 ADμC812 为核心的数据处理系统的模拟量通道设计 方法，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法； 2．利用实验设备产生 0～5V 的斜坡信号，输入到一路模拟量输入通道，在上位机软 件的界面上测取该模拟量输入通道当 A/D 转换数为 4 位时的模数转换量化特性； 3．利用实验箱设计并连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路，分别输入两路模 拟量输入通道，在上位机界面的界面上测取它们的模数转换结果，然后将该转换结果的数 字量，通过数模转换变为模拟量和输入信号作比较； 4．编写程序实现各种典型测试信号的产生，熟悉并掌握程序设计方法； 5．对实验结果进行分析，并完成实验报告。 四．附录 1．ADμC812 概述 ADμC812 是一个高性能数据采集芯片。芯片内集成了： （1）与 8051 兼容的内核：额定工作频率 12MHz，3 个 16 位定时器∕计数器，32 条 可编程的 I/O 线，9 个中断源（2 个优先级）。 （2）模拟 I/O：一个 8 通道、5μs 转换时间、12 位精度、逐次逼近型 ADC 转换器， ADC 至 RAM 的 DMA 控制器；两个 12 位电压输出 DAC 转换器。 （3）存贮器：8KB 片内闪速/电擦除程序存贮器（EEPROM）,640 字节片内闪速/电擦 除数据存贮器（EEPROM），256 字节片内数据存贮器（SRAM），16KB 外部数据地址空间， 64KB 外部程序地址空间。 （4）片内其它外围：UART 串行 I/O,SPI 串行 I/O，看门狗定时器，电源监视器。 2．实验设备中的模拟量输入通道
/计算机控制实验指导（1）主要功能：允许一5V～+5V信号输入，而至ADuC812引脚ADC的信号则被限制在要求的0V～+5V（芯片参考电压为+5V）。（2）模拟量输入通道基本电路：见图1.1由一个偏移电路环节（十5V）与放大器电路环节（放大倍数0.5）组成。R4RsR2+5vuiRo本77R3R6ADCx(ADuC812)Ri本0+5v图1.1（3）模拟量输入通道输入端口：实验箱面板上，有模拟量输入通道输入端口I1～16。3.实验设备中的模拟量输出通道（1）主要功能：变ADμC812引脚DAC的单极性输出（OV～+5V）为双极性输出（-5V~+5V)。（2）模拟量输出通道基本电路：见图1.2。由一个偏移电路环节（一2.5V）与放大器电路环节（放大倍数2）组成。R4RsR2DACxRo7RR6OutR1-2.5v图1.2（3）模拟量输出通道输出端口：实验箱面板上，有模拟量输出通道输出端口O1，O2。4.ADuC812与上位机的关系与分工ADuC812与上位机之间，通过并行口完成数据通讯。以ADuC812为核心构成的数据采集系统主要完成模拟量采集、模数转换、数模转换和模拟量输出（零阶保持器）等功能。而数据处理与显示，包括有关信号发生、数字滤波、数字控制与虚拟仪器等功能则通过上位机实现。系统通过A/D变换器对模拟信号进行A/D转换，转换后的值通过并口通讯传至上位机，由上位机软件显示；将欲转换的数字量送至D/A变换器还原成模拟量。本系统中A/D，D/A为12位，可以通过脚本程序设置取得其他较低的转换精度以达到实验目的。4
计算机控制实验指导 4 （1）主要功能：允许－5V～＋5V 信号输入，而至 ADμC812 引脚 ADC 的信号则被限 制在要求的 0V～＋5V（芯片参考电压为＋5V）。 （2）模拟量输入通道基本电路：见图 1.1 由一个偏移电路环节（＋5V）与放大器电路环节（放大倍数 0.5）组成。 （3）模拟量输入通道输入端口：实验箱面板上，有模拟量输入通道输入端口 I1～I6。 3．实验设备中的模拟量输出通道 （1）主要功能：变 ADμC812 引脚 DAC 的单极性输出（0V～＋5V）为双极性输出（－ 5V～＋5V）。 （2）模拟量输出通道基本电路：见图 1.2。 由一个偏移电路环节（－2.5V）与放大器电路环节（放大倍数 2）组成。 （3）模拟量输出通道输出端口：实验箱面板上，有模拟量输出通道输出端口 O1，O2。 4．ADμC812 与上位机的关系与分工 ADμC812 与上位机之间，通过并行口完成数据通讯。以 ADμC812 为核心构成的数据 采集系统主要完成模拟量采集、模数转换、数模转换和模拟量输出（零阶保持器）等功能。 而数据处理与显示，包括有关信号发生、数字滤波、数字控制与虚拟仪器等功能则通过上 位机实现。系统通过 A/D 变换器对模拟信号进行 A/D 转换，转换后的值通过并口通讯传至 上位机，由上位机软件显示；将欲转换的数字量送至 D/A 变换器还原成模拟量。本系统中 A/D，D/A 为 12 位，可以通过脚本程序设置取得其他较低的转换精度以达到实验目的。 R2 R1 +5v + ui R0 - 图1.1 + + R3 - R5 + R4 0 ADCx(ADuC812) +5v R6 R2 R1 -2.5v + DACx R0 - + + R3 - R5 + R4 R Out 6 图1.2
计算机控制实验指导有关ADuC812与上位机构成系统的具体使用方法，特别是有关上位机用户界面上的操作，请参阅“计算机控制上位机程序使用说明书”。5.两路互为倒相的周期斜坡信号的产牛利用实验设备产生两路相位互差180°的斜坡信号的电路见图1.3，其中Ro=R=R2，R3=R4。在上位机界面上，选择测试信号为周期斜坡，在O1端得到周期斜坡信号，如图1.4.a所示，在I2和I1端分别得到如图1.4.b、1.4.c所示互为倒相的周期信号。R2R4RoO1R:IRiO212图1.3图1.46.软件编程实现测试信号发生在上位机软件留给用户的编程接口中，编程实现典型信号的发生如正弦信号，周期方波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号。（1）正弦信号2元y= Asin(ot+@), T=0（2）方波0≤1<T,ACT,≤t<T（3）锯齿波5
计算机控制实验指导 5 有关 ADμC812 与上位机构成系统的具体使用方法，特别是有关上位机用户界面上的 操作，请参阅“计算机控制上位机程序使用说明书”。 5．两路互为倒相的周期斜坡信号的产生 利用实验设备产生两路相位互差 180°的斜坡信号的电路见图 1.3，其中 R0＝R1=R2，R3 ＝R4。在上位机界面上，选择测试信号为周期斜坡，在 O1 端得到周期斜坡信号，如图 1.4.a 所示，在 I2 和 I1 端分别得到如图 1.4.b、1.4.c 所示互为倒相的周期信号。 6．软件编程实现测试信号发生 在上位机软件留给用户的编程接口中，编程实现典型信号的发生如正弦信号，周期方 波信号，周期锯齿波信号，周期抛物线信号。 （1）正弦信号 yA t = + sin( ) ω ϕ ， 2 T π ω = （2）方波 （3）锯齿波 图 1.4 1 1 0 0 A t T y T tT ⎧ ≤ < = ⎨ ⎩ ≤ < R2 O2 R1 + O1 R0 - 图1.3 + R3 + - + R4 I2 I1
H计算机控制实验指导0≤t<Tat=0T,≤t<T（4）抛物线1e0≤t<Ty=0T,≤I<T6
计算机控制实验指导 6 （4）抛物线 1 1 0 0 at t T y T tT ⎧ ≤ < = ⎨ ⎩ ≤ < 2 1 1 1 0 2 0 at t T y T tT ⎧ ⎪ ≤ < = ⎨ ⎪ ⎩ ≤ <
aIUE计算机控制实验指导实验二、数字滤波一。实验目的1.通过实验掌握数字滤波器设计方法，2.学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。二． 实验内容1.产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。2.设计并调试数字化一阶惯性滤波器。3.设计并调试高阶数字滤波器。三，实验步骤1.利用实验装置，设计和连接产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路，并利用数据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求；2.根据信号频谱，设计并选择数字化一阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；3.根据信号频谱，设计并选择高阶数字滤波器的参数，编制并运行高阶数字滤波器的滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；4。改变干扰信号，设计产生如带方波干扰的正弦信号，带随机干扰的正弦信号电路，同上做实验。5.对实验结果进行分析，并完成实验报告。四. 附录1.测试信号的产生R2利用实验装置，产生R4频率可变带尖脉冲干扰正Ro正弦信号弦信号的参考电路，如图VR2.1所示：尖脉冲干扰RI2.一阶惯性滤波H+器及其数字化一阶惯性滤波器的传递函数为：图2.17
计算机控制实验指导 7 图2.1 R2 尖脉冲干扰 正弦信号 R1 + R0 - + + R3 R4 - + 实验二 数字滤波 一．实验目的 1．通过实验掌握数字滤波器设计方法。 2．学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。 二．实验内容 1．产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。 2．设计并调试数字化一阶惯性滤波器。 3．设计并调试高阶数字滤波器。 三．实验步骤 1．利用实验装置，设计和连接产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路，并利用数 据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调 整电路参数，使它满足实验要求； 2．根据信号频谱，设计并选择数字化一阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数 字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响； 3．根据信号频谱，设计并选择高阶数字滤波器的参数，编制并运行高阶数字滤波器的 滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响； 4．改变干扰信号，设计产生如带方波干扰的正弦信号，带随机干扰的正弦信号电路， 同上做实验。 5．对实验结果进行分析，并完成实验报告。 四．附录 1．测试信号的产生 利用实验装置，产生 频率可变带尖脉冲干扰正 弦信号的参考电路，如图 2.1 所示： 2．一阶惯性滤波 器及其数字化 一阶惯性滤波器的传 递函数为：
OIUH计算机控制实验指导1Y(s)Gp(s)=X(s)ts+1利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法：TJ(k)==x(k)+(1--)(k-1)T其中T为采样周期，T为滤波时间常数。T和T必须根据信号频谱来选择。3.高阶数字滤波器高阶数字滤波器算法很多，这里给出一种四阶加权平均算法：y(k)= A,x(k)+ A,x(k-1)+ A,x(k-2)+ A,x(k-3)的其中权系数A满足：实验系统程序编制与调试4.参考计算机控制上位机程序软件使用说明书。8
计算机控制实验指导 8 () 1 ( ) () 1 F Y s G s X s s τ = = + 利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法： ( ) ( ) (1 ) ( 1) T T yk xk yk τ τ = +− − 其中 T 为采样周期，τ 为滤波时间常数。T 和τ 必须根据信号频谱来选择。 3．高阶数字滤波器 高阶数字滤波器算法很多，这里给出一种四阶加权平均算法： 12 3 4 y k Ax k Ax k Ax k Ax k ( ) ( ) ( 1) ( 2) ( 3) = + −+ − + − 其中权系数 Ai 满足： 4 1 i 1 i A = ∑ = ，类似地，Ai 必须根据信号频谱来选择。 4．实验系统程序编制与调试 参考计算机控制上位机程序软件使用说明书