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计算机控制技术实验指导书张杰，王佳庆，2015年3月22目录实验一计算机控制实验设备操作……………………………………………………03实验二PC总线与A/D、D/A转换…………………………………………………………07实验三步进电机控制实验…………………………………………………………………….09实验四数字滤波与数据处理实验……………………………………………………………11实验五数字PID程序设计和系统控制实验…………………………………………………13附录1EL-AT-III型实验系统使用说明书…………………………………………………15附录2PC-YW-22A双容液位控制实验平台使用说明书……………………………………23附录3PC-YW-22A双容液位控制实验平台软件使用说明书………………………………2833实验一计算机控制实验设备操作一、实验目的1．熟悉两种计算机控制实验设备的组成、原理和软硬件使用方法。2．了解和熟悉计算机控制的基本理论的应用。二、实验仪器1．EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台。2.PC-YW-22A双容液位控制实验平台一台。3．微型计算机一台。（安装Cybernation_C和MCGS软件）三、实验内容EL-AT-III型计算机控制系统实验箱、PC-YW-22A双容液位控制实验平台及软件操作。四、实验步骤1．熟悉EL-AT-III型计算机控制系统实验箱使用。（参见附录1实验设备详细说明）1)连接EL-AT-III型计算机控制系统实验箱电源，检查无误后接通电源。当实验箱面板右上方黄绿红三个LED指示灯亮，说明实验箱电源正常。2)启动计算机，用USB数据线连接实验箱和PC机。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。（参见附录1中软件驱动程序安装部分）3)双击桌面计算机控制实验软件快捷方式“Cybernation_C”，运行软件。4)在实验项目的下拉列表中可以选择实验项目进行实验，如：[D/A数模转换实验]。熟悉各种操作按钮功能。5)关闭计算机。2.熟悉PC-YW-22A双容液位控制实验平台。（参见附录2实验设备详细说明）1)连接水箱本体和电控箱，用RS232串口数据线连接PC机和电控箱，检查无误后打开电控箱开关。2)启动计算机，双击桌面计算机控制实验软件快捷方式“MCGS组态环境”，运行软件。3)如图1所示步骤新建一个工程文件，进入组态环境的设备窗口；4)在图2设备窗口中单击鼠标右键，选择设备工具箱,点击“设备管理”；5)如图3所示操作，点安装，再选择包含“德普施运动控制卡.dll”文件的文件夹，点确定；6)如图4所示操作，在左边窗口下，找到德普施运动控制卡(此目录与前面放置dll文件的目录相同)。双击该项目，加到右边窗口，然后确定，回到“设备组态”，在图5设备管理窗口下即可看到德普施运动控制卡设备，关闭新建工程窗口（不用保存）。44图1新建一个工程文件图2设备窗口55图3安装德普施运动控制设备图4增加德普施运动控制设备双击桌面上“MCGS组态环境”图标进入程序；7)打开相应文件：C:\MCGS\Work\多变量液位控制系统.mcg；8)请确保你所连接的串口号和设备的设定一致，做法为：在设备窗口中，双击“设备窗口”，然后双击“设备1（德普施运动控制卡）”，出现其属性窗口，将其中“串口号”改为你所使用的串口号，如图5；9)如图6所示，单击图中小圈中图标进入组态软件运行环境。66图5更改串口号图6进入组态软件运行环境点击打开工程可选择“单变量液位控制系统_从机”、“单变量液位控制系统_主机”、“多变量液位控制系统”实验项目。五、实验报告1．说明EL-AT-III型计算机控制系统实验箱基本组成原理。2.说明PC-YW-22A双容液位控制实验平台完成单变量液位控制系统实验的实验原理。77实验二PC总线与A/D、D/A转换一、实验目的1．掌握模数转换和模数转换的基本原理。2．熟悉10位A/D转换和D/A转换的方法。二、实验仪器1．EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台。2．微型计算机一台。（安装Cybernation_C软件）三、实验原理通过A/D&D/A卡完成10位D/A转换、A/D转换的实验。10位D/A转换时，采用双极性模拟量输出，数字量输入范围为：0～1024，模拟量输出范围为：－5V～+5V。转换公式如下：Uo=Vref-2Vref(29K9+28K8+...+20K0)/210Vref=5.0V例如：数字量=0110011001则K9=0,K8=1,K7=1,K6=0,K5=0,K4=1,K3=1,K2=0,K1=0,K0=1模拟量Uo=Vref-2Vref(29K9+28K8+...+20K0)/210=1.0V10位A/D转换时，采用双极性模拟量输入，模拟量输入范围为：－5V～+5V，数字量输出范围为：0～1024。转换公式如下：数字量=（Vref－模拟量）/2Vref×210其中Vref是基准电压为5V。例如：模拟量=1.0V则数字量=（5.0－1.0）/（2×5.0）×210=409(十进制)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，双击桌面“Cybernation_C”快捷方式，运行软件。确保计算机与实验箱的通信正常。3．在实验项目的下拉列表中选择实验一[D/A数模转换实验],鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后，在下面的文字框内将算出变换后的模拟量。点击确定，在显示窗口观测采集到的模拟量。并将测量结果填入下表:88数字量模拟量理论值实测值4.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。5.启动计算机，双击桌面“Cybernation_C”快捷方式，运行软件。确保计算机与实验箱的通信正常。6.在实验项目的下拉列表中选择实验二[A/D数模转换实验],鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框，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，点击确定，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。99实验三步进电机控制实验一、实验目的1．了解步进电机的工作原理。2．掌握步进电机的驱动及编程方法。二、实验仪器1．EL-AT-III型计算机控制系统实验箱一台2．PC计算机一台3．步进电机控制实验对象一台三、实验原理步进电机多为永磁感应式，有两相、四相、六相等多种，实验所用电机为两相四拍式，通过对每相线圈中的电流的顺序切换来使电机作步进式旋转，驱动电路由脉冲信号来控制，所以调节脉冲信号的频率便可改变步进电机的转速：A如右图所示，每相电流为0.2A,相电压为5V，两相四拍C通电顺序如下：BD图1两相步进电机反方向旋转正方向图2与通电顺序对应电机转向示意图四、实验原理步进电机是一种电脉冲转化为角位移的执行机构。当步进驱动器接收到一个脉冲信号，它就驱动步进电机按设定的方向转动一个固定的角度(称为“步距角”)，它的旋转是以固定的角度一步一步运行的。可以通过控制脉冲个数来控制角位移量，从而达到准确定位的目的。通过设定脉冲数来使步进电机转过一定的角度，实验用步进电机是每脉冲对应1.8度。五、实验内容使步进电机按照设定的步数进行转动。相顺序ABCD011001011020011310011010六、实验步骤1．启动计算机，双击桌面“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。2．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。3．20芯的扁平电缆连接实验箱和步进电机控制对象，检查无误后，接通实验箱电源。4．在实验项目的下拉列表中选择实验九[九、步进电机],鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框，在参数设置窗口设置设置起点坐标、终点坐标值。点击确认在观测窗口观测指针的旋转方向和旋转格数是否和设置值一致。5．观测步进电机控制对象的指针旋转是否和软件的旋转一致。七、实验报告1．说明步进电机的工作原理。2．分析实际实际转动的步数出现误差的原因。1111实验四数字滤波与数据处理实验一、实验目的1．液位标定。2．熟悉和掌握液位参数检测过程中A/D采样周期的选取和数据滤波方法的选取。二、实验仪器1．PC-YW-22A双容液位控制实验平台。2．计算机一台微型计算机一台（安装MCGS软件）。三、实验原理1．本实验系统采用1000系列通用静压式液位传感器进行液位测量。其基本原理是利用压阻效应，当被测压力作用于传感器芯体的敏感区域时，在恒流源或恒压源供电的情况下，传感器输出端会产生相应的电压信号输出，输出信号与所加压力成线性关系。下面是压力传感器连接原理图：图1压力传感器连接原理图在实际使用中，由于传感器的零点与系统刻度的零点不同，以及由于传感器本身制造，水箱刻度制作及其它系统误差，一般需要对传感器进行标定。本系统中的液位传感器（压力传感器）可以将非电信号转换成电信号,经模拟放大后将信号x(t)转换成量程动态范围为0―5V的电信号，经A/D转换后得到数字信号。AD/DA转换是使用运动控制卡来完成的。1.采样周期的选取在计算机控制系统中，存在选择采样周期的问题。根据信号采样的理论，采样频率至少为信号最高频率的两倍。但同时数据采集卡的A/D转换速度也决定了可以使用的最高采样频率。对于过程控制系统，一般来说过程变化都比较缓慢，可以使用较大的采样间隔。采样间隔（采样周期）选择的详细背景知识参见相关的计算机控制参考书。2.数据滤波方法的选择水箱系统A/D采样读入数据时，由于采样数据受到传感器噪声、AD转换误差和其他外界噪声的污染。这在一定程度上影响了水箱系统的控制精度。为了提高控制精度，需要对采样数据进行处理，使其最大限度地符合系统的真实输出。四、实验步骤12121.连接水箱本体和电控箱，用232串口数据线连接PC机和电控箱，检查无误后打开电控箱开关。2.启动计算机，双击桌面计算机控制实验软件快捷方式“MCGS组态环境”，运行软件。3.打开相应文件：C:\MCGS\Work\多变量液位控制系统.mcg，进入运行环境，出现图1主界面。4.转换操作。按以下要求操作：图1主控界面窗口1)打开水柱间的连通阀，打开各水柱的出水阀（根据实验需要）。打开水箱电控箱开关；2)实验内容选择0－液位标定；3)点按开始控制键，调节泵1（计算机在实验台左侧）或泵2（计算机在实验台右侧）的滑动块，观察液位变化，记录实际液位值；4)液位标定参数设定：在本实验中，AD采集的数据与从刻度上读到的数据之间存在一个线性关系。将线性关系的比例系数(a)和偏差量(b)填入AD转换参数编辑框，可以在程序中实现转换，使软件中显示的数值与实际读到的刻度值一致。我们给出的默认值如下图2：1313图2液位参数标定界面窗口5.在系统配置界面（参见附录3：实验软件使用说明），用户可以更改“德普施运动控制卡”上可以设置“采样频率”和”最小采集周期”改变采样时间和控制间隔，观察不同采样时间和控制间隔的数据采集和控制的效果；6.选择好合适的采样时间和控制间隔后，在系统设置界面选择不同的滤波方法。观察不同滤波方法的滤波效果；7.实现自定义的滤波方法；8.观察静态液面，界面上显示的液位数据是否令人满意；9.改变液位，观察液位数据是否与实际液位变化相一致。七、实验报告1.给出液位标定参数；2.给出所选择的采样周期和控制周期；3.比较和分析不同滤波方法的理论性能和实际效果；4.写出存在问题和体会。1414实验五数字PID程序设计和系统控制实验一、实验目的和要求1.学习MCGS组态软件工程设计中硬件连接配置、用户界面设计、实时数据库操作及运行策略配置编程等组态过程，并结合控