杭州电子科技大学计算机学院
实验报告
课程名称:计算机组成原理姓
实验项目：寄存器堆设计实验班级：
指导教师学号：
实验位置:日期：2015年5月7日
A=0;
B=0;
LED=O;
W_Data=O;
if(!Write_Reg)
begin
if(!C2)
begin
A=Addr;
case(C1)
2'b00:LED=R_Data_A[7:0];
2'bO1:LED=R_Data_A[15:8];
2'b10:LED=R_Data_A[23:16];
2'b11:LED=R_Data_A[31:24];
endcase
end
else
begin
B=Addr;
case(C1)
2'b00:LED=R_Data_B[7:0];
2'bO1:LED=R_Data_B[15:8];
2'b10:LED=R_Data_B[23:16];
2'b11:LED=R_Data_B[31:24];
endcase
end
end
else
begin
case(C1)
2'b00:W_Data=32'h0000_0003;
2'b01:W_Data=32'h0000_0607;
2'b10:W_Data=32'hFFFF_FFFF;
2'b11:W_Data=32'h1111_1234;
endcase
end
end
en dmodule
按照实验的要求，一步步的进行操作。 能够正确的进行 Wire_Reg 写操作，进行读操 作时LED 灯的
显示，利用选择A, B 操作读出信号，已经Reset 进行清零信号的操作， 都能顺利的进行，本实验多次失败，收获不小。
（接 上） 实验 内容 （算 法、 程 序、 步骤
NET "Addr[0]" LOC =M8; NET "Addr[1]" LOC =N8; NET "Addr[2]" LOC =U8;
NET "Addr[3]" LOC =V8; NET "Addr[4]" LOC =T5; NET "C1[0]" LOC = T10; NET "C1[1]" LOC = T9; NET "C2" LOC = B8; NET "Clk" LOC = C 9; NET "LED[0]" LOC =U16; NET "LED[1]" LOC =V16; NET "LED[2]" LOC =U15; NET "LED[3]" LOC =V15; NET "LED[4]" LOC =M11;
NET "LED[5]" LOC = N11; NET "LED[6]" LOC = R11; NET "LED[7]" LOC = T11; NET "Reset" LOC = D9; NET "Write_Reg" LOC = V9; 数据 记录 和计
结论 （结 果）
3.管脚配置
实验仿真波形:
n n <
: Q 电卡p r FWT 尹尸科pi 通 T r n ?卢1叫卜靳 "iz
实验时间：5月25号 序号： 杭州电子科技大学 自动化学院实验报告 课程名称：自动化仪表与过程控制 实验名称：一阶单容上水箱对象特性测试实验 实验名称：上水箱液位PID整定实验 实验名称：上水箱下水箱液位串级控制实验 指导教师：尚群立 学生姓名：俞超栋 学生学号：09061821
实验一、一阶单容上水箱对象特性测试实验一．实验目的 （1）熟悉单容水箱的数学模型及其阶跃响应曲线。 （2）根据由实际测得的单容水箱液位的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数。二．实验设备 AE2000型过程控制实验装置，PC机，DCS控制系统与监控软件。 三、系统结构框图 单容水箱如图1-1所示： Q2 图1-1、单容水箱系统结构图 四、实验原理 阶跃响应测试法是系统在开环运行条件下，待系统稳定后，通过调节器或其他操作器，手动改变对象的输入信号（阶跃信号），同时记录对象的输出数据或阶跃响应曲线。然后根据已给定对象模型的结构形式，对实验数据进行处理，确定模型中各参数。 图解法是确定模型参数的一种实用方法。不同的模型结构，有不同的图解方法。单容水箱对象模型用一阶加时滞环节来近似描述时，常可用两点法直接求取对象参数。 如图1-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h，出水阀
h1( t ) h1(∞ ) 0.63h1(∞) 0 T V 2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V 2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R 2*C ，K=R 2为单容对象的放大倍数，R 1、R 2分别为V 1、V 2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。令输入流量Q 1 的阶跃变化量为R 0，其拉氏变换式为Q 1（S ）=R O /S ，R O 为常量，则输出液位高度的拉氏变换式为： 当t=T 时，则有： h(T)=KR 0(1-e -1)=0.632KR 0=0.632h(∞) 即 h(t)=KR 0(1-e -t/T ) 当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 式（1-2）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图1-2所示。当由实验求得图1-2所示的 阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%所对应时间，就是水箱的时间常数T ，该时间常数T 也可以通过坐标原点对响应曲线 图 1-2、 阶跃响应曲线
寄存器组的设计与实现 第______ _________组 成员___ ____ ____ 实验日期___ _____ _____ 实验报告完成日期___________ 1、实验目的 １、学习掌握Ｑｕａｒｔｕｓ软件的基本操作； ２、理解寄存器组的工作原理和过程； ３、设计出寄存机组并对设计的正确性进行验证； 二、实验内容
１、设计出功能完善的寄存器组，并对设计的正确性进行验证。要求如下： （１）用图形方式设计出寄存器组的电路原理图 （２）测试波形时用时序仿真实现，先将不同的数据连续写入 ４个寄存器后，再分别读出 （３）将设计文档封装成器件符号。 （４）数据的宽度最好是１６位 ２、能移位的暂存器实验，具体要求如下： （１）用图形方式设计出能移位的暂存器电路原理图，分别实 现左移、逻辑右移和算术右移。 （２）测试波形时要用时序仿真实现，测试数据不要全为０也 不要全为１，算术右移的测试数据要求为负数（即符号位为 １） （３）将设计文档封装成器件符号。 （4）数据的宽度最好是１６位 三、能完善的寄存器组设计思想 1、对于寄存器组设计思路 利用具有三态功能的寄存器堆７４６７０芯片进行设计，根据实验要求，需要设计１６位的存储器组，则需要７４６７０芯片４片，在寄存器组工作时，同时对４片７４６７０芯片进行读写操作控制，封装后即可作为包含有４个寄存器的１６位寄存器组在主机系统中调用。 2、对７４６７０器件的学习 ７４６７０（三态输出４×４寄存器堆）提供４个４位的寄存器，在功能上可对４个寄存器去分别进行写操作和读操作。在寄存器进行写操作时，通过ＷＢ、ＷＡ两个寄存器选择端的组合和００、０１、１０、１１、来选择寄存器，公国ＧＷＮ写操作端控制进行三态控制，在ＧＷＮ为低电平时将数据写入端数据Ｄ４Ｄ３Ｄ２Ｄ１写入该寄存器；在寄存
计算机原理与设计 实验报告 实验三多周期MIPS CPU的控制部件用有限状态机实现多周期CPU的控制部 件
一．实验目的 1、了解MIPS—CPU控制器的功能和工作原理； 2、掌握用有限状态机技术实现多周期控制器的方法； 3、熟练掌握用Verilog HDL语言设计多周期控制器的方法； 4、熟练掌握对多周期控制器的仿真实验验证和硬件测试两种调试方法； 5、掌握向MIPS-CPU顶层数据通路中增加控制单元的方法，并通过仿真验证和硬件测试两种方法对电路进行故障定位的调试技术。 二．实验内容 （1）MIPS—CPU控制器的有限状态机设计，根据MIPS—CPU 各种类型指令执行要求和有限状态机的设计原理，将多周期控制器的指令执行划分为多个状态，确定每一种指令的有限状态机，最后归纳为完整的多周期控制器有限状态机。通过Verilog HDL语言实现多周期控制器有限状态机。 （2）根据MIPS—CPU控制器的接口要求，在有限状态机的
基础上，用Verilog HDL实现完整的MIPS—CPU控制器的设计，并根据仿真波形，验证设计的正确性，并对出现的故障进行定位，修改程序，重新编译； （3）设计控制器的硬件下载测试方案。将编译通过的电路下载到实验台中。根据硬件调试结果验证设计的正确性，并对出现的故障进行定位，修改程序重新编译；最终完成控制器的硬件电路设计； （4）在MIPS—CPU指令系统的数据通路基础上，增加控制单元电路，并进行编译，仿真波形和调试。根据仿真波形，验证设计的正确性，并对出现的故障进行定位，修改程序，重新编译； （5）对增加了控制单元的顶层数据通路设计硬件下载测试方案。将编译通过的电路下载到实验台中。根据硬件调试结果验证设计的正确性，并对出现的故障进行定位，修改程序，重新编译；最终完成增加了控制单元的顶层数据通路设计。三．实验原理与步骤 1.把指令执行分成多个阶段，每个阶段在一个时钟周期内完成 （1）.时钟周期以最复杂阶段所花时间为准 （2）.尽量分成大致相等的若干阶段 （3）.每个阶段内最多只能完成：1次访存或1次寄存器堆读/写或1次ALU
实验一：系统认识及对象特性测试 一 实验目的 1了解实验装置结构和组成及组态软件的组成使用。 2 熟悉智能仪表的使用及实验装置和软件的操作。 3熟悉单容液位过程的数学模型及阶跃响应曲线的实验方法。 4学会有实际测的得单容液位过程的阶跃响应曲线，用相关的方法分别确定它们的参数，辨识过程的数学模型。 二 实验内容 1 熟悉用MCGS 组态的智能仪表过程控制系统。 2 用阶跃响应曲线测定单容液位过程的数学模型。 三 实验设备 1 AE2000B 型过程控制实验装置。 2 计算机，万用表各一台。 3 RS232-485转换器1只，串口线1根，实验连接线若干。 四 实验原理 如图1-1所示，设水箱的进水量为Q1，出水量为Q2，水箱的液面高度为h ，出水阀V2固定于某一开度值。根据物料动态平衡的关系，求得： 在零初始条件下，对上式求拉氏变换，得： 式中，T 为水箱的时间常数（注意：阀V2的开度大小会影响到水箱的时间常数），T=R2*C ，K=R2为单容对象的放大倍数，R1、R2分别为V1、V2阀的液阻，C 为水箱的容量系数。 阶跃响应曲线法是指通过调节过程的调节阀，使过程的控制输入产生一个阶跃变化，将被控量随时间变化的阶跃响应曲线记录下来，再根据测试记录的响应曲线求取输入输出之间的数学模型。本实验中输入为电动调节阀的开度给定值OP ，通过改变电动调节阀的开度给定单容过程以阶跃变化的信号，输出为上水箱的液位高度h 。电动调节阀的开度op 通过组态软件界面有计算机传给智能仪表，有智能仪表输出范围为：0~100%。水箱液位高度有由传感变送器检测转换为4~20mA 的标准信号，在经过智能仪表将该信号上传到计算机的组态中，由组态直接换算成高度值，在计算机窗口中显示。因此，单容液位被控对象的传递函数，是包含了由执行结构到检测装置的所有液位单回路物理关系模型 有上述机理建模可知，单容液位过程是带有时滞性的一阶惯性环节，电动调节阀的开度op ，近似看成与流量Q1成正比，当电动调节阀的开度op 为一常量作为阶跃信号时，该单容液位过程的阶跃响应为 需要说明的是表达式（2-3）是初始量为零的情况，如果是在一个稳定的过程下进行的阶跃响应，即输入量是在原来的基础上叠加上op 的变化，则输出表达式是对应原来输出值得基础上的增量表达的是，用输出测量值数据做阶跃响应曲线，应减去原来的正常输出值。 五、实验步骤 A 、熟悉用MCGS 组态的智能仪表过程控制系统 1、设备的连接和检查
实验一过程控制系统的组成认识实验 过程控制及检测装置硬件结构组成认识，控制方案的组成及控制系统连接 一、过程控制实验装置简介 过程控制是指自动控制系统中被控量为温度、压力、流量、液位等变量在工业生产过程中的自动化控制。本系统设计本着培养工程化、参数化、现代化、开放性、综合性人才为出发点。实验对象采用当今工业现场常用的对象，如水箱、锅炉等。仪表采用具有人工智能算法及通讯接口的智能调节仪，上位机监控软件采用MCGS工控组态软件。对象系统还留有扩展连接口，扩展信号接口便于控制系统二次开发，如PLC控制、DCS控制开发等。学生通过对该系统的了解和使用，进入企业后能很快地适应环境并进入角色。同时该系统也为教师和研究生提供一个高水平的学习和研究开发的平台。 二、过程控制实验装置组成 本实验装置由过程控制实验对象、智能仪表控制台及上位机PC三部分组成。 1、被控对象 由上、下二个有机玻璃水箱和不锈钢储水箱串接，4.5千瓦电加热锅炉（由不锈钢锅炉内胆加温筒和封闭外循环不锈钢锅炉夹套构成），压力容器组成。 水箱：包括上、下水箱和储水箱。上、下水箱采用透明长方体有机玻璃，坚实耐用，透明度高，有利于学生直接观察液位的变化和记录结果。水箱结构新颖，内有三个槽，分别是缓冲槽、工作槽、出水槽，还设有溢流口。二个水箱可以组成一阶、二阶单回路液位控制实验和双闭环液位定值控制等实验。 模拟锅炉：锅炉采用不锈钢精致而成，由两层组成：加热层（内胆）和冷却层（夹套）。做温度定值实验时，可用冷却循环水帮助散热。加热层和冷却层都有温度传感器检测其温度，可做温度串级控制、前馈－反馈控制、比值控制、解耦控制等实验。 压力容器：采用不锈钢做成，一大一小两个连通的容器，可以组成一阶、二阶单回路压力控制实验和双闭环串级定值控制等实验。 管道：整个系统管道采用不锈钢管连接而成，彻底避免了管道生锈的可能性。为了提高实验装置的使用年限，储水箱换水可用箱底的出水阀进行。 2、检测装置 （液位）差压变送器：检测上、下二个水箱的液位。其型号：FB0803BAEIR，测量范围：0～1.6KPa，精度：0.5。输出信号：4～20mA DC。 涡轮流量传感器：测量电动调节阀支路的水流量。其型号：LWGY－6A，公称压力：6.3MPa，精度：1.0％，输出信号：4～20mA DC 温度传感器：本装置采用了两个铜电阻温度传感器，分别测量锅炉内胆、锅炉夹套的温度。经过温度传感器，可将温度信号转换为4～20mA DC电流信号。 （气体）扩散硅压力变送器：用来检测压力容器内气体的压力大小。其型号：DBYG-4000A/ST2X1，测量范围：0.6～3.5Mpa连续可调，精度：0.2，输出信号为4～20mA DC。 3、执行机构 电气转换器：型号为QZD-1000，输入信号为4～20mA DC，输出信号：20～100Ka气压信号，输出用来驱动气动调节阀。 气动薄膜小流量调节阀：用来控制压力回路流量的调节。型号为ZMAP－100，输入信号为4～20mA DC或0～5V DC，反馈信号为4～20mA DC。气源信号 压力：20~100Kpa，流通能力：0.0032。阀门控制精度：0.1％～0.3％，环境温度：－4～＋200℃。 SCR移相调压模块：采用可控硅移相触发装置，输入控制信号0～5V DC或4～20mA DC 或10K电位器，输出电压变化范围：0～220V AC，用来控制电加热管加热。 水泵：型号为UPA90，流量为30升／分，扬程为8米，功率为180W。
杭州电子科技大学计算机学院 实验报告 实验项目： 课程名称：计算机组成原理与系统结构设计 姓名： 学号： 同组姓名： 学号 : 实 验 位 置 （ 机 号 ） ： 实验日期： 指 导 教 师： 实验 内容 （算 法、 程 序、 步骤 和 方 法） 一、 实验目的 （1 ）学会使用Verilog HDL 进行时序电路的设计方法。 （2）掌握灵活应用Verilog HDL 进行各种描述与建模的技巧和方法。 （3 ）学习寄存器堆的数据传送与读 /写工作原理，掌握寄存器堆得设计方法。 二、 实验仪器 ISE 工具软件 三、 步骤、方法 （1） 启动Xilinx ISE 软件，选择File->New Project,输入工程名shiyan2,默认选择后，点 击Next 按钮，确认工程信息后点击 Finish 按钮，创建一个完整的工程。 （2） 在工程管理区的任意位置右击，选择 New Source 命令。弹出 New Source Wizard 对 话框， 选择Verilog Module,并输入Verilog 文件名，点击Next 按钮进入下一步， 点击Finish 完成创建。 （3） 编辑程序源代码，然后编译，综合；选择 Synthesize--XST 项中的Check Syntax 右击 选择 Run 命令，并查看RTL 视图；如果编译出错，则需要修改程序代码，直至正确。 （4） 在工程管理区将 View 类型设置成 Simulation ，在任意位置右击，选择 New Source 命 令，选择Verilog Test Fixture 选项。点击Next ，点击Finish ，完成。编写激励代码，观察仿 真波形，如果验证逻辑有误，则修改代码，重新编译，仿真，直至正确。 （5） 由于实验四并未链接实验板，所以后面的链接实验板的步骤此处没有。
《过程控制系统》实验报告 学院：电气学院 专业：自动化 班级：1505 姓名及学号：任杰311508070822 日期：2018.6.3
实验一、单容水箱特性测试 一、 实验目的 1. 掌握单容水箱阶跃响应测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T 和传递函数。 二、 实验设备 1. THJ-FCS 型高级过程控制系统实验装置。 2. 计算机及相关软件。 3. 万用电表一只。 三、 实验原理 图1 单容水箱特性测试结构图 由图 2-1 可知，对象的被控制量为水箱的液位 h ，控制量（输入量）是流入水箱中的流量 Q 1，手动阀 V 1 和 V 2 的开度都为定值，Q 2 为水箱中流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时02010=-Q Q （式2-1），动态时，则有dt dV Q Q = -21，（式2-2）式中 V 为水箱的贮水容积，dt dV 为水贮存量的变化率，它与 h 的关
系为Adh dV =，即dt dh A dt dV =（式2-3），A 为水箱的底面积。把式（2-3）代入式（2-2）得dt dh A Q Q =-21（式2-4）基于S R h Q =2,S R 为阀2V 的液阻，（式2-4）可改写为dt dh A R h Q S =-1，1KQ h dt dh AR S =+或()()1s 1+=Ts K s Q H （式2-5）式中s AR T =它与水箱的底面积A 和2V 的S R 有关，（式2-5）为单容水箱的传递函数。若令()S R S Q 01=,常数=0R ，则式2-5可表示为()T S KR S R K S R T S T K S H 11/000+-=?+= 对上式取拉氏反变换得()()T t e KR t h /01--=（式2-6）,当∞→t 时()0KR h =∞,因而有()0/R h K ∞==输出稳态值/阶跃输入，当T t =时，()() ()∞==-=-h KR e KR T h 632.0632.01010，式2-6表示一阶惯性响应曲线是一单调上升的指数函数如下图2-2所示 当由实验求得图 2-2 所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的 63%所对应的时间，就是水箱的时间常数 T 。该时间常数 T 也可以通过 坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是 时间常数 T ，由响应曲线求得 K 和 T 后，就能求得单容水箱的传递函 数如式（2-5）所示。 如果对象的阶跃响应曲线为图 2-3，则在此曲线的拐点 D 处作一切线，它与时间轴交于 B 点，与响应稳态值的渐近线交于 A 点。图中OB 即为对象的滞后时间
实验六移位寄存器的设计 一、实验目的 1、掌握中规模4位双向移位寄存器逻辑功能及使用方法。 2、熟悉移位寄存器的应用—实现数据的串行、并行转换和构成环形计数器。 二、实验预习要求 1、复习有关寄存器及串行、并行转换器有关内容。 2、查阅CC40194、CC4011及CC4068 逻辑线路。熟悉其逻辑功能及引脚排列。 3、在对CC40194进行送数后，若要使输出端改成另外的数码，是否一定要使寄存器清零？ 4、使寄存器清零，除采用R C输入低电平外，可否采用右移或左移的方法？可否使用并行送数法？若可行，如何进行操作？ 5、若进行循环左移，图6－4接线应如何改接？ 6、画出用两片CC40194构成的七位左移串 /并行转换器线路。 7、画出用两片CC40194构成的七位左移并 /串行转换器线路。 三、实验设备及器件 1、＋5V直流电源 2、单次脉冲源 3、逻辑电平开关 4、逻辑电平显示器 5、CC40194×2（74LS194）CC4011(74LS00) CC4068(74LS30) 四、设计方法与参考资料 1、移位寄存器是一个具有移位功能的寄存器，是指寄存器中所存的代码能够在移位脉冲的作用下依次左移或右移。既能左移又能右移的称为双向移位寄存器，只需要改变左、右移的控制信号便可实现双向移位要求。根据移位寄存器存取信息的方式不同分为：串入串出、串入并出、并入串出、并入并出四种形式。 本实验选用的4位双向通用移位寄存器，型号为CC40194或74LS194，两者功能相同，可互换使用，其逻辑符号及引脚排列如图6－1所示。 其中D0、D1、D2、D3为并行输入端；Q0、Q1、Q2、Q3为并行输出端；S R为右移串行输 C为直接无条件清零端； 入端，S L为左移串行输入端；S1、S0为操作模式控制端；R
实验四 译码器的设计及延迟估算 1、 设计译码器并估算延迟 设计一个用于16bit 寄存器堆的译码器，每一个寄存器有32bit 的宽度，每个bit 的寄存器单元形成的负载可以等效为3个单位化的晶体管(后面提到负载都为单位化后的负载)。 译码器的结构可参考典型的4-16译码器 译码器和寄存器堆的连接情况(Output 输出为1的一行寄存器被选中) ① 假定4个寄存器地址位的正反8个输入信号，每个信号的输入负载可以等效为10。确定 译码器的级数，并计算相关逻辑努力，以此来确定每一级中晶体管的尺寸（相当于多少个单位化的晶体管）及整个译码电路的延迟(以单位反相器的延迟的本征延迟Tp0为单位)。 解： 96332,10int =?==ext g C C C ,9.696/10F ==? 假定每一级的逻辑努力：G=1，又因为分支努力(每个信号连接8个与非门)： 81*8*1B ==， 路径努力8.7686.91=??==GFB H 所以，使用最优锥形系数就可得到最佳的电路级数39.36.3ln 8.76ln 6.3ln ln ===H N ,故N 取3级。 因为逻辑努力：2121G =??=，路径努力：6.15386.92=??==GFB H 则使得路径延时最小的门努力 36.5)6.153(3/1===N H h 。 所以： . 36.5136.5,68.2236.5, 36.5136.5132211=========g h f g h f g h f
故第一级晶体管尺寸为7.68 1036.5=?； 第二级尺寸为956.1768.27.6=?； 第三级尺寸为96244.9636.5956.17≈=?。 故延迟为：0008.22)36.5136.5436.51(p p p t t t =+++++= ② 如果在四个寄存器地址输入的时候，只有正信号，反信号必须从正信号来获得。每个正信号的输入的等效负载为20,使用与①中同样的译码结构，在这种条件下确定晶体管的大小并评估延迟(以单位反相器的延迟的本征延迟Tp0为单位)。 解：因为输入时通过两级反相器，使这两个反相器分摊原来单个反相器的等效扇出，将两级反相器等效为一级，故其逻辑努力32.236.5h ==, 故36.5,68.2,32.2,32.24321====f f f f 所以： 第一级尺寸为：()9.2832.210=?； 第二级尺寸为：728.632.29.2=?； 第三级尺寸为：03.1868.2728.6=?； 第四级尺寸为：65.9636.503.18=? 正信号通路的延迟为：()0036.2236.5136.5436.5132.2132.2p p p t t t =++++++++= 反信号通路情况与上问相同，延迟为0008.22)36.5136.5436.51(p p p t t t =+++++= 2、 根据单位反相器(NMOS:W=0.5u L=0.5u PMOS:W=1.8u L=0.5u)，设计出实 际电路，并仿真1题中第一问的路径延迟。 设计出实际电路如下：
东南大学自动化学院 实验报告 课程名称：过程控制实验 实验名称：水箱液位控制系统 院（系）：自动化专业：自动化姓名：学号： 实验室：实验组别： 同组人员： 实验时间： 评定成绩：审阅教师：
目录 一、系统概论 (3) 二、对象的认识..................................... 错误!未定义书签。 三、执行机构 ....................................... 错误!未定义书签。 四、单回路调节系统................................ 错误!未定义书签。 五、串级调节系统Ⅰ................................ 错误!未定义书签。 六、串级调节系统Ⅱ................................ 错误!未定义书签。 七、前馈控制 ....................................... 错误!未定义书签。 八、软件平台的开发................................ 错误!未定义书签。
一、系统概论 实验设备 组成器件 图实验设备正面图图实验设备背面图 本实验设备包含水箱、加热器、变频器、泵、电动阀、电磁阀、进水阀、出水阀、增压器、流量计、压力传感器、温度传感器、操作面板等。 铭牌 ·加热控制器： 功率1500w，电源220V（单相输入） ·泵： Q40-150L/min，，，380V，VL450V， IP44，50Hz，2550rpm，，，，ICL B ·全自动微型家用增压器： 型号15WZ-10，单相电容运转马达 最高扬程10m，最大流量20L/min，级数2，转速2800rmp，电压220V， 电流，频率50Hz，电容μF，功率80w，绝缘等级 E ·LWY-C型涡轮流量计： 口径4-200mm，介质温度-20—+100℃，环境温度-20—+45℃，供电电源+24V， 标准信号输出4-20mA，负载0-750Ω，精确度±%Fs ±%Fs，外壳防护等级 IP65 ·压力传感器 YMC303P-1-A-3 RANGE 0-6kPa，OUT 4-20mADC，SUPPLY 24VDC，IP67，RED SUP+，BLUE OUT+/V-·SBWZ温度传感器 PT100 量程0-100℃，精度%Fs，输出4-20mADC，电源24VDC
控制系统仿真课程设计 （2010级） 题目控制系统仿真课程设计学院自动化 专业自动化 班级10062813 学号10061314 学生姓名陆维俊 指导教师王永忠/刘伟峰 完成日期2013年7月6日
控制系统仿真课程设计（一） ——锅炉汽包水位三冲量控制系统仿真 1.1 设计目的 本课程设计的目的是通过对锅炉水位控制系统的Matlab仿真，掌握过程控制系统设计及仿真的一般方法，深入了解反馈控制、前馈-反馈控制、前馈-串级控制系统的性能及优缺点，实验分析控制系统参数与系统调节性能之间的关系，掌握过程控制系统参数整定的方法。 1.2 设计原理 锅炉汽包水位控制的操作变量是给水流量，目的是使汽包水位维持在给定的范围内。汽包液位过高会影响汽水分离效果，使蒸汽带水过多，若用此蒸汽推动汽轮机，会使汽轮机的喷嘴、叶片结垢，严重时可能使汽轮机发生水冲击而损坏叶片。汽包液位过低，水循环就会被破坏，引起水冷壁管的破裂，严重时会造成干锅，甚至爆炸。 常见的锅炉汽水系统如图1所示，锅炉汽包水位受汽包中储水量及水位下汽包容积的影响，而水位下汽包容积与蒸汽负荷、蒸汽压力、炉膛热负荷等有关。影响水位变化的因素主要是锅炉蒸发量（蒸汽流量）和给水流量，锅炉汽包水位控制就是通过调节给水量，使得汽包水位在蒸汽负荷及给水流量变化的情况下能够达到稳定状态。 锅炉汽水系统图 在给水流量及蒸汽负荷发生变化时，锅炉汽包水位会发生相应的变化，其分
别对应的传递函数如下所示： （1）汽包水位在给水流量作用下的动态特性 汽包和给水可以看做单容无自衡对象，当给水增加时，一方面会使得汽包水位升高，另一方面由于给水温度比汽包内饱和水的温度低，又会使得汽包中气泡减少，导致水位降低，两方面的因素结合，在加上给水系统中省煤器等设备带来延迟，使得汽包水位的变化具有一定的滞后。因此，汽包水位在给水流量作用下，近似于一个积分环节和惯性环节相串联的无自衡系统，系统特性可以表示为 ()111()()(1) K H S G S W S s T s ==+ （2）汽包水位在蒸汽流量扰动下的动态特性 在给水流量及炉膛热负荷不变的情况下，当蒸汽流量突然增加时，瞬间会导致汽包压力的降低，使得汽包内水的沸腾突然加剧，水中气泡迅速增加，将整个水位抬高；而当蒸汽流量突然减小时，汽包内压力会瞬间增加，使得水面下汽包的容积变小，出现水位先下降后上升的现象，上述现象称为“虚假水位”。虚假水位在大中型中高压锅炉中比较显著，会严重影响锅炉的安全运行。“虚假水位”现象属于反向特性，变化速度很快，变化幅值与蒸汽量扰动大小成正比，也与压力变化速度成正比，系统特性可以表示为 222()()()1f K K H s G s D s T s s ==-+ 常用的锅炉水位控制方法有：单冲量控制、双冲量控制及三冲量控制。单冲量方法仅是根据汽包水位来控制进水量，显然无法克服“虚假水位”的影响。而双冲量是将蒸汽流量作为前馈量用于汽包水位的调节，构成前馈-反馈符合控制系统，可以克服“虚假水位”影响。但双冲量控制系统要求调节阀具有好的线性特性，并且不能迅速消除给水压力等扰动的影响。为此，可将给水流量信号引入，构成三冲量调节系统，如图2所示。图中LC 表示水位控制器（主回路），FC 表示给水流量控制器（副回路），二者构成一个串级调节系统，在实现锅炉水位控制的同时，可以快速消除给水系统扰动影响；而蒸汽流量作为前馈量用于消除“虚假水位”的影响。
过程控制实验实验报告 班级：自动化1202 ：益伟 学号：120900321
2015年10月 信息科学与技术学院 实验一 过程控制系统建模 作业题目一： 常见的工业过程动态特性的类型有哪几种？通常的模型都有哪些？在Simulink 中建立相应模型，并求单位阶跃响应曲线。 答：常见的工业过程动态特性的类型有：无自平衡能力的单容对象特性、有自平衡能力的单容对象特性、有相互影响的多容对象的动态特性、无相互影响的多容对象的动态特性等。通常的模型有一阶惯性模型，二阶模型等。 单容过程模型 1、无自衡单容过程的阶跃响应实例 已知两个无自衡单容过程的模型分别为s s G 5.01)(=和s e s s G 55.01)(-=，试在Simulink 中 建立模型，并求单位阶跃响应曲线。 Simulink 中建立模型如图所示： 得到的单位阶跃响应曲线如图所示： 2、自衡单容过程的阶跃响应实例 已知两个自衡单容过程的模型分别为122)(+=s s G 和s e s s G 51 22 )(-+= ，试在Simulink 中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。 Simulink 中建立模型如图所示： 得到的单位阶跃响应曲线如图所示：
多容过程模型 3、有相互影响的多容过程的阶跃响应实例 已知有相互影响的多容过程的模型为1 21 ) (2 2++= Ts s T s G ξ，当参数1=T , 2.1 ,1 ,3.0 ,0=ξ时，试在Simulink 中建立模型，并求单位阶跃响应曲线 在Simulink 中建立模型如图所示： 得到的单位阶跃响应曲线如图所示： 4、无相互影响的多容过程的阶跃响应实例 已知两个无相互影响的多容过程的模型为) 1)(12(1 ) (++= s s s G （多容有自衡能力的对象）和 ) 12(1 )(+= s s s G （多容无自衡能力的对象），试在Simulink 中建立模型，并求单位阶跃响应曲线。 在Simulink 中建立模型如图所示： 得到的单位阶跃响应曲线如图所示：
设计示例2：寄存器堆设计 1、 功能概述： MIPS 指令格式中的寄存器号是5bits ，指令可以访问25=32个32位的寄存器。这样的一堆寄存器“堆在一起”构成一个寄存器堆（Register File ）。模块框图如图1所示： Regfile 图1 模块框图 2、 结构框图： 3、 接口说明： 表1： 寄存器堆模块接口信号说明表 clk we wdata Valid Valid waddr rst_n 图2 寄存器堆写时序框图
4、设计电路源代码 //功能描述风格寄存器堆的设计 module regfile( input clk, input rst_n, //写端口 input we, //写使能 input[4:0] waddr, //写寄存器下标 input[31:0] wdata, //待写入寄存器堆的数据 //读端口1 input[4:0]raddr1, //读端口1寄存器下标 output[31:0] rdata1,//从端口1读出的寄存器堆的数据 //读端口2 input[4:0]raddr2, //读端口2寄存器下标 output[31:0] rdata2 //从端口2读出的寄存器堆的数据); reg[31:0] regs[0:31]; //32个32位寄存器堆 //Write operation always @ (posedge clk or negedge rst_n) begin if(!rst_n) begin:reset_all_registers //将32个寄存器复位为0. integer i; for(i=0;i<32;i=i+1) regs[i] = 32'd0; end else begin //写寄存器堆有效时，更新寄存器堆中某个寄存器的数据 if((we == 1'b1) && (waddr != 5'h0)) begin regs[waddr] <= wdata; end end end //Read port1 operation assign rdata1 = (raddr1 == 5'd0) ? 32'd0 : regs[raddr1]; //Read port2 operation assign rdata2 = (raddr2 == 5'd0) ? 32'd0 : regs[raddr2];
过程控制设计实验报告 压力控制 Company number：【0089WT-8898YT-W8CCB-BUUT-202108】
目录 第一章过程控制仪表课程设计的目的 (1) 设计目的 (1) 课程在教学计划中的地位和作用 (1) 第二章液位控制系统（实验部分） (2) 控制系统工艺流程 (2) 控制系统的控制要求 (4) 系统的实验调试 (5) 第三章水箱压力控制系统设计 (7) 引言 (12) 系统总体设计 (13) 系统软件部分设计 (16) 总结 (19) 第四章收获、体会 (24) 参考文献 (25) 第一章过程控制仪表课程设计的目的意义 设计目的 本课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下:
1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号； 2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号； 3. 掌握PID调节器的功能原理，完成相应的压力、流量、液位及温度控制系统的总体设计，并画出控制系统的原理图和系统主要程序框图。 4．通过对一个典型工业生产过程（如煤气脱硫工艺过程）进行分析，并对其中的一个参数（如温度、压力、流量、液位）设计其控制系统。 课程设计的基本要求 本课程设计是为《过程控制仪表》课程而开设的综合实践教学环节，是对《现代检测技术》、《自动控制理论》、《过程控制仪表》、《计算机控制技术》等前期课堂学习内容的综合应用。其目的在于培养学生综合运用理论知识来分析和解决实际问题的能力，使学生通过自己动手对一个工业过程控制对象进行仪表设计与选型，促进学生对仪表及其理论与设计的进一步认识。课程设计的主要任务是设计工业生产过程经常遇到的压力、流量、液位及温度控制系统，使学生将理论与实践有机地结合起来，有效的巩固与提高理论教学效果。 课程设计主要是通过对典型工业生产过程中常见的典型工艺参数的测量方法、信号处理技术和控制系统的设计，掌握测控对象参数检测方法、变送器的功能、测控通道技术、执行器和调节阀的功能、过程控制仪表的PID控制参数整定方法，进一步加强对课堂理论知识的理解与综合应用能力，进而提高学生解决实际工程问题的能力。基本要求如下: 1. 掌握变送器功能原理，能选择合理的变送器类型型号； 2. 掌握执行器、调节阀的功能原理，能选择合理的器件类型型号；
西安电子科技大学过程控制系统实验 学院机电工程学院 专业自动化 班级 xxxx 学号 xxxxx 学生姓名 xxxx 授课老师 xxx 学期二〇一六学年春季学期
第一节单容水箱特性的测试 一、实验目的 1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。 二、实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只 三、实验原理 2-1-1单容水箱对象特性测试系统 （a）结构图（b）方框图 所谓单容指只有一个贮蓄容器。自衡是指对象在扰动作用下，其平衡位置被破坏后，不需要操作人员或仪表等干预，依靠其自身重新恢复平衡的过程。图2-1-1所示为单容自衡水箱特性测试结构图及方框图。
阀门F1-1、F1-6、F1-10和F1-11全开，设上水箱流入量为Q1，改变气动调节阀的开度可以改变Q1的大小，上水箱的流出量为Q2，改变出水阀F1-9的开度可以改变Q2。液位h 的变化反映了Q1与Q2不等而引起水箱中蓄水或泄水的过程。若将Q1作为被控过程的输入变量，h 为其输出变量，则该被控过程的数学模型就是h 与Q1之间的数学表达式。 根据物料平衡关系，在平衡状态时 Q1-Q2=0 （2-1-1） 动态时，则有 Q1-Q2=dt dV （2-1-2） 式中V 为水箱的贮水容积，dt dV 为水贮存量的变化率，它与h 的关系为 Adh dV =， 即dt dV = A dt dh （2-1-3） A 为水箱的底面积。把式（2-1-3）代入式（2-1-2）得 Q1-Q2=A dt dh （2-1-4） 基于Q2=S R h ，RS 为阀F1-9的液阻，则上式可改写为 Q1-S R h = A dt dh 即ARS dt dh +h=KQ1 或写作)()(1s Q s H =1+TS K （2-1-5）
过程控制系统实验 学院机电工程学院 班级****** 学号******** 姓名******** 老师保君
第一节一阶单容水箱特性的测试 一、实验目的 1. 掌握单容水箱的阶跃响应的测试方法，并记录相应液位的响应曲线。 2. 根据实验得到的液位阶跃响应曲线，用相关的方法确定被测对象的特征参数T和传递函数。 二、实验设备 1. THJ-2型高级过程控制系统实验装置 2. 计算机及相关软件 3. 万用电表一只 三、实验原理
由图2-1可知，对象的被控制量为水箱的液位H，控制量（输入量） 是流入水箱中的流量Q 1，手动阀V 1 和V 2 的开度都为定值，Q 2 为水箱中 流出的流量。根据物料平衡关系，在平衡状态时 动态时，则有 式中V为水箱的贮水容积，dtdV为水贮存量的变化率，它与H的关系为 A为水箱的底面积。把式（3）代入式（2）得
基于 R S 为阀V2的液阻，则上式可改写为 式中T=AR S ，它与水箱的底积A 和V 2的R S 有关；K=R S 。 式（5）就是单容水箱的传递函数。 若令Q 1（S ）=R 0/S,R 0=常数，则式（5）可改为 对上式取拉氏反变换得 当t —>∞时，h （∞）=KR 0，因而有 K=h （∞）/R0=输出稳态值/阶跃输入 当t=T 时，则有 h(T)=KR 0(1-e -1 )=0.632KR 0=0.632h(∞) 式（6）表示一阶惯性环节的响应曲线是一单调上升的指数函数，如图2-2所示。当由实验求得图2-2所示的阶跃响应曲线后，该曲线上升到稳态值的63%
所对应的时间，就是水箱的时间常数T。该时间常数T也可以通过坐标原点对响应曲线作切线，切线与稳态值交点所对应的时间就是时间常数T，由响应曲线求得K和T后，就能求得单容水箱的传递函数。如果对象的阶跃响应曲线为图2-3，则在此曲线的拐点D处作一切线，它与时间轴交于B点，与响应稳态值的渐近线交于A点。图中OB即为对象的滞后时间τ，BC为对象的时间 常数T，所得的传递函数为 四、实验容与步骤 1．按图2-1接好实验线路，并把阀V 1和V 2 开至某一开度，且使V 1 的开 度大于V2的开度。 2．接通总电源和相关的仪表电源，并启动磁力驱动泵。
寄存器组的设计与实现
一、实验目的 1、学习掌握Quartus||软件的基本操作； 2、理解寄存器组的工作原理和过程； 2、设计出寄存器组并对设计的正确性进行验证。 二、实验内容 1、设计出功能完善的寄存器数组并对设计的正确性进行验证。 （1）用图形方式设计出寄存器的电路原理图； （2）测试波形时用时序仿真实现，先将不同的数据连续写入4个寄存器后，再分别读出；（3）将设计文件封装成器件符号； （4）数据宽度最好为16位。 三、实验设计 1、集成电路芯片 （1）74760：三态输出4*4寄存器堆 74760提供了4个4位寄存器。在功能上可对这4个寄存器分别进行写操作和读操作。在寄存器写操作时，通过WB、WA两个寄存器选择端的组合00、01、10、11选择寄存器。通过GWN写控制端进行三态控制，GWN为低电平时将数据写入端数据D4D3D2D1写入该寄存器。在寄存器读操作时，通过RB、RA两个寄存器选择端的组合00、01、10、11选择寄存器，通过ＧＲＮ读控制端进行三态控制，在ＧＲＮ为低电平时，将所选寄存器数据通过Ｑ4Ｑ3Ｑ2Ｑ1进行输出。 “写”功能表
“读”功能表 2、设计原理 要设计16位的存储器组，需要74670芯片4片，在寄存器组工作时，同时对4片74670芯片进行操作，封装后即可作为包含有4个16位寄存器的寄存器组在主机系统中调用。 四、实验结果 1、原理图
寄存器组由4个74670组成，将4个芯片的GWN、WA、WB、GRN、RA、RB 分别连在一起，共同控制4个芯片的读写操作。总共有22个输入端。即 IN[15]、IN[14]....IN[1]、IN[0]和GWN、WA、WB、GRN、RA、RB。16个输出 端。即OUT[15]、OUT[14]...OUT[1]、OUT[0]。
实验三寄存器组的设计与实现 一、实验目的 1. 学习掌握Quartus II 的图形编辑、编译、仿真的设计流程； 2. 学习74670三态输出寄存器堆的使用； 3. 理解寄存器组的工作原理和过程，设计出4个16位寄存器组并对设计的正确性进行验证 二、实验任务及要求 1. 设计出功能完善的寄存器组，并对设计的正确性进行验证。具体要求如下： (1) 用图形方式设计出寄存器组的电路原理图。 (2) 测试波形要用时序仿真实现，先将不同的数据连续写入4个寄存器后，再分别读出。 (3) 将设计文件封装成器件符号。 (4) 数据的宽度最好为16位。 三、实验装置 安装有Quartus II软件的PC机1台 四、设计思想 运用具有三态功能的芯片74670进行设计，74670为4*4（4个4位寄存器）的寄存器堆，使用四片74670并联，同时对4 片74670 芯片进行读写操作控制，从而实现4个16位数据的存储与输出。 五、逻辑电路图
74670芯片图：三态输出的4*4寄存器堆 六、实验结果： 见原理图，波形图以及元件封装图。 1.原理图分析：见设计思想
2.波形图分析： 当RE为1,WE不为1时，实现输入功能，WB，WA控制数据输入到哪个寄存器组当RE为1，WE为1时，出现高阻状态，此时既不输入也不输出 当WE为1，RE不为1时，实现输出功能，RB,RA控制哪个寄存器组的数据输出 3.封装元件的功能说明： d[15..0]16位输入数据 q[15..0]16位输出数据 gwn:写入数据使能控制端，低有效 wa,wb：选择控制端，四种组合控制16位数输入到相应四种寄存器组 grn：读出数据使能控制端，低有效 ra,rb:选择控制端，四种组合控制从四种寄存器组读出相应16位数