THKKL-6型 《计算机控制技术》实验指导书

目录第一部分使用说明书 (1)第一章系统概述 (1)第二章硬件的组成及使用 (2)第二部分实验指导书 ......................................................................................... 错误!未定义书签。

第二章计算机控制技术基础实验 (5)实验一A/D与D/A转换 (5)实验二数字滤波器 (7)实验三离散化方法研究 (9)实验四数字PID调节器算法的研究 (13)实验五串级控制算法的研究 (17)实验六解耦控制算法的研究 (20)实验七最少拍控制算法研究 (24)实验八具有纯滞后系统的大林控制 (27)实验九线性离散系统的全状态反馈控制 (30)实验十模糊控制系统 (33)实验十一具有单神经元控制器的控制系统 (36)实验十二二次型状态调节器 (40)实验十三单闭环直流调速系统 (43)实验十四步进电机转速控制系统 (46)实验十五单闭环温度恒值控制系统 (48)附录上位机软件使用流程 (50)第一部分使用说明书第一章系统概述“THKKL-6”型控制理论及计算机控制技术实验箱是我公司结合教学和实践的需要而进行精心设计的实验系统。

适用于高校的控制原理、计算机控制技术等课程的实验教学。

该实验箱具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。

实验箱的硬件部分主要由直流稳压电源、低频信号发生器、阶跃信号发生器、交/直流数字电压表、电阻测量单元、示波器接口、CPU（51单片机）模块、单片机接口、步进电机单元、直流电机单元、温度控制单元、通用单元电路、电位器组等单元组成。

数据采集部分采用USB2.0接口，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机USB通讯口上，有4路单端A/D模拟量输入，转换精度为12位；2路D/A模拟量输出，转换精度为12位；上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、Bode图等多种功能于一体。

在实验设计上，控制理论既有模拟部分的实验，又有离散部分实验；既有经典控制理论实验，又有现代控制理论实验；计算机控制系统除了常规的实验外，还增加了当前工业上应用广泛、效果卓著的模糊控制、神经元控制、二次型最优控制等实验；第二章硬件的组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实验箱提供电源。

有+5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/2.0A四路，每路均有短路保护自恢复功能。

它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。

其中+24V主要用于温度控制单元。

实验前，启动实验箱左侧的电源总开关。

并根据需要将+5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。

实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。

二、低频信号发生器低频信号发生器主要输出有正弦信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号四种波形信号。

输出频率由上位机设置，频率范围0.1 Hz ~100Hz。

可以通过幅度调节电位器来调节各个波形的幅度，而斜坡和抛物波信号还可以通过斜率调节电位器来改变波形的斜率。

三、锁零按钮锁零按钮用于实验前运放单元中电容器的放电。

使用时用二号实验导线将对应的接线柱与运放的输出端连接。

当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。

四、阶跃信号发生器阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围约为-15V~+15V，正负档连续可调。

使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的钮子开关来实现。

当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。

注：单元的输出电压可通过实验箱上的直流数字电压表来进行测量。

五、电阻测量单元可以通过输出的电压值来得到未知的电阻值，本单元可以在实验时方便地设置电位器的阻值。

当钮子开关拨到×10k位置时，所测量的电阻值等于输出的电压值乘以10，单位为千欧。

当钮子开关拨到×100k位置时，所测量的电阻值等于输出的电压值乘以100，单位为千欧。

注：为了得到一个较准确的电阻值，应该选择适当的档位，尽量保证输出的电压与1V更接近。

六、交/直流数字电压表交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。

当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz～400kHz）、精度高（1kHz时：±5‰）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。

七、通用单元电路通用单元电路具体有“通用单元1”～“通用单元6”、“反相器单元”和“系统能控性与能观性分析”等单元。

这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。

通过不同的接线，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。

一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51k、100k、200k、510k；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF。

以组建积分环节为例，积分环节的时间常数为1s。

首先确定带运放的单元，且其前后的元器件分别为100k、10uF（T=100k×10uF=1s），通过观察“通用单元1”可满足要求，然后将100k 和10uF通过实验导线连接起来。

实验前先按下“锁零按钮”对电容放电，然后用2号导线将单位阶跃信号输出端接到积分单元的输入端，积分电路的输出端接至反向器单元，保证输入、输出方向的一致性。

然后按下“锁零按钮”和阶跃信号输出按钮，用示波器观察输出曲线，其具体电路如下图所示。

八、非线性单元由一个含有两个单向二极管并且需要外加±15V直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。

其中10k电位器由电位器组单元提供。

电位器的使用可由2号导线将电位器引出端点接入至相应电路中。

但在实验前先断开电位器与电路的连线，用万用表测量好所需R的阻值，然后再接入电路中。

九、采样保持器它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后再由零阶保持器输出的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。

使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。

十、单片机控制单元主要用于计算机控制实验部分，其作用为计算机控制算法的执行。

主要由单片机（A T89S52）、AD采集（AD7323，四路12位，电压范围：-10V~+10V）和DA输出（LTC1446，两路12位，电压范围：-10V~+10V）三部分组成。

发光二极管可显示AD转换结果（由具体程序而定）。

十一、实物实验单元包括温度控制单元、直流电机单元和步进电机单元，主要用于计算机控制技术实验中，使用方法详见实验指导书。

十二、数据采集卡采用ADUC7021和CY68013芯片组成，支持4路AD（-10V~+10V）采集，两路DA （-10V~+10V）输出。

采样频率为40k，转换精度为12位，配合上位机可进行常规信号采集显示、模拟量输出、频率特性分析等功能。

注意事项：1．每次连接线路前要关闭电源总开关。

2．按照实验指导书连接好线路后，仔细检查线路是否连接正确、电源有无接反。

如确认无误后方可接通电源开始实验。

第二章 计算机控制技术基础实验实验一 A/D 与D/A 转换一、实验目的1．通过实验了解实验系统的结构与使用方法；2．通过实验了解模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。

二、实验设备1．THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2．PC 机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro ”)；3．51单片机下载线；4．USB 数据线。

三、实验内容1．输入一定值的电压，测取模数转换的特性，并分析之；2．在程序输入一个要得到的电压值，完成通道的数模转换实验。

四、实验步骤1．启动实验箱的“电源总开关”，打开+5V 、±15V 电源。

将“阶跃信号发生器”单元输出端连接到“单片机控制单元”的“AI1”通道，同时将“单片机控制单元”的“AO1”输出端连接到示波器接口单元的“通道1”输入端；2．将“阶跃信号发生器”的输入电压调节为1V ；3．启动计算机，打开软件“keil uVision3”，打开“实验01\AD 电压转换\ex01.Uv2”工程文件阅读并理解程序，编译；4．连接好下载线，打开“Easy 51Pro ”软件，下载实验程序；5．打开“THKKL-6”软件的虚拟示波器，选择通道1并进行采集；6．调节阶跃信号的大小，然后继续观察AD 转换器的转换结果；7．实验结束后，退出实验软件，关闭实验箱电源。

五、附 录编程实现测试信号的产生编写单片机程序可实现各种典型信号的产生，如正弦信号，方波信号，斜坡信号，抛物线信号等。

其函数表达式分别为：1) 正弦信号)sin(ϕω+=t A y ，ωπ2=T2) 方波 T t T T t A y <≤<≤⎩⎨⎧=11003) 斜坡信号)(0011为常量a T t T T t at y ⎩⎨⎧<≤<≤= 4) 抛物线信号)(0021112为常量a T t T T t at y <≤<≤⎪⎩⎪⎨⎧=各典型信号的编程请参考“实验01\基本波形”目录内参考示例程序。

实验二 数字滤波器一、实验目的1．通过实验熟悉数字滤波器的实现方法；2．研究滤波器参数的变化对滤波性能的影响。

二、实验设备1．THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2． PC 机1台(含软件“THKKL-6”、“keil uVision3”及“Easy 51Pro ”)；3．51单片机下载线；4．USB 数据线。

三、实验内容1．设计一个带尖脉冲（频率可变）干扰信号和正弦信号输入的模拟加法电路；2．设计并调试一阶数字滤波器。

四、实验原理1．在许多信息处理过程中，如对信号的滤波，检测，预测等都要广泛地用到滤波器。

数字滤波器是数字信号处理中广泛使用的一种线性环节，它从本质上说是将一组输入的数字序列通过一定规则的运算后转变为另一组希望输出的数字序列。

一般可以用两种方法来实现：一种是用数字硬件来实现；另一种是用计算机的软件编程来实现。

一个数字滤波器，它所表达的运算可用差分方程来表示：∑∑==-+-=Ni i N i i i n y b i n x a n y 00)()()(2．一阶数字滤波器及其数字化一阶数字滤波器的传递函数为 11)()()(+==s s X s Y s G F τ 利用一阶差分法离散化，可以得到一阶数字滤波器的算法：)1()1()()(--+=k y T k x T k y SSττ其中T S 为采样周期，τ为滤波器的时间常数。