计控指导书
前言
数字计算机由于其具有强大的算术运算、逻辑判断、记忆等信息加工能力，使得它一诞生就被应用到控制领域。随着计算机科学技术的发展，使60年代控制理论得到应用，而现代控制理论的发展，又为计算机控制的发展奠定了广阔的理论基础。特别是微电子技术的发展给计算机控制提供了物质基础。现在在工业生产等领域中，计算机控制正广泛深入地的得到应用，并取得了可喜的经济效益和社会效益。
为适应当前科学技术的发展，在自动控制系统专业中开设了《计算机控制系统》这门课程，作为大学生的必修课。本套“计算机控制实验系统”就是为这门课程的教学和实验而设计的。系统采用AD/DA卡通过USB接口与计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集后信号通过计算机显示屏显示，省去了外接信号源和示波器测量响应信号的麻烦。EL-CAT-III/IV型自动控制实验系统支持计算机控制理论课的所有实验，通过这套实验仪器可使学生进一步了解和掌握计算机控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法以及控制算法的编程实现，学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术，提高应用计算机的能力及水平。另外，与本套实验箱配备的还有三个实际的控制对象：温控炉、直流电机、步进电机，通过对这三个对象的控制可以提高学生对实际控制对象的感性认识。
本书分为四章，第一章为EL-CAT-III/IV型实验箱硬件资源，主要介绍实验箱的硬件组成和系统单元电路。第二章为系统集成操作软件，主要介绍系统软件的安装，操作以及计算机和实验箱的通讯设置。第三章为计算机算法编程指导，主要介绍软件算法的实现方法。第四章为实验系统部分，主要介绍各个实验的电路组成，实验原理和实验步骤。另外，在附录部分有部分实验的说明和参考结果以及控制对象的原理电路图。
目录
第一章硬件资源 (2)
第二章软软件安装及使用 (7)
第三章实验系统部分 (13)
实验一 D/A数模转换实验 (14)
实验二 A/D模数转换实验 (16)
实验三数字PID控制实验 (18)
实验四状态反馈与状态观测器实验 (23)
实验五数字滤波器实验 (28)
实验六大林算法实验 (34)
实验七炉温控制实验 (38)
实验八电机调速实验 (43)
实验九步进电机控制实验 (48)
实验十数据采集 (50)
附录一直流电机控制对象原理图 (51)
附录二温控炉控制对象原理图 (52)
附录三实验结果参考 (53)
附录四 AD/DA卡调试说明 (63)
第一章 硬件资源
EL-CAT-III/IV 型实验系统主要由计算机、AD/DA 采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成如图1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。
图1 实验系统构成
实验箱面板如下图：
图2 EL-CAT-III 型实验箱面板
图 EL-CAT-IV型实验箱面板
下面主要介绍实验箱的构成：
一、系统电源
EL-CAT-III/IV系统采用本公司生产的高性能开关电源作为系统的工作电源，其主要技术性能指标为：
1．输入电压：AC 220V
2．输出电压/电流：＋12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A
3．输出功率：22W
4．工作环境：－5℃～＋40℃。
二、AD/DA采集卡
AD/DA采集卡如图3采用C8051F410芯片做为主控芯片，负责数据采集和USB通信，AD采样位数为12位，采样率为100KHz。DA转换位数为12位，转换速率为10K。AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和两路输入（AD1、AD2），其输入和输出电压
均为－5V～+5V。
图3 AD/DA采集卡
另外在AD/DA卡上有一个10针插座用来连接AD/DA卡和计算机，连接方式分USB和RS232。
三、实验箱面板
EL-CAT-III/IV实验箱面板布局如下图：
图4-1 EL-CAT-III实验箱面板布局
图4-2 EL-CAT-IV实验箱面板布局
实验箱面板主要由以下几部分构成：
1．实验模块
EL-CAT-III/IV实验系统有八组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每个模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。这样通过对这八个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。（注：EL-CAT-IV只有六组放大器，多了三个控制对象）
2．二极管，电阻、电容、二极管区
这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。
3．AD/DA卡输入输出模块
该区域是引出AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是DA1、DA2，AD1、AD2。有一个按钮复位，按下一次对AD/DA卡进行一次复位。20针的插座用来和控制对象连接。(注：EL-CAT-IV没有此接口，控制对象直接装到实验箱里了，EL-CAT-IV型没有复位按钮，采用上电复位)
4．电源模块
电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源端子，分别是＋12V、
-12V、+5V、GND，这些端子给外扩模块提供电源。
5．变阻箱、变容箱模块
变阻箱、变容箱是本实验系统的一个突出特点，只要按动数字旁边的“＋”、“－”按钮便可调节电阻电容的值，而且电阻电容值可以直接读出。
第二章软件安装及使用
一、软件安装
软件安装(分两大部分)
一、安装应用软件
1．按照软件提示，一步一步完成安装
图1进入安装界面图2选择安装路径
图3单击Install 图4安装完毕界面2．完成应用软件的安装; 应用软件会自动出现在“开始—>程序”列表中。
二、USB驱动安装(操作系统不同安装步骤有差别)
Windows 2000 操作系统下：
1．通过USB硬件接口,连接实验箱与计算机，计算机将自动显示图5
图5 进入安装界面 图6 选择单选按钮后，单击下一步
2．图6的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中，所以应选择第一步安装应用程序的路径和文件名,然后单击"确定",系统将会自动查找驱动安装文件。
．
图7 选择如图的复选按钮后，单击下一步 图8选择驱动安装文件路径
图9 单击下一步 图10安装完成界面
Windows XP 操作系统下：
1． 通过USB 硬件接口,连接实验箱与计算机，计算机将自动显示图1
2．图2的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中，所以应选择第一步安装应用程
图11 选择如图的单选按钮后，单击下一步 图12选择驱动安装文件路径
图13单击“仍然继续” 图14安装完成界面
应用软件和USB 驱动都安装完成后,可以运行实验系统. Windows 98 操作系统下：
1．通过USB 硬件接口,连接实验箱与计算机，计算机将自动显示图1
图1 进入安装界面 图2 选择如图的单选按钮后，单击下一步
2. 图3的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中，所以应选择第一步安装应用程
图3 选择驱动安装文件路径图4 单击下一步
图5 安装完成界面
二、软件启动与使用说明
1．软件启动
在Windows桌面上双击“计算机控制实验”快捷方式，运行软件，或“开始－程序-北京达盛科技软件”中单击“计算机控制实验”快捷方式，便可启动软件如图15 2．实验前计算机与实验箱的连接
用实验箱自带的USB线将实验箱后面的USB口与计算机的USB口连接，启
动“计算机控制实验”软件。
3．软件使用说明
本套软件界面共分为三个组画面
A.软件说明和实验指导书画面（如图15）
B.数据采集显示画面（如图16）
图15
图16
下面介绍软件具体操作和功能：
一：工具栏按钮：
1.点击〖或按F1〗可以选择实验项目作为当前实验项目，系统在指导书
窗口显示相应的实验指导书，在实验进行过程中处于禁止状态。
2.点击〖或按F2〗切换回"指导书"窗口。
3.点击〖或按F3〗切换到"示波器"窗口。
4.点击〖或按F4〗切换到"频率特性"窗口。
5.点击〖或按F5〗开始／放弃当前实验项目，在没有选择任何实验项目
的时候为禁止状态。
6.点击〖或按F6〗弹出"关于"对话框，显示程序信息、版本号和版权信
息。
二：示波器操作：
1.测量在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"测量"打开测量
游标（重复前述步骤隐藏测量游标），拖动任一游标到感兴趣的位置，
图表区下方会显示当前游标的位置和与同类的另一游标之间距离的
绝对值。如果想精确定位游标只需用鼠标左键单击相应的游标位置栏
并在编辑框中输入合法值回车即可。
2.快照在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"快照"将当前图像
复制到剪贴板，以便粘贴到画图或其他图像编辑软件中编辑和保存。
3.打印目前尚不支持。
4.线型在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中可点击"直线"、"折
线"或"点线"来选择数据点和数据点之间的连接方式，体会各种连接
方式的差异。
5.配色用鼠标左键双击图表区除曲线之外的元素会弹出标准颜色对话框，
用户可以更改相应元素的颜色（比如将网格颜色改成与背景相同颜
色）。
6.缩放用鼠标左键单击图表区刻度区的边界刻度并在编辑框中输入和法
值回车即可改变当前显示范围。
第三章实验系统部分
本套实验系统一共提供了七个典型实验：D/A数模转换实验、A/D模数转换实验、数字PID实验、状态反馈与状态观测器实验、数字滤波器实验、大林算法实验及数据采集实验。另外，还提供了三个控制对象的算法，配合我公司提供的控制对象，可完成对实际对象的控制。
本系统算法完全开放，系统结构组合灵活，根据各高校情况的不同，可以自行修改和添加新的实验，以完成教学的要求。
实验一 D/A数模转换实验
一、实验目的
1．掌握数模转换的基本原理。
2．熟悉12位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．PC计算机一台
三、实验内容
通过A/D&D/A卡完成12位D/A转换的实验，在这里采用双极性模拟量输出，数字量输入范围为：0～4095，模拟量输出范围为：－5V～+5V。转换公式如下：
Uo= Vref ×[（211·K11+210·K10+...+20·K0）/ 212 - 1/2]
Vref=10V
例如：数字量=011001100100 则
K11=0，K10=1,K9=1,K8=0,K7=0,K6=1,K5=1,K4=0,K3=0,K2=1,K1=0,K0=0
模拟量Uo= 10×[664H/1000H – 1/2]=-1.006V
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“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。
3．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。
4．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。
5．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，
6. 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:
五、实验报告
1．画出数字量与模拟量的对应曲线。
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。
六、预习要求
1．熟悉数模转换的原理。
2．学习数模转换的转换方法。
实验二 A/D模数转换实验
一、实验目的
1．掌握模数转换的基本原理。
2．熟悉12位A/D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．PC计算机一台
三、实验内容
通过A/D&D/A卡完成12位D/A转换的实验，在这里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：0～4095。转换公式如下：
数字量=4095×（Vin/Vref+1/2）
其中Vref是基准电压(满量程电压)为10V。
例如：模拟量=1.0V 则
数字量=4095×（1.0/10+0.5）=999H
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“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。
3.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。
4.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
5.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。
6.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:
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。
六、预习要求
1．熟悉数模转换的原理。
2．学习数模转换的转换方法。
实验三数字PID控制
一、实验目的
1．研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。
2．研究采样周期T对系统特性的影响。
3．研究I型系统及系统的稳定误差。
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
三、实验内容
1．系统结构图如3-1图。
图3-1 系统结构图
图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds）
Gh（s）=（1－e-TS）/s
Gp1（s）=5/（（0.5s+1）（0.1s+1））
Gp2（s）=1/（s（0.1s+1））
2．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3-2和图3-3，其中图3-2对应GP1（s）,图3-3对应Gp2（s）。
图3-2 开环系统结构图1 图3-3开环系统结构图2 3．被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可系统变为“I 型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II 型”系统。
4．当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。
5．PI调节器及PID调节器的增益
Gc（s）=Kp（1+K1/s）
=KpK1(（1/k1）s+1) /s
=K(Tis+1)/s
式中 K=KpKi , Ti=（1/K1）
不难看出PI调节器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。采用PID调节器相同。
6．“II型”系统要注意稳定性。对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为
G（s）=Gc（s）·Gp2（s）
=K（Tis+1）/s·1/s（0.1s+1）
为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即K1<10
7．PID递推算法如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：
u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）
其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T））
q1=－Kp（1+（2Kd/T））
q2=Kp（Kd/T）
T--采样周期
四、实验步骤
1.连接被测量典型环节的模拟电路(图3-2)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2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“计算机控制实验”快捷方式，运行软件。
3.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。
4.在实验项目的下拉列表中选择实验三[数字PID控制], 鼠标单击鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置窗口。
5.输入参数Kp, Ki, Kd（参考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。
6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变Kp, Ki, Kd的数值和