工业计算机实验报告

实验一A/D、D/A 转换实验

一、实验目的

1.了解温控系统的组成。

2.了解NI 测量及自动化浏览器的使用并对数据采集卡进行设置。

3.了解Dasylab 软件的各项功能，并会简单的应用。

4.通过实验了解计算机是如何进行数据采集、控制的。

二、实验设备

微型计算机、NI USB 6008 数据采集卡、温度控制仪、温箱。

三、实验内容

1．了解温度控制系统的组成。

2．仔细观察老师对数据采集卡输入输出任务建立的过程及设置还有dasylab 基本功能的演示。

3．仔细阅读dasylab 相关文档，学习帮助文件tutorial 了解其基本使用方法。

4．动手实践，打开范例，仔细揣摩，并独立完成数据采集卡输入输出任务的建立并建立并运行单独的AD 及DA 系统，完成之后，按照自己的需要及兴趣搭建几个简单的系统运行。

四、温控系统的组成

计算机温度控制系统由温度控制仪与计算机、数据采集卡一起构成，被控对象为温箱, 温箱内装有电阻加热丝构成的电炉，还有模拟温度传感器AD590。系统框图如图1-1 所示：

五、温控仪基本工作原理

温度控制仪由信号转换电路、电压放大电路、可控硅移相触发器及可控硅加热电路组成。被控制的加热炉允许温度变化范围为0～100℃.集成电路温度传感器AD590(AD590 温度传感器输出电流与绝对温度成正比关系,灵敏度为1uA/K).将炉温的变化转换为电流的变化送入信号转换、电压放大电路.信号转换电路将AD590送来的电流信号转换为电压信号,然后经精密运算放大器放大、滤波后变为0～5V 的标准电压信号，一路送给炉温指示仪表,直接显示炉温值。另一路送给微机接口电路供计算机采样.计算机通过插在计算机USB总线接口上的NI USB 6008 12位数据采集卡将传感器送来的0～5V测量信号转换成0～FFFH的12位数字量信号,经与给定值比较,求出偏差值,然后对偏差值进行控制运算,得到控制温度变化的输出量,再经过NI USB 6008将该数字输出量经12位D/A转换器变为0～5V的模拟电

压信号送入可控硅移相触发器,触发器输出相应控制角的触发脉冲给可控硅,控制可控硅的导通与关断,从而达到控制炉温的目的。

六、思考题

1.数据采集系统差分输入与单端输入有些什么区别？各有什么优缺点？

单端输入：输入信号以共同的地线为基准，判断信号与GND的电压差。

优点：连接较短，所有输入信号与信号源共地

缺点：抗干扰能力差

差分输入：判断两个信号线的电压差，每个输入信号都有自己的基准地线。

优点：可以有效抑制共模干扰信号，提高采集精度

缺点：接线较单端复杂

2.dasylab相对于ni其他软件有什么优缺点？

Dasylab都是用一些功能模块来建立系统，模块间用“导线”连接，相对于NI其他软件而言编程更方便，效率更高，功能更直观，图形化的界面，无需繁琐的编程工作，满足非专业编程人员的测试需要，通过多种功能模块的搭建可方便完成数据采集、显示、存储、分析、统计、运算、控制、触发等各种功能

3.利用你的发散思维，罗列出dasylab的应用场合，越多越好。

利用Dasylab可以应用于各种工业控制场合进行控制系统的搭建、测试，如温度控制，液面控制，压力控制，流量控制等。

4.给出一个你心目中dasylab的理想应用，用简单的dasylab模块画出来并辅以简洁的说明。

利用Dasylab设计一游泳池温度液面高度控制系统

模块如图1-2 所示：

图1-2

说明：利用Slider分别设置给定的液面高度和温度，并通过Scaling进行换算，通过Recorder显示给定液面高度和温度，Analog Input对水池温度、液面高度进行数据采集输入，通过Scaling进行换算通过Recorder显示当前液面高度和温度，通过对PID参数设置来调节泳池液面高度和温度，通过选择合适的参数获得最佳的响应曲线，最后通过模块Analog Output进行输出，从而达到温度液面高度控制作用。

七、实验总结

通过本次实验了解了温控仪的组成和基本工作原理，如何对数据采集卡进行设置，以及对Dasylab有了简单的认识，通过阅读相关帮助文件学会了如何用Dasylab设计简单的控制系统，通过实验了结了计算机是如何进行数据采集控制的，对计算机在工业控制领域的应用有了一定了解。

实验二基于DASYLab的的温度控制系统设计实验

一、实验目的

利用Dasylab软件实现基本的PID温度控制算法。

二、实验设备

同实验一。

三、实验内容

1．利用NImax建立数据采集卡的输入输出任务。

在前面实验的基础上，在DASYLab工作区搭建完整的P、PI、PD、PID 控制电路，设置相应的参数，运行程序查看控制效果。

2．分别搭建模入、模出通道并验证其有效性

3. 在选取系统提供的PID模块，创建完整PID系统，添加合适的辅助

模块，观察温度曲线。在做好一组算法曲线之后，打开温箱外壳，自然冷却，待温度低于30度时装回外壳，再做另外一种算法。对上课所学内容一一印证。

4. 在有时间的情况之下，参考图2-1自行搭建PID系统。

观察此次实验曲线和前面的采样曲线有什么区别？到达峰值的时间？超调量的大小等。

四、实验原理（见实验一）

五、PID实验说明

参考程序示意如图2-1所示：

图2-1 基于DASYLab的PID控制程序示意图

图2-1是本次实验的最小系统示意图，完整的、功能相对完善的图请同学自行完成。

当给定温度为40°C时，控制电流曲线和测量温度值、误差变化如图2-2所示：

图2-2 PID控制响应曲线1：设定温度值2:测量温度值3：误差

有关上面给出程序框图的说明：

1）图2-1程序框图为最小系统仅供参考，各人可根据自身的具体情况做适当的修改，譬如图2-2的PID控制响应曲线上面有毛刺，不平滑，如果考虑在内，应当怎样去除毛刺？构建出一个实际应用的仪器面板

应当如何做？

2) 上面的图示并未反映各个模块具体是怎么配置的情况，请自行分析，适当地设置。

3）有关PID参数的整定，请按照教科书或参考材料上的介绍的方法先做一个规划，有序地进行。

六、实验步骤

1.实验前认真阅读注意事项；

2.检查温控箱和数据采集卡的连线是否接好；

3.打开电脑，确定温控仪是否处在机控状态；

4. 用NI max软件对数据采集卡进行配置（建立输入输出任务）。然后进入NI DASYLab软件界面，点击老师通过电子教室分发的相关文档学习了解usb 6008、ni max软件的设置，dasylab的基本用法；

5.选取模入通道模块、系统自带PID模块、模出通道及一些虚拟仪表等构成闭环；

6.设定合适的PID参数；

7.设定好以后点击启动按钮开始实验，观察实验现象；

8.做完一种算法实验后，关掉温度控制仪电源，打开温箱的外壳，使其自然冷却。

9.待炉温下降至30度以下，选择另外一种算法，用上述同样的方法重复前面的步骤实验；

10.观察此次实验曲线和前面的采样曲线有什么区别：包括到达峰值的时间，超调量的大小等。

11.完善最小系统，加上滤波等模块，建立仪器面板等组成一个较为实用的系统。

七、实验注意事项

1. 确定温控仪处在机控状态。控制方式一定要处于机控，否则可能炉温上升过快，采样失败，更有可能导致炉温过热，烧毁电炉。

2.升温时电流大小达到0.9A左右

3.温度给定设在40度左右，以延长电炉的寿命并缩短实验时间。

4.采样期间因其过程较慢，要耐心等待。

5.每过一段时间用手触碰温箱的外壳，如果手感觉不烫，就说明温度没有失控。

6.务必先预习DASYLab帮助中“Basics、Tutorial”部分内容，而后再设计编程，以免浪费时间。

7..先利用控制模块组中的PID模块组成系统并改变参数做实验，然后不使用控制模块组中的PID模块，自行搭建PID控制模块试试。

8.因预习时同学们手头不一定有数据采集卡，因此可以暂时用声卡或信号发生器代替，到实际做实验时将其替换回即可。

八、实验步骤：

1. 建立输入输出任务后进入NI DASYLab软件界面，搭建PID控制

系统：

参考程序示意如图2-3所示：

图2-3基于DASYLab的PID控制程序示意图对Scaling中的a、b参数分别设置为20和0，将Slider调至2V，电机启动按钮开始实验，通过观察Recorder中曲线得最终稳定温度值为43度，对Scaling参数进行修正，将b参数设置为“-3”，a保持不变。

2.PID参数调节：

待炉温下降至30度以下，调节PID Control模块设置PID算法，改变P、I、D的参数后点击开始按钮开始实验，观察Recorder中曲线，然后选择另一种实验步骤，重复上述步骤观察Recorder中曲线的变化情况，对比几次算法所产生的曲线，选择响应最佳的那一种算法。

由于本次实验时间有限，通过改变几次PID参数后得出最佳响应参数为P=10，I=0, D=0，此算法下输出响应如图2-4所示：

图2-4 PID控制响应曲线1：设定温度值2:测量温度值3：误差

九、实验思考题：

1.现在的温控系统只能控制炉温的上升，炉温的下降要靠自然冷却，所以在此期间无法通过计算机控制，如果是由你来设计一个温度控制系统，应该如何改进，以便炉温的上升和下降都能用计算机控制？

可在输出中增加一风扇驱动模块，当炉温高于设定值时，驱动风扇使温度下降，当炉温低于设定值时风扇不工作，利用PID模块对风扇转速进行调节，由于本次实验中传感器对炉温的变化反应灵敏，故风扇功率不宜过大，否则会导致温度下降过大。

2.对于数据采集过程中产生的毛刺，如何去除？用哪个模块？简要说明之。

在输入模块后增加一数字滤波器模块，模块在Module>>Signal

Analysis>>Digital Filter 中，采用低通、巴特沃思滤波器，设置如图2-5所示：

图2-5 数字滤波器参数设置

3.感觉温度上升太慢，要针对这点改进，即做到温度上升较快，而又满足控制优化的目标，应当如何改进，给出dasylab的实际连线图，并简要说明之。

要使温度上升较快而又满足控制优化目标则应对PID模块进行调整，实验中只有PID环节而没有反馈环节，因此可以可PID加一反馈环节，如图2-6所示：

图2-6 PID环节调整

通过改变反馈环节的参数，并和PID环节一起调整则能起到温度上升较快且满足控制优化目标。

十、实验总结：

通过本次实验了解了如何用Dasylab实现基本的PID算法，以及如何通过改变PID算法是得到最优温度响应曲线。对PID在工业控制领域的应用有了一定了解。由于本次实验每次获得响应曲线时间较长，所以每次实验时需有一定耐心，不能过于急躁，否则容易忽略一些细节上的错误导致实验效率低下。实验时可以发现，曲线有很多毛刺，以及其他干扰，故在搭建系统是必须考虑滤波，而在实际测量中则应考虑现场干扰对测量系统的影响，以及如何减小干扰对系统的影响。

实验三基于DASYLab的网络测控

一、实验目的：

通过实验了解网络测控系统的组成及应用前景。

二、实验设备：

同实验一

三、实验内容：

不相邻的同学二人一组，在前面实验的基础上，一人设置成服务器，另一人设置成客户机，在原有程序基础上加入网络传输等模块并合理地配置之后，双方启动程序，服务器端向客户机端发送数据，在观察结果无误之后，二人交换服务器与客户机的角色直至完成实验。

四、实验步骤：

1、网络测试系统组成：

在对某型号的武器装备试验进行测试时，由于试验现场环境恶劣且具有危险，而且要求对该信号进行定期或不定期的监测，在这种情况下，我们采用了网络测试技术，其测试连接如图3-1所示。

图3-1 系统构成框图

图中的Dewebook是集信号调理和A/D数据采集功能于一身的仪器，由在试验现场的电脑(服务器)通过1394口的数据线与其连接，运行虚拟仪器软件Dasylab10.0的程序对其进行控制。将测试数据采集后，存入服务器的同时通过LAN网络发送给远端的客户机，由客户机进

行数据整理、分析。

2、TCP/IP网络设置：

2.1 设置IP地址：

服务器IP地址如图3-2所示：

图3-2 服务器IP地址客户机IP地址如图3-3所示：

图3-3 客户机IP地址

2.2 建立两机间的网络通讯：

在客户机WINDOWS桌面下，点击“开始”，在点击“运行”，键入“command”命令,点击“确定”。在出现的DOS界面下PING服务器的IP地址，即键入“ping 115.154.93.17”,回车后如出现图3-4所示，即表明两电脑之间的网络可以互联互通。

图3-4 两机通讯正常截图

反之，表明两机之间通讯失败。需要检查网络，直至出现图3-4

的显示。

3、Dasylab软件设计与模块设置：

3.1 服务器的Dasylab程序设计：

在试验现场的服务器运行主程序如图3-5所示：

图3-5 服务器的Dasylab程序界面

程序的主要模块有信号发生器、数字示波、工程量转换、数据存盘、和网络传输。在Dasylab程序界面下点击“measurement”的下拉菜单，点击“remote control”,来进行远程控制的设置，定义此机为服务器。口令“Password”可以不设置。如图3-6所示：

图3-6定义服务器

在服务器主程序下双击“NET OUTPUT00”模块,进行网络输出模

块设置。在“data transfer”选项中点选“blocks”，即网络间以“blocks”的方式传输数据，较“Single Values”方式会占用更多的计算机资源和网络带宽，但数据传输正确且几乎无迟滞性，现有的计算机性能都能满足要求。如图3-7所示：

图3-7 Net Output设置

3.2 客户机的Dasylab程序设计：

在试验远端的客户机运行主程序如图3-8所示：

图3-8 客户机的Dasylab程序界面

程序的主要模块有网络接收、数据写盘、数字显示。

在Dasylab程序界面下点击“measurement”的下拉菜单，点击“remote control”,来进行远程控制的设置，定义此机为客户机，受名为“依然Fantasy-PC”的服务器控制。

在客户机主程序下双击“NET INPUT00”模块，进行网络模块的设置，在“Network Connection”的设置中，点击“Computer Name”的“Browse”,选择与其相连的服务器名称。点击“Module Name”的“Browse”,选择服务器的网络输出模块名称。在“Option”设置中钩选，意思是如服务器重起试验，本机停止且重起试验。其它可保持缺省设置。如图3-9所示：

图3-9 Net Input设置

至此，完成了网络化的模块设置和程序设计。

4、运行：

4.1运行服务器的Dasylab程序：

对信号发生器0~15个通道分别设置为0~15V的恒定电压，工程量转换模块分别进行IN[n-1]-IN[n]运算（其中IN[9]保持不变），转换为°C，在变换和Scaling模块中分别对0~4通道求绝对值以及10倍放大，运行服务器程序如图3-10所示：

图3-10 服务器程序运行结果

4.2远端的客户机上运行Dasylab程序：

如图3-11所示：