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1 附录 A THBDC-1 控制理论·计算机控制技术实验平 台硬件单元组成图
附录 B THBDC-1控制理论·计算机控制技术实验平台 使用说明书 第一章系统概述 “ THBDO-型控制理论·计算机控制技术实验平台”是适用于高校的自动控制理论、 计算机控制技术等课程的实验教学平台。该实验平台具有实验功能全、资源丰富、使用灵 活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点 实验台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、低频频 率计、交/直流数字电压表、数据采集接口单元、步进电机单元、直流电机单元、温度控制 单元、单容水箱、通用单元电路、电位器组等单元组成。 上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、 VBScript和 JScript脚本编程器、实验 仿真等多种功能于一体。其中虚拟示波器可显示各种波形,有X-T、X-Y、Bode图三种显 示方式,并具有图形和数据存储、打印的功能,而Ⅴ SCript脚本编程器提供了一个开放的 编程环境,用户可在上面编写各种算法及控制程序 实验台通过电路单元模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统,并对控制系统进行 仿真硏究,使学生通过实验对控制理论及计算机控制算法有更深一步的理解,并提高分析 与综合系统的能力。同时通过对本实验装置中四个实际被控对象的控制,使学生熟悉各种 算法在实际控制系统中的应用。 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:既有经典理论实 验,又有现代控制理论实验:而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。 数据采集部分则采用实验室或工业上常用的USB数据采集卡。它可直接插在 IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机USB通讯口上,其采样频率为350K:有16路单端AD模拟量输入, 转换精度均为14位;4路DA模拟量输出,转换精度均为12位;16路开关量输入,16 路开关量输出。 第二章硬件的组成及使用 、直流稳压电源 直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。有±5V0.5A、±15V0.5A及+24V10A 五路,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主用于温度控制单元和直流电机单元 实验前,启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。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。 、低频函数信号发生器 低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成,主要 输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为T1、T2、 T3、T4四档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz~3,3Hz、2.5Hz~864Hz、49.8Hz 1KH、700Hz~10KH三档,Vp值为16V。 使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置,并根据需要选择合适的波
2 附录 B THBDC-1 控制理论·计算机控制技术实验平台 使用说明书 第一章 系统概述 “THBDC-1 型控制理论·计算机控制技术实验平台”是适用于高校的自动控制理论、 计算机控制技术等课程的实验教学平台。该实验平台具有实验功能全、资源丰富、使用灵 活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。 实验台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、低频频 率计、交/直流数字电压表、数据采集接口单元、步进电机单元、直流电机单元、温度控制 单元、单容水箱、通用单元电路、电位器组等单元组成。 上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、VBScript 和 JScript 脚本编程器、实验 仿真等多种功能于一体。其中虚拟示波器可显示各种波形，有 X-T、X-Y、Bode 图三种显 示方式，并具有图形和数据存储、打印的功能，而 VBScript 脚本编程器提供了一个开放的 编程环境，用户可在上面编写各种算法及控制程序。 实验台通过电路单元模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统，并对控制系统进行 仿真研究，使学生通过实验对控制理论及计算机控制算法有更深一步的理解，并提高分析 与综合系统的能力。同时通过对本实验装置中四个实际被控对象的控制，使学生熟悉各种 算法在实际控制系统中的应用。 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；既有经典理论实 验，又有现代控制理论实验；而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。 数据采集部分则采用实验室或工业上常用的 USB 数据采集卡。它可直接插在 IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机 USB 通讯口上，其采样频率为 350K；有 16 路单端 A/D 模拟量输入， 转换精度均为 14 位；4 路 D/A 模拟量输出，转换精度均为 12 位；16 路开关量输入，16 路开关量输出。 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平台提供电源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A 及+24V/1.0A 五路，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 主用于温度控制单元和直流电机单元。 实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。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、低频函数信号发生器 低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要 输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为 T1、T2、 T3、T4 四档。其中正弦信号的频率范围分别为 0.1Hz～3.3Hz、2.5Hz～86.4Hz、49.8Hz～ 1.7KHz、700Hz～10KHz 三档，Vp-p值为 16V。 使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波
形及频率的档位,然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器,以得到所需要的频 率和幅值,并通过2号连接导线将其接到需要的位置。 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。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,其输出电压范围为-10~+10V,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 元的拔动开关来实现。当按下自锁按钮时,单元的输出端输出一个可调(选择正输出时,调 RP1电位器;选择负输出时,调RP2电位器)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台上的直流数字电压表来进行测量。 五、低频频率计 低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的,具有输入阻 抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为:0.1Hz~100KHz 低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频 率计的电源钮子开关拔到“开”的位置,然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时 通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生 器输出信号的频率)。 另外本单元还有一个复位按钮,以对低频频率计进行复位操作。 注:将“内测/外测”开关置于“外测”时,而输入接口没接被测信号时,频率计有时 会显示一定数据的频率,这是由于频率计的输入阻抗大,灵敏度高,从而感应到一定数值 的频率。此现象并不影响内外测频 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(±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 通用单元电路具体见实验平台所示“通用单元电路**”单元、“带调零端的运放单元 反相器单元”和“无源元件单元”。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。通过接线和短路帽的选择,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5lk、100k、200k、510k;电容多在反馈端,容值为0.luF、luF、10uF,其中通用单元 电路二、三、九反向输入端有0.1uF电容,通用单元电路八反向输入端有4.7uF电容,可 作带微分的环节。 以通用单元为例,现在搭建一个积分环节,比例常数为1s。我们可以选择常用元件 100k、10uF,T=1k×10uF=ls,其中通用单元电路二是满足要求的,把对应100k和10uF 的插针使用短路帽连接起来,锁零按钮按下去先对电容放电,然后用二号导线把正单位阶 跃信号输入到积分单元的输入端,积分电路的输出端接入反向器单元,保证输入、输出方
3 形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频 率和幅值，并通过 2 号连接导线将其接到需要的位置。 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。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，其输出电压范围为-10～+10V，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 元的拔动开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调(选择正输出时，调 RP1 电位器；选择负输出时，调 RP2 电位器)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台上的直流数字电压表来进行测量。 五、低频频率计 低频频率计是由单片机 89C2051 和六位共阴极 LED 数码管设计而成的，具有输入阻 抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz～10.0KHz。 低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频 率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时 通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生 器输出信号的频率)。 另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。 注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时 会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值 的频率。此现象并不影响内外测频。 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（±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 通用单元电路具体见实验平台所示“通用单元电路**”单元、“带调零端的运放单元” “反相器单元”和“无源元件单元”。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。通过接线和短路帽的选择，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，其中通用单元 电路二、三、九反向输入端有 0.1uF 电容，通用单元电路八反向输入端有 4.7uF 电容，可 作带微分的环节。 以通用单元为例，现在搭建一个积分环节，比例常数为 1s。我们可以选择常用元件 100k、10uF，T=1k×10uF=1s，其中通用单元电路二是满足要求的，把对应 100k 和 10uF 的插针使用短路帽连接起来，锁零按钮按下去先对电容放电，然后用二号导线把正单位阶 跃信号输入到积分单元的输入端，积分电路的输出端接入反向器单元，保证输入、输出方
向的一致性。观察输出曲线,其具体电路如下图所示。 图1通用单元搭建的一个积分环节 图2非线性电路 八、非线性单元 由两个含有非线性元件的电路组成,一个含有双向稳压管,另一个含有两个单向二极 管并且需要外加正负15伏直流电源,可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中 10k、47k电位器由电位器组单元提供。例如47k电位器,既可由一号导线连接也可由二号 导线连接电位器单元组中的可调电位器两个端点。 以连接死区非线性环节为例,输入端与正电源端、输入端与负电源端分别为两个10k 可调电位器的固定端,分别用导线连接;正电源所连电位器的可调端与D1相连,另一个可 调端与D2相连。然后使用低频函数信号发生器输出10Hzl6v的正弦波,用导线连接到非 线性环节的输入端。实验前断开电位器与电路的连线,用万用表测量R的阻值,然后再接 入电路中 九、零阶保持器 零阶保持器为实验主面板上U3单元。它采用“采样-保持器”组件LF398,具有将连续 信号离散后的零阶保持器输出信号的功能,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、数据采集接口单元 数据采集卡采用 THBXD,它可直接插在 IBM-PC/AT或与之兼容的计算机内,其采样 频率为350K;有16路单端AD模拟量输入,转换精度均为14位;4路D/A模拟量输出, 转换精度均为12位;16路开关量输入,16路开关量输出。接口单元则放于实验平台内 用于实验平台与PC上位机的连接与通讯 数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(A/AO)与开关量输入输出(DDO两部分 其中列出AI有4路,AO有2路,DDO各8路 使用虚拟示波器观察一个模拟信号,可以用导线直接连接到接口中AD端(其中AD3 和AD4两输入端有跟随器输入,而AD1和AD2通道没有,用户实验时可根据情况选择使 用,但在选择AD3和AD4通道时,两个通道必须均有电信号输入,不能有悬空):若使 用采集卡中的信号源,用DA输出(即实验中我们通常将信号输入到AD1端,软件内部信 号DA1输出)。 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,使用方法详见计算机控制技术实验指导书
4 向的一致性。观察输出曲线，其具体电路如下图所示。 图 1 通用单元搭建的一个积分环节 图 2 非线性电路 八、非线性单元 由两个含有非线性元件的电路组成，一个含有双向稳压管，另一个含有两个单向二极 管并且需要外加正负 15 伏直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中 10k、47k 电位器由电位器组单元提供。例如 47k 电位器，既可由一号导线连接也可由二号 导线连接电位器单元组中的可调电位器两个端点。 以连接死区非线性环节为例，输入端与正电源端、输入端与负电源端分别为两个 10k 可调电位器的固定端，分别用导线连接；正电源所连电位器的可调端与 D1相连，另一个可 调端与 D2相连。然后使用低频函数信号发生器输出 10Hz\16v 的正弦波，用导线连接到非 线性环节的输入端。实验前断开电位器与电路的连线，用万用表测量 R 的阻值，然后再接 入电路中。 九、零阶保持器 零阶保持器为实验主面板上 U3 单元。它采用“采样-保持器”组件 LF398，具有将连续 信号离散后的零阶保持器输出信号的功能，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、数据采集接口单元 数据采集卡采用 THBXD，它可直接插在 IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内，其采样 频率为 350K；有 16 路单端 A/D 模拟量输入，转换精度均为 14 位；4 路 D/A 模拟量输出， 转换精度均为 12 位；16 路开关量输入，16 路开关量输出。接口单元则放于实验平台内， 用于实验平台与 PC 上位机的连接与通讯。 数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。 其中列出 AI 有 4 路，AO 有 2 路，DI/DO 各 8 路。 使用虚拟示波器观察一个模拟信号，可以用导线直接连接到接口中 AD 端（其中 AD3 和 AD4 两输入端有跟随器输入，而 AD1 和 AD2 通道没有，用户实验时可根据情况选择使 用，但在选择 AD3 和 AD4 通道时，两个通道必须均有电信号输入，不能有悬空）；若使 用采集卡中的信号源，用 DA 输出（即实验中我们通常将信号输入到 AD1 端，软件内部信 号 DA1 输出）。 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，使用方法详见计算机控制技术实验指导书。 - + + R C ui - + + R0 R0 uo - + + R C ui - + + R0 R0 uo
第三章 THBDC-1软件安装及使用说明 第一节 THBDO-1软件安装说明 、运行环境 项目 描述 P4(2.2G)以上 内存 256M以上 硬盘 不限 支持USB1.1最好USB2.0 操作系统 Windows000好nxP 显示设 备 显卡 要求64M以上 、软件安装 首先从提供的光盘上安装USB驱动程序及应用软件,USB驱动程序安装和普通USB驱 动安装没有分别。这里就简单说明下,首先插入USB线,系统就会自动提示安装,如下图3。 找到新的硬件向导 欢迎使用找到新硬件向导 这个向导帮助您安装软件 的硬件帮有安装CD或软盘,请现在格 您期望向导做什么? G自动安禁软件推荐)① C从列表或指定位置安装(高级) 要继续,请单击“下一步” 步[下一步0取消 图3 选择“从列表或指定位置安装”。点击下一步,一切按系统提示操作即可。 Usb驱动安装好之后,接下来安装“ THBDC-1”软件 安装本软件双击 setup.exe即进行安装。按系统提示操作即可。安装过程中尽量采用 默认安装,安装完成之后即点击关闭之后,会在桌面上显示一个快捷方式如下图4 THBDC-1 图4 系统如果提示需要重新启动电脑,请保存好各类文档,然后重新启动
5 第三章 THBDC-1 软件安装及使用说明 第一节 THBDC-1 软件安装说明 一、运行环境 项目 描述 CPU P4(2.2G)以上 内存 256M 以上 硬盘 不限 USB 支持 USB1.1 最好 USB2.0 操作系统 Windows2000 最好 WinXP 显示设备 17 寸 显卡 要求 64M 以上 二、软件安装 首先从提供的光盘上安装 USB 驱动程序及应用软件，USB 驱动程序安装和普通 USB 驱 动安装没有分别。这里就简单说明下,首先插入 USB 线,系统就会自动提示安装,如下图 3。 图 3 选择“从列表或指定位置安装”。点击下一步，一切按系统提示操作即可。 Usb 驱动安装好之后,接下来安装“THBDC-1”软件。 安装本软件双击 setup.exe 即进行安装。按系统提示操作即可。安装过程中尽量采用 默认安装，安装完成之后即点击关闭之后，会在桌面上显示一个快捷方式如下图 4。 图 4 系统如果提示需要重新启动电脑，请保存好各类文档，然后重新启动