《计算机控制技术》实验指导书

Technology Of Computer Control Experiment Handbook

      

:                                                                     总实验时数：8

      

实验简介: 《 计算机控制技术》这门课程是我国高等学校计算机应用专业和电子与电气工程专业的主干课程。它集中了软件与硬件的理论知识，并使之与实际的应用联系在一起。对于计算机专业大学高年级的学生，有关计算机的专业理论知识已了解许多，但对于计算机在自动化方面的应用，以及一些基本的自动化控制理论了解甚微。为了扩大同学的就业范围，使我校的学生在今后的工作岗位上尽快适应工作要求，在学习完《 计算机控制技术》的理论知识后，让同学们亲自动手做实验，了解PLC硬件和软件的功能，了解PLC如何实现现场控制要求，了解WINCC软件的使用，非常有助于学生对网络知识、计算机知识、以及有关控制方面知识综合掌握。

  

   

实验一PLC可编程控制器开关量输入/输出使用（西门子s7-200）

       实验时数：4学时                                           实验类型：综合型      

实验对象以及应具备的基础：计算机应用专业高年级，电子电气专业

       实验组数以及每组人数：30组，每组2人

       实验平台：Windows操作系统下利用西门子Step7编程软件

一. 实验目的:

  (1) 了解工业控制机与微机的相同点和不同点。

  (2) 掌握利用工业控制语言（梯形图）编写控制循环。

 （3）理解PLC输入点和输出点的关系，模拟量输入与开关量输入的区别，学会在实验室模拟现场调试。

二．  实验步骤

   （1）安装软件：此软件适合在WIN95/98，WINNT，WIN2000 SP2操作系统上安装。

        首先，在光盘中的MICROWIN3.2中，双击SETUP图标，即可安装好版本V3.2：然后，在光盘中的MicroWin V3.2_SP1(中文补丁)中，双击STEP7-MicroWIN_V320_SP1图标，可以安装V3.2  SP1.安装过程中，可以选择使用语言，最好把英语和中文都选上。

    (2) 进入界面：安装完毕后，在计算机桌面上会出现V3.2 STEP 7 MicroWIN SP1图标。双击可以进入S7-200编程界面。

(3) 连接通讯：用PC/PPI电缆把PLC的通讯口和计算机的串口连接好。S7-200软件菜单TOOLS下的OPTIONS中的GENERAL的右下角，可以选择你想使用的语言。在VIEW图标下的COMMUNICATION中，双击右半部的上边的图标，出现SET PC/PG INTERFACE 窗口，在窗口中的中部空白处，选择PC/PPI  CABLE（PPI）。点击右边的PROPERTIES按钮，里面的设置不用改变，用缺省值就可以了。把SET PC/PG INTERFACE 窗口关闭后，双击下面的图标，即可是计算机和PLC连接上。

(4) 开始编程：在S7-200软件的中间有一列，上半部分是程序块，下半部分是程序指令。程序编好后，通过下载键把程序下载到PLC中。下载好后，PLC的运行可以使用手动或自动。运行PLC后，在STATUS CHART中可以实时监控程序的运行状态。

三．实验要求:

(1) 认真熟悉编程软件，观察屏幕上每个输入点和输出点的变化，了解PLC可编程控制器的工作原理。

(2) 了解硬件的连接、各个部件的功能、及各部件之间的关系，能描述出信息的流向，更深刻掌握计算机控制系统的构成及原理。

   （3）写出调试好的程序，分别写出在实验过程中遇到的问题及解决的办法。

四．      实验内容:

题目一：利用Step7编程软件编写梯形图程序，实现工作台的顺序控制过程，通过输入点和输出点的二极管显示变化调试程序。

实现当按下某一个开关时，模拟控制工作台快速向前的输出灯点亮，说明工作台正在快速向前运动；当拨动另一开关时，模拟快速向前的灯灭，而指示慢速向前的灯亮；当拨第三个开关时，指示慢速向前的灯亮一定的时间后（5秒），指示快速后退的灯亮同时慢速向前的灯灭，直到模拟后退到位开关拨到位后，后退指示灯自动熄灭。

题目二：编写程序实现输出显示灯的循环点亮。

当按下某一起动开关时，实现所有输出的灯一个接一个亮，两个接两个亮，三个接三个亮……。

题目三：实现课件中用按钮控制人行横道灯的设计

五．实验报告格式及要求:

  (1) 实验题目及解决方案。

  (2) 程序清单。

 （3）遇到的问题及解决方案。

六．思考题:

  (1) PLC可编程控制器与微机有和本质区别 ？

  (2) 用梯形图编制程序有何方便之处？

实验二PLC可编程控制器的模拟量输入/输出使用（西门子s7-200）

       实验时数：2学时                                           实验类

题目一：模拟量输入调试：通过S7-200软件，在上位机上观察模拟量 输入的大小变化，利用程序观察中间运算结果。使模拟量输入和输出形成一个闭环控制系统，充分理解闭环控制系统的工作原理，认识A/D，D/A的转换原理。

步骤如下：把EM235模拟量模块和S7-200CPU插接后，接好M/L+和地三根线，然后根据S7-200系统手册，设置模块右下脚的DIP开关，确定模拟量输入类型。在输出端，接M和V代表输出是电压型，接M和I代表是电流型。如果量程是0－20ma或0-10V时，则对应于S7-200软件的值是0-32000.。把输出接到第一路输入，把后面不用的三路输入全部短接。第一路如果是电压信号输入，则只接A+和A－，如果是电流输入，则先把RA和A+短接，然后再接A－。输入地址是AIW0，输出地址是AQW0.在程序中，用MOV语句把你想得的电压值放到AQW0里，然后在监控表里看AIW0的值。或者打开左侧状态表，在表中写入输出地址和相应数据，在软件的状态栏中，点击状态表监控按钮，然后监控输入地址相应的数据。

思考题 ：上述实验设计的原理？

补充：

接线方法：

   

                                    

                                    

                                    

Dip ：第2、6位拨到上面的档，代表电压范围为0～10V；

梯形图程序：

 

 

实验三  利用WinCC上位机组态软件实现远程监控

实验时数：4学时                       实验类型：创新型

实验组数以及每组人数： 4组 ，每组5人。

实验平台：在Windows下安装WinCC系统，在计算机的机箱中插入西门子通讯板。

一．     实验目的：

（1）   掌握WinCC组态软件的使用，把现场控制、网络通信、及计算机知识综合在一起。认识现场总线控制的概念。

（2）  通过此实验对学生今后参与工程项目的科研打下了牢固的  基础。

二．              实验内容：

（1）   首先了解WinCC组态软件的使用，熟悉它具有的功能。

（2）   把三台S7-200PLC连接起来，并与一台S7-300连接组成现场总线，通过通信电缆把数据传到上位机。在上位机利用WinCC组态三个画面分别代表1#、2#、3#、4#，通过颜色的变化观察现场设备的状态。还可组态三个按键分别控制1#、2#、3#、4#的启动，从而实现远程的检测与控制。需要在现场的PLC编写现场控制程序及与S7-300通信程序，在S7-300编写与S7-200和上位机通信程序，等等。

三．     实验步骤

     ⑴   在计算中安装step-7 5.3西门子软件：

安装步骤如下：首先把控制面板-区域-语言选项-所有中文-〉英文；中国-〉美国。然后再安装step-7软件。

Wincc软件的安装：

安装步骤如下：首先在控制面板-添加/删除（最左侧）Windows组件选中‘消息队列服务’；其次需Win2000安装盘安装‘消息队列服务’；然后安装SQL2000+SP3；最后安装Wincc软件。安装结束后，重新启动计算机以激活Wincc。

     (2)  启动step7。

          第一步：新建一个项目。

             Insert—>station—>smatic 300 station 在Hardware选项双击，实现对主站SIMATIC 300硬件配置。

①  导轨RACK-300: 电源PS-300 2A ,CPU-313-2DP。在subnetànewàprofibus分配各从站地址。（注意安装GSD文件；在OPTIONàINSERT NEW GSD）

②  把EM277挂在总线上。

③  分配主站与从站的交换区。

④  调试过程：从站PLC-200 上的V区与主站PLC-300上的I/O区对应。第一号从站VB0、VB1、VB2、VB3分别对应主站QB0、QB1、IB0、IB1；应首先在从站200上编写程序把主站需要的数据送入VB2、VB3，而从站接收的主站信息需从VB0、VB1取处。其次分别观察主站和从站的相关信息。

观察300：在BLOCKS—》右击—》InsertObjectàVarible Table

  

四．   实验要求:

（1）   对实验题目认真分析后，确定实验方案和设计方案，并画出硬件连接拓扑图。

（2）   先熟悉各部件在实验中的功能，然后分别对各部件编程并下载程序，最后再连调。

（3）   观察PLC300主站运行的结果是否满足要求，如果有差错分析原因并改正，观察PLC200指示灯的变化是否满足要求，调试成功后写出实验报告。

五．    实验报告格式及要求:

(1)  实验题目及解决方案。

(2)  程序清单。

(3)  实验中遇到的问题及解决方案。

六．    思考题

（1） 现场总线构成的工业控制网络具有ISO/OSI协议的哪几层？

（2） S7-200、S7-300、及上位机之间的关系，画出拓扑图及它们之间的信息流向。

 

第二篇：计算机控制技术实验指导书

《计算机控制技术》实验指导书

自动化与电子工程学院

2009.3

目    录

实验设备简介…………………………………………………………2

实验一  A/D与D/A转换……………………………………………5

实验二  数字滤波………………………………………………………6

实验三  数字PID算法的研究…………………………………………7

实验四  直流电机转速控制…………………………………………9

实验设备简介

一、系统功能特点

1．以PC微机为操作台，高效率支持“计算机控制”的教学实验。

2．系统含有高阶模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。

3．系统含有界面友好、功能丰富的软件。PC微机在实验中，除了用作实验测试所需的虚拟仪器外，还可用作测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。

4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。可自己设计实验内容，构建系统对象，编写控制算法，进行计算机控制技术的研究。

二、系统构成

实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACCT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。ACCT-I实验箱内装有以C8051F060芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB口与PC微机连接。

ACCT-I实验箱是一个通用的实验箱。它主要由电源部分U1单元，元器件部分U2单元，输入输出接口单元U3，反相器、非线性单元U4、U5、U6、U7，模拟电路单元U8～U16组成。

U1单元可提供＋5V，－5V，＋15V，－15V，0V，1.2V～15V可调电压的输出。

U2单元提供了实验所需的电容与电阻，电位器，另提供插接电路，供放置自己选定大小的元器件。

U3单元为数据处理模块，用于完成数据采集与数据输出，并通过并行口与上位PC机进行通讯。

U4 为反相器；U5，U6，U7分别为典型的非线性环节电路。

U8～U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成的电路用于锁零。在“计算机控制”实验中，这些单元常被用于模拟被控对象。

系统上位机界面采用LabVIEW 编程语言编写，操作简单，界面友好。

三、实验注意事项

1．实验开始前需要对实验箱上的运算放大器电路进行调零。

2．运算放大器边上的锁零点G接线要正确。在需要锁零时，可与输入信号同步的锁零信号相连。若采用PC产生输入信号，则G可接U3单元的G1（同步对应O1信号）；接G2（同步对应O2）。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般情况下不需要锁零信号。不需要锁零时，请把G与-15V相连。

3．系统软件支持锁零信号设定。通过对O1的端口输出实现其对应端口G1的输出，通过对O2的端口输出实现对应端口G2的输出(脚本程序对应处编程设定)，G1与G2信号分别与O1，O2信号同步。经常的操作有：用一路输出作为计算机控制时数据处理的D/A通道，另一路用来控制锁零信号；当同时需用O1与O2作为数据处理的D/A通道时，处理方法参照上面第2点内容。

4．在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反相器。

实验一  A/D与D/A转换

一、实验目的

1．通过实验，熟悉并掌握实验系统原理与使用方法。

2．通过实验掌握模拟量通道中模数转换与数模转换的实现方法。

二、实验要求

1．利用实验系统完成测试信号的产生。

2．测取模数转换的量化特性，并对其量化精度进行分析。

3．设计并完成两通道模数转换与数模转换实验。

三、实验内容及步骤

1．了解并熟悉实验设备，掌握其基本原理，熟悉上位机的用户界面，学习其使用方法。

2．测试信号的产生：

a. 实验接线，O1接I1。

b. 打开LabVIEW软件参考程序 实验一.VI，分别通过测试信号选项栏来改变信号类型，产生正弦波、方波、斜波、和抛物线的模拟波形及其模数转换后的波形。通过改变幅值，可获得不同大小模拟信号及其相应的模数转换后的波形。画出波形图并分析其转换特性及转换精度。

3．利用实验箱按图1.1连接产生两路互为倒相的周期斜坡信号的电路，分别输入两路模拟量输入通道。打开LabVIEW软件参考程序 实验一.VI，在上位机的界面上测取它们的模数转换结果，然后将该转换结果的数字量，通过数模转换变为模拟量和输入信号作比较。其中R0=R1=R2=R3=R4=100K。O1为周期斜坡信号，O2为偏置值，I1，I2互为倒相的周期信号。运放锁零G接-15V。可适当调整幅值和偏置值，画出波形图，并对实验结果进行分析。

4．完成实验报告。

实验二

数字滤波

一．实验目的

1．通过实验掌握数字滤波器设计方法。

2．学习并掌握数字滤波器的实验研究方法。

二．实验要求

1．产生实验测试用频率可变带尖脉冲干扰的正弦信号。

2．设计并调试数字化一阶惯性滤波器。

3．设计并调试高阶数字滤波器。

三．实验内容及步骤

1．按照图2.1接线，其中R0=R1=R2=R3=R4=100K，O1接图2.1中的正弦信号端，O2接尖脉冲干扰端，In接I1端，锁零端G接-15V。

2．打开LabVIEW文件实验二.VI，利用实验装置，产生频率可变带尖脉冲干扰正弦信号的电路，并利用数据采集系统采集该电路输出信号，利用上位机的虚拟仪器功能进行测试，根据测试结果调整电路参数，使它满足实验要求；

3．根据信号频谱，设计并选择数字化一阶惯性滤波器的参数，编制并运行一阶惯性数字滤波程序，并观察参数变化对滤波效果的影响；

一阶惯性滤波器的传递函数为，利用一阶差分法离散化，可以得到一阶惯性数字滤波算法：，其中为采样周期，为滤波时间常数。和可根据信号频谱来选择。

4．改变干扰信号，设计产生如带尖峰干扰的正弦信号，带随机干扰的正弦信号电路，带尖峰干扰的方波信号，带随机干扰的方波信号，重复步骤2和3。

5．对实验结果进行分析，并完成实验报告。

实验三  数字PID算法的研究

一、实验目的

1．学习并掌握常规数字PID控制算法的原理和应用。

2．学习并掌握数字PID控制算法参数整定方法。

3．学习并掌握数字控制器的混合仿真实验研究方法。

二、实验内容

1．利用实验设备，设计并构成用于混合仿真实验的计算机闭环控制系统。

2．采用常规数字PID控制，并整定控制器的参数。

三、实验原理

1．实验系统的被控对象可以用图3.1所示电路来模拟。若参数取为R₀＝100k，R₁＝500k，C₁＝2u，R₂＝200k，R₃＝500k，C₂＝1u，则其传递函数为。构成的计算机闭环控制系统的方框图如图3.2所示，其中虚线框内部分由上位机和数据处理系统完成。

2．常规的PID控制律为

，

其中为比例系数，为积分时间常数，为微分时间常数。采用一阶差分法离散化后，可以得到常规数字PID控制位置式算法

，

其中为采样时间。其增量式为：

。

四、实验内容及步骤

1．设计或参照图3.1连接电路用于模拟二阶被控对象，其中Om接实验箱上的模拟量输出通道O1，In接模拟量输入通道I1。

2．打开LabVIEW文件实验四.VI，在上位机上完成常规数字PID控制器的计算。改变给定值的幅值，通过整定PID控制器的参数，获得满意动态和稳态性能。

3．记录实验过程中的参数和显示结果，在整定过程中注意观察参数变化对系统动态性能的影响。

4．对实验结果进行分析，并完成实验报告。

实验四 直流电机转速控制

一、实验目的

1．熟悉并加深理解PID参数对系统动态性能的影响。

2．掌握数字PID控制方法。

二、实验要求

1．掌握计算机控制系统的构成及原理。

2．加深理解PID参数对系统动态性能的影响。

3. 掌握数字PID控制方法。

三、实验原理

直流电机调速系统框图如图4.1所示，它由给定、PID调节器、电机驱动单元、转速测量环节等组成。给定值可通过改变上位机界面中的输入幅值调整，从而改变给定转速。PID控制单元将运算后的控制量输入电机驱动单元，经功率放大后驱动电机运转。测速反馈单元将输出的转速转换成电压信号经模拟量输入通道输入到计算机。在给定值一定的情况下，在数字PID控制器的控制作用下，电机的转速按给定的转速稳定运转。

四、实验内容及步骤

计算机控制闭环系统除了实际物理模型外，其它的控制部分由上位机的软件和数据处理器来实现。

    1．将ACCT-I面板和ACCT-II面板上的开关拨到“OFF”状态。

2．如图4.2所示，将ACCT-I面板上U3单元A/D、D/A转换器的D/A输出O1接到ACCT-III面板上低压直流电动机调速中功率转换电路的输入，同时将转速测量电路的输出接到A/D输入I1，由于功率转换电路和转速测量电路不共地，所以将输入和输出的负极短接后接到ACCT-II面板上的任一地线；

3．检查线路后，再将两块面板上的开关拨到“ON”状态；

4．打开LabVIEW计算机控制技术实验软件的界面(实验十一 电机控制实验. VI)，系统连接上后，运行界面程序，采用试凑法，调节程序中的PID参数使得系统稳定，达到无静差。

5．改变给定信号的幅值，观测系统的动态特性。

6．分析计算机控制系统的构成及原理，完成实验报告。