目录目录第一章：自动控制系统实验概述第一章：自动控制系统实验概述.2 2 第二章：自动控制系统实验装置介绍第二章：自动控制系统实验装置介绍.3 3 1 运动控制实验仪介绍.3 2 温度控制仪介绍.5 3实验项目 .9 第三章：控制原理第三章：控制原理.1111 3.1 数控原理.11 3.1.1 数控原理概述 .11 3.1.2 步进电机的驱动与控制 .12 3.1.3 轮廓加工的数学基础 .13 3.1.4ISA 运动控制卡原理 .28 3.1.5 高级语言硬件编程 .31 3.2 温控原理和算法.33 3.2.1 温度传感器 .33 3.2.1 标度公式的计算 .34 3.2.3 温度控制的算法（PID） .35 第四章：实习操作步骤和注意事项第四章：实习操作步骤和注意事项.4040 4.1 运动控制部分：.40 4.1.1 实习步骤： .40 4.1.2 实习中注意事项 .42 4.2 温度控制部分.42 4.2.1 实验步骤 .42 4.2.2 实习中注意问题 .43 4.3 实习要求：.43 4.4 成绩评定.44 第五章第五章 实验指导实验指导.4545 5.1 运动控制部分.45 实验一、硬件电路的熟悉和控制原理复习巩固.45 实验二、键盘显示综合实验.46 实验三、步进电机单片机控制实验（1）.48 实验四、步进电机单片机控制实验（2）.49 实验五、单片机控制位置检测实验.50 实验六、单片机运动控制系统总体实验.51 实验七、PC 机运动控制系统实验 .52 5.2 温度控制部分.54 实验一、硬件电路的掌握.54 实验二：信号采样转换显示以及在数码管上显示时钟（秒表）.55 实验三 炉温检测检测与控制系统.57第一章：自动控制系统实验概述第一章：自动控制系统实验概述自动控制系统实验是综合应用控制理论、单片机原理及接口技术、电机拖动、微机接口技术、自动控制系统等课程知识的重要实践环节。其目的在于通过试验来验证和研究控制理论（运动检测控制和温度检测控制） ，增强感性认识, 以促进认识的深化，培养学生科学的分析能力，使学生掌握一般运动控制和温度控制的操作方法和基本技能；培养学生严肃认真和实事求是的科学作风，锻炼科学实验的能力。为了培养学生独立分析问题和解决问题的能力；培养学生的动手操作能力；为了更有效的完成每项实验，要求学生在实验前必须作充分预习。除复习与实验有关的理论，还要认真研究实验指导书，了解实验目的、内容、弄清实验原理、实验接线、操作方法和步骤、应测试记录的数据以及实验过程中要注意的问题，总而言之，要求学生试验前心中有数。本次实习的内容主要包含两部分：运动控制和温度控制，这是控制领域比较经典和最常见的两个控制类型。（1） 运动控制系统：这部分内容要求学生掌握一般的运动控制方法和原理，要求学生熟练掌握步进电机驱动技术、微机接口技术、单片机原理及接口技术，数控轮廓插补原理，计算机高级语言硬件编程，了解一般运动控制系统常用机械结构，熟练掌握步进电机控制方法，了解一般交流伺服电机控制方法，变频器使用方法等。（2） 温度控制系统：这部分内容要求学生掌握一般温度控制的方法和原理，要求学生熟练掌握自动控制原理，常用 PID 调节方法，单片机原理及接口技术，了解温度检测与控制系统的一般结构；光耦（AD698）和可控硅（MOC3401）的工作原理及其应用；了解温度传感器的工作原理及其应用；运用所学的 PID 控制算法，大林算法实现对温度的精确控制，并对所采用的算法进行分析比较。本指导书是根据自动控制系统实验教学大纲的要求以及结合我校自动控制实验室的现状编写的。第二章：自动控制系统实验装置介绍第二章：自动控制系统实验装置介绍我校自动控制系统实验装置，采用自主研制的实验装置。该控制系统实验装置分为两大部分：一是运动控制实验仪，二是温度控制实验仪。下面分别加以介绍：11 运动控制实验仪介绍运动控制实验仪介绍运动控制实验仪是一个平面两轴驱动的运动装置，机械部分采用丝杆螺母的传动方式，脉冲当量为 0.0125mm。它可以由单片机和 PC 机两套系统分别控制，控制系统共用一块步进电机驱动和检测电路板。驱动和检测电路板上分别有单片机和 PC 机的控制接口，使用十分方便。该运动控制实验仪配备了一只画笔，通过编制相应的控制程序，可以在图板上绘出不同的图形，使运动过程更加明了，便于观察。运动控制仪可采用单片机控制也可以采用计算机控制，其结构如下图所示：驱动检测电路板上留有单片机控制和计算机控制的接口。单片机控制系统和计算机控制系统分开来控制，当采用单片机控制系统时，不能同时采用计算机控制，这时应将计算机与驱动检测电路接线断开。反之亦然。图 2-1 运动控制实验仪结构示意图（1）单片机控制系统单片机控制电路分为显示电路，键盘电路、脉冲锁存和光槽开关信号读取电路、光隔电路组成。五个数码管对应地址分别为：0000H,2000H,4000H,6000H,8000H,每个数码管显示数据“暗、0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”的段选码值对应为00H,7EH,60H,57H,75H,69H,3DH,3FH,70H,7FH,79H。键盘为 36 行列示键盘，其中第一个键为复位键，其他键可以按设计自由编排。步进电机分配脉冲对应锁存器地址为 A000H，其中高四位是 Y 轴信号，低四位是 X 轴信号。信号从高到低排列依次为：高压（+24V）信号(置 0 关断，置 1 开通)、A 相信号（置 0关断，置 1 开通） 、B 相信号（置 0 关断，置 1 开通） 、C 相信号（置 0 关断，置1 开通） 。光槽开关信号缓冲器 74LS244 读写地址为 E000H。图 2-2单片机控制系统原理结构图（2)计算机控制系统计算机控制系统由普通个人计算机加一块运动控制板卡组成，运动控制板卡是计算机控制系统的核心。运动控制板卡采用 ISA 接口卡，ISA 运动接口卡控制原理如下：图 2-3ISA 运动接口卡的硬件原理图步进电机 ISA 运动接口卡的硬件的组成如下图所示,图中采用 ISA 总线实现主计算机与控制卡之间的信息传递。控制卡主要由译码电路、总线驱动和隔离电路组成。这里采用开环控制无外部信号输入，对电机的脉冲分配、加减速控制全部由软件实现。22 温度控制仪介绍温度控制仪介绍温度控制仪是一个用单片机控制温度系统，首先通过温度传感器 AD590 检测到电热杯的温度，然后通过 AD0809 转换器转换为数字量，再把数字量送入单片机进行数据处理，与设定值进行比较，把采集到的温度送到数码显示管上显示，同时，通过调节可控硅导通角来控制电热杯的温度和升温速率，从而达到对电热杯的温度进行控制的目的。图 2-4 温度检测与控制教学实验及系统方框图KWY-1 实验装置：（1） 温度检测和放大单元主要由稳压电路 TL431，温度传感器 AD590，放大电路 OP07 组成。其中温度传感器将温度信号转换为电流信号，通过外部电路转换为电压信号，然后经过放大器把放大后的电压信号送到 AD0809，进行 A/D 转换。信号采集放大电路+5JZ TL 431AR12KAR28.2KP12KP21KAR3100KAR4 10K2.48V1 32TR0 AD5902374618IC3 OP07 AOUT 0IN5-12IO-IO+-12+12图 2-5 信号采集放大电路AD590 温度传感集成芯片将温度变化量转换成电压值变化量，经过 OP07 一级跟随后输入到电压放大电路，放大后的信号输入到 A/D 转换器将模拟信号转换成数字信号，利用 CPU 采集并存储采集到的数据。（2） A/D 转换单元主要由 AD0809 组成的 A/D 转换电路，它共有 8 路采集，我们在硬件电路上选择的是其中的第 5 个通道。图 2-6 A/D 转换电路如上图的 A/D 转换电路可知，通道 5 是作为数据采集通道，模拟信号通过该通道进入 A/D 转换器实现转换。对于该电路主要的不同在于利用 P2.1 口输出合适频率的脉冲以提供 A/D 转换器的时钟信号