計算機控制技術(shù)實驗指導(dǎo)報告冊

1、實驗一a/d轉(zhuǎn)換d/a轉(zhuǎn)換 2實驗二采樣與保持5實驗三數(shù)字濾波器 11實驗四積分分離pid控制實驗 14實驗五最小拍控制系統(tǒng)18實驗一 a/d轉(zhuǎn)換d/a轉(zhuǎn)換實驗時間：2011年月日實驗地點：h動控制原理室k2406實驗?zāi)康模赫莆誥/d、d/a轉(zhuǎn)換的工作原理,adc0809、dac0832、8255、8253的應(yīng)用。重點：a/d、d/a轉(zhuǎn)換中輸入、輸出各參數(shù)間關(guān)系。實驗主要儀器與設(shè)備：多媒體計算機，tkkl-4型控制理論/計算機控制技術(shù)實驗箱預(yù)備知識：輸入、輸出接口的基本概念，接口芯片的（端口）地址分配。熟悉虛擬示波器的調(diào)節(jié)及應(yīng)川, 實驗箱上電壓表的使用，各單元電路模塊的引線位置及各引線用途，電

2、位器的調(diào)節(jié)方式。實驗線路原理圖:圖1一1 a/d、d/a轉(zhuǎn)換電路實驗原理：cpu的dpclk信號與adc0809單元電路的clock相連作為adc0809的時鐘信號。adc0809芯片輸入選 通地址碼a、b、c為“1”狀態(tài)，選通輸入通道1n7。通過電位器w41給a/d變換器輸入-5v+5v的模擬 電壓。8253的2#口用于5ms定時輸出0ut2信號啟動a/d變換器。由8255 u a為輸入方式。a/d轉(zhuǎn)換的 數(shù)據(jù)通過a 口采入計算機，送到顯示器上顯示，并由數(shù)據(jù)總線送到d/a變換器0832的輸入端。選用cpu 的地址輸入信號10y0為片選信號（cs）, x1ow信號為寫入信號（阪）,d/a變換器

3、的口地址為ooho調(diào)節(jié)w41即可改變輸入電壓，可從顯示器上看a/d變換器對應(yīng)輸出的數(shù)碼，同時這個數(shù)碼也是d/a 變換器的輸入數(shù)碼。a/d、d/a轉(zhuǎn)換程序流程：（見圖12）實驗內(nèi)容及步驟按圖11接線。用“短路塊”分別將山單元屮的st與+5v短按;u4單元屮的x與+5v, z與-5v短 接。其它畫“”的線需b行連接。（示波器的ch1通道接u15單元的out端）連接好后,接通電源。（2）對u15 d/a轉(zhuǎn)換單元進行調(diào)零。（按下實驗箱上的復(fù)位鍵，在調(diào)試窗口中出現(xiàn)“welcome to you”）用u16單元電壓表毫伏檔監(jiān)測u15 d/a轉(zhuǎn)換 單元out端電壓，調(diào)節(jié)u15單元103電位器 使電壓表顯示“

4、00”。(3) 將u4單元中w41輸出調(diào)至-5v,執(zhí)行 監(jiān)控中的程序(g二f000： 1100/)。如果程序 正確執(zhí)行，將在顯示器上顯示“00”。主程序収a/dflt并送d/a(4) 將w41依次調(diào)節(jié)，用u16交/直流數(shù)字 電壓表分別檢測a/d的輸入電壓和d/a的輸 出電壓。觀察顯示器，記下相應(yīng)的數(shù)碼及d/a 的輸出模擬電壓，填入f表1io圖1一2 a/d. d/a轉(zhuǎn)換流程表1一1模擬輸入電壓(v)測量值顯示器數(shù)碼(h)測量值模擬輸出電壓(v)測量值-500-500800+ 5ff5ad轉(zhuǎn)換的量化特性按圖13改接u4輸出y至u13a/d轉(zhuǎn)換單元輸入in7的連接，即添加一個反向放大器，其它線路同

5、 圖 11。圖1-3 ad轉(zhuǎn)換量化特性測試 川u16交/直流數(shù)字電壓表監(jiān)測a/d的輸入電壓，在0v附近連續(xù)調(diào)節(jié)a/d的輸入電壓，觀察整理 化誤差和量化單位。測出a/d輸入電壓在0v附近土5個量化單位的數(shù)值，記錄與之相對應(yīng)的數(shù)字最，如表12所示: 表12模入電壓(mv)-1960196數(shù)字罐(h)7b8085根據(jù)表1-2繪制ad轉(zhuǎn)換的最化特性圖。實驗結(jié)果分析 表11中輸入、輸出關(guān)系 表12屮最化特性關(guān)系思考題：a/d的輸入通道可否做其他選擇？如何實現(xiàn)?成績評定:實驗二釆樣與保持實驗時間：2011年月日實驗地點：自動控制原理室k2406實驗?zāi)康模赫莆詹蓸佣ɡ恚?253的工作原理，a/d、d/a轉(zhuǎn)換

6、及信號發(fā)生器的應(yīng)用。重點：采樣定理，信號發(fā)生器的調(diào)節(jié)。實驗主要儀器與設(shè)備：多媒體計算機，tkkl-4型控制理論/計算機控制技術(shù)實驗箱預(yù)備知識：輸入、輸出接口的基本概念，虛擬示波器的調(diào)節(jié)及應(yīng)川，采樣定理。 實驗內(nèi)容：實驗2.1采樣實驗1原理：信號發(fā)生器u1單元的out端輸出拋物線信號，通過a/d轉(zhuǎn)換單元u13的in7端輸入。計算 機在采樣時刻啟動a/d轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量送至實驗箱8255 口 a, 口 a設(shè)成輸入方式。cpu將輸入的 數(shù)字量直接送到d/a轉(zhuǎn)換單元u15,在u15單元的out端則輸出相應(yīng)的模擬信號。如圖21所示，在時 間丫以外，計算機輸出零至d/a并使其轉(zhuǎn)換，所以t以外輸出為零

7、。t的時間：10msoutcpuoutsj1u13u15| u1a/dcd/ac丿/ mj11.” 一 1采樣實驗原理圖2接線圖：見圖22。圖2-2采樣實驗接線圖3采樣周期t的設(shè)置：計算機用8253產(chǎn)生定時屮斷信號，定時10ms,并在2f60h單元存放倍數(shù)tk 可取01hffh,采樣周期t=tkx10ms,所以t的范圍為10ms2550ms,改變tk即可以確定t。4實驗程序流程圖：見圖23程序流程圖圖2-35實驗內(nèi)容與步驟 按圖22連線，首先將u1信號發(fā)生器單元中的s11置拋物線檔，s12置t3檔。川短路塊短接s 與st。 用示波器觀察u1單元的out端的波形，調(diào)w12使其不高于5v,調(diào)wl

8、1使t1周期約2s。 選定tk = 0411,將2f60h單元存入tk。（在調(diào)試窗口輸入：e2f60/ ,待調(diào)試窗口顯示“0000：2f60=cc-”從鍵盤輸入04/ ,即將tk二04h存入2f60h單元）川動采樣程序（在調(diào)試窗口入 g二f000： 11a2/）。 木實驗選川普通示波器，川示波器對照觀察u1單元的out端與u15單元的out端波形，觀察完停 機。 選擇若干tk值（可取01hffii）,重復(fù)、，觀察不同采樣周期t時的輸出波形。 調(diào)節(jié)u1信號發(fā)生器單元的w11,使t1約0.3s,調(diào)叭2使其不高于5v,垂復(fù)步驟、。6. 實驗結(jié)果（繪制輸出波形）tk 二 04htk=02htlo5ht

9、k=10h7. 實驗結(jié)果分析8思考題：采樣周期t必須滿足的條件是什么？ t越小越好述是越大越好？為什么?實驗2. 2保持實驗1. 原理:計算機(cpu)用8253定時,在采樣時刻計算機給a/d器件啟動信號，這時a/d器件(adc0809) 將模擬器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并通過口 a輸入，計算機直接把這些數(shù)字量輸出給d/a器件，d/a器件(dac0832) 則輸出相應(yīng)的模擬量，并且一直保持到輸入新值。原理如圖24,采樣周期設(shè)置同實驗2.1。圖2-4保持實驗原理圖1無零階保持器的模擬原理圖見圖25。開關(guān)t合上的時間為lomso采樣周期同實驗2丄r5c -0.5s+1圖2-5保持實驗原理圖22. 實驗接線圖：

10、見圖26r為輸入，c為輸出。u15單元的out端為tn7端的離散化信號。+5v|ststsoutu1+5vclocka b c10k10k10kreocgate2irq6out2opclkclk2 xiowirq7ioyoo 7dd7in2uhlo 7papxo 7dvdwr冋outdod7u15 d/ac50k+圖2-6保持實驗接線圖3. 實驗程序流程：見圖234. 實驗內(nèi)容與步驟 按圖26接線，s11置方波檔，s12置t3檔，調(diào)w12使u1單元的out端為iv方波，調(diào)w11使輸 出信號周期為5so 選tk為02h ,將2f60h單元存入tk值。 在調(diào)試窗口，啟動采樣保持程序（g=f000：

11、 11e5/）,用示波器（普通示波器）對照觀察u13單 元的in7與u15單元out端波形，停機。 更換tk ,重復(fù)（2）、（3）步驟。 增大存入2f60ii單元，啟動采樣保持器程序，觀察輸出c點波形，停機。重復(fù)幾次，直至 系統(tǒng)不穩(wěn)定，記下tk值，并換算出相應(yīng)的采樣周期t。將實驗結(jié)果填入表21屮。表 21 (t = tkx10ms)tk (h)采樣周期t(s)t = trx 10ms說明：當tk=02h時，啟動采樣程序，此時無零階保持器，系統(tǒng)的輸出波形將失真，因為在計算機控 制系統(tǒng)中若無零階保持器將導(dǎo)致控制不穩(wěn)定，即在采樣點間短暫失控，系統(tǒng)輸出波形將失真。 在已填入表21中選取一個tk值(不要

12、選為0111), tk存入2f60h單元，啟動采樣程序(g=f000： 11a2/),觀察無零階保持器系統(tǒng)c點的輸出波形。 減小輸入信號幅度，增大采樣周期，垂復(fù)、步驟，觀察離散化噪?yún)鸺跋到y(tǒng)的輸出。再將s11 拔至斜坡，拋物線檔，作進一步觀察。5. 實驗結(jié)果(繪制輸岀波形) 方波幾二 02ht：fo4ht：=08htk=10h斜波tk=02ht：=05h拋物線波tk=02htk=04h6.實驗結(jié)果分析成績評定實驗三數(shù)字濾波器實驗時間：2011年月日實驗地點：口動控制原理室k2406實驗?zāi)康模赫莆諗?shù)字濾波原理與方法，了解各種數(shù)字濾波的作用。重點：不同數(shù)字濾波方式對不同控制對象的作用。實驗主要儀器與

13、設(shè)備：多媒體計算機，tkkl-4型控制理論/計算機控制技術(shù)實驗箱預(yù)備知識：一階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)字濾波，加權(quán)平均濾波法。 實驗內(nèi)容：1.實驗原理與線路衛(wèi)一見國 3-1 o 計算為1對含有干拚的tf弦信號in7u13 a/dccpuoutu15 d/ac二xuu 丄。 v 夕于 q兒八 j m hi 1 vlj 口 j il. j厶 1 口 jr （約0.51hz）通過u13采樣輸入，然后進行數(shù)iv字濾波處理，以保留正弦信號，去除干擾，最后r（ 送至u15變成模擬量c輸出。（!）模擬帶有尖脈沖t擾的正弦信號圖3-1數(shù)字濾波原理用rc電路將u1單元的555輸出方波（s端）微分，將此微分信號視作干擾，再用

14、u2單元產(chǎn)生的正弦 波，兩信號迭加，如圖32。注意r點波形不要超過±5v,以免數(shù)字化溢出。1ok圖3-2數(shù)字濾波實驗線路濾波器的計算要求設(shè)計一個相當于1/ ( t s+1)的數(shù)字濾波器，由一階差分法可行近似式y(tǒng)k=(l-a)xk+(a)yk-ixk：輸入，yk輸出，t：采樣周期，if = t/ t o4加權(quán)平均值算法為：yk=a i xk+a2xk. .+a3xk.2+a4xk.3(式屮工 a： =1)xk：輸入，yk輸出。1=1采樣周期t計算機用8253產(chǎn)生定時信號，定時5ms,采樣周期t為：t = tk = t x 5mstk需選送入2f60h單元，范|韋|： 01hffh,對應(yīng)

15、t的范|札 5ms1275ms。實驗線路:接線見圖32。接入1點的信號為正弦波,2點為干擾信號。2. 實驗程序流程：見圖33一階慣性濾波與微分主程序3. 實驗內(nèi)容及步驟模擬階慣性環(huán)節(jié)的數(shù)字濾波6v的正弦信 按圖32接線，置s12中檔，調(diào)w11使s約為0. 2s,調(diào)信號發(fā)生器，使其輸出1hz、號，調(diào)整1, 2端對應(yīng)的兩個電位器，使r端波形符合要求。(r端波形與1端一致，2端波形為尖峰脈沖) 存入ip、3、tk,地址見表3-1。 啟動一階慣性數(shù)字濾波程序(g二f000： 1411/)。用示波器觀察輸入端r、輸出端c的波形，分析濾 波效果，并記下干擾衰減比、正弦衰減比以及a值，記完停機。記衰減比時可

16、先單獨在1端接正弦信號并 記錄，再在2端單獨接干擾并記錄，記錄采用峰一峰值(pp, v)。 改變a、tk,重復(fù)步驟、，總到得到滿意的效果，將實驗結(jié)果填入表31中。(2) 四點加權(quán)平均數(shù)7濾波 同。 存入a1a4、tk,地址見表3-1。 啟動四點加權(quán)平均程序(g=fooo： 13cf/),對照觀察輸入并記錄，停機。記衰減比時可先單獨在1 端接正弦信號做記錄，再在2端單獨接干擾信號并做記錄。記錄采用峰一峰值(pp, v)。表312f602f002f032f062f092f0c2f0f項八、tkt(s)ms1-aaala2a3a4濾波前后 正弦幅值比濾波前后 干擾幅值比階 慣性01595050b55

17、9505/x四點加權(quán)平均01510203040x.084010203040/,/4. 實驗結(jié)果分析成績評定實驗四積分分離pid控制實驗實驗時間：2011年月日實驗地點：自動控制原理室k2406實驗?zāi)康模赫莆辗e分判別與p1d運算原理與方法。重點：整定調(diào)節(jié)參數(shù)為系統(tǒng)開環(huán)增益。實驗主要儀器與設(shè)備：多媒體計算機，tkkl-4型控制理論/計算機控制技術(shù)實驗箱預(yù)備知識：pid運算原理與方法，參數(shù)調(diào)節(jié)。 實驗內(nèi)容：1、實驗原理與線路原理如圖41所示,r為輸入，c為輸 出，計算機不斷采入誤差e,進行積分 判別與ptd運算，然后判結(jié)果是否溢出 (若溢出則取最人或最小值)，最后將控 制最輸送給系統(tǒng)。(2)運算原理

18、圖4一1積分分離pid控制pid控制規(guī)律為：u(屮pe(t) + #e(t)控制器輸入；u(t)為控制器輸出。用炬陣法算積分，用向后差分代替微分，采樣周期為t,算法np lxu(k)=kpe(k)+ e(i) + i=l=kp e (k) +kpt°tk簡記為： u k =p ek +1 工 ei+d (ek -ek-j i=lp、i、d范圍為：-0. 9999+0.9999,計算機分別用相鄰三個字節(jié)存儲其bcd碼。最低字節(jié)存符號,00h為正，01h為負。中間字節(jié)存前2位小數(shù)，最高字節(jié)存末2位小數(shù)。例有系數(shù)p為0. 1234, i為0. 04秒，d為0,則內(nèi)存為表4t所示。 表41地

19、址內(nèi)容低字節(jié)0002h00h中間字節(jié)p j 0003h12h高字節(jié)0004h34h0005h00h1 j 0006h04h1 0007h00hr0008hoohd s 000911oohloooahooh(3) 幣定調(diào)節(jié)參數(shù)與系統(tǒng)開環(huán)增益可用臨界比例法整定參數(shù)。設(shè)采樣周期為50ms,先去掉微分與積分作用，只保留比例控制，增人kp, 氏至系統(tǒng)等幅振，記者證下振蕩周期tu和振蕩時所用比例值kpu,按以下公式幣定參數(shù)。 只用比例調(diào)節(jié)：kp = 0.5kpu (p=kp = 0.5kpu ) 用比例、積分調(diào)節(jié)(t取tu /5) 比例kp = 0. 36kpu (即p = kp = 0. 36kpu )

20、積分時間 t【二 1. 05tu (即 i 二 kp t/ ti = 0. 07kpu ) 用比例、積分、微分調(diào)節(jié)(t取tu/6 )比例 kp = 0. 27kpu (即 p = kp = 0. 27kpu )積分時間 ti = 0. 4tu (即 i = kp t/ ti = 0. llkpu )微分時間 to = 0. 22tu (即 d = kp td / t 二 0. 36kpu )圖4一2積分分離pid控制實驗線路pid系數(shù)不可過小，因為這會使計算機控制輸出也較小，從而使系統(tǒng)量化誤差變大，甚至有時控制器 根本無輸出而形成死區(qū)。這時可將模擬電路開環(huán)增益適當減小，而使pid系數(shù)變?nèi)?。例?/p>

21、pid三個系數(shù)都 小于0.2,模擬電路開環(huán)增益可變?yōu)閗/5, pid系數(shù)則都札i應(yīng)增人5倍。另一方而pid系數(shù)不可等于1,所 以整個系統(tǒng)功率增益補償是由模擬電路實現(xiàn)。例如若想取p=5.3,可取0.5300送入，模擬電路開環(huán)增益亦相應(yīng)增人10倍。2、實驗程序流程：見圖4-3匸程序屮斷申請pid位置算法a 口中斷程序圖43實驗流程(4) 接線與線路原理8253的0ut2定時輸出0ut2信號，經(jīng)單穩(wěn)整形，正脈沖打開采樣保持器的采樣開關(guān)，負脈沖啟動a/d 轉(zhuǎn)換器。系統(tǒng)謀差信號e-u14、in； u14、0ut-u13. in7：采樣保持器對系統(tǒng)謀差信號進行采樣，將采 樣信號保持并輸出給a/d第7路輸入

22、端in7o(5) 采樣周期t計算機8253產(chǎn)生定時信號,定吋10ms,采樣周期t為:t=tk xiomst k事先送入2f60h單元，范圍是01hffh,則采樣周期t的范圍為10ms2550mso按tu計算出的t如 果不是10ms的整數(shù)倍，可以取相近的t k。3、實驗內(nèi)容與步驟（1）按圖4-2接線，用短路塊將s與st短接，s11置方波檔，s12置t3檔，調(diào)wl 1使信號周期為5s, 調(diào)w12使信號約為3v。（2）按下實驗箱cpu單元的復(fù)位鍵，從菜單欄選擇“裝入程序”，程序存放路徑為：安裝目錄盤（如 c 盤）：teamkittkklth4-l. exe,裝入程序 th4t.exe。選擇指定程序后

23、，會提示裝入程序地址的段地址、偏移最。確定裝入程序的段地址（0000h）和偏 移量（2000h）后，會顯示裝入程序的進度，直到出現(xiàn)“完成”提示，即程序裝載完成。（3）用d命令查看程序數(shù)據(jù)段，段地址為0240后的數(shù)據(jù)，在調(diào)試窗口鍵入（00240:0000/） o（4）在tk （0240： 0000）、ei （0240： 0001）、kp、旳、k°（其中取=kd= 0）的相應(yīng)地址中存入表 4-2中的數(shù)據(jù)，p、i、d系數(shù)的內(nèi)存地址和存入方法參見表4-1的舉例。（5）選用普通示波器，在調(diào)試窗口啟動程序（g二0000:2000/）,啟動pid位置式算法程序，調(diào)電位器 r可改變輸出波形,用示波器

24、觀察輸出。（6）選不同的kp,直到等幅振蕩，記下tu和kpu , tu填入表42上部。（或kp取0. 99仍不振蕩則 應(yīng)增人采樣周期或增人模擬電路增益，增人增益可調(diào)整圖42屮電位器r）（7）根據(jù)臨界比例法計算p、i、d三參數(shù)，修改kp、ki、kd （若系數(shù)過大過小可配合改變模擬電路增 益），積分分離值ei取7fh存入2f00h單元,啟動程序（g二0000:2000/）,用示波器測出mp、ts。（8）改變積分分離值e1,啟動程序（g二0000:2000/），對照輸入觀察輸出c,看mp、ts冇無改善，并 記錄mp、tso（9）根據(jù)p、1、d三個系數(shù)的不同的控制作用，適當加以調(diào)整，同時可配合改變ei

25、值，重新存入，啟 動程序（0=0000:2000/）,對照輸入觀察輸出，記錄mp、tso按上述方法重復(fù)做兒次，直到使mpv20%, tsv1s,在表42中填入此時的各參數(shù)和結(jié)果。（10）用表4一2中的最佳ptd參數(shù)，但積分分離值改為7fh并存入，在輸入r為零時啟動程序，將參數(shù) 和結(jié)果填入表42屮。tk = 05hkpu = tu =表42數(shù)項eipidmpts用臨界比例法整定參數(shù)7f0. 24430. 09960. 324ei修改300. 24430. 09960. 324較佳的pid控制參數(shù)300. 22430. 04960. 4247f0. 22430. 04960. 4244. 實驗結(jié)果

26、分析成績評定實驗五最小拍控制系統(tǒng)實驗時間： 2011 年月h實驗地點：口動控制原理室k2406實驗?zāi)康模赫莆兆钚∨目刂圃砼c方法。重點：整定調(diào)節(jié)參數(shù)與系統(tǒng)開環(huán)增益。實驗主要儀器與設(shè)備：多媒體計算機，tkkl-4型控制理論/計算機控制技術(shù)實驗箱預(yù)備知識：最小拍控制原理，參數(shù)調(diào)節(jié)。實驗內(nèi)容：1. 實驗原理與線路圖見圖5e r為輸入，c為輸岀，計算機對誤差e定時采樣按d(z)計算輸出控制量u(z)。圖屮k=5。圖5 1 針對階躍輸入進行計算機控制算法d(z)設(shè)計。d(z)算法采樣周期t=1s, e(z)為計算機輸入，u(z)為輸出，w：d(z)=四=ko+kz“+k2z-2 + k3z-3e(z)

27、1 + p|z - + p2z-2 + p3z-3式中ki與pi取值范圍：-0. 99990. 9999,計算機分別用相鄰三個字節(jié)存儲其bcd碼。最低字節(jié)符號,00h為正，01h為負。中間字節(jié)存前2位小數(shù),最高字節(jié)存末2位小數(shù)。系數(shù)存儲安排如表51 o表5-11ololhj 0102h , ko 0103h010dhj010eh > pioiofq0104h0105hk.0106h，0107h0108h0109hollohj0111h0112h 0113h j0114h 沁0115h j010ah010bh ko1och將d（z）式寫成差分方程，則有:uk= koek+kiek+k2ek2+k3ek3-p|uk1-p2uk2-p3uk3式中ekei，誤差輸入；ukui，計算機輸出。計算機運算溢出處理，當計算機控制輸出超過00hffh時（對應(yīng)于模擬量-5v+5v）,則計算機輸出 相應(yīng)的極值00h或ffh,同時在相應(yīng)的內(nèi)存單元也存入極值。模