计算机控制技术实验指导书.docx

北京信息科技大学自编实验教材 计 算 机 控 制 技 术 实 验 指 导 书 侯明 编 曹荣敏 审 北京信息科技大学 自动化实验室 2010.10 目 录实验一 A/D与D/A实验3实验二 信号的采样与还原12实验三 数字滤波17实验四 积分分离PID控制21实验五 最小拍控制实验27实验六 大林（Dahlin）算法33实验七 数字PWM发生器和直流电机调速控制38 实验一 A/D与D/A实验 为了实现计算机对生产过程或现场对象的控制，需要将对象的各种测量参数按要求转换成数字信号送入计算机；经计算机运算、处理后，再转换成适合于对生产过程进行控制的量。所以在微机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换的连接通道，该通道称为过程通道。它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。 模拟量输入通道：主要功能是将随时间连续变化的模拟输入信号变换成数字信号送入计算机，主要有多路转化器、采样保持器和A/D转换器等组成。 模拟量输出通道：它将计算机输出的数字信号转换为连续的电压或电流信号，主要有D/A转换器和输出保持器组成。 数字量输入通道：控制系统中，以电平高低和开关通断等两位状态表示的信号称为数字量，这些数据可以作为设备的状态送往计算机。 数字量输出通道：有的执行机构需要开关量控制信号 (如步进电机)，计算机可以通过I/O接口电路或者继电器的断开和闭合来控制。 本实验教程主要介绍以A/D和D/A为主的模拟量输入输出通道，A/D和D/A的芯片非常多，这里主要介绍人们最常用的ADC0809和TLC7528。1.1实验目的 1学习A/D转换器原理及接口方法，并掌握ADC0809芯片的使用 2学习D/A转换器原理及接口方法，并掌握TLC7528芯片的使用1.2 实验设备PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51系统板一块1.3 实验内容 1编写实验程序，将5V +5V的电压作为ADC0809的模拟量输入，将转换所得的8位数字量保存到变量中。 2编写实验程序，实现D/A转换产生周期性三角波，并用示波器观察波形。1.4 实验原理1A/D转换实验 ADC0809芯片主要包括多路模拟开关和A/D转换器两部分，其主要特点为：单电源供电、工作时钟CLOCK最高可达到1200KHz、8位分辨率，8个单端模拟输入端，TTL电平兼容等，可以很方便地和微处理器接口。TD-ACC教学系统中的ADC0809芯片，其输出八位数据线以及CLOCK线已连到控制计算机的数据线及系统应用时钟1MCLK (1MHz)上。其它控制线根据实验要求可另外连接 (A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0IN7)。根据实验内容的第一项要求，可以设计出如图1-1所示的实验线路图。 图1-1 A/D转换接线图 上图中，AD0809的启动信号“STR”是由控制计算机定时输出方波来实现的。这里用P1.7来模拟1定时器的输出，通过“OUT1”排针引出，方波周期定时器时常2。 图中ADC0809芯片输入选通地址码A、B、C为“1”状态，选通输入通道IN7；通过单次阶跃单元的电位器可以给A/D转换器输入5V +5V的模拟电压；系统定时器定时1ms输出方波信号启动A/D转换器，并将A/D转换完后的数据量读入到控制计算机中，最后保存到变量中。参考流程如下： . 图1-2 A/D转换程序流程 . .参考程序如下：请参照随机软件中example51目录中的ACC1-1-1文件夹中的ACC1-1-1.UV2/*文件名：ACC1-1-1.C*功能描述：定时启动模数转换，延时后读取转换结果，并送至变量保存*/#include #include /*宏定义*/#define uchar unsigned char#define uint unsigned int#define ADC_7 XBYTE0x7ff0 /定义模数转换IO地址/*函数声明*/void td_delay(int time);/*全局变量定义*/sbit str = P17;uchar data ad10; /声明变量，用于存储转换结果uint data time; /声明变量，用于定时uchar data t0_h,t0_l; /用于存储定时器0的初值/*主函数*/void main(void) uchar i; TMOD = 0x01; time = 1; /定时1ms t0_h = (65536-500*time)/256; /计算定时器0初值t0_l = (65536-500*time)%256; TH0 = t0_h; TL0 = t0_l; ET0= 1; /开定时中断0 TR0= 1; /启动定时器 EA= 1; /开总中断 while(1) for(i=0;i10;i+) /读取转换结果，并保存 adi = ADC_7; td_delay(500); /延时 td_delay(100); /可在此设置断点/*函数名：Timer0功能：定时器0中断服务程序参数：无返回值：无*/void Timer0() interrupt 1 str = !str; /产生A/D启动信号TH0 = t0_h; /重新装入初值TL0 = t0_l;/*函数名：td_delay 功能：设置延时时间参数：time 返回值：无*/void td_delay(int time) int i; for(i=0;i=time;i+) return;实验步骤与结果： (1)如何建立一个工程文件 打开Keil uVision2联机操作软件，首先选择“Project”主菜单中的“New Project”选项，建立新的工程文件*.Uv2，接着选择CPU的类型，这里我们选择“SST”公司的“SST89E554RC”芯片，在“project workspace”的“file”区中将出现下图 将鼠标指向“Target 1”，点击鼠标右键，出现下图， 选择“Options for Target Target 1”后，弹出下图 先选择“Target”项，将图中的晶振值“Xtal”修改成12，再选择“debug”项设置来确定当前的调试模式是“Use Simulator”还是“Use Keil Monitor-51 Driver”。如选择“Use KeilMonitor-51 Driver”，则用鼠标点击“setting”来选择调试时串口的基本设置，如串口号“Prot”和通讯波特率“Baudrate”。本实验中选择“Use Keil Monitor-51 Driver”，“Prot”为COM1，“Baudrate”为38400。 至此，该工程的基本情况设置完毕，在实验中可根据需要对其中的一些选项再作修改。下面我们在该工程文件的基础上添加C文件，将鼠标指向下图中的“Source Group 1” 点击鼠标右键出现以下窗口 选择“Add Files to Group Source Group 1”即可添加已有的C文件，如果没有C文件，可先选择“File”主菜单中的“New”选项，先建立好一个C文件。然后添加到工程中去。此时将出现下图： 用鼠标点击“Source Group 1”前的“”将会出现添加的C文件，用鼠标双击该文件，在界面的右边的编辑区显示该C文件，可在此编写或修改实验程序。 (2)参照(1)中的说明，先编写一个图1-2对应的C文件，然后建立一个工程，再将编好的C文件添加到工程中去，检查程序无误后编译、链接。参考程序请参照随机软件example51目录中的ACC1-1-1.Uv2工程文件。 (3)按图1-1接线 (注意：图中画“o”的线需用户自行连接)，连接好后，请仔细检查，无错误后方可开启设备电源。 (4)点击“Debug”主菜单中的“Start/Stop Debug Session”选项，即可转入到Debug调试状态。 (5)加入变量或数组监视，具体步骤为：用鼠标双击所要监视的变量或数组，点击鼠标的右键，将会出现下图所示窗口，选择“Add“ad”to Watch Window”项后，再选择将变量或数组放在“Watch 1”还是“Watch 2”窗口进行监视。 (6)在程序结束的地方设置断点。 (7)打开虚拟仪器菜单项中的万用表选项或者直接点击万用表图标，选择“电压档”用示波器单元中的“CH1”表笔测量图1-1中的模拟输入电压“Y”端，点击虚拟仪器中的“运行”按钮，调节图1-1中的单次阶跃中的电位器，确定好模拟输入电压值。 (8)做好以上准备工作后，运行程序，程序将在断点处停下，查看数组“ad0ad9”的值，取平均值记录下来，改变输入电压并记录，最后填入表1-1中。 表1-1 模拟量与数字量转换结果表模拟输入电压对应的数字量（十六进制） 测量结果（十六进制）-5(00)-4(1A)-3(33)-2(4C)-1(66)0(80)1(99)2(B3)3(CD)4(E6)5(FF) 本节实验仅仅就软件的相关功能做简单介绍。2D/A转换实验本实验采用TLC7528芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。其主要参数如下：转换时间100ns，满量程误差1/2 LSB，参考电压10V +10V，供电电压+5V+15V，输入逻辑电平与TTL兼容。实验平台中的TLC7528的八位数据线、写线和通道选择控制线已接至控制计算机的总线上。片选线预留出待实验中连接到相应的I/O片选上，具体如图1-3。 图1-3 D/A 通道芯片连接 以上电路是TLC7528双极性输出电路，输出范围5V +5V。“W101”和“W102”分别为A路和B路的调零电位器，实验前先调零，往TLC7528的A口和B口中送入数字量80H，分别调节“W101”和“W102”电位器，用万用表分别测“OUT1”和“OUT2”的输出电压，应在0mV左右。参考流程如下： 图1-4 D/A 程序流程图参考程序：请参照随机软件中example51目录中的ACC1-1-2文件夹中的ACC1-1-2.UV2。 . .实验步骤及结果： (1)参照流程图 1-4编写实验程序，检查无误后编译、链接，点击“”图标，使得系统进入“Start/Stop Debug Session”模式。 (2)点击“”图标，运行程序，打开虚拟仪器软件，用示波器的“CH1”和“CH2”路表笔分别测量图1-3中的“OUT1”和“OUT2”端，观测输出波形。参考波形如图1-5所示。 图1-5 DA程序运行示意结果实验注意事项： 针对本实验教程中提到的所有实验，当出现下面两种情况时，请按“SST51系统板”上的“复位”键，否则将会导致系统无法再次进入“Start/Stop Debug Session”模式。 (1)退出“Start/Stop Debug Session”模式 (2)停止全速 实验二 信号的采样与还原2.1 实验目的 1熟悉信号的采样和保持过程 2学习和掌握香农 (采样)定理 3学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号2.2 实验设备 PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51系统板一块2.3 实验内容 1编写程序，实现信号通过A/D转换器转换成数字量送到控制计算机，计算 机再把数字量送到D/A转换器输出。 2编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。2.4 实验原理1信号采样 香农 (采样)定理：若对于一个具有有限频谱 (|W|5Wmax)利用式2 -1在点 (X0,Y0)和 (X1,Y1)之间插入点 (X,Y) 式2-1 其中： X1X0为采样间隔，Y1Y0分别为X1和X0采样时刻的AD采样值。二次曲线插值法(取Ws3Wmax)： 式2-2 其中： (2)实验线路图设计 为了验证上面的原理，可以设计如下的实验线路图，图中画“”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。 图2-4 信号采样还原实验连线图 上图中，用P1.7来模拟1定时器的输出，通过“OUT1”排针引出，方波周期定时器时常2，“IRQ7”表示51的外部中断1，用作采样中断。 这里，正弦波单元的“OUT”端输出周期性正弦波信号，通过模数单元的“IN7”端输入，系统用定时器作为基准时钟 (初始化为10ms)，定时采集“IN7”端的信号，并通过控制机算计读取转换完后的数字量，再送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号。采样周期T= TK10ms，TK的范围为01 FFH。 (3)参考程序流程图设计 . . . 图2-3 直线插值、二次曲线插值程序流程图 参考程序：请参照随机软件中example51目录中的ACC1-2-2文件夹中的ACC1-2-2.UV2(直线插值法)，ACC1-2-3文件夹中的ACC1-2-3.UV2(二次曲线插值法)。2.5 实验步骤及结果1.信号采样 (1)按照实验线路图2-1接线，用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT”端，调节正弦波单元的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT”端输出幅值为3V，周期1S的正弦波。 (2)参考流程图2-2编写零阶保持程序，汇编、链接，点击“”图标，使得系统进入“Start/Stop Debug Session”模式。 (3)点击“”图标，运行程序，用示波器观察数模转换单元的输出，见图2-5。 图2-5 零阶保持器实验参考结果(4)增大采样周期，当采样周期0.5S时，即Tk32H时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真，记录此时的采样周期，验证香农定理。2.信号的还原 (1)按照线路图2-4接线，使正弦波单元输出幅值为3V，周期1S的正弦波。 (2)参考流程图2-3分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。 (3)点击“”图标，使得系统进入“Start/Stop Debug Session”模式。点击“”图标，运行程序，用示波器观察数模转换单元的输出，和零阶保持程序的运行效果进行比较。 图2-6 三种还原方法实验结果参考 由上述结果可以看出：在采样频率Ws = 10Wmax时，用三种方法还原信号，直线插值要好于零阶保持，二次曲线插值好于直线插值。采用合理的插值算法可以降低信号的失真度，在允许的范围内可以有效地降低对采样频率的要求。 (4) (3)中是在同一采样频率下，比较三种方法还原信号的效果，实验中也可比较一种还原方法在不同采样频率下的效果。 对于零阶保持来说：当采样频率信号频率的10倍时，即信号的还原效果较好。 对于直线插值来说：当采样频率信号频率的5倍时，即信号的还原效果较好。 对于二次曲线插值来说：当采样频率信号频率的3倍时，即信号的还原效果较好。 实验三 数字滤波3.1 实验目的 1.学习和掌握一阶惯性滤波 2.学习和掌握四点加权滤波3.2 实验设备PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51系统板一块3.3 实验内容 分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。3.4 实验原理 一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应用，下面是一个典型数字滤波的方框图： 图3-1 滤波前后效果示意图1滤波器算法设计一阶惯性滤波：相当于传函的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式 XK：当前采样时刻的输入YK：当前采样时刻的输出YK-1：前一采样时刻的输出T：采样周期， 四点加权滤波算法为： XK：当前采样时刻的输入XK-1：前一采样时刻的输入YK：当前采样时刻的输出2参考流程图： 图3-2 数字滤波实验程序流程图参考程序：请参照随机软件中example51目录中的ACC1-3-1文件夹中的ACC1-3-1.UV2 (一阶惯性)，ACC1-3-2文件夹中的ACC1-3-2.UV2 (四点加权)。3实验线路图：图中画“”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行搭接。 图3-3 数字滤波实验连线图上图中，用P1.7来模拟1定时器的输出，通过OUT1排针引出，方波周期定时器时常2，“IRQ7”表示51的外部中断1，用作采样中断。电路中用RC电路将S端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。注意R点波形不要超过5V，以免数字化溢出。计算机对有干扰的正弦信号R通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C输出。3.5 实验步骤及结果 1.按图3-3接线，调节正弦波使其周期约为2S，调信号源单元使其产生周期为100ms的干扰信号(从“NC”端引出)，调节接线图中的两个47K电位器使正弦波幅值为3V，干扰波的幅值为0.5V。 2.参照流程图分别编写一阶惯性和四点加权程序，检查无误后编译、链接。 . . . 3.点击“”图标，使得系统进入“Start/Stop Debug Session”模式。点击“”图标，运行程序，分别运行程序，用示波器观察R点和C点，比较滤波前和滤波后的波形。 4.如果滤波效果不满意，调节相应程序中的参数，再执行步骤2和3。记录实验曲线，将实验结果填入下表中的括号中。 表3-1 滤波实验记录表 不适当的应用数字滤波反而会降低控制效果，甚至造成系统不稳定。在实际应用中，对于参数变化缓慢的(如温度)可用惯性滤波，对于参数变化快的信号可用加权平均滤波。 实验四 积分分离PID控制4.0 PID控制原理按闭环系统误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID调节器 (也叫PID控制器)。它是在连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。随着计算机技术的飞速发展，PID控制算法可以用计算机程序实现了，而这进一步拓宽了PID调节器的应用领域，出现了各种新型数字PID控制器。本章将从多个方面来开展数字PID控制器的实验研究。 在模拟调节系统中，PID算法表达式为：在计算机系统中，离散的数字PID算法可以表示为位置式PID控制算式，或增量式PID控制算式。位置式PID控制算式为： T：采样周期，k：采样序号，u (k)：第k次采样调节器输出，e (k)：第k次采样误差值，e (k1)：第 (k1)次采样误差值增量式PID控制算式为： 增量式与位置式相比具有以下优点： 1增量式算法与最近几次采样值有关，不需要进行累加，因此，不易产生累积误差，控制效果较好。 2增量式中，计算机只输出增量，误动作 (计算机故障或干扰)影响小。 3在位置式中，由手动到自动切换时，必须使输出值等于执行机构的初始值，而增量式只与本次的误差值有关，更易于实现手动到自动的无扰动切换。 4增量式控制算法因其特有的优点在控制系统中应用比位置式更加广泛。4.1 实验目的1了解PID参数对系统性能的影响。2学习凑试法整定PID参数。3掌握积分分离法PID控制规律4.2 实验设备PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51系统板一块4.3实验原理和内容图4-1 PID 控制原理框图 图4-1是一个典型的PID闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。 图4-2 PID控制实验连线图上图中，用P1.7来模拟1定时器的输出，通过“OUT1”排针引出，方波周期定时器时常2，“IRQ7”表示51的外部中断1，用作采样中断，“DIN0”表示51的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制机的定时器作为基准时钟 (初始化为10ms)，定时采集“IN7”端的信号，并通过采样中断读入信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。本实验中，采用位置式PID算式。在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：当误差e ( k )较大时，取消积分作用；当误差e ( k )较小时才将积分作用加入。图5.2-3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。 . . . 图4-3 PID控制软件流程图参考程序：请参照随机软件中example51目录中的ACC3-2-1文件夹中的ACC3-2-1.UV2。为了便于实验参数的调整，下面讨论PID参数对系统性能的影响： (1)增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。 (2)增大积分时间参数TI有利于消除静差、减小超调、减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。 (3)增大微分时间参数TD有利于加快系统响应，使超调量减小，系统稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。 在调整参数时，可以使用凑试法。参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行“先比例，后积分，再微分”的步骤。(1)首先整定比例部分。将比例系数KP由小变大，并观察相应的系统响应，直到响应曲线超调小、反应快。如果系统没有静差，或者静差小到允许的范围内，那么只需比例调节器即可。(2)如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足要求，则须加入积分作用。整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数KP缩小 (如80)，然后减小积分时间，使静差得到消除。如果动态性能 (过渡时间短)也满意，则需PI调节器即可。(3)若动态性能不好，则需加入微分作用。整定时，使微分时间TD从0变大，并相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意结果。由于PID三个参数有互补作用，减小一个往往可由几个增大来补偿，因此参数的整定值不唯一，不同的参数组合完全有可能得到同样的效果。4.4 实验步骤 1按照实验线路图4-2接线，信号源输出幅值为2V，周期6S的方波。 2确定系统的采样周期以及积分分离值。 3参考流程图4-3编写实验程序，将积分分离值设为最大值7FH (相当于没有引入积分分离)。检查无误后编译、链接。 4点击“”图标，使得系统进入“Start/Stop Debug Session”模式。 5点击“”图标，运行程序，用示波器分别观测输入端R和输出端C。 6如果系统性能不满意，点击“”图标，停止程序运行，按“SST51系统板”上的“复位”键，使得系统退出“Start/Stop Debug Session”模式，进入到程序编辑模式，用凑试法修改PID参数，再重复步骤4和5，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。 7同理，修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。 8将6和7中的较满意的响应曲线分别保存，在画板、PHOTOSHOP中处理后粘贴到WORD中，方便形成实验报告。4.5 实验结果及分析 图4-4 积分分离PID控制分离效果图从上图中可以看出，引入积分分离法后，降低了系统输出的超调量，并缩短了调节时间。 实验五 最小拍控制实验5.0 数字调节器直接设计法： 由于控制任务的需要，当所选择的采样周期比较大或对控制质量要求比较高时，就要从被控对象的特性出发，直接根据采样系统理论来设计数字调节器，这种方法称为直接数字设计方法。直接数字设计比模拟化设计更具有一般的意义，它完全是根据采样系统的特点进行分析与综合，并导出相应的控制规律的。5.1 实验目的 1掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。 2掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。5.2 实验设备 PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51系统板一块5.3 实验原理及内容 典型的最小拍控制系统如图5-1所示，其中D(Z)为数字调节器，G(Z)为包括零阶保持器在内的广义对象的Z传递函数，(Z)为闭环Z传递函数，C(Z)为输出信号的Z传递函数，R(Z)为输入信号的Z传递函数。图5-1 数字控制器原理框图 闭环Z传递函数 误差Z传递函数 可得最小拍控制系统的数字调节器为：将D(Z)表示成计算机可实现的有理多项式：式中E ( Z )为误差输入，U ( Z )为输出。将D ( Z )式写成差分方程，则有： 式中EkEk3，误差输入； UkU k3,计算机输出。1最小拍有纹波系统设计图5-2是一个典型的最小拍控制系统。 图5-2 最小拍控制器设计框图针对阶跃输入，其有纹波系统控制算法可设计为：当阶跃输入信号幅值为2.5V时，2最小拍无纹波系统设计 有纹波系统虽然在采样点上的误差为零，但不能保证采样点之间的误差值也为零，因此存在纹波现象。无纹波系统设计只要使U(Z)是Z-1的有限多项式，则可以保证系统输出无纹波。即： 式中 Pi、Zi分别是G(Z)的极点和零点。为了使U(Z)为有限多项式，只要(Z)的零点包含G(Z)的全部零点即可，这也是最小拍无纹波设计和有纹波设计的唯一不同点。如图5-2所示，针对单位斜波输入，无纹波系统控制算法可设计为：3.实验线路图 图5-2所示的方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。 图5-3 最小拍控制控制实验连线图上图中，用P1.7来模拟1定时器的输出，通过OUT1排针引出，方波周期定时器时常2，“IRQ7”表示51的外部中断1，用作采样中断，“DIN0”表示51的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制计算机的定时器作为基准时钟(初始化为10ms)，定时采集“IN7”端的信号，通过采样中断读入信号E的数字量，并将采样值进行D(Z)计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。4.数字控制器的实现 图5-4是数字控制器实现的参考程序流程图。 . . . 图5-4 最小拍控制程序流程图参考程序：请参照随机软件中example51目录中的ACC4-1-1文件夹中的ACC4-1-1.UV2(有纹波)。ACC4-1-2文件夹中的ACC4-1-2.UV2(无纹波)。 在参考程序中，采样周期T=TK10ms，TK的取值范围为01HFFH，所以T的范围为10ms2550ms。例如：当T=1S时，有 5.4 实验步骤 1.按照实验线路图5-3接线。对象的输入信号选择：当为有纹波设计时，选择方波信号，调节电位器使方波信号的幅值为2.5V，周期为6S。当为无纹波设计时，选择单位斜波信号，斜波的幅值为6V，上升时间为6S。 2.将模拟实验对象进行整定，具体整定方法参见附录一。 3参考流程图5-4编写程序，分别将有纹波和无纹波设计方法得到的参数写入程序，检查无误后编译、链接。 4点击“”图标，使得系统进入“Start/Stop Debug Session”模式。 5点击“”图标，运行程序，用示波器观察对象的测量点C和数模转换单元的“OUT1”端，并记录波形进行分析。注意：实验中有纹波是针对阶跃输入设计，而无纹波是针对斜波输入信号设计，所以实验时要注意正确的选择信号源。5.5 实验结果及分析 图5-5 最小拍控制实验效果图（有波纹、无波纹） 最小拍控制系统的设计方法是简便的，结构也是简单的，设计结果可以得到解析解，便于计算机实现。但是最小拍设计存在如下一些问题： (1)最小拍控制系统对输入形式的适应性差，当系统的输入形式改变，尤其是存在随机扰动时，系统的性能变坏。 (2)最小拍控制系统对参数的变化很敏感，在实验过程中，随着外部条件的变化，对象参数的变化是不可避免的，以及计算机在计算过程中产生的误差，从而使得实际输出可能偏离期望值。 这也就是在做最小拍设计实验时常常得不到预期效果的原因。 实验六 大林（Dahlin）算法6.1 实验目的 1掌握用大林算法实现对纯滞后系统的控制。 2掌握振铃消除的方法。6.2 实验设备 PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51系统板一块6.3 实验原理及内容1.大林算法设计大多数工业对象具有较大的纯滞后时间，可以近似用一阶惯性加纯滞后环节来表示，其传递函数为： 式中：对象纯滞后时间，当采样周期足够小时，可以设为采样周期的整数倍； 对象的时间常数；K对象的增益；大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数(s)，相当于一个纯滞后环节和一个惯性环节相串联，即： 式中： T采样周期；被控对象的时间常数；闭环系统的时间常数；K被控对象的增益；图6-1 大林算法框图 图6-1给出了一个典型的大林算法设计的闭环控制系统方框图。其中，被控对象时间常数 = 1S，被控对象的增益 K = 10，闭环系统时间常数= 0.1S。取采样周期T = 0.2S，根据大林算法的设计目标，数字控制器D(Z)算式应为： 2振铃现象的消除： 振铃现象是指数字调节器的输出以2T的周期上下振荡，由于D(Z)中含有左半平面内的极点，极点越接近1，振荡越严重。振铃现象不是大林算法特有的现象，它与最小拍控制中的纹波现象本质上是一样的，振铃也会引起采样点之间系统输出波纹，并使执行机构磨损，甚至会影响系统的稳定性，因此必须消除振铃。 大林提出消除振铃的方法是：找出D(Z)算式中造成振铃的极点因子，令其中Z=1。根据终值定理，这样既消除了振铃，也不会影响D(Z)的稳定性。 在上面的D(Z)算式中：，将振铃因子(10.865Z-1)中Z = 1则 由于改变了D(Z)导致了系统闭环传函(Z)的变化，因此要验证修改后(Z)的稳定性。式中可以看出(Z)是收敛的，稳定的。3.实验线路图设计 图6-1所示的方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如图6-2所示。图中画“”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。 图6-2 大林算法实验连线图上图中，用P1.7来模拟1定时器的输出，通过“OUT1”排针引出，方波周期定时器时常2，“IRQ7”表示51的外部中断1，用作采样中断，“DIN0”表示51的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制计算机的定时器作为基准时钟 (初始化为10ms)，定时采集“IN7”端的信号，通过采样中断读入信号E的数字量，并将采样值进行D(Z)计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号，控制对象系统。值得说明的是，在本实验中，纯滞后环节是通过程序控制采样保持器 (PU1)的输出滞后D/A输出一拍来模拟实现的。4数字控制器的实现图6-3是数字控制器实现的参考程序流程图。 . . . 图6-3 大林算法程序流程图参考程序：请参照随机软件中example51目录中的ACC4-2-1文件夹中的ACC4-2-1.UV2(有振铃)。ACC4-2-2文件夹中的ACC4-2-2.UV2(振铃消除)。 在参考程序中，采样周期T=TK10ms，TK的取值范围为01HFFH，相应T的范围为10ms2550ms，例如：当T = 0.2S时， 6.4 实验步骤1按照实验线路图6-2接线，调节信号源使其输出幅值为2V，周期6S的方波。2将模拟实验对象进行整定，具体整定方法参见附录一。3参考流程图编写程序