微机控制技术实验内容.doc

实验一 A/D、D/A转换实验实验1.1 A/D、D/A转换实验（1）1实验线路原理图：见图11图11CPU的DPCLK信号与ADC0809单元电路的CLOCK相连作为ADC0809的时钟信号。ADC0809芯片输入选通地址码A、B、C为“1”状态，选通输入通道IN7。通过电位器W41给A/D变换器输入-5V+5V的模拟电压。8253的2#口用于5ms定时输出OUT2信号启动A/D变换器。由8255口A为输入方式。A/D转换的数据通过A口采入计算机，送到显示器上显示，并由数据总线送到D/A变换器0832的输入端。选用CPU的地址输入信号IOY0为片选信号()，XIOW信号为写入信号()，D/A变换器的口地址为00H。调节W41即可改变输入电压，可从显示器上看A/D变换器对应输出的数码，同时这个数码也是D/A变换器的输入数码。2A/D、D/A转换程序流程：（见图12）对应下面的流程，我们已编好了程序放在CPU的监控中，可用U(反汇编)命令查看。而且已将所有控制程序放在光盘中，供教师参考，当然对于学生来说，应让其自己编写调试。图123实验内容及步骤(1)按图11接线。用“短路块”分别将U1单元中的ST与+5V短接；U4单元中的X与+5V，Z与-5V短接。其它画“”的线需自行连接。连接好后，接通电源，然后按使用说明中对U15 D/A转换单元进行调零。(2)将W41输出调至-5V，执行监控中的程序(G=F000：1100)。如果程序正确执行，将在显示器上显示“00”。(3)将W41依次调节，用U16 交/直流数字电压表分别检测A/D的输入电压和D/A的输出电压。观察显示器，记下相应的数码及D/A的输出模拟电压，填入下表11。模拟输入电压(V)显示器数码(H)模拟输出电压(V)-500-5-41A-4-333-3-24C-2-166-10800+1991+2B32+3CD3+4E64+5FF54按图13改接U4输出Y至U13A/D转换单元输入IN7的连接，其它线路同图11图1-35用U16 交/直流数字电压表监测A/D的输入电压，在OV附近连续调节A/D的输入电压，观察整理化误差和量化单位。6测出A/D输入电压在OV附近5个量化单位的数值，记录与之相对应的数字量，如表12所示：表12模入电压(mV)-196-156.8-117.6-78.4-39.2039.278.4117.6156.8196数字量(H)7B7C7D7E7F808182838485AD转换的量化特性图，如图14所示：图1-4实验1.2 A/D、D/A转换实验(2)1.实验线路原理图：见图15图1-5设置8255为定时方式，OUT2信号为采样脉冲，采样周期5ms。8255的A口为输入方式，用于采入数据。8255的B口为输出方式，用于选择控制双路输入输出通道。A/D转换单元可对多路模拟量进行转换，这里用6、7两路分别接入图16所示信号。图1-6计算机控制A/D变换器分时对这两路模拟信号进行A/D转换。将转换的数字量送至D/A变换器还原成模拟量，并送至两个采样保持器。由8255B口分别控制两个采样保持器的采样开关，以保证采样保持器单元电路中的OUT1输出信号与A/D转换单元U13的IN6输入信号一致；采样保持器单元电路的OUT2输出信号与A/D转换换单元U13的IN7输入信号一致。2程序流程：见图17初始化8255芯片，将A口设为输入，B口为输出方式初始化8253芯片(2#为5ms)填IRQ7中断矢量表关总中断初始化8259清8255的B口，并选中AD0809的IN6，置CH=06H，BL=40H开中断等待中断主程序中断申请7号中断处理程序读AD0809的采样值并送至DA832输出送相应脉冲给LF398的PU端使OU端输出IN端信号判CH=06？预置下次采样通道为IN7BL=80H，CH=07H中断返回预置下次采样通道为IN6BL=40H，CH=06HNY图173实验内容及步骤(1)按图15接线。将U1的信号选择开关S11放到斜坡位置。用短路块将U1的S与ST短接。置S12为下档，将W11旋到最大，使信号周期最小。调W12使输出信号不大于5V。(2)执行程序(G=F000：1151)。(3)用示波器同时观察输入与输出信号。如果程序正确执行，A/D转换单元U13的IN6输入信号应于U15 DAC单元中的采样保持久输出OUT1信号一致；U13的IN7输入信号与U15单元中的采保输出OUT2信号一致。(4)在U15 DAC转换单元的OUT端用示波器观察计算机分时控制的输出波形。实验四 积分分离PID控制实验1.实验原理及线路简介(1)原理如图41，R为输入，C为输出，计算机不断采入误差E，进行积分判别与PID运算，然后判结果是否溢出(若溢出则取最大或最小值)，最后将控制量输送给系统。图41(2)运算原理PID控制规律为：U(t)=Kpe(t)+ 。e(t)控制器输入；U(t)为控制器输出。用矩阵法算积分，用向后差分代替微分，采样周期为T，算法为：U(K)=KpE(K)+E(K)-E(K-1) =KpE(K)+E(K)-E(K-1)简记为：U=PE+I+D(E-E-1)P、I、D范围为：-0.9999+0.9999，计算机分别用相邻三个字节存储其BCD码。最低字节存符号，00H为正，01H为负。中间字节存前2位小数，最高字节存末2位小数。例有系数P为0.1234，I为0.04秒，D为0，则内存为表4-1所示。表41 地址 内容 低字节 0002H 00H 中间字节 P 0003H 12H 高字节 0004H 34H 0005H 00H I 0006H 04H 0007H 00H 0008H 00H D 0009H 00H 000AH 00H计算机存有初始化程序，把十进制小数转换成二进制小数，每个小数用两个字节表示。在控制计算程序中按定点小数进行补码运算，对运算结果设有溢出处理。当运算结果超出00H或FFH时则用极值00H或FFH作为计算机控制输出，在相应的内存中也存入极值00H与FFH。积分项运算也设有溢出处理，当积分运算溢出时控制量输出取极值，相应内存中也存入极值。计算机还用2F00H内存单元所存的值数作为积分运算判定值EI，误差E有绝对值小于EI时积分，大时不积分。EI的取值范围：00H7FH。控制量U输出至D/A，范围：00HFFH，对应5V+4.96V，误差EI模入范围与此相同。(3)整定调节参数与系统开环增益可用临界比例法整定参数。设采样周期为50ms，先去掉微分与积分作用，只保留比例控制，增大Kp，直至系统等幅振，记者证下振荡周期Tu和振荡时所用比例值Kpu，按以下公式整定参数。只用比例调节Kp=0.5Kpu(P=Kp=0.5Kpu)用比例、积分调节(T取Tu)比例Kp=0.36Kpu(即P=Kp=0.36Kpu)积分时间TI=1.05Tu(即I=0.07Kpu)用比例、积分、微分调节(T取Tu)比例Kp=0.27Kpu(即P=Kp=0.27Kpu)积分时间TI=0.4Tu(即I=0.11Kpu)微分时间TD=0.22Tu(即D=0.36Kpu)PID系数不可过小，因为这会使计算机控制输出也较小，从而使系统量化误差变大，甚至有时控制器根本无输出而形成死区。这时可将模拟电路开环增益适当减小，而使PID系数变大。例：PID三个系数都小于0.2，模拟电路开环增益可变为K/5，PID系数则都相应增大5倍。另一方面PID系数不可等于1，所以整个系统功率增益补偿是由模拟电路实现。例如若想取P=5.3，可取0.5300送入，模拟电路开环增益亦相应增大10倍。(4)接线与线路原理8253的OUT2定时输出OUT2信号，经单稳整形，正脉冲打开采样保持器的采样开关，负脉冲启动A/D转换器。系统误差信号EU14、IN；U14、OUTU13、IN7：采样保持器对系统误差信号进行采样，将采样信号保持并输出给A/D第7路输入端IN7。计算溢出显示部分：图42虚框内。当计算控制量的结果溢出时，计算机并口B的PB17输出高电平，只要有一次以上溢出便显示。这部分线路只为观察溢出而设，可以不接，对于控制没有影响。图42(5)采样周期T计算机8253产生定时信号，定时10ms，采样周期T为：T=T10msT事先送入2F60H单元，范围是01HFFH，则采样周期T的范围为10ms2550ms。按Tu计算出的T如果不是10ms的整数倍，可以取相近的T。系数转换，8253、8255、8259初始化设置A口、B口中断地址控制准备程序等待中断及中断返回后处理程序中断申请2实验程序流程：见图43 主 程 序 KPEKD(EKEK-1)判积分运算KPEK +D(EKEK-1)+IEK取极值判积分运算KPEK +D(EKEK-1)判溢出取极值中断返回是否是否 PID位置算法A口中断程序 图433实验内容与步骤(1)按图4-2接线，用短路块将S与ST短接，S11置方波档，S12置下档，调W11使信号周期为5S，调W12约为3V。(2)装入程序TH4-1.EXE，用U命令查看程序数据段段地址为0240，键入(0240:0000)，在TK（0240：0000）、EI（0240：0001）、KP、KI、KD(其中KI=KD=0)的相应地址中存入表4-1中的数据。启动PID位置式算法程序，用示波器观察输出。(3)选不同的KP，直到等幅振荡，记下TU和KPU，TU填入表41上部。(或KP取0.99仍不振荡则应增大采样周期或增大模拟电路增益，增大增益可调整图42中电位器R)(4)根据临界比例法计算PID三参数，修改KP、KI、KD (若系数过大过小可配合改变模拟电路增益)，积分分离值EI取7FH存入2F00H单元，启动程序（G=0000:2000），用示波器测出MP、tS。(5)改变积分分离值EI，启动程序（G=0000:2000）,对照输入观察输出C，看MP、tS有无改善，并记录MP、tS。(6)根据PID三个系数的不同的控制作用，适当加以调整，同时可配合改变EI值，重新存入，启动程序（G=0000:2000），对照输入观察输出，记录MP、tS。按上述方法重复做几次，直到使MP20%，tS1S，在表41中填入此时的各参数和结果。(7)用表41中的最佳PID参数，但积分分离值改为7FH并存入，在输入R为零时启动程序，将参数和结果填入表41中。T= 05H KPU= 0.905 TU= 0.5S 表41 参 数项 目EIPIDMptsI用临界比例法整定参数7F0.24430.09960.32480%3SII用I栏PID参数，但EI修改300.24430.09960.32440%2SIII较佳的PID控制参数300.22430.04960.42410%0.9SIV用II栏PID参数，EI为7F7F0.22430.04960.42440%1.5S实验五 最小拍控制系统1.实验原理与线路图(1)原理见图5.11。R为输入，C为输出，计算机对误差E定时采样按D(Z)计算输出控制量U(Z)。图中K=5。图5.11针对阶跃输入进行计算机控制算法D(Z)设计。(2)D(Z)算法采样周期T=1S，E(Z)为计算机输入，U(Z)为输出，有：D(Z)= =式中Ki与Pi取值范围：-0.99990.9999，计算机分别用相邻三个字节存储其BCD码。最低字节符号，00H为正，01H为负。中间字节存前2位小数，最高字节存末2位小数。例有系数0.1234，则内存为： 地址 内容 2F00H 00H 2F01H 12H 2F02H 34H系数存储安排如表5.11。表5.11 0101H 010DH 0102H K0 010EH P1 0103H 010FH 0104H 0110H 0105H K1 0111H P2 0106H 0112H 0107H 0113H 0108H K2 0114H P3 0109H 0115H 010AH 010BH K3 010CH将D(Z)式写成差分方程，则有：UK=K0EK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2-P3UK-3式中EKEK-3，误差输入；UKUK-3，计算机输出。计算机运算溢出处理，当计算机控制输出超过00HFFH时(对应于模拟量-5V+5V)，则计算机输出相应的极值00H或FFH，同时在相应的内存单元也存入极值。 (3)模拟电路的参数整定被控对象有模拟电路，电路中所接电阻、电容参数有一定误差，所以应加以整定，可先整定惯性环节，再整定积分环节，应使二者串联时尽量接近所给传递函数。整定方法参见注1。(4)接线(如图5.12所示)8253 2#输出OUT2信号，经单稳整形，正脉冲打开采样保持器的采样开关，负脉冲启动A/D变换器。系统误差信号EU4、IN2、U14、OUT2U15、IN7：采样保持器对系统误差信号进行采样，将采样信号保持并输出给A/D第7路输入端。计算溢出显示部分：图5.12虚框内。当计算控制量的结果溢出时，计算机给口B的PB17输出高电平，只要有一次以上溢出便显示。这部分线路只为观察溢出而设，可以不接，对于控制没有影响。图5.1-2(5)采样周期TCPU的8253产生定时信号，定时10ms，采样周期T为：T=TK10msTK需事先送入2F60H单元，取值范围：01HFFH，对应的范围：10ms2550ms。例如当T=1S，有：TK=100=64H系数转换、接口初始化等待中断及中断返回处理中断申请主 程 序2.实验程序流程见图5.13 A口中断程序 输入误差信号计算D(Z)中断返回 图5.133.实验内容与步骤 (1)按图5.12连线，S11置方波档，S12置下档，调W12使U1单元的OUT端输出为2.5V的方波，调W11约为6S。装入程序TH5-1，0100F单元存入64H（E0100）。(2)按要求计算D(E)各系数，送入内存2F00H2F14H单元，具体推导过程见有关计算控制技术教材。（其中，K00.5434、K1-0.7434、K20.2000、K30、P1-0.2826、P2-0.7174、P30）。(3)用示波器观察输入R波形，在输入R为零时启动最小拍程序(G=F000:15E6)，对照阶跃输出R观察输出C，应有以下波形(见图5.14)，输出经过一拍后，在采样点上跟踪输入误差输出为：E(Z)=e(Z)R(Z)=(1-Z-1)即一拍后进行跟踪，偏差保持为零。而从控制量的输出Y(Z)=D(Z)E(Z) =2.5 =1.3590-1.4744Z-1+1.0571Z-2-0.7580Z-3+0.5435Z-4-0.3897Z-5可见，控制量在一拍后并未进入稳态(常数为零)，而是在不停地波动，从而使连续部分的输出在采样点之间存在纹波。图5.4-1实验5.2 最小拍无纹波设计1实验原理与线路只是D(Z)应按无波纹设计，其余同实验5.1 2实验流程图：见图5.133实验内容与步骤对象改为G0(S)=1/S(S+1)，所以将实验5.1图5.12中R1改为250K。针对阶跃输入按无纹波设计 D(Z)=U(Z)=D(Z)E(Z)R(Z)=(1.583-0.5824)Z-12.5=3.9575-1.4560Z-1 K0=0.9999 P1=-0.4176 K1=-0.3679 P2=0 K2=0 P3=0 K3=0调W11使U1信号发生器单元的OUT端的阶跃信号输出幅值不超过2.5V，调W12使期为6S。将TK=64H送入2F60H单元中，2F002F14H单元分别存入K0K3，P1P3。用示波器观察输入R波形，在输入R为零时启动最小拍程序(G=F000:15E6)，对照阶跃输入R，观察输出C，应观察到，系统从第二拍起，U(Z)恒为零。因此输出量稳定在稳态值，而不余有波纹了。从控制量输出U(Z)的表达式可看出此时前一拍的值均为1，所以输出饱和，可用示波器观察U15单元的OUT端输出。最小拍无波纹设计，除了消除采样点之间的波纹外，还在一定程度上减小了控制能量，降低了对参数的敏感度，但它仍然是针对某一特定输入设计的，对其它输入的适应性仍不好。第三部分 计算机控制系统应用实验实验一 直流电机闭环调速实验1.实验原理及接线人为数字给定CPU系统驱动单元电路直流电机速度测速电路反馈图1实验原理图图2CPU系统的8255PB10脉冲信号为控制量，经驱动电路驱动电机运转。霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量，在参数给定情况下，经PID运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。其中OPCLK为1.1625MHz时钟信号，经8253的2号通道分频输出1ms的方波，接入8259产生IRQ6中断，作为系统采样时钟；PB10产生PWM脉冲计时及转速累加，8259的IRQ7中断用于测量电机转速。2实验流程图主程序初始化采样周期到否？清TK变元TC取YK反馈值调PID溢出处理计算PWM将YK，CK值发往串口N 8259 IRQ7中断程序：IRQ7中断MARK=0？MARK=0取IRQ6中转速累加VADD计算电机转速VADD清零MARK=1YN 8259IRQ6中断程序IRQ6中断TC=TC+1产生PWM脉冲MARK=1？转速累加VADD=VADD+1IRETN3实验内容及步骤(1)按图2接线：(2)装入程序 CS1.EXE。其中段地址为：0000，偏移地址：2000。使用U0000：2000命令查看第一、二条指令为MOV AX，0259、MOV DS，AX由此可知数据段段地址为0259。用D0259：0000命令可查看到数据段中所放TS、SPEC、IBAND、KPP等参数值(对于双字节DW，低位在前)已按顺序排好，并与初始化值相符。用E0259：0000命令可从TS第一个数据开始修改这些值，按空格继续修改下一个值，按减号修改上一个值，按回车确认并停止修改。(DEBUG命令的详细使用方法详见软件系统中的帮助文档中的常见命令说明部分。)例：D0259：0000(回车)可看到：0259：0000 14 30 00 60 00 60 10 10 即：TS=14H，SPEC=0030H，0259：0008 00 20 00 XX XXXX XX XX IBAND=0060H KPP=1060H KII=0010H，KDD=0020H(3)进入专用示波器界面点击运行，使用默认的段地址和偏移量，按确定运行示波。(4)观察