《计算机控制技术》实验教程.doc

肇庆学院光机电一体化综合性实验教学示范中心实验教材之二十六 计算机控制技术计算机控制技术 实实 验验 教教 程程 肇庆学院电子信息与机电工程学院 编 二 00 八年九月 内容简介 I 内容简介内容简介 本书主要是基于清华大学出版社出版的由于海生先生所编著的 微型计算 机控制技术 理论教程而编写的一本实验教程 书中分为两部分 第一部分由基 础实验所组成 第二部分则是综合与设计实验 基础实验部分内容详细 基本上 囊括了理论教程中的主要知识点 而综合与设计实验部分则列举了几个比较典型的 设计实验 有利于学生进行创新实验 因此 本书对于指导学生进行实验有着实 际的应用价值 前言 II 前言前言 当前 微型计算机控制已经广泛应用于各个领域 比如 工业制造 军事航 空 生产管理 智能仪表 家用电器 车船运输 医疗器械等 我国高等院校的 相关专业也将微型计算机控制技术作为一门重要的必修课 微型计算机控制是一 门实践性 操作性很强的课程 需要有一本内容全面 理论与实践结合的教材与 之配套 我校机电专业开设微型计算机控制技术这门课程已经有多年 但由于受条件 所限 硬件 在具体授课时基本是理论讲授 而实践操作很少 因此也没有编 写过与该门课程相配套的实验教程 2008 年我校电子信息与机电工程学院下的广 东省重点实验室获得了进一步建设 而编写实验教材属于其中的子项目之一 微型计算机控制技术 实验教程的编写也位列其中 本课程实验教材的编写主要是结合理论教材的内容 并参考其它条件较好的 高校在开设该门课程时所开设的实验课程而编写 实验内容比较全 在具体授课 时可结合实际情况有选择的开设一些实验课 本教材的编写对该课程的建设有重要的意义 一方面可以可以促进实验室的 建设 另一方面可以指导学生参与实验 加深学生对课程的理解 由于作者水平有限 时间紧迫 不妥和错误之处在所难免 敬请各位专家和 读者批评指正 作者的 Email cxm2100 编者 陈显明 2008 年 10 月 20 日 目录 III 目录目录 第一部分 基础实验 1 实验一 A D 转换实验 2 实验二 D A 转换实验 5 实验三 信号的采样与保持 8 实验四 逐点比较法圆弧和直线插补实验 12 实验五 步进电机控制实验 18 实验六 直流电机闭环调速实验 21 实验七 数字 PID 闭环控制实验 23 实验八 D S 离散化方法的研究 35 实验九 最少拍控制器设计与实现实验 40 实验十 串级控制算法的研究 45 实验十一 具有纯滞后系统的大林控制 50 实验十二 线性系统的状态空间分析 53 实验十三 状态观测器设计 58 实验十四 数字滤波器 59 第二部分 综合及设计性实验 62 实验一 简易电子琴设计 63 实验二 音乐盒设计 67 实验三 基于 AT89S52 单片机的多路数字电压表的设计 85 实验四 多路防盗报警器设计 91 实验五 函数发生器设计 95 实验六 频率计设计 99 实验七 简易数控直流电源设计 104 实验八 温度过程控制实验 110 参考文献 117 第一部分 基础实验 1 第一部分第一部分 基础实验基础实验 计算机控制技术实验教程 2 实验一实验一 A DA D 转换实验转换实验 一 实验目的 1 了解模 数转换的基本原理 2 掌握 ADC0809 的使用方法 掌握 8086 汇编语言的编程方法 二 实验设备 1 DICE 8086H 增强型微机原理接口实验仪一台 PC 机一台 8086 汇编语言 编译软件 2 导线 数据接线若干 3 万用表一块 三 实验内容实验内容 利用实验板上的 ADC0809 做 A D 转换器及电位器 R1 提供模拟量输入 编制 程序 将模拟量转换成二进制数字量 通过系统显示板观察结果 1 硬件原理图 CS0 A1 R1 R2 R4 VCC ORD A0 U4A 74LS02 2 3 1 IN1 OWR R5 RESISTOR VAR U2 ADC0809 10 9 7 17 14 15 8 18 19 20 21 6 22 11 12 16 26 27 28 1 2 3 4 5 25 24 23 CLK OE EOC D0 D1 D2 D3 D4 D5 D6 D7 START ALE VCC REF REF IN0 IN1 IN2 IN3 IN4 IN5 IN6 IN7 A0 A1 A2 U3A 74LS02 2 3 1 VCC CLOCK 1M A2 VCC 图 1 1 A D 转换硬件原理图 2 硬件线路连接 a 将 ADC0809 与译码电路相连 b 将 ADC0809 通道 0 模拟输入端 IN0 连电位器 R1 c 将 ADC0809 输出端与总线接口相连 实验一 A D 转换实验 3 3 软件设计框图 图 1 2 软件设计流程图 编程提示 1 ADC0809 的 START 端为 A D 转换启动信号 ALE 端为通道选择地址的锁 存信号 实验电路中将其相连 以便同时锁存通道地址并开始 A D 采样转换 其 输入控制信号为 CS 和 WR 故启动 A D 转换只需如下两条指令 MOV DX ADPORT ADC0809 端地址 OUT DX AL 发 CS 和 WR 信号并送通道地址 2 用沿时方式等待 A D 转换结果 使用下述指令读取 A D 转换结果 MOV DX ADPORT IN AL DX 3 循环不断采样 A D 转换结果 边采样边显示 A D 转换后的数字量 四 实验步骤 1 按原理图连好实验线路 2 编制 输入并运行实验程序 如在连机情况下 可将编制好的程序输入 编译 运行 即可进行实验 如在无 PC 机时 可在 8088 系统显示监控提示符 P 时 输入起始段地址 F000 后按 F1 键 再输入起始偏移地址 9000 按 EXEC 键 在系统上显示 0809XX XX 表示输入的模拟量转换后的数字量 3 调节电位器 R1 显示器上会不断显示新的转换结果 启动 0809 进行本次 A D 转换 沿时等待 A D 转换结果 读取 A D 转换结果 将结果转换成显示代码 调用转换结果子程序 开始 计算机控制技术实验教程 4 模拟量和数字量对应关系的典型值为 0V 00H 2 5V 80H 5V FFH 4 用万用表测出 R1 输出电压 并记录显示屏上的相应数据 作出转换图 即 V D 5 RESET 键退出或按 STOP 键后按 MON 键 6 打印程序清单 7 求 ADC0809 芯片的整量化误差 五 思考题五 思考题 1 若改用 EOC 信号来申请中断读 A D 值 程序如何设计 2 若输入模拟电压为 2 4V 理论上转换值为多少 实际为多少 分析原因 实验二 D A 转换实验 5 实验二实验二 D AD A 转换实验转换实验 一 实验目的一 实验目的 1 了解 D A 转换的基本原理 2 了解 D A 转换芯片 0832 的性能 使用方法 对应硬件电路及编程方法 二 实验仪器二 实验仪器 1 IEC 8086H 微机原理增强实验系统一套 IBM PC 机一台 2 导线一根 数据接线一根 3 示波器一台 4 万用表一块 三 实验内容三 实验内容 编写实验程序 用 DAC0832 产生方波 锯齿波 用示波器观察波形 1 硬件原理图如下 图 2 1 D A 转换硬件原理图 计算机控制技术实验教程 6 硬件线路连接 a 将 DAC0832 片选信号插孔 CS5 和译码器输出 8000H 插孔相连 b 将 DAC0832 芯片 D0 D7 孔用数据线与系统总线相连 c 将示波器与 DAC0832 芯片左侧 AOUT 孔相连 2 软件设计框图 图 2 2 产生方波软件流程图 图 2 3 产生锯齿波软件流程图 3 编程提示 1 产生方波程序编程提示 首先由 CS 片选信号确定 DAC 寄存器的端口地址 然后锁存一个数据通过 DAC0832 输出 产生方波信号的周期由沿时常数决定 典型程序如下 MOV DX DAPORT DAC0832 口地址 MOV AL DATA 输出数据到 0832 OUT DC AL 产生方波信号的周期由延时常数确定 2 产生锯齿波程序 0832 芯片输出产生锯齿波 只须由 AL 中存放数据的增减来控制 当 AL 中数 据从 00 逐渐增加到 FF 产生溢出 延时后 再从 00 增大到 FF 不断循环 从而 开始 数据 00 送 AL 寄存器 AL 中的数据输出到 0832 沿时 取反 AL 中的数据 开始 数据 00 送 AL 寄存器 AL 中的数据输出到 0832 取反 AL 中的数据 实验二 D A 转换实验 7 产生连续不断的锯齿波 四 实验步骤四 实验步骤 1 按图连好实验线路 2 按软件设计框图及实验原理编制程序 3 编译运行实验程序 4 用示波器测量 0832 左侧 AOUT 插孔 观察输出波形 5 打印程序清单 五 思考题五 思考题 1 如何改变输出波形的频率 2 实验中的电位器作用是什么 计算机控制技术实验教程 8 实验三实验三 信号的采样与保持信号的采样与保持 一 实验目的一 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 二 实验设备二 实验设备 PC 机一台 TD ACC 实验系统一套 i386EX 系统板一块 三 实验内容三 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 四 实验原理四 实验原理 1 采样与保持 香农 采样 定理 若对于一个具有有限频谱 的连续信号 max 进行采样 当采样频率满足时 则采样函数能无失真地 tf max 2 s tf 恢复到原来的连续信号 为信号的最高频率 为采样频率 tf max s 实验线路图 实验线路图 本实验中 我们将具体来验证香农定理 可设计如下的实验线 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3 1 信号的采样与保持实验硬件连线图 实验三 信号的采样与保持 9 上图中 控制计算机的 OUT1 表示 386EX 内部 1 定时器的输出端 定时 器输出的方波周期 定时器时常 IRQ7 表示 386EX 内部主片 8259 的 7 号中断 用作采样中断 这里 正弦波单元的 OUT 端输出周期性的正弦 波信号 通过模数转换单元的 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 转换结束产生采样中断 在中断服 务程序中读入转换完的数字量 送到数模转换单元 在 OUT1 端输出相应的模 拟信号 由于数模转换器有输出锁存能力 所以它具有零阶保持器的作用 采样周期 T TK 10ms TK的范围为 01 FFH 通过修改 TK就可以灵活地 改变采样周期 后面实验的采样周期设置也是如此 参考程序流程 参考程序流程 基于上面的实验线路 可以设计如下的参考程序流程 图3 2 实验程序流程图 2 信号的还原 1 实验原理 从香农定理可知 对于信号的采集 只要选择恰当的采样周期 就不会失去 信号的主要特征 在实际应用中 一般总是取实际采样频率 比大 如 s max 2 但是如果采用插值法恢复信号 就可以降低对采样频率的要求 max 10 s 香农定理给出了采样频率的下限 但是用不同的插值方法恢复信号需要的采样频 率也不相同 a 直线插值法 取 max 5 s 在点 X0 Y0 和 X1 Y1 之间插入点 X Y 可有 3 1 00 XXKYY 计算机控制技术实验教程 10 其中 01 01 XX YY K X1 X0 为采样间隔 Y1 Y0 分别为 X1 和 X0 采样时刻的 AD 采样值 b 二次曲线插值法 取 max 3 s 3 2 12100 XXKKXXYY 12 01 01 02 02 2 01 01 1 XX XX YY XX YY K XX YY K 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3 1中 控制计算机 OUT1 表示 386EX 内部 1 定时器的输出端 定时器输出的方周期 定时器时常 IRQ7 表示 386EX 内部主片 8259 的 7 号中断 用作采样中断 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 TK 10ms TK的范围为 01 FFH 图3 3 直线插值法程序流程图 图3 4 二次曲线插值法程序流程图 实验三 信号的采样与保持 11 五 实验步骤及结果五 实验步骤及结果 1 采样与保持 1 参考流程图3 2 编写零阶保持程序 编译 链接 2 按照实验线路图3 1 接线 检查无误后开启设备电源 3 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 4 加载程序到控制机中 将采样周期变量 Tk 加入到变量监视中 运行 程序 用示波器的另一路表笔观察数模转换单元的输出端 OUT1 5 增大采样周期 当采样周期 0 5S 时 即 Tk 32H 时 运行程序并观测 数模转换单元的输出波形是否失真 记录此时的采样周期 验证香农定理 2 信号的还原 1 参考流程图3 3 分别编写直线插值和二次曲线插值程序 并编译 链接 2 按照线路图接线 检查无误后 开启设备电源 调节正弦波单元的调幅 调频电位器 使正弦波单元输出幅值为 3V 周期 1S 的正弦波 3 分别装载并运行程序 运行程序前将采样周期变量 Tk 加入到变量监视 中 方便实验中观察和修改 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 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 和 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 AHTST kk 0 1 10 1 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 HTST kk 14 1 5 1 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 HTST kk 21 1 3 1 计算机控制技术实验教程 12 实验四实验四 逐点比较法圆弧和直线插补实验逐点比较法圆弧和直线插补实验 一 实验目的 一 实验目的 利用逐点比较法的插补原理 编写直角坐标系下不同象限的直线 圆弧插补 程序 观察笔架的运动轨迹 掌握逐点比较法的插补原理 二 实验设备或软件二 实验设备或软件 1 AS 100系列教学设备一台 2 计算机一台 3 PEWIN 执行软件 三 实验原理 三 实验原理 1 直线插补 1 逐点比较法在第一象限的直线插补原理如图4 1所示 其它象限的情况可 依此类推 图4 1 直线插补原理图 现加工OE 直线 如果刀具动点在OE直线上方或在该直线上 则令刀具沿X 正方向进给一步 若刀具动点在OE 直线下方 则令刀具沿Y 轴正方向进给一步 如此循环直到加工到E 点 判别刀具动点的位置根据偏差判别公式 第一象限直 线插补的偏差判别公式如下 Fi Xe Yi Ye Xi 4 1 Fi 0时 偏差判别公式为Fi 1 Fi Ye 向X 正方向进给 Fi 0 点M在圆弧上或圆弧外 应沿 X进给一步 到m 1 点 坐标值为xm 1 xm 1 ym 1 ym 新的偏差 为 4 3 12 22 1 2 11 mmmmm xFRyxF 2 若Fmp103 p104 终点判别 是否到插补终点 if p102 p103 p104 终点判别 是否到插补终点 if p102 100 if p102 0 y0 5 p101 p101 1 p102 p102 2 p104 1 p104 p104 1 else x0 5 实验四 逐点比较法圆弧和直线插补实验 17 p101 p101 1 p102 p102 2 p103 1 p103 103 1 endif endwhile close 七 实验步骤七 实验步骤 1 关掉电源 将限位回零线 编码器线及电机动力线连接好 将机箱串口线 连接到计算机上 接上电源线 打开电源开关 2 调整笔架位置 按 回原点 键将X Y 轴回至原点 3 打开计算机 运行PEWIN 执行软件 4 在编辑器中载入上述程序 5 下载该运动程序 6 在终端窗口键入 B7R 指令执行该运动程序 观察实验结果 7 对于直线插补 根据各组终点坐标数据 修改插补程序 分别取X0 1 Y0 1 X0 5 Y0 5和X1 Y1 重做3次实验 观察笔架的运动轨迹 比较3次实验 结果 分析差别 8 对于圆弧插补 取X0 5 Y0 5做一次实验 八 实验报告要求八 实验报告要求 实验报告每人一份 内容包括 1 实验所用设备及软件 2 逐点比较法直线与圆弧的插补原理和插补运算过程 3 打印直线 圆弧的插补程序 4 笔架绘制出的轨迹图 包括3 张直线图和1 张圆弧图 每个图标注坐标系 直线图原点为插补的直线起点 标注终点坐标值以及进给步长 圆弧图原点为圆 心 5 比较几次实验结果 说明进给步长对最终形成的直线有何影响 计算机控制技术实验教程 18 实验五实验五 步进电机控制实验步进电机控制实验 一 实验目的一 实验目的 了解步进电机的工作原理 掌握它的转动控制方式和高速方式 二 实验设备及器件二 实验设备及器件 PC 机 一台 DP 51PRO NET 单片机仿真器 编程器 实验仪三合一综合开发平台 一 台 三 实验内容三 实验内容 1 编写程序 通过单片机的 P1 口控制步进电机的控制端 使其按一定的控 制方式进行转动 2 分别采用单双八拍工作方式 四 实验要求四 实验要求 学会步进电机的工作原理和控制方法 掌握一些简单的控制电路和基本的电 机基础知识 五 步进电机实验原理图五 步进电机实验原理图 图 5 1 步进电机实验原理图 六 实验步骤六 实验步骤 1 安装 C10 区 JP6 接口上的短路冒 将 C10 区的 J41 接口与 A2 区 J61 接口 的 P10 P13 对应相连 实验原理如图 5 1 所示 2 打开 TKSTUDY 仿真器 仿真高度编写好的软件程序 观察步进电机的转 实验五 步进电机控制实验 19 动情况 3 修改步进电机的控制程序 再次运行程序 比较它们的不同控制效果 七 实验参考程序七 实验参考程序 BA EQUP1 0 BB EQUP1 1 BC EQUP1 2 BD EQUP1 3 ORG0000H LJMPMAIN ORG0100H MAIN MOVSP 60H ACALLDELAY SMRUN 电机控制方式为单双八拍 MOVP1 08H A ACALLDELAY MOVP1 0CH AB ACALLDELAY MOVP1 04H B ACALLDELAY MOVP1 06H BC ACALLDELAY MOVP1 02H C ACALLDELAY MOVP1 03H CD ACALLDELAY MOVP1 01H D ACALLDELAY MOVP1 09H DA ACALLDELAY SJMPSMRUN 循环转动 DELAY 单步延时程序 MOVR4 10 DELAY1 MOVR5 250 DJNZR5 DJNZR4 DELAY1 RET END 计算机控制技术实验教程 20 八 程序流程图八 程序流程图 图 5 2 实验程序流程图 九 实验思考九 实验思考 思考一下 怎么改变电机的转速 十 完成实验报告 十 完成实验报告 实验五 步进电机控制实验 21 计算机控制技术实验教程 22 实验六实验六 直流电机闭环调速实验直流电机闭环调速实验 一 实验目的一 实验目的 1 掌握直流电机调速控制的工作原理 2 了解控制的过程与实验方法 3 掌握由 DIO TDN AC ACS 系统 直流电机及测速电路组成的闭环控制 电路 二 实验要求二 实验要求 以实验小组单位搭建 DIO 直流电机控制的实验线路 编写控制实验程序 调试实验系统并分析实验结果 三 实验设备三 实验设备 工控机 TDN AC ACS 实验箱 数字输入输出卡 AX5214 可调直流电源 导线若干 四 实验原理四 实验原理 1 TDN AC ACS 系统简介 TDN AC ACS 系统由如下各个单元电路构成 信号源发生单元电路 U1 SG b 采样中断服务程序 c PID 子程序 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 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 c 实验七 数字 PID 闭环控制实验 29 2 实验步骤实验步骤 1 参考流程图 7 3 编写实验程序 检查无误后编译 链接 2 按照实验线路图 7 2 接线 检查无误后开启设备电源 3 调节信号源中的电位器及拨动开关 使信号源输出幅值为 2V 周期 6S 的 方波 确定系统的采样周期以及积分分离值 4 装载程序 将全局变量 TK 采样周期 EI 积分分离值 KP 比例系数 TI 积分系数 和 TD 微分系数 加入变量监视 以便实验过程中观察和修改 5 运行程序 将积分分离值设为最大值 7FH 相当于没有引入积分分离 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 用凑试法修改 PID参数 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 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 形成实验报告 3 实验结果及分析实验结果及分析 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 2 2 带死区的带死区的 PIDPID 控制实验控制实验 1 实验原理及内容实验原理及内容 1 在计算机控制系统中 某些系统为了避免过于频繁的控制动作 为了消除 由于频繁动作所引起的振荡 通常采用带死区的 PID 控制系统 该系统实际上是 一个非线性控制系统 2 其基本思想是 可以按实际需要设置死区 B 当误差的绝对值 时 P K 为 0 U K 也为常值 实际应用中 常值是由经验值来确定 Bke 的 当 时 P K e k U K 以 PID 运算的结果输出 Bke 图 7 4 带死区的 PID 控制实验原理图 计算机控制技术实验教程 30 2 参考流程图参考流程图 图 7 5 带死区的 PID 控制实验程序流程图 a c 主程序流程图 b PID 子程序 d 采样中断服务程序 3 针对图 7 4 所示的的系统方框图 其硬件电路原理图及接线图见图 7 6 a d c b 实验七 数字 PID 闭环控制实验 31 图 7 6 带死区的 PID 控制实验硬件连接图 4 实验步骤实验步骤 1 参照图 7 5 的流程图编写实验程序 检查无误后编译 链接 2 按照实验线路图 7 6 接线 检查无误后开启设备电源 调节信号源中的电 位器和拨动开关 使信号源输出幅值为 4V 周期 6S 的方波 3 装载程序 将全局变量 TK 采样周期 EI 积分分离值 KP 比例系数 TI 积分系数 TD 微分系数 PT 死区变量值 和 CONST 常值 加入变量监视 以便实验过程中观察和修改 4 运行程序 将死区宽度 B PT 设为最小值 00H 相当于没有引入死区控 制 用示波器分别观测控制量输出端 U 即数模转换单元的 OUT1 端 和对 象输出端 C 5 如果系统性能不满意 用凑试法修改 PID 参数 直到响应曲线满意 6 修改死区宽度 B PT 为 02H 用示波器分别观测控制量输出端 U 即数模转 换单元的 OUT1 端 和对象输出端 C 记录并和积分分离时的响应曲线进行比 较 5 实验结果及分析实验结果及分析 带死区的 PID 控制响应曲线有可能产生轻微的振荡 但其偏差应在规定范 围内 控制量 U 的输出动作频率比积分分离时有明显的降低 从而降低了机械的 计算机控制技术实验教程 32 磨损 如果死区宽度 B 值取得太大 则系统将产生较大的滞后 如果 B 值取得太小 使调节器输出过于频繁 达不到预期的效果 3 3 简易工程法整定简易工程法整定 PIDPID 参数实验参数实验 1 实验原理及内容实验原理及内容 在连续系统中 模拟调节器的参数整定方法很多 但简单易行的还是简易工 程法 这种方法的优点是整定参数时不必依赖被控对象的数学模型 实际情况也 是很难准确地得到数学模型的 简易工程法是由经典的频率法简化而来的 虽然 稍微粗糙 但简单易行 非常适用于现场应用 常用的方法包括扩充临界比例度 法和扩充响应曲线法 1 扩充临界比例度法扩充临界比例度法 A 实验原理实验原理 扩充临界比例度法是对模拟调节器中的临界比例度法的推广 在工程实践中 最常用 其参数整定步骤如下 a 选择一个足够小的采样周期 T 一般取系统纯滞后时间的 1 10 以下 b 使系统闭环工作 只用比例控制 增大比例系数 KP 直到系统等幅振荡 记下此时的临界比例系数 KPU 和临界振荡周期 TU c 选择控制度 1 05 2 0 控制度指数字调节器和模拟调节器控制效果之比 d 根据控制度 查表 请查文献 计算出采样周期 T 和 KP TI TD B 实验设计实验设计 图 7 8 是一个 PID 闭环控制系统的实验电路原理及接线图 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 其相应的程序流程图 和图 7 5 是一样的 图 7 8 中 控制计算机的 OUT1 表示 386EX 内部 1 定时器的输出端 定时器输出的方波周期 定时器时常 IRQ7 表示 386EX 内部主片 8259 的 7 号中断 用作采样中断 DIN0 表示 386EX 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 本实验中 将针对该闭环系统应用临界比例度法来整定 PID 参数 2 扩充响应曲线法扩充响应曲线法 A 实验原理实验原理 扩充阶跃响应曲线法只适合于含多个惯性环节的自平衡系统 用扩充阶跃响 应曲线法整定PID参数的步骤如下 a 数字控制器不接入控制系统 让系统处于开环工作状态下 将被调量调节 到给定值附近 并使之稳定下来 b 记录被调量在阶跃输入下的整个变化过程 如图7 7所示 实验七 数字 PID 闭环控制实验 33 图7 7 阶跃响应曲线 c 在曲线最大斜率处作切线 求得滞后时间 和被控对象时间常数Tx 以及 它们的比值Tx 然后查下表确定控制器的KP Ki Kd及采样周期T 表7 1 KP Ki Kd参数表 扩充响应曲线法通过测取响应曲线的参数 Tx获得一个初步的PID控制参 数 然后在此基础上通过部分参数的调节 试凑 使系统获得满意的控制性能 B 实验设计实验设计 同样 参考图见图 7 8 也是一个 PID 闭环控制系统的实验电路原理及接线图 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 其相 应的程序流程图和图 7 5 是一样的 本实验中 将针对该闭环系统应用扩充响应 曲线法来整定 PID 参数 图中 控制计算机的 OUT1 表示 386EX 内部 1 定时器的输出端 定时器输出的方波周期 定时器时常 IRQ7 表示 386EX 内部主片 8259 的 7 号中断 用作采样中断 DIN0 表示 386EX 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 计算机控制技术实验教程 34 图 7 8 PID 闭环控制系统实验电路原理及接线图 2 实验步骤实验步骤 1 扩充临界比例度法扩充临界比例度法 A 编写程序 检查无误后编译 链接并装载程序 B 按照实验线路图 7 8 接线 调节信号源使其输出幅值为 3V 周期 6S 的方 波 C 由于模拟对象的惯性时常约为 250ms 取采样周期 T 50ms D 装载程序 将全局变量 TK 采样周期 EI 积分分离值 KP 比例系数 TI 积分系数 和 TD 微分系数 加入变量监视 以便实验过程中观察和修改 E 运行程序且只用比例控制 EI 0 TD 0 KP 由小变大 使系统等幅振 荡 记下此时的临界比例系数 KPU 和临界振荡周期 TU F 选择控制度 2 0 计算出采样周期 T 和 KP TI TD G 将参数重新写入 PID 控制程序 运行程序并用示波器观测输入和输出 如果控制效果不太满意 可适当结合凑试法调整参数 直到满意为止 2 扩充响应曲线法扩充响应曲线法 A 参照图 7 8 接线 调节器先不接入系统中 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 B 调节信号源使其 OUT 输出幅值为 2V 周期 12S 的方波 C 用示波器测量系统输出 C 并记录下波形 在响应曲线最大斜率处作切 实验七 数字 PID 闭环控制实验 35 线 用游标测量 作图求得滞后时间 和对象时常 计算出 控制度选 择 2 0 时可求得数字调节器的 KP TI TD 以及采样周期 T 的初始值 D 按照图 7 8 接线 将数字调节器接入系统 将以上得到的参数 KP TI TD 和 T 重新写入程序中 然后编译 链接 E 装载程序 将全局变量 TK 采样周期 EI 积分分离值 KP 比例系数 TI 积分系数 和 TD 微分系数 加入变量监视 以便实验过程中观察和修改 F 运行程序 用示波器测量系统输出 C 观察数字调节器在这组参数下的 控制效果 若不理想 可适当调整参数 直到控制效果满意为止 五 实验思考题五 实验思考题 如何利用扩充响应曲线法实现 P I D 参数自整定 六 实验报告要求六 实验报告要求 1 绘出实验中二阶被控对象在各种不同的PID控制下的响应曲线 2 编写积分分离PID控制算法的脚本程序 3 分析常规PID控制算法与积分分离PID控制算法在实验中的控制效果 七 程序示例七 程序示例 位置式PID数字控制器程序的编写与调试示例 dim pv sv ei k ti td q0 q1 q2 mx pvx op 变量定义 sub inputdata 输入接口程序 pv myobject inputdata1 AD1通道的测量值 end sub sub main 主程序 sv 1 5 设定值 k 0 5 比例系数P ti 20 积分时间常数I td 0 微分时间常数D ei sv pv 控制偏差 if k 0 and ti 0 and td 0 then q0 0 比例项 q1 0 积分项 q2 0 微分项 end if if k0 and ti0 then q0 k ei mx k 0 1 ei ti 积分增量 q2 k td pvx pv 0 1 end if if ti 0 then 计算机控制技术实验教程 36 q0 k ei q1 0 mx 0 q2 k td pvx pv 0 1 end if if mx 5 then mx 5 end if if mx5 then op 5 end if if op 5 then op 5 end if end sub sub outputdata 输出接口程序 myobject outputdata1 op 控制器的输出给DA1通道 end sub 实验八 D S 离散化方法的研究 37 实验八实验八 D S D S 离散化方法的研究离散化方法的研究 一 实验目的一 实验目的 1 学习并掌握数字控制器的设计方法 2 熟悉将模拟控制D S 离散为数字控制器的原理和方法 3 通过数模混合实验 对D S 的多种离散化方法作比较研究 并对 D S 离散化前后闭环系统得性能进行比较 以加深对计算机控制系统的理解 二 实验设备二 实验设备 1 THBDC 1型实验台一套 2 THBXD数据采集卡一块 3 PC机1台 三 实验内容三 实验内容 1 按连续系统的要求 照图8 1的方案设计一个与被控对象串联的模拟控制 D S 并用示波器观测系统的动态特性 2 利用实验平台 设计一个数模混合仿真的计算机控制系统 并利用 D S 离散化后所编写的程序对系统进行控制 3 研究采样周期Ts变化时 不同离散化方法对闭环控制系统性能的影响 4 对上述连续系统和计算机控制系统的动态性能作比较研究 四 实验原理四 实验原理 由于计算机的发展 计算机及其相应的信号变换装置 A D和D A 取代了常 规的模拟控制 在对原有的连续控制系统进行改造时 最方便的办法是将原来的 模拟控制器离散化 其实质是将数字控制部分 A D 计算机和D A 看成一个整 体 它的输入与输出都是模拟量 因而可等效于一个连续的传递函数D S 这 样 计算机控制系统可近似地视为以D S 为控制器的连续控制系统 其中对 D S 常用的离散化方法有 1 阶跃响应不变法 2 后向差分变换法 3 双线性变换法 系统性能指标要求 1 系统的速度误差系数Kv 5 超调量 p 10 系统的调节时间ts 1s 据Kv要求可得 K0 5 5 15 0 lim 0 SS K S 计算机控制技术实验教程 38 2 10 15 0 5 0 SSSS SG 令 则校正后的开环传递函数为 aS S SD 2 8 1 2 10 2 102 2 0 n n SSaSSSaS S SG 由上式得 取 则10 n a n 22 1 47 4 2 102 a 8 2 S S S S aS S SD 22 0 1 5 01 45 0 22 0 1 5 01 47 4 22 2 D S 的离散化算法 1 阶跃响应不变法 8 3 1 1 sD S Ltu KTuKTu s KTuZKTuZzu s u Kt 数字滤波器在阶跃作用下输出响应的 u KT us Kt 模拟滤波器在阶跃作用下输出响应的采样值us kT 8 4 1 1 1 z KTuZ ZE ZU ZD s S S SD 22 0 1 5 01 54 4 27 1 1 22 0 1 5 01 SSSS S SU 54 4 27 1 1 etu 1 1 27 1 27 2 27 1 1 27 1 1 1 154 41 154 4 54 41 zez ze ez zu t t T 据此得 154 4 154 4 1 1 27 1 27 2 1 1 ze ze z ZU ZE ZU ZD t t 即 8 5 1 27 1 27 2 1 54 4 54 4 keekeKUeKU TT 2 后向差分法 令 dt T 1 keketde T keke td tde 1 实验八 D S 离散化方法的研究 39 后向差分S与Z之间的关系为 代入D S 表达式中得 T Z S 1 1 1 1 1 1 22 0 22 0 1 5 05 0 22 0 1 1 22 0 1 1 5 01 z T zT T T Z T Z ZD ZE ZU 8 6 1 22 0 5 0 22 0 5 0 1 22 0 22 0 ke T ke T T KU T KU 3 双线性变换 S T S T TS e e eZ 2 2 由泰勒级数得 s T e S T 2 1 2 s T e S T 2 1 2 代入D S 得1 1 1 12 1 12 2 1 2 1 z z T S z z T S s T s T Z或 Tzz Tzz z z T z z T ZD 1 1 44 0 1 1 1 12 22 0 1 1 12 5 01 11 11 1 1 1 1 1 1 1 1 44 0 44 0 1 1 1 44 0 1 44 0 44 0 1 1 z T T zTT TzTT zTT ZE ZU 8 7 1 44 0 1 44 0 1 1 44 0 44 0 ke T T ke T T ku T T ku 五 实验步骤五 实验步骤 1 启动计算机 在桌面双击图标THBDC 1 运行实验软件 2 点击工具栏上的 通道设置 在弹出的对话框中选择单通道采集 通道 1 并点击 开始采集 按钮 图8 1 二阶对象的方框图 计算机控制技术实验教程 40 3 按图8 2连接一个二阶被控对象的模拟电路 其中电路的输入端连接到数 据采集卡的DA1输出端 电路的输出端与数据采集卡的AD1输入端相连 然后启 动实验台的 电源开关 并按下锁零按钮使其处于 锁零 状态 图8 2 二阶对象的模拟电路图 4 编制 阶跃响应不变法 脚本程序 在选定采样周期Ts的值 100ms 后 弹起锁零按钮使其处于 不锁零 状态 运行该程序 用示波器观察图8 2输出端的 响应曲线 结束本次实验后按下锁零按钮使其处于 锁零 状态 5 参考上一步的操作 编制 后向差分法 脚本程序 在选定采样周期Ts的值 100ms 后 弹起锁零按钮使其处于 不锁零 状态 运行该程序 用示波器观 察图8 2输出端的响应曲线 结束本次实验后按下锁零按钮使其处于 锁零 状态 6 参考上一步的操作 编制 双线性变换 脚本程序 在选定采样周期Ts的值 100ms 后 弹起锁零按钮使其处于 不锁零 状态 运行该程序 用示波器观 察图8 2输出端的响应曲线 结束本次实验后按下锁零按钮使其处于 锁零 状态 7 将采周期Ts减小或增大 重复步骤4 5 6 用示波器观测采样周期Ts的 减小或增大对系统阶跃响应的影响 如系统出现不稳定情况 记下此时的采样周 期Ts和所采用的离散化方法 9 实验结束后 关闭 脚本编辑器 窗口 并顺序点击对话框中的 停止采集 与工具栏的 退出 按钮 六 实验报告要求六 实验报告要求 1 绘出实验中二阶被控对象在加入模拟控制器 PID校正装置 前后的响应 曲线 2 编写数字控制器 阶跃响应不变法 的脚本程序 3 绘出二阶被控对象在采用数字控制器后的响应曲线 并分析采样周期Ts 的减小或增大对系统阶跃响应的影响 七 参考程序示例七 参考程序示例 实验八 D S 离散化方法的研究 41 数字控制器 阶跃响应不变法 的程序编写与调试示例 dim pv sv ei eix op opx Ts 变量定义 sub inputdata 输入接口程序 pv myobject inputdata1 AD1通道的采样值 end sub sub main 主程序 sv 1 5 设定值 Ts 0 1 ei sv pv 控制偏差 op exp 4 54 Ts opx 2 27 ei 1 27 exp 4 54 Ts eix 0 45 eix ei eix为控制偏差的前项 opx op opx为控制输出的前项 if op 4 8 then op 4 8 end if 输出限幅 end sub sub outputdata 输出接口程序 myobject outputdata1 op 控制器的输出 end sub 计算机控制技术实验教程 42 实验九实验九 最少拍控制器设计与实现实验最少拍控制器设计与实现实验 一 实验目的一 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 二 实验设备二 实验设备 PC 机一台 TD ACC 实验系统一套 i386EX 系统板一块 三 实验原理及内容三 实验原理及内容 典型的最小拍控制系统如图9 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脉冲传递函数 Z 为闭环 脉冲传递函数 C Z 为输出信号的 Z 变换 R Z 为输入信号的 Z 变换 D z z c t C z R z e t E z r t s 1 e Ts G s p u t G z 图9 1 最小拍控制系统原理框图 闭环 Z 传递函数 1 zGzD zGzD z 误差 Z 传递函数 1 1 1 zGzD z zR zE z E 可得最小拍控制系统的数字调节器为 9 1 1 1 zzG z zGz z zE zU zD E E 将 D Z 表示成计算机可实现的有理多项式 实验九 最少拍控制算法的研究 43 9 2 3 3 2 2 1 1 3 3 2 2 1 10 1 zPzPzP zKzKzKK zE zU zD 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 9 3 3 2 1 3 2 1 321 3210 kUPkUPkUP kEKkEKkEKkEKkU 式中 为误差输入 为计算 3 KEkE 3 KUkU 机输出 1 最小拍有纹波系统设计最小拍有纹波系统设计 图 9 2 是一个典型的最小拍控制系统 图 9 2 典型的最小拍控制系统原理图 针对阶跃输入 其有纹波系统控制算法可设计为 1 1 717 0 1 2 05435 0 z z zE zU zD 0 0 717 0 0 0 2 0 5435 0 3 2 1 3 2 1 0 P P P K K K K 当阶跃输入信号幅值为 2 5V 时 5 2 1 5 2 1 1 1 z zzRzzE E 321 7580 00571 14744 13590 1 zzzzEzDzU 2 最小拍无纹波系统设计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 计算机控制技术实验教程 44 9 4 n i i