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计算机控制技术实验 电气信息学院生产过程自动化综合实验教学中心 实验一 数 模转换与模 数转换 一 实验目的 1 熟悉数 模转换的电路工作原理2 熟悉模 数转换的电路工作原理3 掌握模 数转化的量化特性4 熟悉多路数 模转换电路的工作原理 二 实验设备 计算机一台 二 实验设备 计算机控制实验装置一台 万用表一块 电子元件若干 三 实验原理电路图 D D A转换电路的工作原理如图1 1所示 电路的工作原理 A D转换由 12单元担任 D芯片采用ADC0809八路 位A D转换器 可接有八路输入信号 用于通道选择 在本实验中可将 接 5v 即选择IN7 其时钟信号由CPU单元的OPCLK提供 CPU单元中的定时器8253的2号口制成定时 ms方式 及每间隔5ms从OUT2的反向端输出一信号经U2单元的单稳电路向U12单元输出A D的启动信号 转换后的数字量 5v 5v 由CPU单元中的8255A口采入计算机并送显示器显示 改变U14信号源电位器W141的信号大小即可改变转换后的数字量 数 模转换由U10单元担任 转换芯片采用DAC0832 其片选端已接近于8088的地址输入信号IOY0端 D A转换器的口地址为00H 其写信号已和 的XIOW信号接于一起 合理控制DAC0832的片选和写信号 即可进行数 模转换 转换后的模拟量由U10的OUT端输出 三 实验原理电路图 双路模 数 数 模转换电路的工作原理 如图 三 实验原理电路图 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 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8255的B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 DA D转换单元U12的IN6输入信号一致 采样保持器单元电路中的OUT2输出信号与A DA D转换单元U12的IN7输入信号一致 实验内容和步骤 一 单路模 数与转换实验1 按图 接线 接好后仔细检查 确定无误后方可接通实验箱的电源 2 打开实验箱和计算机电源 执行图标计控试验程序 选择串口 使通讯成功 屏幕出现WECOMETOYOU 实验内容和步骤 3 键入G F000 1100回车 既执行模 数 数 模转换程序 转换后的数字量显示在显示器上 4 依次调节U14单元的电位器W141 使其输出端Y分别为表 所示模拟量输入值 记录显示器显示的数字量并用万用表测量D A转换后的模拟输出量添于表 中 实验内容和步骤 表 实验内容和步骤 在图 基础上加接一个信号衰减电路 加接部分如图 所示其余电路不变 图1 2 实验内容和步骤 依次调节模拟输入电压 使A D转换值分别如表 所示 记录对应的11个数字量情况下的模拟量输入电压 整理量化单位和量化误差 实验内容和步骤 表 实验内容和步骤 二 双路模 数 数 模转换实验1 按图 接线 实验内容和步骤 2 接线后按下F7键选择示波器功能的y f x 用示波器分别观察模 数转换的两路输入信号R1和R2 3 S11选择中档 斜坡函数 S12选择下档 0 2 0 6 将W11幅值调至最大 调节W12使R1幅值为4V 实验内容和步骤 4 按下F1键启动运行 输入地址CS F000回车IP 1151回车 运行转换程序 5 用示波器分别观察输入信号与对应的输出信号 R1对应OU1 R2对应OU2 画出对应波形并用示波器测量波形的幅值 6 用示波器在DAC单元的OUT端观察计算机的分时控制输出波形 实验报告 1 写明实验目的 实验原理 仪器 2 详细列出实验步骤 3 画出实验结果的示意图并做分析 实验二 采样与保持 一 实验目的 1 熟悉数 模 模 数采样的电路工作原理2 熟悉数 模 模 数保持的电路工作原理3 掌握采样周期Tk对输出波形的影响4 熟悉零阶保持器在采样电路中的作用 二 实验设备 计算机一台 二 实验设备 计算机控制实验装置一台 万用表一块 电子元件若干 三 实验原理电路图 1 采样器信号源U1SG单元输出端输出抛物线信号 通过A D转换器U12的IN7端输入 在试验中将编码输入端A B C接 5V 即选通IN7 计算机在采样时刻由OUT2端输出一信号启动A D转换器 模拟量转换完成后由EOC口向CPU的IRQ7口申请中断 转换后的数字量送8255口A 8255口A设成输入方式 8088CPU将输入的数字量直接送D A的转换单元U10 在其OUT端输出模拟信号 实验原理电路图 如图2 1 1所示 在时间 以外 计算机输出零至D A并使其转换 所以 以外输出为零 的时间为10ms 三 实验原理电路图 2 保持器信号源U1SG单元输出端输出阶跃信号 计算机在采样时刻由OUT2端输出一信号启动A D转换器 模拟量转换完成后由EOC口向CPU的IRQ7口申请中断 转换后的数字量送8255口A 8255口A设成输入方式 8088CPU将输入的数字量直接送D A的转换单元U10 在其OUT端输出模拟信号 并一直保持到输入新值 三 实验原理电路图 原理如图2 2 1 采样周期设置同实验2 1 三 实验原理电路图 无零阶保持器的模拟原理图见图2 2 2 开关 合上的时间为10ms 采样周期设置同实验2 1 四 实验参数及数据缓冲区 采样周期 8088微机的8253产生定时中断信号 定时10毫秒 在单元2F60H存放倍数Tk其取值范围01H FFH 采样周期T TK 10 T的范围10ms 2550ms 改变Tk既可以确定T 五 实验接线图 图2 1 2 1 采样器 图2 1 2 五 实验接线图 图2 2 3 2 保持器 六 实验内容和步骤 1 采样器按图2 接线 首先将U1SG单元的S11置抛物线档 S12置下档 接好后仔细检查 确定无误后方可接通实验箱的电源 打开计算机电源 执行图标计控试验程序 选择串口 打开实验箱使通讯成功 屏幕出现WECOMETOYOU 六 实验内容和步骤 用示波器分别观察U1单元的OUT端波形 调 1使 单元的 端输出不高于 调W12电位器使周期为2S 选定采样周期Tk 04H 并将Tk存入2F60H单元 按 E 输入 启动采样程序 CS F000 IP 11A2 六 实验内容和步骤 用示波器对照观察U1单元的OUT端波形与U10单元的OUT端波形 观察完后停机 选择若干值 重复 两步骤 观察不同采样周期Tk的输出波形 并纪录 调节 使 单元的 端输出不高于 调W11电位器使周期为 S 重复 两步骤 观察不同采样周期Tk的输出波形 并纪录 六 实验内容和步骤 保持器按图2 2 3接线 首先将U1SG单元的S11置阶跃档 S12置下档 接好后仔细检查 确定无误后方可接通实验箱的电源 打开计算机电源 执行图标计控试验程序 选择串口 打开实验箱使通讯成功 屏幕出现WECOMETOYOU 六 实验内容和步骤 用示波器分别观察U1单元的OUT端波形 调 1使 单元的 端输出1 调W12电位器使周期为5S 4 选定采样周期Tk 02H 并将Tk存入2F60H单元 按 E 输入 启动采样程序 CS F000 IP 11E0 5 用示波器对照观察U12单元的IN7端波形与U10单元的OUT端波形 观察输出C的波形 停机 六 实验内容和步骤 选择不同采样周期Tk 重复 两步骤 观察不同采样周期Tk的输出波形 并纪录 7 增大Tk 存入2F60H单元 按 E 输入 启动采样程序 CS F000 IP 11E0 观察输出C的波形 停机 连续增大Tk 重复几次 直到系统不稳定 纪录并填下表 六 实验内容和步骤 表2 2 1 T TK 10ms 表2 2 1 T TK 10ms 六 实验内容和步骤 在已填入表中选取一个TK 值存入2F60H单元 按 E 输入 启动采样程序 G F000 11A2 观察无零阶保持器系统的输出C的波形 9 减小输入信号幅度 增大采样周期 TK 值存入2F60H单元 启动采样程序 CS F000 IP 11E0 用示波器对照观察U12单元的IN7端波形与U10单元的OUT端波形 观察系统及离散化噪音输出 在将S11拨至斜坡 抛物线档 作进一步观察 实验报告 1 写明实验目的 实验原理 仪器 2 详细列出实验步骤 3 画出实验结果的示意图并做分析 实验三积分分离PID控制实验 一 实验目的 熟悉PID控制方法的控制规律 掌握用临界比例带法整定PID控制参数的方法 掌握不同P I D参数对控制系统的影响 掌握采样时间变化对系统的影响 掌握积分分离值对系统的影响 二 实验设备 计算机一台 二 实验设备 计算机控制实验装置一台 万用表一块 电子元件若干 三 实验原理 原理电路如图 所示 三 实验原理 计算机不断地采样输入信号R和输出信号C之间的误差E 进行PID控制运算 其中当误差的绝对值小于积分分离值E1时加入积分运算 反之取消积分运算 计算结束后将结果输出给系统 PID的运算规律为 三 实验原理 采样周期设为T PID控制的算法为 四 实验线路 图中大部分连线均已接好 本实验需连接的导线如图中带圈的连线所示 五 实验参数与数据缓冲区 采样周期TK 为单字节16进制数 0H FFH对应0 01s 2 55s 通常输入05 地址为2F60H 积分分离值E1 为单字节16进制数 正数00H 7FH 通常输入7F 地址为2F00H PID参数 均为带符号的二字节BCD码 0 9999 0 9999 低字节 符号位00H为正 01H为负 中间字节 前两位小数 十分位 百分位 高字节 后两位小数 十分位 百分位 五 实验参数与数据缓冲区 其存贮地址分别为P 2F03H 2F05H 2F06H 2F08H 2F09H 2F0BH举例 系数P设为0 3614 则 2F03输入00H2F04输入36H2F05输入14H 六 实验内容与步骤 1 按图 2接线 注意选用不同的连线电单股 双股 四股 代替三股 打开计算机电源和实验箱电源 执行NAC程序 选择串口2 使通讯成功 选择示波器功能 F7 的y f t 选项 用示波器测量R端信号 S11置上档S12置下档 调W11和W12使幅值为2 5V左右 周期为 左右的方波 六 实验内容与步骤 用E键输入参数 用空格键连续输入 用回车键结束输入 束入比例系数Kp为某一值 取消积分和微分作用 I 0 D 0 启动运行 F1 G F000 141C回车 然后用示波器功能观察C点的输出波形 改变不同的Kp值 使输出出现等幅震荡 记录等幅震荡情况下的采样周期Tu和比例系数Kpu 根据临界比例带法计算PID参数 见附录 六 实验内容与步骤 附录一用临界比例带法计算PID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 记下震荡周期Tu和震荡时所用比例值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1 5Tu 比例Kp 0 36Kpu 即P Kp 0 36Kpu 积分时间TI 1 05Tu 即I Kp T TI 0 07Kpu 用比例 积分 微分调节 T取1 6TU 比例Kp 0 27Kpu 即P Kp 0 27Kpu 积分时间TI 0 4TU 即I Kp T TI 0 11Kpu 微分时间TD 0 22Tu 即D Kp TD T 0 36Kpu 六 实验内容与步骤 反复输入并修改PID参数 启动运行观察输出波形 记录各参数情况下的各参数以及Mp和ts值 直到满意为止 改变积分分离值为30 重复7 分析积分分离值对控制的影响 改变采样周期为20 0 2秒 重复7 分析采样周期对控制的影响 七 注意事项 为选做实验 在TDN实验箱上接线要在断电情况下进行 实验报告 1 写明实验目的 实验原理 仪器 2 详细列出实验步骤 3 画出实验结果的示意图并做分析 实验四最小拍控制系统 实验4 1最小拍有纹波设计实验4 2最小拍无纹波设计 实验4 1最小拍有纹波设计 一 实验目的 1 熟悉最小拍控制系统的设计原理2 熟悉最小拍控制系统的电路工作原理3 掌握最小拍有纹波纹控制系统的 D Z算法4 掌握模拟连续系统的参数整定方法 二 实验设备 计算机一台 二 实验设备 计算机控制实验装置一台 万用表一块 电子元件若干 实验4 1最小拍无纹波设计 三 实验原理 1 见图4 1 1 其中C为输出 R出为输入 计算机对误差E定时采样按D Z 计算输出控制量U 其中K 5 图4 1 1 图4 1 1 实验4 1最小拍无纹波设计 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 U z E Z K0 K1Z 1 K2Z 2 K3Z 3 4 1 P1Z 1 P2Z 2 P3Z 3 实验4 1最小拍无纹波设计 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EK EK 3 误差输入 UK UK 3 计算机输出 实验4 1最小拍无纹波设计 四 试验线路图 图4 实验4 1最小拍无纹波设计 五 试验参数及数据缓冲区1 采样周期 8088微机的8253产生定时信号 定时10秒 采样周期 为T TK 10 其中 为单字节 进制数 取值范围 对应的范围 例如当 有 100 640 01 s 0 01参数TK的地址 单元 实验4 1最小拍无纹波设计 2 算法的参数Ki和PI在公式4 中Ki和P 的取值范围 0 9999 0 9999 计算机分别用相邻的三个字节存储其BCD码 因为Ki和P 均为带符号的二字节BCD码 所以相邻的三个字节存储单元中 低字节为符号位 符号位中 为正 为负 中间字节存前两位小数 最高字节存后两位小数 具体系数存储空间安排如下 实验4 1最小拍无纹波设计 具体系数存储空间安排如下 2F00H2F09H2F12H2F01HK02F0AHK32F13HP32F02H2F0BH2F14H2F00H2F0CH2F01HK12F0DHP12F02H2F0EH2F06H2F0FH2F07HK22F10HP22F08H2F11H 实验4 1最小拍无纹波设计 例如 有系数为 则内存为 地址内容 实验4 1最小拍无纹波设计 3 模拟连续系统的参数整定被控对象有模拟电路模拟 因为电路中所接电阻 电容参数有一定的误差 并且最小拍系统设计要求模拟连续系统参数准确 所以应加以整定 方法如下 积分环节 积分器 按图4 接线 把 单元中 端直接接入积分器的输入端 注意 的选择 打开计算机和试验箱使通讯成功 选择示波器功能按F 7 键的 1 选项y f x 用示波器观察 单元 端波形 实验4 1最小拍无纹波设计 使得 置阶跃档 置下档 调节 单元中的 11 12电位器 使 端输出为1S 1V的方波 作为积分器输入信号 用示波器观察积分器输出端信号 调节 的值使积分器输出幅值为 则积分器为1 余类推 传递函数 写为 实验4 1最小拍无纹波设计 2 比例器 比例环节 见图4 b 调节W11 即可算出比例K R R 实验4 1最小拍无纹波设计 3 一阶惯性环节 整定好的积分器闭环 得时间常数T RC 根据 有电阻可确定增益K R R 见图4 一阶惯性环节的传递函数为 KR R TS 1R CS 1 实验4 1最小拍无纹波设计 六 试验内容与步骤 1 首先按模拟连续系统的参数整定方法及步骤整定好的积分器及一阶惯性环节参数 整定完成后二者串接使传函为 实验4 1最小拍无纹波设计 2 按图4 连线 置阶跃档 置下档 检查无误后 重新打开试验箱开关 使通信成功 选择示波器功能 F7 的选项 y f x 用示波器观察 单元 端波形 3 调 使 单元的 端输出为 方波 调W11电位器使方波周期为6S 4 按要求计算 各参数 具体推导过程见试验注 按 键输入参数 将 送 H单元 将 各参数送 H H单元 回车确认 实验4 1最小拍无纹波设计 用示波器观察输入端 的波形 在输入 为零时启动最小拍程序 对照阶跃输入 观察输出 的波形 使之符合最小拍控制即一拍后进行跟踪 不符合则反复调节 参数启动运行观察输出波形 到满意为止 实验4 2最小拍无纹波设计 一 实验目的 1 熟悉最小拍控制系统的设计原理2 熟悉最小拍控制系统的电路工作原理3 掌握最小拍有纹波纹控制系统的 D Z算法4 掌握模拟连续系统的参数整定方法 实验4 2最小拍无纹波设计 二 实验设备 1 计算机一台2 计算机控制实验装置一台3 万用表一块 电阻 连线若干 实验4 2最小拍无纹波设计 1 实验原理与实验线路与实验4 1相同 只是D Z 应按最小拍无纹波设计最小拍有纹波设计 算法推导 据图4 传函可得 实验4 2最小拍无纹波设计 实验4 2最小拍无纹波设计 三 实验内容与步骤 1 针对斜坡输入设计实验A 针对斜坡输入按无纹波设计输出计算 实验4 2最小拍无纹波设计 K0 0 7650P1 0 408K1 0 7302P2 0 5920K2 0 1651P3 0K3 0按图4 连线 置斜坡档 置下档 检查无误后 重新打开试验箱开关 使通信成功 实验4 2最小拍无纹波设计 选择示波器功能的选项用示波器观察 单元 端输出波形 调 使 单元的 端斜坡输出为不超过 周期为6S 按计算的 各参数 按 键输入参数 将 送 H单元 将 各参数送 H H单元 回车确认 用示波器观察输入端 的波形 在输入 为零时启动最小拍程序 对照斜坡输入 观察输出 的波形 使之符合最小拍无纹波控制 实验4 2最小拍无纹波设计 5 不符合则反复调节 参数启动运行观察输出波形 到满意为止 实验4 2最小拍无纹波设计 2 饱和设计对象改为 将试验4 1中图4 1 2中R1改为250K 实验4 2最小拍无纹波设计 针对阶跃输入按无纹波设计输出计算 实验4 2最小拍无纹波设计 K0 0 9999K1 0 3679P1 0 4176K2 0P2 0K3 0P3 0 1 调 1使 单元的 端阶跃信号输出为不超过 周期为6S 2 按计算的 各参数 按 键输入参数 将 送 H单元将 各参数送 H H单元 回车确认 实验4 2最小拍无纹波设计 用示波器观察输入端 的波形 在输入 为零时启动最小拍程序 对照斜坡输入 观察输出 的波形 4 适当调整参数使系统从第二拍起 U Z 恒为零 数出量稳定在稳态值而不再由余波 实验四最小拍控制系统 实验报告内容 测试结果 分析图4 1 2工作原理 设计对图4 1 2的试验程序框图 比较分析最小拍无纹波控制与最小拍有纹波设计的优 缺点 实验五大林算法 一 实验目的 1 熟悉大林算法系统的设计原理2 熟悉大林算的电路工作原理3 了解大林算法对斜坡输入影响特性 二 实验设备 计算机一台 二 实验设备 计算机控制实验装置一台 万用表一块 电子元件若干 实验五大林算法 三 实验线路原理如图5 1 1 存滞后环节是通过控制采样保持器 使采样保持器的输出滞后D A输出一拍来模拟实现的 实验五大林算法 采样周期T 0 25S 大林设计的目标定为 式中 0 1S 实验五大林算法 2 D Z 算法计算机输入为E Z 输出为U Z 有 实验五大林算法 式中Ki与Pi取值范围 0 9999 0 9999 计算机分别用相邻一个字节存储其BCD码 最低字节存符号 00H为正 01H为负 中间字节存前两位小数 最高字节存末两位小数 例有一系数 0 4321 则内存为 地址内容2F00H01H2F01H43H2F02H21H程序运行是转换为二进制模2定点小数 注意中缺项相当于系数为零 应在相应内存三字节全存入00H 实验五大林算法 系数存储安排如下表5 1 12F00H2F03H2F06H2F09H2F01HK02F04HK12F07HK22F0AHK32F02H2F05H2F08H2F0BH2F0CH2F0