【实用】计算机控制系列实验指导书

计算机控制系列实验指导书 袁少强 北京航空航天大学自动控制与测试教学实验中心 2007 年 6 月 7实验一 小功率随动系统的元部件测试与建模 一 实验目的： 了解小功率随动系统元部件的基本原理及输入/输出特性； 掌握测量仪器的使用方法和元部件的测试方法； 学习数据处理和利用工程方法建立被控对象的数学模型的基本方法； 了解元部件的非线性因素及模型误差产生的原因等. 了解最小二乘拟合方法 二 实验内容： 分别测试力矩电机、测速机、功率放大器及反馈电位计的各种性能及输入/输出特性； 根据测试结果建立小功率随动系统的数学模型； 分析误差产生原因. 三 实验设备： C 系列微机一台(586以上机型) 2位A/D D/小功率直流随动系统学习机一台 路直流稳压电源一台 4 1/2 数字多用表一台 电式转速表一台 电流表一块 四 实验系统简介 小功率随动系统的元部件共包括执行电机、测速发电机、角位置测量电位计、直流放大器、系统控制台、计算机系统等六个主要部分，其中执行电机和系统控制台构成被控对象，测速发电机和角位置测量电位计分别构成速度反馈（内环）和位置反馈（外环），加上计算机系统和 A/D、 D/A 转换器便可构成数字式的计算机控制系统。 8主要元部件的性能指标： （一）执行电机 本实验系统选取直流低速力矩电机产品出厂时给定的技术数据为： 峰值力矩 5( 公斤 厘米 峰值电流 培 峰值电压 20 伏 空载转速500 转/ 分 （二）测速发电机 选用永磁直流测速发电机 70的主要技术数据为： 信号输出斜率： 1 伏/ 弧度/ 秒 极限转速： 400 转/ 分 输出特性线性度：1% 最小负载： 23 千欧 静磨擦力矩： 300 克 厘米 （三）角位置测量电位计 选用高精度合成膜电位计： 要技术数据如下 阻值： 欧 功率： 2W 线性度： 电气角度： 330 度； 机械转角: 360以上三个部件已组装成一个整体，三者用联轴节均同轴连接。在组合体上面有一接线板，分别为电位计正负电压及输出信号接线柱；力矩电机的控制电压接线柱；测速发电机接线柱。在组合体左端装有转角测量用的刻度盘；右端可往电机轴上加装惯性轮，以改变负载的转动惯量。 在开环或调速系统实验时，为减少电位计磨损，应将电位计断开。 9 五 特性测试 以上是本实验的指导界面： 系统中主要元部件的参数在系统设计前都应进行实际测试， 对伺服系统来讲主要是执行电机、测速机、电位计。由于对伺服系统设计影响较大的参数是调速特性以及机电时间常数，它们又与电机的结构特性参数如电枢电阻、电感，转子的转动惯量，力矩系数，反电势系数有关。 下面是电机内阻、电感、转动惯量、机电时间常数、死区电压、机械特性、调速特性以及测速机与电位计梯度的测量原理。 学生可以在程序界面的指导下完成以下测量。 电机内阻和电枢电感的测量 实验步骤： 用鼠标单击“电机内阻和电枢电感的测量”按钮，即可启动电机内阻和电枢电感测量的指导界面： 可以采用两种方法测量电机电阻值，一是利用欧姆表直接测试电机电枢的电阻，由于电刷与电枢在不同位置的接触电阻不同，故测试验时应在电刷处于不同位置时多测几次，取其平均值。 10表 1机内阻测量表 () 0 20 40 60 80 100 120 140 160 R (K) () 0 40 80 120 160 R (K) 平均值 R = 3）二是在电机堵转（用手阻止电机的转动）的情况下，采用外加直流电压，并测其电流的方法，从测得的电压及电流求得电阻值，由于堵转时，电机不产生反电势，故电流较大，外加电压应取得较小些（务使电机电流不能超过额定电流）。测试电路如图1枢内阻测试图 4）电枢电感 可采用图 1示电路测试，即在电机堵转的条件下，在电枢两端加入一定频率的交流信号（要求电压较小，约 510 伏），并测量交流电流，则电枢的感抗可以计算如下： 22)( （可以得到电感 a其中 f 为交流信号频率，通常应取较高的频率，同样，亦应多测量几次，并取平均数值（如果有万用电桥，则可用其直接测试）。 11枢电感测试原理图 电机转动惯量与机电时间常数的测量 在电机转子不易取出的条件下，转子及同轴负载的转动惯量可以采用测量电机的制动过程求得，如图 1测速机输出接到A/，阶跃信号开关打开，电源开关关闭。运行电机转动惯量与机电时间常数的测量程序即可。 A/D 计算机图 1动惯量测量电路图 12(u)动惯量的测量 实验步骤： 测试时首先测出电机的阻力矩 电枢两端加上一定的控制电压机带动负载做等速运行； 平衡后，电机的电磁力矩 f，测量此时的电枢电流 得： t=a（公斤 米） 与此同时测量电机等速运行的角速度 0，并突然打开电枢回路开关K ， , ,故 0=J= d/ d/ 由于常数，电机作等减速运动，利用测速电机可以测得此时速度变化曲线，求得角速度由 0到0的时间 =0/ 0=0（公斤 米 秒2） 机电时间常数 可用过渡过程测试法， 实验步骤： 按图1将开关K 突然合上，一个阶跃电压 过一路A/控制开关K 与执行软件的同时操作，利用计算机观测输出曲线，计算机的屏幕可实时地显示这个过程。所以可将的动态响应看成非周13期(惯性)环节，从图 1M，其包含了机电时间常数和电磁时间常数。由于电磁时间常数较小，为使测试更符合实际，所用功率放大器及电机负载应是真实的。 功放R电机测速机A/跃过渡计算时间常数 利用上图求得 由于作切线法产生较大误差，常测不准，一般采用取误差带法，如取5%误差带， ，如取2%误差带， 。由于测速机的换向器产生一定波纹，它使测量信号波动，这相当于引入了噪声干扰，所以取2%误差带不科学，应选取5%的误差带来计算。 电机死区电压的测量 实验步骤： 将电压加至电机两端，将稳压电源置于最小档（将旋钮旋至最左边）电压接近 0，合上开关后，慢慢增大电压到电机刚好开始转动，读下这时的 u，由于电机在不同起始位置阻力矩不同，所以将电机的起始位置放在几个不同角度，重复实验。然后再将电压反极性重复上述实验，将14测得数据入下表中，可计算出两个方向的死区电压平均值和最大值。 表 1机死区电压测量表 () 0 20 40 60 80 100 120 140 160 U (V) 平均值 () 0 40 80 120 160 U (V) 平均值 电机调速特性的测量 调速特性是在一定的负载下，转速与控制电压的关系曲线。在电机的电压权限内（大于死区小于上限），改变控制电压，并用光电转速表测量电机相应转速。每改变一次电压后，测量一个转速，并按此项实验的程序界面提示输入此电压值及光电转速表所记录的脉冲个数（即光电转速表的显示数据），如此重复此过程则可得此方向一组数据；然后把电机上所加电压的极性对调，再重复上述过程，则又可得一组数据。测试完成后按屏幕上的“绘制曲线”按钮，将显示调速特性曲线，并给出最小二乘法拟合之后的斜率及截矩值。 表 1机调速特性测量表 正 转 Ua(v) 死区 4 6 8 10 12 14 16 18 N (脉冲/ 分 ) n/8(转 /分 ) (r/s)= 反 转 Ua(v) 死区 6 10 14 18 n（脉冲/ 分）n/8(转 /分 ) (r/s) 平均值 (r/s) = 15测速机梯度的测量 测速机最重要的特性是它的输入输出特性。测试电路图如下： 电机电压权限内，改变控制电压，并用光电转速表测量电机相应转速，同时用数字电压表测量测速机两端电压，并按程序界面提示输入此电压值及光电转速表所记录的脉冲个数，如此重复便可得此方向一组数据，然后把电机上所加电压的极性对调，再重复上述过程，则又可得一组数据。测试完成后按屏幕上的“绘制曲线”按钮，则将显示测速机梯度图，并给出最小二乘法拟合之后的截距及斜率值。 表 1速机梯度测量表 正 转 Ua(v) 死区 4 6 8 10 12 14 16 18 N (脉冲/ 分 ) n/8(转 /分 ) (r/s)= ) 反 转 Ua(v) 死区 6 10 14 18 n（脉冲/ 分）n/8(转 /分 ) (r/s) ) 平均值 ) = 16电位计梯度的测量 电位计测试时主要测量线性度及负载效应。 电位计梯度测量电路如图1数字电压表+10位计测试 在空载的情况下，将电位计在0360 旋转，每转动20 ，用数字电压表测量输出电压值，并同时把角度和测量的电压值按程序界面提示输入计算机，但注意测量过程中值的变化， 如遇到非线性区的数据（一般在170 这20 范围内） ,制曲线” 按钮,则将显示最小二乘拟合的电位计梯度图及斜率值. 表 1位计梯度测量表 () 0 20 40 60 80 100 120 140 160 U (V) () 0 40 80 120 160 U (V) )= 思考题： 1 为什么转角不同时电枢电阻不同？ 为什么转角不同时死区电压不同？ 反馈电位计上若电压小于或大于己于 10V 时，对系统的影响？反馈电位计上若电压不对称时，对系统的影响？ 17实验二 模拟式小功率随动系统的实验调试 一 实验目的： 熟悉反馈控制系统的结构和工作原理， 进一步了解位置随动系统的特点。 掌握判别闭环系统的反馈极性的方法。 了解开环放大倍数对稳定性的影响及对系统动态特性的影响，对静态误差的影响。 二 实验内容： 按图2 利用计算机内的采样及显示程序,显示并分析输出的响应结果; 反复调试达到设计要求. 三 实验设备： 小功率直流随动系统学习机一台 路直流稳压电源一台 4 1/2 数字多用表一台 四 实验原理及步骤 模拟式小功率随动系统结构如图 211t)-+图 2服系统结构框图 18调试步骤如下： 零位调整。为了保证精度，同时判断运放是否好用，在连接成闭环系统之前进行零位的调整。首先，把三个运放负相端输入电阻接地，并使其增益为 1（利用电阻调整），再利用运放上方的调零旋钮，使输出端输出为 0；然后将电位计两端接上 10V 电压后，用数字电压表测其电刷输出，旋转之，使其电刷输出为 0，并同时调整刻度盘零点于 0 点。 开环工作状态：断开反馈电为计，加入给定电压，使电压从小到大，当信号大时，电机转速高，信号反极性时，电机反转。 反馈极性判断。 首先判断测速机反馈极性。在一级运放处加一电压（正或负），记住电机转向，然后断开输入，用手旋转电机按同一转向转动，测量测速机输出电压，如与前电机所加电压极性相同，则可将该信号接入运放二的负端；否则应把测速机输出极性倒置，即把另一信号接入运放二的负相端。 其次判断位置反馈极性。将回路接成开环状态，给电机加入一正电压，可使其转动，然后使电机回零，顺着电机刚才转动的方向转一小角度（不可转到非线性区） ，同时用数字电压表测电位计电刷的输出电压，倘若其值为负，则表明此时是负反馈，否则，需把电位计两端 10V 接线头对调，以保证闭环系统是负反馈。 检验系统跟随情况。按图 2线，逐渐加大电压，察看输出角度是否也同时增加（绝对量值），如跟随则系统跟随情况良好。 开环放大系数 K 与静太误差的关系：实际控制系统由于元件存在固有误差和非线性因素及安装误差，所以不可能没有误差。该系统误差主要由电机死区引起。 实验方法：改变放大器的反馈电阻可使系统放大倍数 K 改变。取三个 K 值，每取一个 K 值，给定电位计输入一定角度，系统旋转一个角度，将输入、输出角度记录下来，计算出角度误差。同时记录放大器 1 的输出 19表 2模拟式小功率随动系统实验记录表 运放比例系数 2 4 给定角度（度） 输出角度（度） 静差角度（读） 静态误差（过度过程曲线 6 动态闭环实验系统调试： 图 2- 4所示线路连接线路。通过变阻器的大小来改变闭环系统的放大倍数，通过一路A/时测量输入电压和反馈电位计输出电压，算出稳态误差。从曲线处理可以算得动态指标。 测 速 机图 2- 4 伺服系统实验电路 思考题： 1 如果速度反馈极性不对应如何处理？如果位置反馈极性不对应如何处理？ 2 系统是几阶无静差系统？产生静差的原因。 3 说出开环放大系数与静差及稳定性的关系 . 20 实验三 A/D 接口的使用和数据采集 一 实验目的： 了解A/件结构及编程方法等; 掌握机器内部的数据转换和储存方式; 学会定时器的原理及使用方法. 测量A/出特性,分析误差产生原因. 二 实验内容： 用程序; 输入电压进行测试; 分析误差产生原因 三 实验设备： C 系列微机一台(586) 2位A/D D/路直流稳压电源一台 4 1/2 数字多用表一台 四 实验步骤： 绍 本实验选用汉德电子工程公司出品的 口板。它是为 线设计的数据采集与过程控制部件，它可使 线型微型计算机方便地应用于实验室及工业现场数据采集、生产工艺过程监控等领域。 模入部分。采用 是一个完整的 12 位逐次逼近型带三态缓冲器 A/D 转换器，可直接与位、 12 位或 16 位微型机总线进行接口。全部采用功 8 脚双列直插式封装。 21通道数： 单端输入 16 路 输入电压： 010V ， 5V，10V 输入阻抗： 10分辩率： 12 位 输出编码： 原码 （单极性信号输入） 偏移码（双极性信号输入） 转换速度： 100换误差： A/D 起动方式： 程序起动，定时起动 A/D 工作方式： 中断，程序延时 模出部分。采用 通道数： 2 路 输出电压： 010V ， 5V，10V 输出阻抗： 1分辩率： 12 位 建立时间： 7 S 定时器/ 计数器部分。采用 8253 可编程计数/ 定时器。 通道数： 3 路 计数器字长：16 位 时钟频率： 2字量输入输出部分。采用 825 5。通道数为 24 路； 接口部分。地址分配：占用 16 个连续 I/O 端口地址，地址列表如下： ( 基地址 310H ) 22表 3 口板 I/O 地址的功能 地址 芯片 R/W 功能 310） 通道选择 （ 311） A/D 起动 （ 312） 高 4 位 （ 313） 低 8 位 （ 314） 1） W 高 8 位 （ 315） 1） W/R 低 4 位，起动 D/A （ 316） 2） W 高 8 位 （ 317） 2） W/R 低 4 位，起动 D/A （ 318） 8253(计数器) W 计数器 0 （ 319） 8253(计数器) W 计数器 1 0（ 31a） 8253(计数器) W 计数器 2 1（ 31b） 8253(计数器) W 控制字 2（ 31c） 8255（并口） W/R A 口 3（ 31d） 8255（并口） W/R B 口 4（ 31e） 8255（并口） W/R C 口 5（ 31f） 8255（并口） W 控制字 （详见 明书及芯片资料） (六 ) 接线盒对应表 A/D 通道信号分配表： A/D 通道 信号定义 限幅保护 A/D 通道 信号定义 限幅保护 0 可调指令信号 无 7 A/ 1 分压 1 # 有 8 A/ 2 分压 2 # 有 9 A/ 3 车速度分压 有 10 4 上摆速度分压 有 13 车位置分压 无 5 下摆速度分压 有 14 上摆位置分压 无 6 A/ 15 下摆位置分压 无 231. 在 C 环境下编写 A/D 程序，并编译连接；（程序流程图如下） 发送 A/D 通道号给端口发送起动 A/D 转换信号开始输入 A/D 通道号送控制字给 8253读 A/D 低 8 位读 A/D 高 4 位合成 12 位偏移码转变为补码显示补码转变为浮点数显示浮点数程序结束图 3A/D 检测程序流程图 242. 输入模拟电压，运行程序，输出 16 进制数码； 输入电压与偏移二进制码对应关系如下： 0800 0000 V 0 +10 图 3输入电压与偏移二进制码对应关系 表 3A/D 输入电压与数码对应表 电压（ V） 5 0 偏移码 补码 浮点数 3. 将 16 进制数码转换成电压，与输入电压进行比较； 4. 进入 A/D 接口界面和进行数据采集，与自编程序采集结果进行比较。 25 图 3A/D 采集程序界面 思考题：试分析采集误差产生的原因有那些？ 26 实验四 采样系统的构成及中断的使用 一 实验目的： 了解D/片结构； D/址设置及编程方法等； 学习中断的原理及编程方法； 掌握采样周期的实现方法。 二 实验内容： 编制并调试带定时器的D/A/D、D/用模拟机实现一个二阶系统并观察输出特性； 接入A/D，程序，观察采样周期变化对系统的影响。 三 实验设备： C 系列微机一台(586) 2位A/D D/路直流稳压电源一台 4 1/2 数字多用表一台 四 实验原理及步骤： 1 D/A 转换器编程提示 口板上装有两块 12 位 D/A 芯片 别为 D/D/I/O 接口是 8 位，因此必须写入两次才能完成 12 位数据的传递，通过起动信号使 D/A 开始转换。 27D/A 转换程序流程图如下： 开始输入要转换的数数据转换为 16 进制补码数据分为高位和低位高 8 位的高 4 位和低 4 位互换低 4 位右移 4 位写入高 8 位写入低 4 位起动 D/A 转换（读低 4 位）结束图 4D/A 转换程序流程图282 D/A 转换的对应关系如下： +5 V 0 0000 8000 5 图 4 D/A 转换对应关系 2 输入数据，运行 D/A 程序，测量输出电压，分析误差产生原因。 表 4： 000 2000 4000 6000 8000 000 论值） V（实测值） 3 输出结果与实验环境所带程序运行结果进行比较。 4采样系统的构成： 1）从理论上讲，在一个闭环连续系统 的综合点的误差信号处加上一个采样开关即可构成一个采样系统。 2）在本实验中直接在模拟式小功率随 动系统的闭环回路的前向通道的误差处加入一路 A/D 作为采样开关来采集信号，然后直接送到 D/A 输出驱动连续系统，同时用一路 A/D 采入输出信号, 利用软件来绘制过渡过程曲线。见图 4 4 )() 4续系统结构 A/)() D/样系统结构 采样系统的特殊例子是计算机控制系统，计算机控制系统的一个重要参数是采样周期，采样周期的大小影响着系统的性能。 5按图接线，组成一个计算机控制系统，改 变其采样周期，观察系统的特性。 图 4样系统电路图 30表 4验结果记录表： 采样周期（T ） 超调量（） 上升时间(过渡过程时间（50 10000 30000 思考题：为什么 T 越小系统特性越好，T 可以无限小吗？ 31 实验五 制规律的实验调试 一 实验目的： 学习掌握观察积分分离值对系统的作用，掌握积分分离值的实验选取方法。 二 实验内容： 用模拟机组成二阶连续系统(无积分环节)； 接入计算机构成闭环进行闭环调试; 三 实验设备： 586数字计算机 2位A/D D/拟实验板 双路稳压电源 +30V 万用表 点阻、电容 若干 四 实验原理及步骤： 实验原理图如下： )()+分分离 5积分分离 制原理图，其中 R 为输入，C 为输出。计算机不断采入误差E，进行积分判别与后判断结果是否溢出（若溢出则取最大值或最小值）最后将控制量输送给系统。 积分分离u(t)=Kpe(t)+)(1 = (|0|)(|1分分离值 用矩形法计算积分，用后向差分代替微分，算法为：（u(k)=kpe(k)+ k)+ e(k)-e( 其增量形式为 u(k)=Kpe(k)-e( k)+ e(k)e(+U(当 =0时为u(k)=kpe(k)+ e(k)-e( 33= + e(k)- =Ae(k)-Be(=(d)e(k)当 =1时为u(k)=Ae(K)+g(其中 A=+ =+ 2K+2=d g(U(Be(Ce(I,| 1为限，计算机内部采用16位补码进行运算，高字节的首位为符号位。 积分分离值0V。 采样周期选取的最小单位为1次实验采用临界比例带法整定参数，设采样周期0去掉微分积分作用，只保留比例控制，增大至系统等幅振荡，记下振荡周期以下公式整定参数： 34 T=165制实验电路图 实验步骤： 按上图接线，进入实验五指导界面，并输入采样周期=50输入D=0；。按开始键。 逐渐样大下此时的为从屏幕上观察等幅振荡的周期据 运行程序观察系统输出结果。 35 变，只改变 出最好的 调 最小，过渡过程时间变，改变 超调 最小，过渡过程时间 短，打印输出曲线， 行程序观察系统输出结果 ，运行程序观察系统输出结果 系统输出结果如下： T= 参数改变方式 p d 例带法整定参数 1 只改变 改变 i、K=1 1 思考题： 1 试述比例 积分 微分控制在系统中的作用？ 2 分析时超调增大的原因？3 分析时产生稳态误差的原因? 36 实验六 计算机控制系统的实验调试 一 实验目的： 掌握数控伺服系统静态参数选取的一般方法； 掌握利用极点配置方法进行离散系统全状态反馈控制规律及降维观测器的设计； 掌握控制算法编排实现及比例因子配置方法； 学会数控伺服系统调试的方法与过程。 二 实验设备： C 系列微机一台(586) 2位A/D D/小功率直流随动系统学习机一台 路直流稳压电源一台 412数字多用表一台 三 实验内容： 选择合适的采样周期, 对小功率随动系统的模型进行离散化; 利用极点配置方法进行离散系统全状态反馈控制规律及降维观测器的设计； 编辑实时控制程序, 在计算机内实现控制律; 进行闭环动态系统调试; 讨论静态误差及其消除方法. 四 实验原理及步骤： 该数控伺服系统的结构图如图 6示。该系统是一直流伺服系统，它由直流力矩电机、直流测速发电机、角位置测量电位计及直流放大器、 80理器计算37机及 A/D、 D/A 变换器组成。加入系统的指令输入信号通过 A/D、 D/A 变换器进入计算机，经过计算机控制算法的处理产生控制指令，由 D/A 变换器输出，加到运算放大器输入端，与测速机测得的角速度信号综合比较，经过功率放大后驱动