#《计算机控制系统实验》指导书新编u[1]

1、目 录目 录 1实验一数据输入输出通道 2实验二信号采样和保持 5实验三数字PID控制 7实验四直流电机闭环调速控制 9实验五温度闭环数字控制 11实验六最少拍控制器的设计和实现 13附录 .15实验一数据输入输出通道实验目的：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。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验内容：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位数字量保存于变量中。2. 编写实验程序，实现 D/A转换产生

2、周期性三角波，并用示波器观察波形。实验原理：1. A/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，其主要特点是：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。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使用时钟1MCLK (1MHz)上。其它控制线根据实验要求可另外连接(A、B、C、STR、/0E、EOC、IN0 IN7)。实验线路图1-1为：单次阶跃模数转换单无控制计篡机图1-1 A/D转换实验接线图上图中，AD0809的启动信号"

3、;STR"是由控制计算机定时输出方波来实现的。 "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 时间常数。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：主和库图1-2 A/D转换参考程序流程实验步骤：（1）打开联机操作软件，在编辑区编写实验程序。检查无误后编译、链接。（2）按照图1-1

4、接线（注意：图中画"0"的线需连接），检查无误后开启电源。（3）装载完程序后，系统默认程序的起点在主程序的开始语句。用户可以自行 设置程序起点，可先将光标放在起点处，再通过调试菜单项中设置起点或 直接点击设置起点图标，即可将程序起点设在光标处。（4）加入变量监视，具体步骤为：打开“设置”菜单项中的“变量监视”窗口或直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量“AD0AD9 ”加入变量监视中。在查看菜单项中的工具栏中选中变量区或点击变量区图标，系统软件默认 选中寄存器区，点击“变量区”可查看或修改要监视的变量。（5）在主程序JMP AGAIN语句处设置断点。具体操作如下：

5、先将光标置于要设断点的语句，然后在调试菜单项中选择“设置断点/删除断点”，或直接点击“设置断点/删除断点”的图标，即可在本语句设置或删除断点。（6）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。（7）运行程序，程序将在断点处停下，查看变量“AD0AD9 ”的值，取平均值记录下来，改变输入电压并记录，最后填写下表。实验结果:模拟输入电压（V）对应的数字量（H）-4.5-3.5-2.5-1.5-0.50+0.5

6、+ 1.5+2.5+3.5+4.52. D/A转换实验TLC7528芯片是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。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。实验线路图1-3为：0UT10UT2图1-3 D/A转换实验接线图以上电路是 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，分别测"OU

7、T1"和"OUT2"的输出电压，应在0mV 左右。参考流程：主捏序图1-4 D/ A转换参考程序流程实验步骤：(1) 编写实验程序，检查无误后编译、链接并装载到控制计算机中。(2) 运行程序，用示波器观测输出波形，并画出。实验二采样和保持实验实验目的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实验设备PC机一台，TD-ACG实验系统一套，i386EX系统板一块实验内容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

8、插值法还原信号。实验原理1采样和保持香农(采样)定理：若对于一个具有有限频谱 (|W|<Wmax)的连续信号f (t)进行采样，当采 样频率满足 WsAWmax时，则采样函数f*( t)能无失真地恢复到原来的连续信号 f (t)o Wmax为 信号的最高频率，Ws为采样频率。实验线路图：图中画 6”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。朴制计篦机魏转換单元图2-1采样和保持实验电路图上图中，控制计算机的“ 0UT1'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。

9、 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= TkX 10ms Tk的范围为01FFH，通过修改Tk就可以灵活地改变采样周期。实验参考程序：汇编语言请参照随机软件中的EXAMPLE!录中的ACC1-2-1.ASM文件C语言请参照随机软件中的ACS-C目录中的ACC1-2-1.C文件。2 信号的还

10、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。在实际使用中，一般总是取实际采样频率Ws比2 Wmax大，如：Ws> lOWmax。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，香农定理给出了采样频率的下限，用不同的插值方法恢复信号需要的采样频率也不相同。(2) 实验线路图设计实验的电路仍如图2-1所示，只是程序中将读入的数据量送到数模转换单元之前将分别采用 直线插值法和二次曲线插值法，恢复信号。参考程序：汇编语言 直线插值法参考软件中的 example目录中的ACC1-2-2.ASM文件，汇编语言二次曲线插值法参考examp

11、le目录中的ACC1-2-3.ASM文件。C语言 直线插值法参考 ACS-C目录中的ACC1-2-2.C文件，C语言 二次曲线插值法参考 ACS-C目录中的ACC1-2-3.C文件。实验步骤及结果1. 采样和保持(1) 编写零阶保持程序，编译、链接。系统初始默认是汇编语言，若采用C语言，通过软件菜单中的【设置】|【语言】来设定。(2) 按照实验线路图接线，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，运行程序，用虚拟示波器的另一路表笔观察数模转换

12、单元的 输出端“ OUT1 。(5) 改变程序，增大采样周期，当采样周期>0.5s时，即Tk>50 ( 32H)时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真。选择采样周期为0.05s、0.1s、0.2s和0.5s，画出输入和输出波形，观察信号的失真情况。每次修改程序或参数后，都要重新编译并下载后再运行。2信号的还原(1) 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) 设定相应的Tk值，分别装载并运行程序。用示波器观察数模转换单元的输出，

13、选择采样周期为0.05s、0.1s、0.2s和0.5s，画出输入和输出波形，观察信号的失真情况，并和 零阶保持程序在相同采样周期的运行效果进行比较。实验三数字PID控制实验目的：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。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：图3-1典型PID闭环控制系统方框图上图是一个典型的PID闭环控制系统方框图。其硬件电路原理及接线图如下:揑制计算机i386 EX CPUi-JP1.0OUT1JIOYQ/CSOUT20K20KAB/STCLOCK-jCLK2

14、DOD7STR/GEEOC24MHzTMROUT1 CSO# -INT3卜、：XDO* ( / XD7M/IO# VA0卜-_TMRCLK1 分： 频|/lawp&2C0K20KOOK hE1H;1H-r/WR3uFDO *+D7 OUT1图3-2实验接线图实验中，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，并使系统有惯性和滞后。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，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。实验步骤：1. 编写实验程序

15、，检查无误后编译、链接。2. 按照实验线路图接线，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3-6S的方波。4. 在程序中将积分分离值设为最大7FH （相当于没有引入积分分离），编译连接并加载运行程序，用示波器分别观测输入端R和输出端C。此时可以观察到输入的方波，系统的输出接近于零，将ST-S短路块拔掉（去掉锁零信号），可以观察到系统的输出信号。要恢复0状态时再将ST-S短路块插回去。5. 如果系统性能不满意，用试凑法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录KP、TI、TD参数，以及响应曲线的超调量和过渡时间。6. 修改积分分离值为 20H，记录

16、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。7. 汇编语言程序参考 example目录中的ACC3-2-1.ASM文件。C语言程序参考 ACS-C目录中的ACC3-2-1.C文件。8. 在MATLAB下根据图3-1，按PID调整的结果完成控制输出，跟你实验箱的输出结果作对比，分析有关原因。实验四直流电机闭环调速控制实验目的：1了解闭环调速控制系统的构成。2熟悉PID控制规律，并且用算法实现。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：图4-1是一个典型的直流电机调速实验的系统方框图：数字给楚偵图4-1直流电机调速实验系

17、统方框图根据上述系统方框图，硬件线路图如下，图中画“O”的线需要接好。朴剖计神机jJEdEXCPUPl.4 III:(主 325?IRQ7)INT3IRQ7DOUTO需尔输出駆动单元直旅电机图4-2硬件线路图上图中，控制机算机的“ DOUT0表示386EX的I/O 管脚P1.4，输出PWM脉冲经驱动后 控制直流电机，“ IRQ7'表示386EX内部主片8259的7号中断，用作测速中断。实验中，用系统的数字量输出端口“ DOUT0来模拟产生PWM脉宽调制信号，构成系统 的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。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

18、，电机可在控制量作用下， 按给定转速闭环运转。 系统定时器定时1ms,作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。实验步骤：1. 编写实验程序，编译、链接。2按图4-2接线，检查无误后开启设备电源，将编译链接好的程序装载到控制机中。3.打开专用图形界面，运行程序，观察电机转速，分析其响应特性。4若不满意，改变参数：积分分离值 IBAND比例系数KP、积分时间常数TI、微分时间常数 TD的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。5 注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT 0的状态应保持上次的状态。当DOUT0为1时，直流电机将停止转动；当 DOUT0为0

19、时，直流电机将全速转动，如果长时间让直流电机全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时,好将连接DOUT0的排线拔掉或按系统复位键。6.汇编语言程序参考 example目录中的ACC6-1-1.ASM文件。C语言程序参考 ACS-C目录中的ACC6-1-1.C文件。实验五温度闭环数字控制实验目的：1了解温度闭环控制系统的构成。2熟悉PID控制规律，并且用算法实现。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：温度闭环控制系统实验的系统方框图如下:图5-1温度闭环控制实验系统方框图 根据上述系统方框图，硬件线路图如下，图中画“O”的线需接

20、好。也计h FL图5-2硬件线路图上图中，控制机算机的“ DOUT0表示386EX的I/O 管脚P1.4，输出PWM脉冲经驱动后 控制烤箱或温度单元，“ 0UT1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（采样中断）。实验中，使用了 10K热敏电阻作为测温元件，温度变化，电阻值变换，经转换电路变换成电压信号，由模数转换器进行转换，转换完成产生采样中断，在中断程序中读取数字量， 构成反馈量，在参数给定的情况下，经PID运算产生相应的控制量，最后由系统的“DOUT0端输出PWM脉冲信号，经驱动电路驱动烤箱（温度

21、范围室温200 C ）或温度单元（温度范围室温70C ）加热或关断，使温度稳定在给定值。其中系统定时器定时10ms, 方面作为A/D的定时启动信号，另一方面作为系统的采样基准时钟。实验程序：汇编语言程序参考随机软件中的example目录中的ACC6-2-1.ASM。C语言程序参考 ACS-C目录中的 ACC6-2-1.C 文件。实验步骤：1编写程序，再编译，链接。2 按图接线，检查无误后开启设备电源。3装载程序，打开专用图形界面，运行程序并观察波形，分析其响应特性。4. 若不满意，改变参数积分分离值 IBAND比例系数KP积分时间常数TI、微分时间常数TD 的值后再观察其响应特性，选择一组较好

22、的控制参数并记录下来。5. 注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT 0的状态应保持上次的状态。当DOUT0为1时，烤箱或温度单元将停止加热；当 DOUT0为0时，烤箱或温度单元将 满功率加热，如果长时间让烤箱或温度单元处于全功率加热状态，可能会导致烤箱或温度单元损坏，所以在停止程序运行时，要将连接 DOUT 0的排线拔掉或按系统复位键 。实验六最少拍控制器的设计和实现实验目的：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。实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：图6-1最小拍控制系统方框

23、图1. 最小拍有纹波控制系统设计针对阶跃输入，设计有纹波系统控制算法，写出控制输出量的递推公式，并编程实现。2. 最小拍无纹波控制系统设计针对单位斜波输入， 设计最小拍无纹波系统控制算法，写出控制输出量的递推公式，并 编程实现。其硬件电路接线图如下：找制计算机DINOSTR /OE EOC86 EX CPUr,P1.01I>Iii一一 -：TMROUT1 ! -Icso#；INT3/STSTSCLOCKABC分24MHz*；TMRCLK1；A0-CLK2<i/CS/WRAO图6-2最小拍控制系统方框图OUTDOM OUT1实验步骤:1. 编写实验程序，检查无误后编译、链接。2. 按

24、照实验线路图接线，检查无误后开启设备电源。3. 对象的输入信号选择：当为有纹波设计时，选择方波。调节电位器使方波信号的幅值为2.5V，周期为3-6s，当为无纹波设计时，选择单位斜波信号，斜波幅值为6V，上升时间为6s。4. 分别将有纹波和无纹波设计方法得到的参数写入程序，分别编译链接并装载运行程序，用示波器观察对象的测量点“C”和数模转换单元的“ 0UT1 ”端，观察系统的输出以及控制量输出序列，并记录波形进行分析。 要观察输出的阶跃响应时将ST-S短路块拔掉（去掉锁零信号），要恢复0状态时再将ST-S短路块插回去。观察斜波 信号作用下的输出时也一样操作。注意：实验中有纹波是针对阶越输入设计，

25、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. 实验中观察到的输出、控制量输出序列的波形和理论设计的输出序列有什么区别， 观察是经过几个采样周期误差达到零的，和理论上一样吗？试解释原因。6. 实验程序：汇编语言程序参考随机软件中的example目录中的 ACC4-1-1.ASM和ACC4-1-2.ASM。C语言程序参考 ACS-C 目录中的 ACC4-1-1.C 和 ACC4-1-2.C 文件。7. 在MATLAB下根据图6-1，按设计的最少拍控制器的结果完成控制输出，跟你实验 箱的输出结果作对比，分析有关原因。实验7综合设计实验（考核用）要求根据实验现有的条件，根据课

26、程所学的内容，自行设计实验目的、实验设备及实验原 理和相关内容，独立完成实验的结果，并写出详细的实验报告。附录1: ADC0809简介ADC0809是采样分辨率为8位的、以逐次逼近原理进行模 一数转换的器件。其内部有一 个8通道多路开关，它可以根据地址码锁存译码后的信号， 只选通8路模拟输入信号中的一个 进行A/D转换。1.主要特性1） 8路输入通道，8位A/ D转换器，输出带锁存器，逻辑电平和TTL兼容。2）具有转换起停控制端。3）转换时间为100卩s时钟为640kHz时），130（时钟为500kHz时）4）单个+ 5V电源供电。5）模拟输入电压范围0+ 5V，不需零点和满刻度校准。2 内部

27、结构ADC0809内部结构如图1所示，它由8路模拟开关、地址锁存和译码器、比较器、8位开关树型D/A转换器、逐次逼近比较器和三态输出锁存缓冲器组成。D 12b 517 mVINVIN血VIN血旳VIN釧鄂 4|-片日ULE A*EOC出锁存GNDSTART CLOCKVREF+图1 ADC809的内部结构与码 存译SARDAcZy256T型电迥网络177f*DQ(LSB)1-DO2 耳DS18 “ 荷AD。* -DOS；：叫"DO?(h/iSB)9 OFC B A选择的通道0 0 0INO0 0 1INI0 1 0IN20 1 1IN31 0 0IN1 0 1FN511 QIN61

28、1 1IN73 外部特性（引脚功能）ADC0809芯片有28条引脚，采用双列直插式封装，下面说明各 引脚功能。Vino: 8路模拟量输入端。允许8路模拟量分时输入，共用 一个A/D转换器。DO。DO7： 8位数字量输出端，DOo为最低位，DO7为最高位。 由于有三态输出锁存，可和主机数据总线直接相连。A、B、C: 3位地址输入线，用于选通 8路模拟输入中的一路。ALE :地址锁存允许信号，输入，高电平有效，上升沿时锁存3位通道选择信号。START : A/D转换启动脉冲输入端，输入一个正脉冲（至少100ns 宽）使其启动（脉冲上升沿使0809复位，下降沿启动A/D转换）。EOC : A/ D转

29、换结束信号，输出，当 A /D转换结束时，此端输出一个高电平（转换 期间一直为低电平）。OE:数据输出允许信号，输入，高电平有效。当A / D转换结束时，此端输入一个高电 平，才能打开输出三态门，输出数字量到数据总线上。CLK :时钟脉冲输入端。要求时钟频率不高于640KHZ。VreF+、V ref-: 基准电压。取决于被转换的模拟电压范围，通常V REF+二 j V，V REF-= 0V。Vcc :电源，单一+ 5V。GND :地。4. ADC0809的工作过程首先输入3位地址，并使ALE=1 ,将地址存入地址锁存器中。此地址经译码选通8路模拟输入之一到比较器。START上升沿将逐次逼近寄存

30、器复位。下降沿启动A/ D转换，之后EOC输出信号变低，指示转换正在进行。直到A/ D转换完成，EOC变为高电平，指示A/ D转换结束，结果数据已存入锁存器，这个信号可用作中断申请。当0E输入高电平 时，输出三态门打开，转换结果的数字量输出到数据总线上。转换数据的传送 A/D转换后得到的数据应及时传送给计算机进行处理。数据传送的关 键问题是如何确认 A/D转换的完成，为此可采用下述三种方式。(1) 定时传送方式对于一种A/D转换器来说，转换时间作为一项技术指标是已知的。例如ADC0809转换时间为128卩§可据此设计一个延时子程序，A/D转换启动后即调用此子程序，延迟时间一到，进行数据传送。(2) 查询方式A/D转换芯片有表明转换完成的状态信号，例如ADC0809的EOC端。因此可以用查询方式，测试EOC的状态，即可确知转换是否完成，并接着进行数据传送。(3) 中断