计算机控制技术实验指导报告册Word文档格式.docx
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如果程序正确执行,将在显示器上显示“00”。
⑷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1—1。
图1-2A/D、D/A转换流程
表1—1
模拟输入电压(V)
测量值
显示器数码(H)
模拟输出电压(V)
-5
00
80
+5
FF
5
⑸AD转换的量化特性
按图1—3改接U4输出Y至U13A/D转换单元输入IN7的连接,即添加一个反向放大器,其它线路同图1—1。
图1-3AD转换量化特性测试
①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。
②测出A/D输入电压在OV附近±
5个量化单位的数值,记录和之相对应的数字量,如表1—2所示:
表1—2
模入电压(mV)
-196
196
数字量
(H)
7B
85
③根据表1—2绘制AD转换的量化特性图。
Q(t)
X(t)
实验结果分析
①表1—1中输入、输出关系
②表1—2中量化特性关系
思考题:
A/D的输入通道可否做其他选择?
如何实现?
成绩评定:
实验二采样和保持
掌握采样定理,8253的工作原理,A/D、D/A转换及信号发生器的使用。
采样定理,信号发生器的调节。
输入、输出接口的基本概念,虚拟示波器的调节及使用,采样定理。
实验内容:
实验2.1采样实验
1原理:
信号发生器U1单元的OUT端输出抛物线信号,通过A/D转换单元U13的IN7端输入。
计算机在采样时刻启动A/D转换器,转换得到数字量送至实验箱8255口A,口A设成输入方式。
CPU将输入的数字量直接送到D/A转换单元U15,在U15单元的OUT端则输出相应的模拟信号。
如图2—1所示,在时间τ以外,计算机输出零至D/A并使其转换,所以τ以外输出为零。
τ的时间:
10ms
图2-1采样实验原理图
2接线图:
见图2—2。
图2-2采样实验接线图
3采样周期T的设置:
计算机用8253产生定时中断信号,定时10ms,并在2F60H单元存放倍数Tk可取01H~FFH,采样周期T=Tk×
10ms,所以T的范围为10ms~2550ms,改变Tk即可以确定T。
4实验程序流程图:
见图2—3
图2-3程序流程图
5实验内容和步骤
①按图2—2连线,首先将U1信号发生器单元中的S11置抛物线档,S12置T3档。
用短路块短接S和ST。
②用示波器观察U1单元的OUT端的波形,调W12使其不高于5V,调W11使T1周期约2s。
③选定TK=04H,将2F60H单元存入TK。
(在调试窗口输入:
E2F60↙,待调试窗口显示“0000:
2F60=CC—”从键盘输入04↙,即将Tk=04H存入2F60H单元)
④启动采样程序(在调试窗口输入G=F000:
11A2↙)。
⑤本实验选用普通示波器,用示波器对照观察U1单元的OUT端和U15单元的OUT端波形,观察完停机。
⑥选择若干TK值(可取01H~FFH),重复③、④、⑤,观察不同采样周期T时的输出波形。
⑦调节U1信号发生器单元的W11,使T1约0.3s,调W12使其不高于5V,重复步骤③、④、⑤。
6.实验结果(绘制输出波形)
Tk=04H
Tk=02H
Tk=05H
Tk=10H
7.实验结果分析
8.思考题:
采样周期T必须满足的条件是什么?
T越小越好还是越大越好?
为什么?
实验2.2保持实验
1.原理:
计算机(CPU)用8253定时,在采样时刻计算机给A/D器件启动信号,这时A/D器件(ADC0809)将模拟器转换成数字量并通过口A输入,计算机直接把这些数字量输出给D/A器件,D/A器件(DAC0832)则输出相应的模拟量,并且一直保持到输入新值。
原理如图2—4,采样周期设置同实验2.1。
图2-4保持实验原理图1
无零阶保持器的模拟原理图见图2—5。
开关τ合上的时间为10ms。
采样周期同实验2.1。
图2-5保持实验原理图2
2.实验接线图:
见图2—6
R为输入,C为输出。
U15单元的OUT端为IN7端的离散化信号。
图2-6保持实验接线图
3.实验程序流程:
4.实验内容和步骤
①按图2—6接线,S11置方波档,S12置T3档,调W12使U1单元的OUT端为1V方波,调W11使输出信号周期为5S。
②选Tk为02H,将2F60H单元存入Tk值。
③在调试窗口,启动采样保持程序(G=F000:
11E5↙),用示波器(普通示波器)对照观察U13单元的IN7和U15单元OUT端波形,停机。
④更换Tk,重复
(2)、(3)步骤。
⑤增大Tk,存入2F60H单元,启动采样保持器程序,观察输出C点波形,停机。
重复几次,直至系统不稳定,记下Tk值,并换算出相应的采样周期T。
将实验结果填入表2—1中。
表2—1(T=Tk×
10ms)
Tk(H)
采样周期T(s)
T=Tk×
说明:
当Tk=02H时,启动采样程序,此时无零阶保持器,系统的输出波形将失真,因为在计算机控制系统中若无零阶保持器将导致控制不稳定,即在采样点间短暂失控,系统输出波形将失真。
⑥在已填入表2—1中选取一个Tk值(不要选为01H),Tk存入2F60H单元,启动采样程序(G=F000:
11A2↙),观察无零阶保持器系统C点的输出波形。
⑦减小输入信号幅度,增大采样周期,重复②、③步骤,观察离散化噪音及系统的输出。
再将S11拔至斜坡,抛物线档,作进一步观察。
5.实验结果(绘制输出波形)
①方波
Tk=08H
②斜波
③抛物线波
6.实验结果分析
成绩评定
实验三数字滤波器
掌握数字滤波原理和方法,了解各种数字滤波的作用。
不同数字滤波方式对不同控制对象的作用。
一阶惯性环节的数字滤波,加权平均滤波法。
1.实验原理和线路
见图3-1。
计算机对含有干扰的正弦信号R(约0.5~1Hz)通过U13采样输入,然后进行数字滤波处理,以保留正弦信号,去除干扰,最后送至U15变成模拟量C输出。
⑴模拟带有尖脉冲干扰的正弦信号图3-1数字滤波原理
用RC电路将U1单元的555输出方波(S端)微分,将此微分信号视作干扰,再用U2单元产生的正弦波,两信号迭加,如图3—2。
注意R点波形不要超过±
5V,以免数字化溢出。
图3-2数字滤波实验线路
⑵滤波器的计算
要求设计一个相当于1/(τS+1)的数字滤波器,由一阶差分法可行近似式
Yk=(1-a)Xk+(a)YK-1
Xk:
输入,Yk输出,T:
采样周期,1-a=T/τ。
加权平均值算法为:
YK=A1XK+A2XK-1+A3XK-2+A4XK-3(式中
=1)
输入,Yk输出。
⑶采样周期T
计算机用8253产生定时信号,定时5ms,采样周期T为:
T=Tk=T×
5ms
Tk需选送入2F60H单元,范围:
01H~FFH,对应T的范围:
5ms~1275ms。
⑷实验线路:
接线见图3—2。
接入1点的信号为正弦波,2点为干扰信号。
2.实验程序流程:
见图3—3
图3-3实验流程
3.实验内容及步骤
(1)模拟一阶惯性环节的数字滤波
①按图3—2接线,置S12中档,调W11使S约为0.2S,调信号发生器,使其输出1HZ、6V的正弦信号,调整1,2端对应的两个电位器,使R端波形符合要求。
(R端波形和1端一致,2端波形为尖峰脉冲)
②存入1-a、a、Tk,地址见表3-1。
③启动一阶惯性数字滤波程序(G=F000:
1411↙)。
用示波器观察输入端R、输出端C的波形,分析滤波效果,并记下干扰衰减比、正弦衰减比以及a值,记完停机。
记衰减比时可先单独在1端接正弦信号并记录,再在2端单独接干扰并记录,记录采用峰一峰值(P—P,V)。
④改变a、Tk,重复步骤②、③,直到得到满意的效果,将实验结果填入表3—1中。
(2)四点加权平均数字滤波
①同
(1)①。
②存入A1~A4、Tk,地址见表3-1。
③启动四点加权平均程序(G=F000:
13CF↙),对照观察输入并记录,停机。
记衰减比时可先单独在1端接正弦信号做记录,再在2端单独接干扰信号并做记录。
记录采用峰一峰值(P—P,V)。
表3—1
参数地址
2F60
2F00
2F03
2F06
2F09
2F0C
2F0F
参数
项目
Tk
T(S)
ms
1-a
a
A1
A2
A3
A4
滤波前后
正弦幅值比
干扰幅值比
一阶
惯性
01
95
05
0B
55
四点
加权
平均
10
20
30
40
08
4.实验结果分析
实验四积分分离PID控制实验
掌握积分判别和PID运算原理和方法。
整定调节参数和系统开环增益。
PID运算原理和方法,参数调节。
1、实验原理和线路
(1)原理
如图4—1所示,R为输入,C为输出,计算机不断采入误差E,进行积分判别和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。
(2)运算原理
PID控制规律为:
U(t)=Kp[e(t)+
]。
图4-1积分分离PID控制
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)=Kp{E(K)+
[E(K)-E(K-1)]}
=Kp·
E(K)+
[E(K)-E(K-1)]
简记为:
Uκ=P·
Eκ+I
+D·
(Eκ-Eκ-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4—1
地址内容
低字节0002H00H
中间字节P0003H12H
高字节0004H34H
0005H00H
I0006H04H
0007H00H
0008H00H
D0009H00H
000AH00H
(3)整定调节参数和系统开环增益
可用临界比例法整定参数。
设采样周期为50ms,先去掉微分和积分作用,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。
①只用比例调节:
Kp=0.5Kpu(P=Kp=0.5Kpu)
②用比例、积分调节(T取Tu/5)比例Kp=0.36Kpu(即P=Kp=0.36Kpu)
积分时间TI=1.05Tu(即I=Kp·
T/TI=0.07Kpu)
③用比例、积分、微分调节(T取Tu/6)
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)
图4-2积分分离PID控制实验线路
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。
2、实验程序流程:
见图4—3
主程序
PID位置算法A口中断程序
(4)接线和线路原理
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E→U14、IN;
U14、OUT→U13、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。
(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=Tκ×
Tκ事先送入2F60H单元,范围是01H~FFH,则采样周期T的范围为10ms~2550ms。
按Tu计算出的T如果不是10ms的整数倍,可以取相近的Tκ。
3、实验内容和步骤
(1)按图4-2接线,用短路块将S和ST短接,S11置方波档,S12置T3档,调W11使信号周期为5S,调W12使信号约为3V。
(2)按下实验箱CPU单元的复位键,从菜单栏选择“装入程序”,程序存放路径为:
安装目录盘(如C盘):
\Teamkit\TKKL\TH4-1.EXE,装入程序TH4-1.EXE。
·
选择指定程序后,会提示装入程序地址的段地址、偏移量。
确定装入程序的段地址(0000H)和偏移量(2000H)后,会显示装入程序的进度,直到出现“完成”提示,即程序装载完成。
(3)用D命令查看程序数据段,段地址为0240后的数据,在调试窗口键入(D0240:
0000↙)。
⑷在TK(0240:
0000)、EI(0240:
0001)、KP、KI、KD(其中取KI=KD=0)的相应地址中存入表4-2中的数据,P、I、D系数的内存地址和存入方法参见表4-1的举例。
⑸选用普通示波器,在调试窗口启动程序(G=0000:
2000↙),启动PID位置式算法程序,调电位器R可改变输出波形,用示波器观察输出。
⑹选不同的KP,直到等幅振荡,记下TU和KPU,TU填入表4—2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4—2中电位器R)
⑺根据临界比例法计算P、I、D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。
⑻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。
⑼根据P、I、D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MP<20%,TS<1S,在表4—2中填入此时的各参数和结果。
⑽用表4—2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4—2中。
TK=05HKPU=TU=
表4—2
参数
项目
EI
P
I
D
Mp
ts
用临界比例法整定参数
7F
0.2443
0.0996
0.324
EI修改
较佳的PID控制参数
0.2243
0.0496
0.424
实验五最小拍控制系统
掌握最小拍控制原理和方法。
最小拍控制原理,参数调节。
1.实验原理和线路图
见图5—1。
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5-1
针对阶跃输入进行计算机控制算法D(Z)设计。
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和Pi取值范围:
-0.9999~0.9999,计算机分别用相邻三个字节存储其BCD码。
最低字节符号,00H为正,01H为负。
系数存储安排如表5—1。
表5.1—1
0101H010DH
0102HK0010EHP1
0103H010FH
0104H0110H
0105HK10111HP2
0106H0112H
0107H0113H
0108HK20114HP3
0109H0115H
010AH
010BHK3
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EK~EK-3,误差输入;
UK~UK-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00H~FFH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。
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。
接线(如图5—2所示)
82532#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E→U4、IN2、U14、OUT2→U15、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—2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5-2
采样周期T:
CPU的8253产生定时信号,定时10ms,采样周期T为:
T=TK×
TK需事先送入2F60H单元,取值范围:
01H~FFH,对应的范围:
10ms~2550ms。
例如当T=1S,有:
TK=
=100=64H
2.
实验程序流程见图5—3
A口中断程序
图5.1—3
3.实验内容和步骤
(1)按图5—2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.EXE后,可分别用U命令、D命令查看反汇编程序和数据。
用E命令编辑、修改指定单元中的数据,0100F单元存入64H。
具体过程可参照实验四的修改方法。
(2)按要求计算D(E)各系数,送入内存0101H~0115H单元。
(其中,K0=0.5434、K1=-0.7434、K2=0.2000、K3=0、P1=-0.2826、P2=-0.7174、P3=0),Ki和Pi系数存储地址参见表5—1。
(3)选用普通示波器,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,输出经过一拍后,在采样点上跟踪输入误差输出为:
E(Z)=Φe(
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