计算机控制技术实验报告.docx

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计算机控制技术实验报告

计算机控制技术实验报告

学院自动化学院

专业班级   自动化104   

姓名        

学号       

2013年6月

前言

本指导书是配合自动化专业本科生专业课《计算机控制技术》的课堂教学而编写的实验教材，通过实验的验证能够使学生了解和掌握计算机控制的硬件技术和软件编程方法。

本书共设计了七大类实验，第一类中包含过程通道和数据采集处理方面的几个内容；第二类为数字PWM发生器和直流电机调速控制的开环实验；第三类包含几种数字PID闭环控制实验；第四类中有两种数字调节器直接设计方法的实验；第五类是一个温度控制系统；第六类是随动系统实验；第七类是过程控制系统的研究；实验五至实验七的内容是带有被控对象的控制系统。

七个实验的全部学时大于计划学时，教师和学生对所做的实验内容可以选择以满足实验计划学时为准。

通过实验学生巩固了课堂教学的内容，也为今后实际工作打下了一定技术基础。

本指导书由王尚君、毛一心老师共同编写，穆志纯教授进行了严格的审阅工作。

由于计算机性能的快速提高，计算机控制的技术手段也在不断出新，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。

编者

2007年10月

目录2

实验一过程通道和数据采集处理4

一、输入与输出通道4

1.AD转换实验`5

2.DA转换实验`7

二、信号的采样与保持`9

1.零阶保持实验`9

2.直线插值实验*`11

3.二次曲线插值实验*`11

三、数字滤波15

1.一阶惯性实验16

2.四点加权实验*16

实验二开环系统的数字程序控制19

数字PWM发生器和直流电机调速控制19

一、实验目的19

二、实验内容`19

三、实验所用仪表及设备19

四、实验原理及步骤20

五、思考题21

实验三数字PID闭环控制22

数字PID控制算法22

积分分离法PID控制23

带死区的PID控制*27

简易工程法整定PID参数30

扩充临界比例度法30

扩充响应曲线法32

附录一I386EX系统板引出管脚排列及名称47

附录二INTEL386TMEX嵌入式处理器框图50

附录三实验程序名称列表实验报告内容及要求51

附录四模拟平台布局图52

实验一过程通道和数据采集处理

为了实现计算机对生产过程或现场对象的控制，需要将对象的各种测量参数按要求转换成数字信号送入计算机；经计算机运算、处理后，再转换成适合于对生产过程进行控制的量。

所以在微机和生产过程之间，必须设置信息的传递和变换的连接通道，该通道称为过程通道。

它包括模拟量输入通道、模拟量输出通道、数字量输入通道、数字量输出通道。

模拟量输入通道：

主要功能是将随时间连续变化的模拟输入信号变换成数字信号送入计算机，主要有多路转化器、采样保持器和A/D转换器等组成。

模拟量输出通道：

它将计算机输出的数字信号转换为连续的电压或电流信号，主要有D/A转换器和输出保持器组成。

数字量输入通道：

控制系统中，以电平高低和开关通断等两位状态表示的信号称为数字量，这些数据可以作为设备的状态送往计算机。

数字量输出通道：

有的执行机构需要开关量控制信号（如步进电机），计算机可以通过I/O接口电路或者继电器的断开和闭合来控制。

输入与输出通道

本实验教程主要介绍以A/D和D/A为主的模拟量输入输出通道，A/D和D/A的芯片非常多，这里主要介绍人们最常用的ADC0809和TLC7528。

一、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

二、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转换产生周期性三角波，并用示波器观察波形。

三、实验设备

PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块

四、实验原理与步骤

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，其主要特点为：

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。

TD-ACC+教学系统中的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应用时钟1MCLK（1MHz）上。

其它控制线根据实验要求可另外连接（A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0～IN7）。

根据实验内容的第一项要求，可以设计出如图1.1-1所示的实验线路图。

单次阶跃模数转换单元控制计算机

图1.1-1

上图中，AD0809的启动信号“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＝定时器时常。

图中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：

主程序

图1.1-2

参考程序：

请参照随机软件中的example目录中ACC1-1-1.ASM文件

实验步骤与结果：

（1）打开联机操作软件，参照流程图，在编辑区编写实验程序。

检查无误后编译、链接。

（2）按图1.1-1接线（注意：

图中画“o”的线需用户自行连接），连接好后，请仔细检查，无错误后方可开启设备电源。

（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者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”窗口或者直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量“AD0～AD9”加入到变量监视中。

在查看菜单项中的工具栏中选中变量区或者点击变量区图标，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JMPAGAIN语句处设置断点。

具体操作为：

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（B）”或者直接点击“设置断点/删除断点”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1.1-1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1.1-1中的单次阶跃中的电位器，确定好模拟输入电压值。

-5V

（7）做好以上准备工作后，运行程序（打开“调试”菜单项中的“运行到断点/运行”或者点击“运行到断点/运行”图标），程序将在断点处停下，查看变量“AD0～AD9”的值，取平均值记录下来，改变输入电压并记录，最后填入表1.1-1中。

表1.1-1

模拟输入电压（V）

对应的数字量（H）

－5

00

－4

19

－3

32

－2

56

－1

65

0

82

＋1

99

＋2

B3

＋3

CB

＋4

E6

＋5

FF

本节实验仅仅就软件的相关功能做简单介绍，该软件的具体操作与说明请详见本实验教程的“第1部分第4章联机软件说明”。

2．D/A转换实验

本实验采用TLC7528芯片，它是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。

其主要参数如下：

转换时间100ns，满量程误差1/2LSB，参考电压－10V~+10V，供电电压+5V~+15V，输入逻辑电平与TTL兼容。

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。

片选线预留出待实验中连接到相应的I/O片选上，具体如图1.1-3。

实验步骤及结果：

（1）参照流程图1.1-4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。

图1.1-5

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，用万用表分别测“OUT1”和“OUT2”的输出电压，应在0mV左右。

参考流程：

主程序

图1.1-4

参考程序：

请参照随机软件中的example目录中的ACC1-1-2.ASM文件。

信号的采样与保持

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。

三、实验设备

PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块

四、实验原理与步骤

零阶保持

香农（采样）定理：

若对于一个具有有限频谱（|W|

Wmax为信号的最高频率，Ws为采样频率。

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。

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：

基于上面的实验线路，可以设计如下的参考程序流程。

实验参考程序：

请参照随机软件中的example目录中的ACC1-2-1.ASM文件。

*信号的还原原理

（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Ws比2Wmax大，如：

Ws≥10Wmax。

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，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。

直线插值法（取Ws>5Wmax）

利用式1.2-1在点（X0,Y0）和（X1,Y1）之间插入点（X,Y）

Y=Y0+K（X−X0）式1.2-1

其中：

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。

二次曲线插值法（取Ws>3Wmax）：

Y=Y0+（X−X0）[K1+K2（X−X1）]式1.2-2

其中K1=

，K2=

（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。

上图中，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。

（3）参考程序流程图设计

实验参考程序：

直线插值法参照随机软件中的example目录中的ACC1-2-2.ASM文件，二次曲线插值法请参照随机软件中的example目录中的ACC1-2-3.ASM文件。

实验步骤及结果

1.采样与保持

（1）参考流程图1.2-2编写零阶保持程序，编译、链接。

（2）按照实验线路图1.2-1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”。

“OUT1”端的参考波形如图1.2-5所示。

（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应该失真，记录此时的采样周期，验证香农定理。

Tk=34H

数字滤波

一、实验目的

1.学习和掌握一阶惯性滤波

2.学习和掌握四点加权滤波

二、实验内容

分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。

三、实验设备

PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块

四、实验原理与步骤

一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种。

由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点，被广泛应用，下面是一个典型数字滤波的方框图：

数模转换

OUT

模数转换

IN7

控制

计算机

1．滤波器算法设计

一阶惯性滤波：

相当于传函

的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式

YK=（1−a）XK+（a）YK−1

XK：

当前采样时刻的输入

YK：

当前采样时刻的输出

YK-1：

前一采样时刻的输出

T：

采样周期，1-a=

四点加权滤波算法为：

YK=A1XK+A2XK-1+A3XK-2+A4XK-3（式中

A1=1）

XK：

当前采样时刻的输入

XK-1：

前一采样时刻的输入

YK：

当前采样时刻的输出

2．参考流程图：

实验中的参数：

1－a、a、A1、A2、A3、A4为十进制2位小数（BCD码），取值范围：

0.00～0.99，只须对应存入00～99。

程序中将其转换成二进制小数，再按算式进行定点小数运算。

实验参考程序：

一阶惯性请参照随机软件中的example目录中的ACC1-3-1.ASM，四点加权参照ACC1-3-2.ASM。

3．实验线路图：

图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行搭接。

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。

电路中用RC电路将S端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。

注意R点波形不要超过±5V，以免数字化溢出。

计算机对有干扰的正弦信号R通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C输出。

实验步骤及结果

1.参照流程图分别编写一阶惯性和四点加权程序，检查无误后编译、链接。

2.按图1.3-3接线，检查无误后开启设备电源。

调节正弦波使其周期约为2S，调信号源单元使其产生周期为100ms的干扰信号（从“NC”端引出），调节接线图中的两个47K电位器使正弦波幅值为3V，干扰波的幅值为0.5V。

3.分别装载并运行程序，运行前可将“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R点和C点，比较滤波前和滤波后的波形。

一阶惯性:

Tk=01

Tk=08

四点加权:

Tk=01H

Tk=0.8

4.如果滤波效果不满意，修改参数，再运行程序，观察实验效果。

参数

Tk16进制

Ts（ms）

1-a

a

A1

A2

A3

A4

滤波前后正弦幅值比

滤波前后干扰幅值比

项目

一阶惯性

01

5

10

90

3/3

0.5/0.1

08

40

10

90

3/2.15

0.5/0

四点加权

01

5

30

30

20

20

3/3

0.5/0.4

08

40

30

30

20

20

3/3

0.5/0.2

不适当的应用数字滤波反而会降低控制效果，甚至造成系统不稳定。

在实际应用中，对于参数变化缓慢的（如温度）可用惯性滤波，对于参数变化快的信号可用加权平均滤波。

实验二开环系统的数字程序控制

数字PWM发生器和直流电机调速控制

一、实验目的

掌握脉宽调制（PWM）的方法。

二、实验内容

用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制。

三、实验设备

PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块

四、实验原理与步骤

1．PWM（PulseWidthModulation）简称脉宽调制（见图2.1-1）。

即，通过改变输出脉冲的占空比，实现对直流电机进行调速控制。

VHVL

图2.1-1

2．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2.1-2

图中，“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。

本实验中，由系统产生1ms的定时中断。

在中断处理程序中完成PWM脉冲输出。

最后通过控制计算机的数字量输出端DOUT0引脚来模拟PWM输出，并经达林顿管输出驱动直流电机，实现脉宽调制。

3．参考流程图

图2.1-3

实验参考程序：

请参照随机软件中的example目录中的ACC2-2-1.ASM。

实验步骤

1．参考实验线路图的说明及流程图2.1-3，编写相应的主程序及PWM子程序，检查无误后编译、链接。

2．按图2.1-2接线，检查无误后开启设备的电源。

3．装载程序，将全局变量TK（PWM周期）和PWM_T（占空比）加入监视，以便实验过程中修改。

4．运行程序，观察电机运行情况。

5．终止程序运行，加大脉冲宽度，即将占空比PWM_T变大，重复第3步，再观察电机的运行情况，此时电机转速应加快。

电机每转动一圈，“HR”端（霍尔元件的输出端）就会输出一个脉冲，用虚拟仪器中示波器的一路表笔测“HR”端的脉冲信号可算出电机此时的转速。

Tk=0C8H;PWM_T=28H;FPWM=01H;

HR

6．注意：

在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0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时，直流电机将全速转动，如果长时间直流电机处于全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0的排线拔掉或按系统复位键。

实验三数字PID闭环控制

按闭环系统误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID调节器（也叫PID控制器）。

它是在连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。

随着计算机技术的飞速发展，PID控制算法可以用计算机程序实现了，而这进一步拓宽了PID调节器的应用领域，出现了各种新型数字PID控制器。

本章将从多个方面来开展数字PID控制器的实验研究。

数字PID控制算法

在模拟调节系统中，PID算法表达式为：

在计算机系统中，离散的数字PID算法可以表示为位置式PID控制算式，或增量式PID控制算式。

位置式PID控制算式为：

T：

采样周期，

k：

采样序号，

u（k）：

第k次采样调节器输出，

e（k）：

第k次采样误差值，

e（k－1）：

第（k－1）次采样误差值

增量式PID控制算式为：

增量式与位置式相比具有以下优点：

1．增量式算法与最近几次采样值有关，不需要进行累加，因此，不易产生累积误差，控制效果较好。

2．增量式中，计算机只输出增量，误动作（计算机故障或干扰）影响小。

3．在位置式中，由手动到自动切换时，必须使输出值等于执行机构的初始值，而增量式只与本次的误差值有关，更易于实现手动到自动的无扰动切换。

4．增量式控制算法因其特有的优点在控制系统中应用比位置式更加广泛。

积分分离法PID控制

一、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

二、实验设备

PC机一台，TD－ACC＋实验系统一套，i386EX系统板一块

三、实验原理和内容

图3.2－1

图3.2－1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可设计如下，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。

图3.2－2

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，“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。

这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制机的定时器作为基准时钟（初始化为10ms），定时采集“IN7”端的信号，并通过采样中断读入信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。

本实验中，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，以及系统有惯性和滞后，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，可采用积分分离法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。

图10.2－3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。

图3.2－3

实验参考程序：

请参照随机软件中的example目录中的ACC3―2―1.ASM。

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