計算機控制技術(shù)實驗指導(dǎo)

1、計篇機控制技求實驗犒導(dǎo)和二丿瘤修勤郭鵬編著章茨郵電衣禽創(chuàng)幼祀禽浣專止實瞼屮m2006.12實驗一、過程通道和熬據(jù)來集處您實驗為了實現(xiàn)計算機對生產(chǎn)過程或現(xiàn)場對象的控制，需要將對象的各種測量參數(shù)按要求轉(zhuǎn)換成數(shù) 字信號送入計算機；經(jīng)計算機運算、處理后，再轉(zhuǎn)換成適合于對生產(chǎn)過程進行控制的量。所 以在微機和生產(chǎn)過程z間，必須設(shè)置信息的傳遞和變換的連接通道，該通道稱為過程通道。 它包括模擬量輸入通道、模擬量輸出通道、數(shù)字量輸入通道、數(shù)字量輸出通道。模機董輸入通道'主要功能是將隨時間連續(xù)變化的模擬輸入信號變換成數(shù)字信號送入計算機, 主耍有多路轉(zhuǎn)化器、采樣保持器和a/d轉(zhuǎn)換器等組成。棧靱屢輸出通道，它

2、將計算機輸出的數(shù)字信號轉(zhuǎn)換為連續(xù)的電壓或電流信號，主要有d/a轉(zhuǎn) 換器和輸出保持器組成。澈g量輸入通道：控制系統(tǒng)中，以電平高低和開關(guān)通斷等兩位狀態(tài)表示的信號稱為數(shù)字量， 這些數(shù)據(jù)可以作為設(shè)備的狀態(tài)送往計算機。毅g董輸出通道：有的執(zhí)行機構(gòu)需要開關(guān)量控制信號（如步進電機），計算機可以通過i/o 接口電路或者繼電器的斷開和閉合來控制。輸入與輸出通道本實驗主要介紹以a/d和d/a為主的模擬量輸入輸出通道，a/d和d/a的芯片非常多，這 里采用的是最常用的adc0809和tlc7528o實驗?zāi)康?. 學(xué)習(xí)a/d轉(zhuǎn)換器原理及接口方法，并掌握adc0809芯片的使用3.學(xué)習(xí)d/a轉(zhuǎn)換器原理及接口方法，并掌握

3、tlc7528芯片的使用實驗設(shè)備pc機一臺，td-acc+實驗系統(tǒng)一套，i386ex系統(tǒng)板一塊實驗內(nèi)容1. 編寫實驗程序，將一5v+5v的電壓作為adc0809的模擬量輸入，將轉(zhuǎn)換所得的8位數(shù) 字量保存于變量中。2. 編寫實驗程序，實現(xiàn)d/a轉(zhuǎn)換產(chǎn)生周期性三角波，并用示波器觀察波形實驗原理1. a/d轉(zhuǎn)換實驗adc0809芯片主要包括多路模擬開關(guān)和a/d轉(zhuǎn)換器兩部分，其主要特點為：單電源供電、工作吋鐘clock最高可達到1200khz、8位分辨率，8個單端模擬輸入端，ttl電平兼容等, 可以很方便地和微處理器接口。td-acc+教學(xué)系統(tǒng)中的adc0809芯片，其輸出八位數(shù)據(jù)線以 及clock線

4、已連到控制計算機的數(shù)據(jù)線及系統(tǒng)應(yīng)用吋鐘1mclk (1mhz)上。其它控制線根據(jù) 實驗要求可另外連接(a、b、c、str、/oe、eoc、in0in7)。根據(jù)實驗內(nèi)容的第一項要求, 可以設(shè)計出如圖1t所示的實驗線路圖。上圖中，ad0809的啟動信號“str”是曲控制計算機定吋輸出方波來實現(xiàn)的?！皁ut1”表示386ex 內(nèi)部1#定吋器的輸出端，定吋器輸出的方波周期=定吋器吋當(dāng)。圖中adc0809芯片輸入選通 地址碼a、b、c為“1”狀態(tài)，選通輸入通道tn7；通過單次階躍單元的電位器可以給a/d轉(zhuǎn)換 器輸入一5v +5v的模擬電壓；系統(tǒng)定時器定吋ims輸出方波信號啟動a/d轉(zhuǎn)換器，并將a/d轉(zhuǎn)換

5、完后的數(shù)據(jù)量讀入到控制計算機中，最后保存到變量中。參考流程： 實驗步驟與結(jié)果:(1) 打開聯(lián)機操作軟件，參照流程圖，在編輯區(qū)編寫實驗程序。檢查無誤后編譯、鏈接。(2) 按圖1-1接線(注意：圖中畫的線需用戶自行連接),連接好后，請仔細檢查，無錯誤后方可開啟設(shè)備電源。(3) 裝載完程序后，系統(tǒng)默認(rèn)程序的起點在主程序的開始語句。用戶可以自行設(shè)置程序起點,可先將光標(biāo)放在起點處，再通過調(diào)試菜單項中設(shè)置起點或者直接點擊設(shè)置起點圖標(biāo)，即可將 程序起點設(shè)在光標(biāo)處。加入變量監(jiān)視，具體步驟為：打開“設(shè)置”菜單項中的“變量監(jiān)視”窗口或者直接點擊 “變量監(jiān)視”圖標(biāo)，將程序中定義的全局變量“adoad9”加入到變量監(jiān)

6、視中。在查看菜單 項中的工具欄中選中變量區(qū)或者點擊變量區(qū)圖標(biāo)，系統(tǒng)軟件默認(rèn)選中寄存器區(qū)，點擊“變量 區(qū)”可查看或修改要監(jiān)視的變量。(4) 在主程序jmp again語句處設(shè)置斷點。具體操作為：先將光標(biāo)置于要設(shè)斷點的語句，然 后在調(diào)試菜單項中選擇“設(shè)置斷點/刪除斷點”或者直接點擊“設(shè)置斷點/刪除斷點”圖標(biāo), 即可在木語句設(shè)置或刪除斷點。(5) 打開虛擬儀器菜單項屮的萬用表選項或者直接點擊萬用表圖標(biāo)，選擇“電壓檔”用示波 器單元中的“ch1”表筆測量圖1-1中的模擬輸入電壓“y”端，點擊虛擬儀器中的“運行” 按鈕，調(diào)節(jié)圖1-1中的單次階躍中的電位器，確定好模擬輸入電壓值。做好以上準(zhǔn)備工作后，運行程

7、序(打開“調(diào)試”菜單項屮的“運行到斷點/運行”或者點 擊“運行到斷點/運行”圖標(biāo))，程序?qū)⒃跀帱c處停下，查看變量“adoad9”的值，取平均 值記錄下來，改變輸入電壓并記錄，最后填入表1-1中。2d/a轉(zhuǎn)換實驗本實驗采用tlc7528芯片，它是8位、并行、兩路、電壓型輸出數(shù)模轉(zhuǎn)換器。其主要參數(shù) 如下：轉(zhuǎn)換時間100ns,滿量程誤差1/2 lsb,參考電壓一10v +10v,供電電壓+5廠+15v, 輸入邏輯電平與ttl兼容。實驗平臺屮的tlc7528的八位數(shù)據(jù)線、寫線和通道選擇控制線 已接至控制計算機的總線上。片選線預(yù)留出待實驗中連接到相應(yīng)的t/0片選上，具體如圖 1一3。圖1-3以上電路是t

8、lc7528雙極性輸出電路,輸出范圍一5v+5v?！皐101” 和“w102”分別為a路和b路的調(diào)零電位器，實驗前先調(diào)零，往 tlc7528的a 口和b 口屮送入數(shù)字量80h,分別調(diào)節(jié)“w101 ”和“w102”電位器，用萬用表分別測“0ut1 ”和“0ut2”的輸出電壓, 應(yīng)在omv左右。參考流程：圖14實驗步驟與結(jié)果:(1) 參照流程圖1-4編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接并裝載到控制計算機屮。(2) 運行程序，用示波器觀測輸出波形。實驗二.信號的采祥鳥保持實驗?zāi)康?. 熟悉信號的采樣和保持過程2. 學(xué)習(xí)和掌握香農(nóng)（采樣）定理3. 學(xué)習(xí)用直線插值法和二次曲線插值法還原信號 實驗設(shè)備pc機

9、一臺，td-acc+實驗系統(tǒng)一套，i386ex系統(tǒng)板一塊實驗內(nèi)容1. 編寫程序，實現(xiàn)信號通過a/d轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量送到控制計算機，計算機再把數(shù)字量 送到d/a轉(zhuǎn)換器輸出。2. 編寫程序，分別用直線插值法和二次曲線插值法還原信號。實驗原理1. 采樣與保持香農(nóng)（采樣）定理：若對于一個具有有限頻譜（0|<%ax）的連續(xù)信號/進行釆樣，當(dāng)釆樣頻率滿足© > 2max時，則采樣函數(shù)r（t）能無失真地恢復(fù)到原來的連續(xù)信號/（r）。 ©nax為信號的最高頻率，dy為采樣頻率。實驗線路圖：本實驗中，我們將具體來驗證香農(nóng)定理?？稍O(shè)計如卜的實驗線路圖，圖中畫 的線需用戶在實驗中自

10、行接好，其它線系統(tǒng)己連好。圖2-1上圖屮，控制計算機的“0ut1”表示386ex內(nèi)部1#定時器的輸出端，定時器輸出的方波周期=定時器時常,“irq7”表示386ex內(nèi)部主片8259的“7”號中斷,用作釆樣中斷。 這里，正弦波單元的“out”端輸出周期性的正弦波信號，通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元的“爪7”端輸 入,系統(tǒng)用定吋器作為基準(zhǔn)吋鐘（初始化為10ms）,定吋采集“in7”端的信號，轉(zhuǎn)換結(jié)束產(chǎn) 生采樣屮斷，在屮斷服務(wù)程序屮讀入轉(zhuǎn)換完的數(shù)字量，送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，在“0ut1”端輸 出相應(yīng)的模擬信號。由于數(shù)模轉(zhuǎn)換器有輸出鎖存能力，所以它具有零階保持器的作用。采樣周期t= tkxioms, tk的范圍為01f

11、fh,通過修改tk就可以靈活地改變采樣周期，后面實驗的采樣周期設(shè)置也是如此。 參考程序流程：基于上面的實驗線路,口 j以設(shè)計如下的參考程序流程。圖2-22. 信號的還原仃）實驗原理對于信號的采集，只要選擇恰當(dāng)?shù)牟蓸又芷?，就不會失去信號的主要特征?max。但是如果采從香農(nóng)定理可知， 在實際應(yīng)用中，一般總是取實際釆樣頻率0$比26ymax大，如：用插值法恢復(fù)信號，就可以降低對采樣頻率的要求，香農(nóng)定理給出了采樣頻率的下限，但是 用不同的插值方法恢復(fù)信號需要的采樣頻率也不相同。 直線插值法（取© n 5色皿）其中:乙一嶺/x。利用式1.2 -1在點（x0, y0）和（x1,y1）之間插入點

12、（x,y） y = y. + k（ x x。）x1-x0為釆樣間隔，y1-y0分別為xi和x0采樣時刻的ad采樣值。二次曲線插值法(取3cmax):y*+(x xo)(+k2(x xj丫2-乙)人-嶺(x2-x。x-x。丿x2 x|(2)實驗線路圖設(shè)計為了驗證上面的原理，可以設(shè)計如下的實驗線路圖，圖中畫“o”的線需用戶在實驗中白行接好，其它線系統(tǒng)已連好。圖2-1屮，控制計算機“0lt1”表示386ex內(nèi)部1#定時器的輸出端，定時器輸出的方周期=定時器時常，“irq7”表示386ex內(nèi)部主片8259的7號屮斷，用作采樣中斷。里，正弦波單元的“out”端輸出周期性止弦波信號，通過模數(shù)單元的“in7

13、” 端輸入，系統(tǒng)用定時器作為基準(zhǔn)時鐘(初始化為10ms),定時采集“in7”端的信號，并通 過控制機算計讀取轉(zhuǎn)換完后的數(shù)字量，再送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，由“0ut1”端輸岀相應(yīng)的模擬 信號。釆樣周期t= tkxioms, tk的范圍為01ffh。采樣腮腫中斷回中戕回圖2-3實驗步驟及結(jié)果1. 采樣與保持(1)參考流程圖2-2編寫零階保持程序，編譯、鏈接。(2)按照實驗線路圖2-1接線，檢查無誤后開啟設(shè)備電源。用示波器的表筆測量止弦波單元的“out”端，調(diào)節(jié)止弦波單元的調(diào)幅、調(diào)頻電位器及撥 動開關(guān)，使得“out”端輸出幅值為3v,周期1s的正弦波。加載程序到控制機屮，將采樣周期變量“tk”加入到變量監(jiān)

14、視屮，運行程序，用示波器 的另一路表筆觀察數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出端“0ut1”。(5)增大采樣周期，當(dāng)采樣周期>0. 5s吋，即tk>32h吋，運行程序并觀測數(shù)模轉(zhuǎn)換單元 的輸出波形應(yīng)該失真，記錄此吋的采樣周期，驗證香農(nóng)定理。2. 信號的還原(1) 參考流程圖2-3分別編寫直線插值和二次曲線插值程序，并編譯、鏈接。(2) 按照線路圖2-4接線，檢查無誤后，開啟設(shè)備電源。調(diào)節(jié)正弦波單元的調(diào)幅、調(diào)頻電位器，使正弦波單元輸出幅值為3v,周期1s的正弦波。(3) 分別裝載并運行程序，運行程序前將采樣周期變量tk加入到變量監(jiān)視中，方便實驗 屮觀察和修改。用示波器觀察數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的輸出，和零階保持

15、程序的運行效果進行比較。 由上述結(jié)果可以看出：在采樣頻率ws = lowmax時，用三種方法還原信號，直線插值要好于 零階保持，二次曲線插值好于宜線插值。采用合理的插值算法可以降低信號的失真度，在允 許的范圍內(nèi)可以有效地降低對采樣頻率的要求。(4) (3)中是在同一采樣頻率下，比較三種方法還原信號的效果，實驗中也可比較一種還原方 法在不同采樣頻率下的效果。對于零階保持來說：當(dāng)采樣頻率2信號頻率的10倍吋。即tk 15, 圾°ah信號的還原效果較好對于直線插值來說：當(dāng)采樣頻率2信號頻率的5倍時。即人呂 m tk <14/7信號的還原效果較好。對于二次曲線插值來說：當(dāng)采樣頻率2信號

16、頻率的3倍時。即圾wg'is, tk <2h信號的還原效果較好。實驗三、眾b粕披制器殺針鳥實觀實驗實驗?zāi)康?. 掌握最小拍有紋波控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。2. 掌握最小拍無紋波控制系統(tǒng)的設(shè)計方法。實驗設(shè)備pc機一臺，td-acc*實驗系統(tǒng)一套，i386ex系統(tǒng)板一塊實驗原理及內(nèi)容典型的最小拍控制系統(tǒng)如圖3-1所示，其中d(z)為數(shù)字調(diào)節(jié)器，g(z)為包括零階保持器在內(nèi)的廣義對象的脈沖傳遞函數(shù)，(z)為閉環(huán) 脈沖傳遞函數(shù)，c(z)為輸出信號的z變換，r(z)為輸入信號的z變換。圖3-1閉環(huán)z傳遞函數(shù)竝)=dgl + d(z)g(z)誤差z傳遞函數(shù)= 0) = 1 0 =1 + z)g 口

17、 j得最小拍控制系統(tǒng)的數(shù)字調(diào)節(jié)器為:d(z)=u(z) = 1-竝(乙)=0(z)帀0e g 一 g1-0(z)將d(z)衣示成計算機可實現(xiàn)的有理多項式:d(z) =u(z)=仏+仏廠+心廠+心廣3£(zj i + p + p + p.r3式中e(z)為誤差輸入，u(z)為輸岀。將d(z)式寫成差分方程，則有：u 伙)=k°e(k) + ke(k 1) + k2e(k-2) + k3e(k 3) -p.u(k-l) -p2u(k-2)- p3u(k 3)式中：e(k)、e(k_3)為誤差輸入，u(k)、"(k 3)計算機輸出1.小拍有紋波系統(tǒng)設(shè)計圖3-2是一個典型

18、的最小拍控制系統(tǒng)。t/(z)0.5435 0.2廠1 + 0.717z-1ko = 0.5435k、= -0.2k2=0心=0p = 0.717< 4=0當(dāng)階躍輸入信號幅值為2.5v吋，2 5e二0er=(1 -廠)廠一r = 2.51-zu(z) = d(z) e(z) = 1.3590 1.4744 廠 + 1.057 k-2-0.7580r3 -2. 最小拍無紋波系統(tǒng)設(shè)計有紋波系統(tǒng)雖然在采樣點上的誤差為零，但不能保證采樣點之間的誤差值也為零，因此存在 紋波現(xiàn)象。無紋波系統(tǒng)設(shè)計只要使u(z)是z"的冇限多項式，則可以保證系統(tǒng)輸出無紋波。即:nn(i用廠)" z r

19、i(i一乙廠) z=1式中pi、zi 分別是g(z)的極點和零點。為了使u(z)為有限多項式，只要(z)的零點包含g的全部零點即可，這也是最小扌n無紋 波設(shè)計和冇紋波設(shè)計的唯一不同點。如圖1-2所示，針對單位斜波輸入，無紋波系統(tǒng)控制算法可設(shè)計為：0.7650 0.7302 廠 +0.1651廠2e(z)k。= 0.7650 k、= -0.7302 心=0.1651 心=0p = -0.4080< p2 = -0.5920鳥=01-0.4080 廠-05920廣23. 實驗線路圖圖32所示的方框圖，其硬件電路原理及接線圖可設(shè)計如下，圖屮畫“o”的線需在實驗屮 自行接好，對象需在運放單元搭接

20、。上圖中，控制計算機的“0ut1”表示386ex內(nèi)部1#定吋器的輸出端，定吋器輸出的方波周 期=定時器時常，“irq7”表示386ex內(nèi)部主片8259的7號中斷,用作釆樣中斷，“dino” 表示386ex的i/o管腳p1.0,在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。這里，系統(tǒng)誤 差信號e通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元“in7”端輸入，控制計算機的定吋器作為基準(zhǔn)吋鐘(初始化為 10ms),定吋采集“in7”端的信號，通過采樣屮斷讀入信號e的數(shù)字量，并將采樣值進行d(z) 計算，得到相應(yīng)的控制量，再把控制量送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，在“0ut1”端輸出相應(yīng)的模擬信 號，來控制對象系統(tǒng)。ststs 樹outoeqhd-b

21、<k)-cd)+5vstrecoclockdoin7d7i386ex cpucsoutawrrfbaaodo outb z rfbbd7dino0ut1irq71mhzi0y0-o4訐50k50k250k圖3-34. 數(shù)字控制器的實現(xiàn)圖3-4是數(shù)字控制器實現(xiàn)的參考程序流程圖。實驗參考、說明：采樣周期 t=tk10ibs,tk的取值范國為01hffh,所以 t 的范圍為10ms2550ms。例如：當(dāng)t=1s時，有t(s) 10.01(5)0.01= 100 = 64/7d(z)算式屮的 ki和pi取值范圍為一0.9999+0.9999,在參考程序屮分別用相鄰的三個字 節(jié)存儲其bcd碼,例如

22、:k0=0.5435, kl=0.2其存儲方式為kodb ooh, 54h, 35hkidb01h, 20h, 00h第一個字節(jié)表示符號，00h表示正數(shù)，01h表示負數(shù)。1. 參考流程圖34編寫程序，檢查無誤后編譯、鏈接。2. 按照實驗線路圖33接線。檢查無誤后開啟設(shè)備屯源。3. 將模擬實驗對象進行整定，具體整定方法參見附錄一。對象的輸入信號選擇：當(dāng)為有紋波 設(shè)計吋，選擇方波信號。調(diào)節(jié)電位器使方波信號的幅值為2.5v,周期為6s。當(dāng)為無紋波設(shè) 計吋，選擇單位斜波信號，斜波幅值為6s,上升時間為6so4. 分別將有紋波和無紋波設(shè)計方法得到的參數(shù)寫入程序，分別裝載并運行程序，用示波器觀 察對象的測

23、量點“c”和數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的“out1”端，并記錄波形進行分析。注意：實驗中 有紋波是針對階躍輸入設(shè)計，而無紋波是針對斜波輸入信號設(shè)計，所以實驗吋耍注意正確的 選擇信號源。實驗結(jié)果及分析最小拍控制系統(tǒng)的設(shè)計方法是簡便的，結(jié)構(gòu)也是簡單的，設(shè)計結(jié)果可以得到解析解，便于計 算機實現(xiàn)。但是最小拍設(shè)計存在如下一些問題：(1) 最小拍控制系統(tǒng)對輸入形式的適應(yīng)性差，當(dāng)系統(tǒng)的輸入形式改變，尤其是存在隨機擾動 吋，系統(tǒng)的性能變壞。(2) 最小拍控制系統(tǒng)對參數(shù)的變化很敏感，在實驗過程中，隨著外部條件的變化，對象參數(shù) 的變化是不可避免的，以及計算機在計算過程中產(chǎn)生的誤差，從而使得實際輸出可能偏離期 望值。這也就是在做

24、最小拍設(shè)計實驗吋常常得不到預(yù)期效果的原因。實驗四、數(shù)字pid閉環(huán)控制實驗按閉環(huán)系統(tǒng)誤差信號的比例、積分和微分進行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為pid調(diào)節(jié)器(也叫pid 控制器)。它是在連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應(yīng)用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器。隨著計算機技術(shù)的飛速 發(fā)展，pid控制算法可以用計算機程序?qū)崿F(xiàn)了，而這進一步拓寬了 pid調(diào)節(jié)器的應(yīng)用領(lǐng)域, 出現(xiàn)了各種新型數(shù)字pid控制器。本實驗將從多個方面來開展數(shù)字pid控制器的實驗研究實驗?zāi)康? 了解pid參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2. 學(xué)習(xí)湊試法整定pid參數(shù)。3. 掌握積分分離法pid控制規(guī)律4. 掌握帶死區(qū)的pid控制規(guī)律5. 學(xué)習(xí)并掌握擴充臨界比例度法整定pid參數(shù)。

25、6. 學(xué)習(xí)并掌握擴充響應(yīng)曲線法整定pid參數(shù)。實驗設(shè)備pc機一臺，td-acc+實驗系統(tǒng)一套，1386ex系統(tǒng)板一塊預(yù)備知識：數(shù)字pid控制算法在計算機系統(tǒng)屮，離散的數(shù)字pid算法可以表示為位置式pid控制算式，或增量式pid控 制算式。位置式pid控制算式為：u 伙)=k 七伙)+ £ f+ * 伙)-心1)1厶戶o1t：采樣周期，k：采樣序號，u (k)：第k次采樣調(diào)節(jié)器輸出,e(k)：第k次采樣誤差值，e(k-l)：第(k-1)次采樣誤差值增量式pid控制算式為：td(e(k)-2e(k-l) + e(k-2)u(t) = aw(fc) + u(k 一 1)u 伙)=kp(e(

26、k) e(k-1) + e(k) + ti增量式與位置式相比具有以下優(yōu)點：1 增量式算法與最近幾次采樣值冇關(guān)，不需耍進行累加，因此，不易產(chǎn)生累積誤差，控制效 果較好。2. 增量式屮，計算機只輸出增量，誤動作(計算機故障或干擾) 影響小。3. 在位置式屮，由手動到自動切換時，必須使輸出值等于執(zhí)行機構(gòu)的初始值，而增量式只與 本次的誤差值冇關(guān)，更易于實現(xiàn)手動到自動的無擾動切換。4. 增量式控制算法因其特有的優(yōu)點在控制系統(tǒng)中應(yīng)用比位置式更加廣泛。圖41積分分離法pid控制實驗1. 實驗原理及內(nèi)容圖41是一個典型的pid閉環(huán)控制系統(tǒng)方框圖，其硬件電路原理及接線圖可設(shè)計如下，圖中畫“o”的線需用戶在實驗中

27、自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。csoutawrrfbaa0do outb2 rfbbd70estrecoclockdozin7 d?acststs 儲if、out-a- - - - /圖4-2上圖屮，控制計算機的“out1”表示386ex內(nèi)部1#定吋器的輸出端，定時器輸出的方波 周期=定時器時常，trq7”表示386ex內(nèi)部主片8259的7號中斷，用作采樣中斷，“dino”表示386ex的i/o管腳pi.o,在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。這 里，系統(tǒng)誤差信號e通過模數(shù)轉(zhuǎn)換單元“in7”端輸入，控制機的定時器作為基準(zhǔn)時鐘(初 始化為10ms),定時釆集“in7”端的信號，并通過采

28、樣中斷讀入信號e的數(shù)字量，并進行 pid計算，得到相應(yīng)的控制量，再把控制量送到數(shù)模轉(zhuǎn)換單元，由“0ut1”端輸出相 應(yīng)的模擬信號，來控制對象系統(tǒng)。木實驗中，采用位置式pid算式。在一般的pid控制中，當(dāng)有較大的擾動或大幅度改變給 定值時，會有較大的誤差，以及系統(tǒng)有慣性和滯后，因此在積分項的作用下，往往會使系統(tǒng) 超調(diào)變大、過渡時間變長。為此，可采用積分分離法pid控制算法，即：當(dāng)誤差e(k)較 大時，取消積分作用；當(dāng)誤差e(k)較小時才將積分作用加入。圖10.2-3是積分分離法pid控制實驗的參考程序流程圖。糸劎始化采祥摘服務(wù)廝采祥周期述減1摘返回pidw/f圖4-3為了便于實驗參數(shù)的調(diào)整，下面

29、討論pid參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響：(1) 增大比例系數(shù)kp-般將加快系統(tǒng)的響應(yīng)，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大 的比例系數(shù)會使系統(tǒng)有較大的超調(diào)，并產(chǎn)生振蕩，使系統(tǒng)穩(wěn)定性變壞。增大積分時間參數(shù)ti有利于消除靜差、減小超調(diào)、減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng) 靜差的消除將隨之減慢。(3) 增大微分時間參數(shù)td有利于加快系統(tǒng)響應(yīng)，使超調(diào)量減小，系統(tǒng)穩(wěn)定性增加，但系統(tǒng) 對擾動的抑制能力減弱，對擾動有較敏感的響應(yīng)。在調(diào)整參數(shù)時，可以使用湊試法。參考以上參數(shù)對控制過程的影響趨勢，對參數(shù)實行“先比 例，后積分，再微分”的步驟。(1) 首先整定比例部分。將比例系數(shù)kp由小變大，并觀察相應(yīng)的系統(tǒng)響應(yīng)，直到響

30、應(yīng)曲線 超調(diào)小、反應(yīng)快。如果系統(tǒng)沒有靜差，或者靜差小到允許的范圍內(nèi)，那么只需比例調(diào)節(jié)器即 可。（2）如果在比例調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)上系統(tǒng)的靜差不能滿足要求，則須加入積分作用。整定吋首先置 積分吋間ti為一較大值，并將第一步整定得到的比例系數(shù)kp縮小（如80%）,然后減小 積分吋間，使靜差得到消除。如果動態(tài)性能（過渡時間短）也滿意，則需pi調(diào)節(jié)器即可。 若動態(tài)性能不好，則需加入微分作用。整定吋，使微分吋間td從0變大，并相應(yīng)的改 變比例系數(shù)和積分吋間，逐步湊試，直到滿意結(jié)果。由于pid三個參數(shù)有互補作用，減小一 個往往可由幾個增犬來補償，因此參數(shù)的整定值不唯一，不同的參數(shù)組合完全有可能得到同 樣的效果。1

31、. 參考流程圖43編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接。2. 按照實驗線路圖42接線，檢查無誤后開啟設(shè)備屯源。3. 調(diào)節(jié)信號源屮的電位器及撥動開關(guān)，使信號源輸出幅值為 2v,周期6s的方波。確定 系統(tǒng)的采樣周期以及積分分離值。4. 裝載程序，將全局變量tk （采樣周期）、ei （枳分分離值）、kp （比例系數(shù)）、ti （積分系數(shù)） 和td （微分系數(shù)）加入變量監(jiān)視，以便實驗過程屮觀察和修改。5. 運行程序，將積分分離值設(shè)為最大值7fh（相當(dāng)于沒有引入積分分離），用示波器分別觀 測輸入端r和輸出端c。6. 如果系統(tǒng)性能不滿意，用湊試法修改pid 參數(shù)，直到響應(yīng)曲線滿意，并記錄響應(yīng)曲線 的超調(diào)量和過

32、渡吋間。7修改積分分離值為20h,記錄此時響應(yīng)曲線的超調(diào)量和過渡時間，并和未引入積分分離 值吋的響應(yīng)曲線進行比較。8.將6和7中的較滿意的響應(yīng)曲線分別保存，在畫板、photoshop中處理后粘貼到 word中，形成實驗報告。3. 實驗結(jié)果及分析引入積分分離法后，降低了系統(tǒng)輸出的超調(diào)量，并縮短了調(diào)節(jié)吋間。帶死區(qū)的pid控制實驗1. 實驗原理及內(nèi)容1.在計算機控制系統(tǒng)中，某些系統(tǒng)為了避免過于頻繁的控制動作，為了消除出于頻繁動作所 引起的振蕩，通常采用帶死區(qū)的pid控制系統(tǒng)，該系統(tǒng)實際上是一個非線性控制系統(tǒng)。其基本思想是：可以按實際需耍設(shè)置死區(qū)b,當(dāng)誤差的絕對值e（k） < b吋，p（k）為0

33、, u（k）也為常值，實際應(yīng)用中，常值是出經(jīng)驗值來確定的;幺伙)> b時，p(k)=e(k), u(k)以pid運算的結(jié)果輸出。圖442. 參考流程圖主廝pid子廝wig采祥摘服務(wù)瞬糸藏始化11#圖牛53. 圖44所示的的方框圖，其碩件電路原理圖及接線圖見圖46圖460ebstrcecoclockdoin7d7ststs 斷outcsoutawrrfbaaodo outb z rfbbd7hf50k '1. 參照圖45的流程圖編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接。2. 按照實驗線路圖4-6接線，檢查無誤后開啟設(shè)備電源。調(diào)節(jié)信號源屮的電位器和撥動開關(guān), 使信號源輸出幅值為4v,周期6

34、s的方波。3. 裝載程序，將全局變量tk （釆樣周期）、ei （積分分離值）、kp （比例系數(shù)）、ti （積分系數(shù)）、 td （微分系數(shù)）、pt（死區(qū)變量值）和const（常值）加入變量監(jiān)視，以便實驗過程屮觀察和 修改。4. 運行程序，將死區(qū)寬度b（pt）設(shè)為最小值00h （相當(dāng)于沒有引入死區(qū)控制），用示波器 分別觀測控制量輸出端u （即數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的“out1”端）和對象輸出端co5. 如果系統(tǒng)性能不滿意，用湊試法修改pid參數(shù)，直到響應(yīng)曲線滿意。6修改死區(qū)寬度b（pt）為02h,用示波器分別觀測控制量輸出端u（即數(shù)模轉(zhuǎn)換單元的 “out1”端）和對象輸出端c,記錄并和積分分離吋的響應(yīng)曲線進

35、行比較。3, 實驗結(jié)果及分析由上圖可以看出，帶死區(qū)的pid控制響應(yīng)曲線c產(chǎn)生了輕微的振蕩，但其偏差在規(guī)定范圍 內(nèi)；控制量u的輸出動作頻率比積分分離時明顯的降低了，從而降低了機械的磨損。如果死區(qū)寬度b值取得太大，則系統(tǒng)將產(chǎn)生較大的滯后；如果b值取得太小，使調(diào)節(jié)器輸 出過于頻繁，達不到預(yù)期的效果。簡易工程法整定pid參數(shù)實驗1. 實驗原理及內(nèi)容在連續(xù)系統(tǒng)中，模擬調(diào)節(jié)器的參數(shù)整定方法很多，但簡單易行的還是簡易工程法。這種方法 的優(yōu)點是整定參數(shù)吋不必依賴被控對象的數(shù)學(xué)模型，實際情況也是很難準(zhǔn)確地得到數(shù)學(xué)模型 的。簡易工程法是由經(jīng)典的頻率法簡化而來的，雖然稍微粗糙，但簡單易行，非常適用于現(xiàn) 場應(yīng)用。常用

36、的方法包括擴充臨界比例度法和擴充響應(yīng)曲線法。1)擴充臨界比例度法(x)實驗原理擴充臨界比例度法是對模擬調(diào)節(jié)器中的臨界比例度法的推廣，在工程實踐中最常用，其參數(shù) 整定步驟如下：(1) 選擇一個足夠小的采樣周期t,般取系統(tǒng)純滯后時間的1/10以下。(2) 使系統(tǒng)閉環(huán)工作，只用比例控制，增大比例系數(shù)kp 一直到系統(tǒng)等幅振蕩，記下此時的臨 界比例系數(shù)kpu和臨界振蕩周期tuo(3) 選擇控制度(1.052.0)?？刂贫戎笖?shù)字調(diào)節(jié)器和模擬調(diào)節(jié)器控制效果之比。(4) 根據(jù)控制度，查表41(見教材)計算出采樣周期t和kp、ti、tdo(2)實驗設(shè)計圖47是一個pid閉環(huán)控制系統(tǒng)的實驗電路原理及接線圖，圖中畫

37、的線需用戶在實驗 中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。其相應(yīng)的程序流程圖和圖45是一樣的，實驗中 的參數(shù)取值范圍規(guī)定為：wdinaststs 源ut 口不 o 300fstrec0s-imirq7cklochz002072kclk -( i m l c 一砒r0t3irc 一icstm附 m 一一二ao7k oxdk ok20rn2do xk00 lb j7 -d -xcswra0ou rftabado2d7ou rftb bbi50kz4k502圖47上圖屮，控制計算機的“0ut1”表示386ex內(nèi)部1#定吋器的輸出端，定時器輸出的方波 周期=定吋器吋常，“irq7”表示386ex內(nèi)部主片

38、8259的7號中斷，用作采樣中斷，“dino”表示386ex的i/o管腳p1.o,在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。 木實驗屮，將針對該閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用臨界比例度法來整定pid參數(shù)。2）擴充響應(yīng)曲線法（1）實驗原理擴充響應(yīng)曲線法是模擬調(diào)節(jié)器的響應(yīng)曲線法的一種擴充，也是一種常用的工程整定方法。其 參數(shù)整定步驟如下：（1）使數(shù)字調(diào)節(jié)器不接入系統(tǒng)，讓系統(tǒng)處于手動操作狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)穩(wěn)定在某一值處后，給對 象一個階躍輸入。（2）用儀表記錄下被調(diào)量在階躍輸入下的整個響應(yīng)曲線，圖中“ 0 ”表示對象的吋間常數(shù)；“ t ”表示對象的純滯后吋常（4）根據(jù)所得的8、工，計算出采樣周期t和kp、ti、td （方法見

39、教材）（2）實驗設(shè)計同樣，參考圖見圖47也是一個pid閉環(huán)控制系統(tǒng)的實驗電路原理及接線圖，圖屮眩的線需用戶在實驗中自行接好，對象需用戶在運放單元搭接。其相應(yīng)的程序流程圖和圖4-5是 一樣的。木實驗中，將針對該閉環(huán)系統(tǒng)應(yīng)用擴充響應(yīng)曲線法來整定pid參數(shù)。圖3.4-4中, 控制計算機的“out1”表示386ex內(nèi)部1#定時器的輸出端，定吋器輸出的方波周期=定 時器時常,“irq7”表示386ex內(nèi)部主片8259的7號中斷,用作釆樣中斷,“dino”表 示386ex的i/o管腳p1.0,在這里作為輸入管腳用來檢測信號是否同步。實驗屮，參考程序屮的參數(shù)取值范圍規(guī)定為：1. 擴充臨界比例度法（1）編寫程

40、序，檢查無誤后編譯、鏈接并裝載程序。（2）按照實驗線路圖47接線，調(diào)節(jié)信號源使其輸出幅值為3v,周期6s的方波。 由于模擬對象的慣性吋常約為250ms,取采樣周期t=50mso 裝載程序，將全局變量tk （采樣周期）、ei （積分分離值）、kp （比例系數(shù)）、ti （積分系數(shù)） 和td （微分系數(shù)）加入變量監(jiān)視，以便實驗過程中觀察和修改。 運行程序且只用比例控制（ei = 0, td=o）, kp由小變大，使系統(tǒng)等幅振蕩，記下此吋的 臨界比例系數(shù)kpu和臨界振蕩周期tuo 選擇控制度2.0,計算出采樣周期t和kp、ti、tdo(7)將參數(shù)重新寫入pid控制程序，運行程序并用示波器觀測輸入和輸出

41、，如果控制效果不 太滿意，可適當(dāng)結(jié)合湊試法調(diào)整參數(shù)，直到滿意為止。2. 擴充響應(yīng)曲線法(1)參照圖47接線，調(diào)節(jié)器先不接入系統(tǒng)中。圖中畫的線需用戶在實驗中自行接好, 對象需用戶在運放單元搭接。調(diào)節(jié)信號源使其“out”輸出幅值為2v,周期12s的方波。(3) 用示波器測量系統(tǒng)輸出“c”，并記錄下波形。在響應(yīng)曲線最大斜率處作切線，用游標(biāo)測 量，作圖求得滯后吋間t和對象吋常0。計算出t / 0 ,控制度選擇2.0時可求得數(shù)字 調(diào)節(jié)器的kp、tl td以及采樣周期t的初始值。(4) 按照圖47接線，將數(shù)字調(diào)節(jié)器接入系統(tǒng)，將以上得到的參數(shù)kp、ti、td和t重新 寫入程序中，然后編譯、鏈接。(5) 裝載

42、程序，將全局變量tk (采樣周期)、ei (積分分離值)、kp (比例系數(shù))、ti (積分系數(shù)) 和td (微分系數(shù))加入變量監(jiān)視，以便實驗過程中觀察和修改。(6) 運行程序，用示波器測量系統(tǒng)輸出“c”，觀察數(shù)字調(diào)節(jié)器在這組參數(shù)下的控制效果，若 不理想，可適當(dāng)調(diào)整參數(shù)，直到控制效果滿意為止。實驗思考題如何利用擴充響應(yīng)曲線法實現(xiàn)p、i、d參數(shù)自整定？實驗五dio、定時、計數(shù)及順序控制：實驗?zāi)康模?、掌握dio、定時、計數(shù)及順序控制的工作原理2、了解順序控制的過程與實驗方法3、掌握dio、定時器、計數(shù)器的使用方法：實驗要求：以實驗小組單位搭建dio、定時、計數(shù)及順序控制的實驗線路、編寫dio、定時

43、、計數(shù)的實 驗程序和順序控制數(shù)據(jù)采集的程序，調(diào)試實驗系統(tǒng)并分析實驗結(jié)果。三：實驗設(shè)備：工控機、計數(shù)卡（pcl720）、數(shù)字輸入輸出卡（ax5214）、可調(diào)直流電源、導(dǎo)線若干。四：實驗原理：（-）數(shù)字輸入輸出卡（ax5214）簡介5214是-塊48通道的數(shù)字輸入輸出板，分為兩個24通道的獨立端口，每個端口分為3組8 位的數(shù)字輸入輸出。1、基地址設(shè)置:權(quán)位8163264128256注：本實驗中ax5214基地址設(shè)置為300h2、i/o地址設(shè)置地址功能類型base+0端口一 a通道讀/寫base+1端m b通道讀/寫base+2端口一 c通道讀/寫base+3端口 -控制寄存器寫base+4端口二a

44、通道讀/寫base+5端口二b通道讀/寫base+6端口二c通道讀/寫base+7端口二控制寄存器寫3、控制寄存器說明：基址76543210+ 3 (7)xxxb4b3xb1b0端口 a端口 c （高端）端口 b端口 c （低端了1=輸入，0=輸出，x=任意（二）計數(shù)卡（pcl-720）簡介pcl-720是一塊數(shù)字i/o及計數(shù)卡，其接口比較復(fù)雜，一共有5個20針的接口，其屮cn1、cn3是do輸出接口，cn2、cn4是di輸入接口，cn5是計數(shù)器接口，本次實驗主要用到的就是cn5接口，它位t pcl720板卡的中部。1、cn5接口針腳定義clk12245668910111213141516cl

45、k1outigate1clk0outogate0clk表示8253的吋序輸入gate表示8253的門輸入gnd農(nóng)示地線out表示8253的信號輸出gndgnd+ 5v2、寄存器結(jié)構(gòu)和格式地址讀寫base+0d/o 07d/107base+1d/o8 15d/i815base+2d/o 16 23d/i 16 23base+3d/o 2431d/o 2431base+4計數(shù)器0的lsb或者msbbase+5計數(shù)器1的lsb或者msbbase+6計數(shù)器2的lsb或者msbbase+7控制字節(jié)lsb：低位字節(jié)msb：高位字節(jié)3、控制位格式說明bit76543210sci sco rl1 rlo m2

46、 ml mo bcd其中scx用于選擇計數(shù)器：rlx用于選擇讀或載入操作:scisco計數(shù)器號rl1rl0操作00000讓數(shù)器鎖閉01101讀載入lsb10210讀載入msb11無法識別11先讀lsb,然后讀msbmx用于選擇操作模式bcd用于選擇二進制或者bcd計數(shù)m2mlm0模式bcd類型00000二進制計數(shù)器16位00111bcd計數(shù)器x102x113100410154、基地址選擇pcl720的基地址選擇與其他卡相似，唯一-不同在與其跳線選擇on代表0, off代表1。（三）軟件編程（c語言）dio的每一個通道可以看作是一個8255芯片并行輸出（8位），采用語句outport （add,

47、x）向 端口輸出，語句x=inport（add）獲得某一個端口的輸入數(shù)據(jù)，其中add為端口的地址。延吋函數(shù)delay （xxxxx）,后面的xxxxx表示的是延遲的吋間（單位是毫秒）提示：我們可以把dio輸入輸出的某一個通道看作是一組八位的開關(guān)量，再用delay 函數(shù)進行吋間控制，就可以達到定吋的效果，多步延吋就可以做到順序控制。計數(shù)卡pcl-720的計數(shù)模式主要有五種五：實驗步驟：（一）對di0板（ax5214）進行初始化設(shè)置，設(shè)定初地址，了解控制字節(jié)的寫法。（二）編寫dio輸出程序，使接上di0通道之一的八位指示燈單雙位交替變化（注意 使用delay函數(shù)）（三）運用di0板卡構(gòu)建計數(shù)器（計

48、數(shù)范圍在00ff）,要求能實現(xiàn)計數(shù)，清零，溢出 報警等功能。七：試驗報告要求（-）要求畫出實驗電路圖。（二）附帶實驗使用的tc程序。u1 sg&u 15 sinu2shu3 u8u9 ncu10dacu12adcull du13spu14pu16au19scu17 driveru18 motor實驗六步進電機開環(huán)調(diào)速試驗一、實驗?zāi)康模?、掌握步進電機調(diào)速控制的工作原理2、了解控制的過程與實驗方法3、掌握dio、四項八拍電機的使用方法二、實驗要求：以實驗小組單位搭建dio、步進電機控制的實驗線路、編寫控制實驗程序，調(diào)試實驗系統(tǒng)并 分析實驗結(jié)果。三、實驗設(shè)備：工控機、tdn-ac/acs實

49、驗箱、數(shù)字輸入輸出卡（ax5214）、可調(diào)直流電源、導(dǎo)線若干。四、實驗原理：1、tdn-ac/acs系統(tǒng)簡介tdn-ac/acs系統(tǒng)由如下個單元電路構(gòu)成信號源發(fā)生單元電路：采樣保持器及單穩(wěn)單元電路：運算模擬單元電路：非線性用單元電路：數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元屯路： 模/數(shù)轉(zhuǎn)換單-元電路： 狀態(tài)指示燈單元：單節(jié)拍脈沖發(fā)生單元：電位器單元：-5v電源發(fā)生單元：信號測量單元：驅(qū)動單元：電機單元：高效開關(guān)電源：8088 cpu板和pc機進行通訊的串口2、實驗電機簡介木實驗使用35byj46型四項八拍電機，電壓為dc12v,其勵磁線圈及勵磁順序如下所示:123456785+4-+4-3-2-1-8255a 口輸出電平在各步中的情況如下:步序pa13