計算機控制技術(shù)實驗報告(DOC)

1、計算機控制技術(shù)實驗報告.(DOC)計算機控制技術(shù)實驗報告.(DOC)19/19計算機控制技術(shù)實驗報告.(DOC)計算機控制技術(shù)實驗報告實驗一信號的采樣與保持一、實驗目的1熟悉信號的采樣和保持過程。2學習和掌握香農(nóng)(采樣)定理。3學習用直線插值法和二次曲線插值法還原信號。二、實驗設備PC機一臺，TD-ACS實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊。三、實驗原理香農(nóng)（采樣）定理：若對于一個擁有有限頻譜（max）的連續(xù)信號f(t)進行采樣，當采樣頻率知足s2max時，則采樣函數(shù)f(t)能無失真地恢復到原來的連續(xù)信號f(t)。max為信號的最高頻率，s為采樣頻率。四實驗內(nèi)容1采樣與保持編寫程序，實現(xiàn)信號經(jīng)

2、過A/D變換器變換成數(shù)字量送到控制計算機，計算機再把數(shù)字量送到D/A變換器輸出。實驗線路圖如圖2-1所示，圖中畫“”的線需用戶在實驗中自行接好，其余線系統(tǒng)已連好。OUT1i386EXCPUSTRTMROUT1/IOY0/OEIRQ7INT3(主8259IRQ7)/IOY1/CSEOC1MHzCLOCKTMRCLK1正弦波OUT分頻WR#IN7/IOW/WR24MHzCLK2M/IO#AA0A0BOUT1CXD0D0D0+5VD7XD7D7模數(shù)變換單元控制計算機數(shù)模變換單元圖2-1采樣保持線路圖控制計算機的“OUT1”表示386EX內(nèi)部1#準時器的輸出端，準時器輸出的方波周期準時器時常，“IRQ

3、7”表示386EX內(nèi)部主片8259的“7”號中止，用作采樣中止。正弦波單元的“OUT”端輸出周期性的正弦波信號，經(jīng)過模數(shù)變換單元的“IN7”端輸入,系統(tǒng)用準時器作為基準時鐘（初始化為10ms），準時采集“IN7”端的信號，變換結(jié)束產(chǎn)生采樣中止，在中止服務程序中讀入變換完的數(shù)字量，送到數(shù)模變換單元，在“OUT1”端輸出相應的模擬信號。由于數(shù)模變換器有輸出鎖存能力，所以它擁有零階保持器的作用。采樣周期T=TK10ms，TK的范圍為01FFH，經(jīng)過更正TK就可以靈活地改變采樣周期，后邊實驗的采樣周期設置也是如此。零階采樣保持程序流程圖如圖2-2所示。采樣中止服務程序主程序（零階保持）系統(tǒng)初始化N采樣

4、周期到否？Y變量初始化讀取A/D采樣值，送D/A輸出等待中止還原采樣周期變量中止返回圖2-2零階采樣保持程序流程圖實驗步驟：1）參照流程圖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，檢查無誤后開啟設備電源。3）用示波器的表筆測量正弦波單元的“OUT”端，調(diào)節(jié)正弦波單元的調(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。4）加載程序到控制機中，將采樣周期變量“Tk”加入到變量監(jiān)察中，運行程序，用示波器的另一路表筆察看數(shù)模變換單元的輸出端“OUT1”。5）增大采樣周期，當采樣周期0.5S時，即Tk32H時，運行程序并察看數(shù)模變換單元的輸出波形應該失

5、真，記錄此時的采樣周期，考據(jù)香農(nóng)定理。2信號的還原編寫程序，分別用直線插值法和二次曲線插值法還原信號。從香農(nóng)定理可知，對于信號的采集，只要選擇適合的采樣周期，就不會失去信號的主要特點。在實際應用中，一般總是取實際采樣頻率s比2max大，如：s10max。但是如果采用插值法恢復信號，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信號需要的采樣頻率也不相同。（1）直線插值法（取s5max）利用式1.2-1在點（X0，Y0）和（X1，Y1）之間插入點（X，Y）。YY0K(XX0)Y1Y0其中：KX0X1X1-X0為采樣間隔，Y1-Y0分別為X1和X0采樣時刻的AD

6、采樣值。（2）二次曲線插值法（取s3max）：YY0(XX0)K1K2(XX1)Y2Y0Y1Y0其中，K1Y1Y0,X2X0X1X0X1X0K2X2X1直線插值與二次曲線插值程序流程圖如圖2-3所示。采樣中止服務程序采樣中止服務程序（直線插值）（二次曲線插值）采樣周期變量減一采樣周期變量減一采樣周期到否？YY采樣周期到否？ND/A輸出前一采樣值，計算K1NK1、K2D/A輸出前一采樣值，計算計算插值點并送D/A輸出計算插值點并送D/A輸出采樣周期更改還原采樣周期更改還原中止返回中止返回圖2-3直線插值與二次曲線插值程序流程圖實驗步驟：1）參照流程圖2-3分別編寫直線插值和二次曲線插值程序，并編

7、譯、鏈接。2）按照線路圖2-1接線，檢查無誤后，開啟設備電源。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)察中，方便實驗中察看和更正。用示波器察看數(shù)模變換單元的輸出，和零階保持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=10Wmax時，用三種方法還原信號，直線插值要好于零階保持，二次曲線插值好于直線插值。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

8、同采樣頻率下的效果。對于零階保持來說：當采樣頻率信號頻率的10倍時，即Tk11S,Tk0AH信10號的還原效果較好。對于直線插值來說：當采樣頻率信號頻率的5倍時，即T11S,T14H信k5k號的還原效果較好。對于二次曲線插值來說：當采樣頻率信號頻率的3倍時。Tk11S,Tk21H3信號的還原效果較好。五實驗結(jié)果采樣周期Tk=05H時的輸出波形：采樣周期Tk=33H時的輸出波形為：由獲得的實驗結(jié)果可以看出:采樣周期Tk=05H時，輸出波形與原來基真相同；Tk32H時輸出波形產(chǎn)生失真。信號還原實驗結(jié)果：Tk=0AH時，三種方法還原獲得的結(jié)果：直線差值的輸出波形：二次曲線插值的輸出波形：零階保持輸出

9、波形：實驗二數(shù)字濾波一、實驗目的1學習和掌握一階慣性濾波。2學習和掌握四點加權(quán)濾波。二、實驗設備PC機一臺，TD-ACS實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊。三、實驗原理一般現(xiàn)場環(huán)境比較惡劣，攪亂源比較多，除掉和抑制攪亂的方法主要有模擬濾波和數(shù)字濾波兩種，由于數(shù)字濾波方法成本低、可靠性高、無阻抗匹配、靈活方便等特點被廣泛應用。R模數(shù)控制數(shù)模C變換計算機變換圖3-1數(shù)字濾波方框圖（1）一階慣性濾波：1相當于傳函的數(shù)字濾波器，由一階差分法可得近似式：S1YK(1a)XKaYK1其中，XK為當前采樣時刻的輸入，YK為當前采樣時刻的輸出，YK1為前一采樣時刻的輸出，T為采樣周期，1T。a（2）四點加權(quán)

10、濾波：四點加權(quán)濾波算法公式：4YKA1XKA2XK1A3XK2A4XK3(Ai1)i1其中，XK為當前采樣時刻的輸入，XK1為前一采樣時刻的輸入，YK1為前一采樣時刻的輸出。數(shù)字濾波程序流程圖如圖3-2所示。主程序采樣中止程序采樣中止程序（一階慣性）（四點加權(quán)）系統(tǒng)初始化取A/D采樣值取A/D采樣值變量初始化計算YK=(1-a)XK+Z計算YK=A1*XK+Z系數(shù)變換D/A輸出YK的值D/A輸出YK的值等待中止計算Z=a*YK計算Z=A2*XK_1+A3*XK_2+A4*XK_3中止返回中止返回圖3-2數(shù)字濾波程序流程圖實驗中的參數(shù)：1a、a、A1、A2、A3、A4為十進制2位小數(shù)（BCD碼）

11、，取值范圍：0.000.99，只須對應存入0099。程序中將其變換成二進制小數(shù)，再按算式進行定點小數(shù)運算。四實驗內(nèi)容分別編寫一階慣性濾波程序和四點加權(quán)濾波程序，將混雜攪亂信號的正弦波送到數(shù)字濾波器，并用示波器察看經(jīng)過濾波后的信號。實驗線路圖如圖3-3所示，圖中畫“”的線需用戶在實驗中自行接好，運放單元需用戶自行搭接。正弦波OUT10K10K47KS-RST1uFS1NC10K+5V10K短路塊47KGND信號源OUT1i386EXCPUSTRTMROUT1/IOY0/OEIRQ7INT3(主8259IRQ7)/IOY1/CSEOC1MHzCLOCKTMRCLK1IN7分頻WR#/IOW24MH

12、zCLK2M/IO#/WRAA0A0CBOUT1CXD0D0D0+5VD7XD7D7模數(shù)變換單元控制計算機數(shù)模變換單元圖3-3數(shù)字濾波實驗線路圖控制計算機的“OUT1”表示386EX內(nèi)部1準時器的輸出端，準時器輸出的方波周期準時器時常,“IRQ7”表示386EX內(nèi)部主片8259的7號中止，用作采樣中止。電路中用RC電路將S端方波微分，再和正弦波單元產(chǎn)生的正弦波疊加。注意R點波形不要超過5V，省得數(shù)字化溢出。計算機對有攪亂的正弦信號R經(jīng)過模數(shù)變換器采樣輸入，然后進行數(shù)字濾波辦理，去除攪亂，最后送至數(shù)模變換器變成模擬量C輸出。五、實驗步驟參照流程圖3-2分別編寫一階慣性和四點加權(quán)程序，檢查無誤后編

13、譯、鏈接。2.按實驗線路圖3-3接線，檢查無誤后開啟設備電源。調(diào)節(jié)正弦波使其周期約為2S，調(diào)信號源單元使其產(chǎn)生周期為100ms的攪亂信號（從“NC”端引出），調(diào)節(jié)接線圖中的兩個47K電位器使正弦波幅值為3V，攪亂波的幅值為0.5V。分別裝載并運行程序，運行前可將“TK”加入到變量監(jiān)察中，方便實驗中察看和更正。用示波器察看R點和C點，比較濾波前和濾波后的波形。如果濾波效果不滿意，更正參數(shù)，再運行程序，察看實驗效果。六實驗結(jié)果一階慣性濾波輸出波形：四點加權(quán)濾波輸出波形：由實驗結(jié)果可以獲得此實驗一階慣性濾波的效果更好，其更有效的濾去了噪聲攪亂信號。實驗四積分分別法PID控制一、實驗目的1認識PID參

14、數(shù)對系統(tǒng)性能的影響2學習湊試法整定PID參數(shù)3掌握積分分別法PID控制規(guī)律二、實驗設備PC機一臺，TD-ACS實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊三、實驗原理根據(jù)系統(tǒng)偏差的比率（P）、積分（I）和微分（D）進行控制的調(diào)節(jié)器簡稱為PID調(diào)節(jié)器（也稱為PID控制器），是連續(xù)系統(tǒng)中技術(shù)成熟、應用最為廣泛的一種調(diào)節(jié)器，其控制規(guī)律為：u(t)Kpe(t)1e(t)dtTdde(t)Tidt在計算機控制系統(tǒng)中，PID控制規(guī)律的實現(xiàn)必須用數(shù)值逼近的方法。當采樣周期相當短時，用求和代替積分、用后向差分代替微分，使模擬PID離散化變?yōu)椴罘址匠獭?shù)字PID控制算法可以表示為地址式PID和增量式PID兩種。（1）地

15、址式PID控制算法為：u(k)KPe(k)TkTD(e(k)e(k1)TIe(i)Ti0（2）增量式PID控制算式為：u(t)u(k)u(k1)u(k)KP(e(k)e(k1)Te(k)TD(e(k)2e(k1)e(k2)TIT其中，T為采樣周期，k為采樣序號，u(k)為第k次采樣調(diào)節(jié)器輸出，e(k)為第k次采樣誤差值，e(k1)為第k1次采樣誤差值。增量式與地址式相比擁有以下優(yōu)點：1增量式算法與最近幾次采樣值相關(guān)，不需要進行累加，因此，不易產(chǎn)生累積誤差，控制效果較好。2增量式中，計算機只輸出增量，誤動作（計算機故障或攪亂）影響小。3在地址式中，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

16、始值，而增量式只與本次的誤差值相關(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)中應用比地址式更加廣泛。為了便于實驗參數(shù)的調(diào)整，下面議論PID參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響：1）增大比率系數(shù)KP一般將加快系統(tǒng)的響應，在有靜差的情況下有利于減小靜差。但過大的比率系數(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。2）增大積分時間參數(shù)TI有利于除掉靜差、減小超調(diào)、減小振蕩，使系統(tǒng)更加穩(wěn)定，但系統(tǒng)靜差的除掉將隨之減慢。（3）增大微分時間參數(shù)TD有利于加快系統(tǒng)響應，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。在調(diào)整參數(shù)時，采用湊試法。參照以上

17、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）首先整定比率部分。將比率系數(shù)KP由小變大，并察看相應的系統(tǒng)響應，直到響應曲線超調(diào)小、反響快。如果系統(tǒng)沒有靜差，也許靜差小到允許的范圍內(nèi)，那么只要比率調(diào)節(jié)器即可。2）如果在比率調(diào)節(jié)的基礎上系統(tǒng)的靜差不能知足要求，則須加入積分作用。整準時首先置積分時間TI為一較大值，并將第1步整定獲得的比率系數(shù)KP縮小（80），然后減小積分時間，使靜差獲得除掉。如果動向性能（過渡時間短）也滿意，則需PI調(diào)節(jié)器即可。（3）若動向性能不好，則需加入微分作用。整準時，使微分時間TD從0變大，并相應的改變比率系數(shù)和積分時間，逐步湊試，直到滿意結(jié)果。

18、由于PID三個參數(shù)有互補作用，減小一個往往可由幾個增大來補償，因此參數(shù)的整定值不唯一，不同的參數(shù)組合完全有可能獲得同樣的效果。四實驗內(nèi)容本實驗中，采用地址式PID。在一般的PID控制中，當有較大的擾動或大幅度改變給定值時，會有較大的偏差，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)變大和長時間的波動，過渡時間變長。特別對于溫度、成份等變化遲緩的過程，這一現(xiàn)象更加嚴重。為此，可采用積分分別PID控制算法，即：當偏差e（k）較大時，取消積分作用；當誤差e（k）較小時才加入積分作用。系統(tǒng)方塊圖如圖4-1所示，是一個典型的PID閉環(huán)控制系統(tǒng)方塊圖，其硬件電路原理及接線圖如圖4-2所示，

19、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。R+EPID1eTS10CTS(0.3S1)(0.4S1)-圖4-1PID控制系統(tǒng)方塊圖控制計算機DIN0i386EXCPUP1.0模數(shù)變換單元STROUT1TMROUT1/IOY0數(shù)模變換單元/OEIRQ7/IOY1EOCINT3(主8259IRQ7)/CS信號源1MHzCLOCKTMRCLK1/STA分頻BWR#/IOWST24MHz/WRCCLK2M/IO#S+5VA0A0OUTD0XD0D0IN7D7XD7D7OUT110K20K3uF2uF100K200K10K20KR-E20K100KC20K-圖4-2積分分別法PID

20、控制實驗線路圖控制計算機的“OUT1”表示386EX內(nèi)部1準時器的輸出端，準時器輸出的方波周期準時器時常，“IRQ7”表示386EX內(nèi)部主片8259的7號中止，用作采樣中止，“DIN0”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)偏差信號E經(jīng)過模數(shù)變換單元“IN7”端輸入，控制機的準時器作為基準時鐘（初始化為10ms），準時中止采集“IN7”端的信號E，并進行PID計算，獲得相應的控制量，再把控制量送到數(shù)模變換單元，由“OUT1”端輸出相應的模擬信號，來控制對象系統(tǒng)。圖4-3是積分分別法PID控制程序流程圖。主程序采樣中止服務程序PID子程序系統(tǒng)初始化

21、Y計算Ek+Td/T*Ek同步信號到否？ND/A輸出清零判積分分別值N變量初始化采樣周期變量減一Y變量初始化等待中止NY判積分溢出Kp(Ek+Td/T*Ek)采樣周期到否？Y取極值N求誤差E(k)Kp(Ek+T/Ti*Ek+Td/T*Ek)調(diào)PID子程序判控制量溢出Y輸出控制量U(k)N取極值采樣周期變量賦初值返回中止返回圖4-3積分分別法PID控制程序流程圖五、實驗步驟1根據(jù)參照流程圖4-3編寫實驗程序，檢查無誤后編譯、鏈接。2按照實驗線路圖4-2接線，檢查無誤后開啟設備電源。3調(diào)節(jié)信號源中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別值。4裝載程

22、序，將全局變量TK（采樣周期）、EI（積分分別值）、KP（比率系數(shù)）、TI（積分系數(shù)）和TD（微分系數(shù)）加入變量監(jiān)察，以便實驗過程中察看和更正。5運行程序，將積分分別值設為最大值7FH（相當于沒有引入積分分別），用示波器分別察看輸入端R和輸出端C。6如果系統(tǒng)性能不滿意，用湊試法更正PID參數(shù)，直到響應曲線滿意，并記錄響應曲線的超調(diào)量和過渡時間。7更正積分分別值為20H，記錄此時響應曲線的超調(diào)量和過渡時間，并和未引入積分分別值時的響應曲線進行比較。8將第6和第7步驟中較滿意的響應曲線記錄下來。六實驗結(jié)果采樣周期TK=05H；比率系數(shù)KP=6100H;積分系數(shù)TI=0018H;微分系數(shù)TD=000

23、BH。未引入積分分別值的響應曲線（即EI（積分分別值）=7FH時）：積分分別值為20H時的響應曲線：由獲得的實驗結(jié)果可以看到，引入積分分別法后，降低了系統(tǒng)輸出的超調(diào)量，并縮短了調(diào)節(jié)時間。積分分別值為10H時的響應曲線：實驗五直流電機閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)設計和實現(xiàn)一、實驗目的1認識閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)的組成。2熟悉PID控制規(guī)律與算法實現(xiàn)。二、實驗設備PC機一臺，TD-ACC+實驗系統(tǒng)一套，i386EX系統(tǒng)板一塊。三、實驗內(nèi)容典型的直流電機調(diào)速實驗的系統(tǒng)方框圖如圖11-1所示：數(shù)字給定+數(shù)字PID控制器驅(qū)動電路直流電機-測速電路圖11-1典型的直流電機調(diào)速實驗的系統(tǒng)方框圖根據(jù)系統(tǒng)方框圖，直流電機閉環(huán)調(diào)速

24、控制系統(tǒng)實驗線路圖設計如圖11-2所示，實驗中將圖中畫“”的線接好。控制機算機的“DOUT0”表示386EX的I/O管腳P2.0，輸出PWM脈沖經(jīng)驅(qū)動后控制直流電機，“IRQ7”表示386EX內(nèi)部主片8259的7號中止，用作測速中止。控制計算機i386EXCPU驅(qū)動單元直流電機+12+1P2.0DOUT0AA-2HRIRQ7霍爾輸出(主8259IRQ7)INT3圖11-2直流電機閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)實驗線路圖實驗中，用系統(tǒng)的數(shù)字量輸出端口“DOUT0”來模擬產(chǎn)生PMW脈寬調(diào)制信號，組成系統(tǒng)的控制量，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動后控制電機運轉(zhuǎn)。霍爾測速元件輸出的脈沖信號記錄電機轉(zhuǎn)速組成反響量。在參數(shù)給定情況下，經(jīng)PID運算，電機可在控制量作用下，按給定轉(zhuǎn)速閉環(huán)運轉(zhuǎn)。系統(tǒng)準時器準時1ms，作為系統(tǒng)采樣基準時鐘；測速中止用于測量電機轉(zhuǎn)速。主程序PWM發(fā)生子程序系統(tǒng)初始化與系數(shù)變換標志pwm=1?NY采樣周期到否？NNaa1=0?Y采樣周期變量清零Yaa1電機停止DOUT0=1標志pwm=2bb1=bb/2取YK反響值調(diào)用PID子程序標志pwm=2?N溢出辦理YNbb1=0?賦PWM所需值Ybb1標志pwm=1電機停止DOUT0=0aa1=aa/2返回準時中止服務程序測速中止服務程序采