計算機控制技術(shù)實驗.

1、實 驗 報 告學(xué)年 學(xué)期：20122013學(xué)年第 2 學(xué)期課程 名稱： 計算機控制技術(shù) 指導(dǎo) 老師： 龍泉 學(xué)院 (部)： 電氣與信息工程學(xué)院 班 級： 自動化1004班 學(xué) 號： 姓 名： 2013年5月目錄實驗一 A/D轉(zhuǎn)換實驗 3 實驗二 D/A轉(zhuǎn)換實驗 6 實驗三 保持8實驗四 采樣 11實驗五 積分分離PID控制實驗15實驗六 最小拍控制實驗 18實驗七 直流電機閉環(huán)調(diào)速實驗23實驗八 溫度閉環(huán)控制實驗26實驗心得 29實驗一 A/D轉(zhuǎn)換實驗1實驗線路原理圖：圖11CPU的DPCLK信號與ADC0809單元電路的CLOCK相連作為ADC0809的時鐘信號。ADC0809芯片輸入選通地

2、址碼A、B、C為“1”狀態(tài)，選通輸入通道IN7。通過電位器W41給A/D變換器輸入-5V+5V的模擬電壓。8253的2#口用于5ms定時輸出OUT2信號啟動A/D變換器。由8255口A為輸入方式。A/D轉(zhuǎn)換的數(shù)據(jù)通過A口采入計算機，送到顯示器上顯示，并由數(shù)據(jù)總線送到D/A變換器0832的輸入端。選用CPU的地址輸入信號IOY0為片選信號()，XIOW信號為寫入信號()，D/A變換器的口地址為00H。3實驗內(nèi)容及步驟(1)按圖11接線。用“短路塊”分別將U1單元中的ST與+5V短接，U4單元中的X與+5V，Z與-5V短接。其它畫“”的線需自行連接。示波器的CH1通道接U15單元的OUT端，連接好

3、后，接通電源。(2)對U15 D/A轉(zhuǎn)換單元進行調(diào)零。按下實驗箱上的復(fù)位鍵，在調(diào)試窗口中出現(xiàn)“WELCOME TO YOU”后，輸入如下 A2000 按“Enter”鍵 0000：2000 MOV AL，80 按“Enter”鍵 0000：2002 OUT 00，AL 按“Enter”鍵 0000：2004 INT 按“Enter”鍵 0000：2005 按“Enter”鍵 G=0000：2000 按“Enter”鍵待輸入完成后，用U16單元電壓表毫伏檔監(jiān)測U15 D/A轉(zhuǎn)換單元OUT端電壓，調(diào)節(jié)U15單元103電位器使電壓表顯示“00”。(3)將U4單元中W41輸出調(diào)至-5V，執(zhí)行監(jiān)控中的程

4、序(G=F000：1100按“Enter”鍵)。如果程序正確執(zhí)行，將在顯示器上顯示“00”。(3)將W41依次調(diào)節(jié)，用U16 交/直流數(shù)字電壓表分別檢測A/D的輸入電壓和D/A的輸出電壓。觀察顯示器，記下相應(yīng)的數(shù)碼及D/A的輸出模擬電壓，填入下表11。模擬輸入電壓(V)顯示器數(shù)碼(H)模擬輸出電壓(V)-5-4-3-2-10+1+2+3+4+54按圖15改接U4輸出Y至U15A/D轉(zhuǎn)換單元輸入IN7的連接，即添加一個反向放大器，其它線路同圖11。圖1-55用U16 交/直流數(shù)字電壓表監(jiān)測A/D的輸入電壓，在OV附近連續(xù)調(diào)節(jié)A/D的輸入電壓，觀察整理化誤差和量化單位。6測出A/D輸入電壓在OV附

5、近±5個量化單位的數(shù)值，記錄與之相對應(yīng)的數(shù)字量，模入電壓(mV)數(shù)字量(H)AD轉(zhuǎn)換的量化特性圖，如圖16所示：圖1-67、實驗心得與分析:實驗二 D/A轉(zhuǎn)換實驗(2)1.實驗線路原理圖：見圖17圖1-7設(shè)置8255為定時方式，OUT2信號為采樣脈沖，采樣周期5ms。8255的A口為輸入方式，用于采入數(shù)據(jù)。8255的B口為輸出方式，用于選擇控制雙路輸入輸出通道。A/D轉(zhuǎn)換單元可對多路模擬量進行轉(zhuǎn)換，這里用6、7兩路分別接入圖18所示信號。圖1-8計算機控制A/D變換器分時對這兩路模擬信號進行A/D轉(zhuǎn)換。將轉(zhuǎn)換的數(shù)字量送至D/A變換器還原成模擬量，并送至兩個采樣保持器。由8255B口分

6、別控制兩個采樣保持器的采樣開關(guān)，以保證采樣保持器單元電路中的OUT1輸出信號與A/D轉(zhuǎn)換單元U13的IN6輸入信號一致；采樣保持器單元電路的OUT2輸出信號與A/D轉(zhuǎn)換換單元U13的IN7輸入信號一致。3實驗內(nèi)容及步驟(1)按圖17接線，其中畫“”的線需自行連接。將U1的信號選擇開關(guān)S11放到斜波位置。用短路塊將U1的S與ST短接。置S12為T3檔，實驗中調(diào)節(jié)W11電位器，改變信號周期。調(diào)W12使輸出信號不大于5V。(2)執(zhí)行程序(G=F000：1151按“Enter”鍵)。(3)本實驗選擇普通示波器，用示波器同時觀察輸入與輸出信號。如果程序正確執(zhí)行，A/D轉(zhuǎn)換單元U13的IN6輸入信號應(yīng)與U

7、15 DA/C單元中的采樣保持輸出OUT1信號一致，參見圖1-8左圖。U13的IN7輸入信號與U15單元中的采保持輸出OUT2信號一致。(4)在U15 DA/C轉(zhuǎn)換單元的OUT端用示波器觀察計算機分時控制的輸出波形。4、實驗心得與分析：實驗三 采樣1.實驗線路原理圖(1)原理：信號發(fā)生器U1 單元的OUT端輸出拋物線信號，通過A/D轉(zhuǎn)換單元U13的IN7端輸入。計算機在采樣時刻啟動A/D轉(zhuǎn)換器，轉(zhuǎn)換得到數(shù)字量送至教學(xué)機8255口A，口A設(shè)成輸入方式。CPU將輸入的數(shù)字量直接送到D/A轉(zhuǎn)換單元U15，在U15單元的OUT端則輸出相應(yīng)的模擬信號。如圖2.11所示，在時間以外，計算機輸出零至D/A并

8、使其轉(zhuǎn)換，所以以外輸出為零。的時間：10ms圖2.11（2）接線圖：見圖2.12。圖2.12（3）采樣周期T的設(shè)置計算機用8253產(chǎn)生定時中斷信號，定時10ms，并在2F60H單元存放倍數(shù)Tk可取01HFFH，采樣周期T=Tk×10ms，所以T的范圍為10ms2550ms，改變Tk即可以確定T。 3實驗內(nèi)容與步驟（1）按圖2.12連線，其中畫“”的線需自行連接。首先將U1 信號發(fā)生器單元中的S11置拋物線檔，S12置T3檔。用短路塊短接S與ST。（2）用示波器觀察U1單元的OUT端的波形，調(diào)W12使其不高于5V，調(diào)W11使T1周期約2s。（3）選定Tk=04H，將2F60H單元存入T

9、k值。在調(diào)試窗口輸入：E2F60，按“Enter”鍵，待調(diào)試窗口顯示“0000：2F60=CC”從鍵盤輸入04后，按“Enter”，即將Tk=04H存入2F60H單元。（4）啟動采樣程序(在調(diào)試窗口輸入G=F000：11A2按“Enter”鍵)。（5）本實驗選用普通示波器，用示波器對照觀察U1單元的OUT端與U15單元的OUT端波形，觀察完停機。（6）選擇若干Tk值（可取01HFFH），重復(fù)（3）、（4）、（5），觀察不同采樣周期T時的輸出波形。（7）調(diào)節(jié)U1信號發(fā)生器單元的W11，使T1約0.3s，調(diào)W12使其不高于5V，重復(fù)步驟（3）、（4）、（5）。0.20.40.8實驗四 保持1實驗原

10、理與線路（1）原理計算機(CPU)用8253定時，在采樣時刻計算機給A/D器件啟動信號，這時A/D器件(ADC0809)將模擬器轉(zhuǎn)換成數(shù)字量并通過口A輸入，計算機直接把這些數(shù)字量輸出給D/A器件，D/A器件(DAC0832)則輸出相應(yīng)的模擬量，并且一直保持到輸入新值。原理如圖2.21，采樣周期設(shè)置同實驗2.1。圖2.21無零階保持器的模擬原理圖見圖2.22。開關(guān)合上的時間為10ms。采樣周期同實驗2.1。圖2.22（2）實驗接線圖：見圖2.23R為輸入，C為輸出。U15單元的OUT端為IN7端的離散化信號。圖2.233實驗內(nèi)容與步驟（1）按圖2.23接線，S11置方波檔，S12置T3檔，調(diào)W1

11、2使U1單元的OUT端輸出為1V方波，調(diào)W11使輸出信號周期為5S。（2）選Tk為02H，將2F60H單元存入Tk值。（3）在調(diào)試窗口，啟動采樣保持程序（G=F000：11E5按“Enter”鍵）。本實驗選用普通示波器，用示波器對照觀察U13單元的IN7與U15單元OUT端波形，停機。（4）更換Tk，重復(fù)（2）、（3）步驟。（5）增大Tk，存入2F60H單元，啟動采樣保持程序，觀察輸出C點波形，停機。重復(fù)幾次，直至系統(tǒng)不穩(wěn)定，記下Tk值，并換算出相應(yīng)的采樣周期T，將實驗結(jié)果填入表2.21中。表2.21（T=Tk×10ms）Tk（H）采樣周期T(s)T= Tk×10ms020

12、408100.20.40.81.04、實驗心得與分析實驗五 積分分離PID控制實驗1.實驗原理及線路簡介(1)原理如圖41，R為輸入，C為輸出，計算機不斷采入誤差E，進行積分判別與PID運算，然后判結(jié)果是否溢出(若溢出則取最大或最小值)，最后將控制量輸送給系統(tǒng)。圖41圖423實驗內(nèi)容與步驟(1)按圖4-2接線，用短路塊將S與ST短接，S11置方波檔，S12置T3檔，調(diào)W11使信號周期為5S，調(diào)W12使信號約為3 V。 按下實驗箱CPU單元的復(fù)位鍵，從菜單欄選擇“裝入程序”，程序存放路徑為：安裝目錄盤（如C盤）：TeamkitTKKLTH4-1.EXE，確定裝入程序的段地址和偏移量后，會顯示裝入

13、程序的進度，直到出現(xiàn)“完成”提示，即程序裝載完成。 可用U命令查看反匯編程序與數(shù)據(jù),在調(diào)試窗口鍵入(U0000: 2000按“Enter”鍵)。用D命令查看程序數(shù)據(jù)段段地址為0240后的數(shù)據(jù)，在調(diào)試窗口鍵入(D0240:0000按“Enter”鍵)。 在TK（0240：0000）、EI（0240：0001）、KP、KI、KD(其中取KI=KD=0)的相應(yīng)地址中存入表4-2中的數(shù)據(jù)， 選用普通示波器，在調(diào)試窗口啟動程序（G=0000:2000按“Enter”鍵），啟動PID位置式算法程序，調(diào)電位器R可改變輸出波形,用示波器觀察輸出。(2)選不同的KP，直到等幅振蕩，記下TU和KPU，TU填入表4

14、2上部。(3)根據(jù)臨界比例法計算P、I、D三參數(shù)，修改KP、KI、KD (若系數(shù)過大過小可配合改變模擬電路增益)，積分分離值EI取7FH存入2F00H單元，啟動程序（G=0000:2000），用示波器測出MP、tS。(4)改變積分分離值EI，啟動程序（G=0000:2000），對照輸入觀察輸出C，看MP、tS有無改善，并記錄MP、tS。(5)根據(jù)P、I、D三個系數(shù)的不同的控制作用，適當(dāng)加以調(diào)整，同時可配合改變EI值，重新存入，啟動程序（G=0000:2000），對照輸入觀察輸出，記錄MP、tS。按上述方法重復(fù)做幾次，直到使MP20%，tS1S，在表42中填入此時的各參數(shù)和結(jié)果。(6)用表42中

15、的最佳PID參數(shù)，但積分分離值改為7FH并存入，在輸入信號R為零時啟動程序，將參數(shù)和結(jié)果填入表42中。TK= KPU= TU=表42 參 數(shù)項 目EIPIDMptsI用臨界比例法整定參數(shù)II用I欄PID參數(shù)，但EI修改III較佳的PID控制參數(shù)IV用II欄PID參數(shù)，EI為7F05H30H4、實驗心得與分析: 實驗六 最小拍控制系統(tǒng) 1.實驗原理與線路圖(1)原理見圖5.11。R為輸入，C為輸出，計算機對誤差E定時采樣按D(Z)計算輸出控制量U(Z)。圖中K=5。圖5.11針對階躍輸入進行計算機控制算法D(Z)設(shè)計。(2)D(Z)算法采樣周期T=1S，E(Z)為計算機輸入，U(Z)為輸出，有：

16、D(Z)= =式中Ki與Pi取值范圍：-0.99990.9999，計算機分別用相鄰三個字節(jié)存儲其BCD碼。最低字節(jié)符號，00H為正，01H為負(fù)。中間字節(jié)存前2位小數(shù)，最高字節(jié)存末2位小數(shù)。例有系數(shù)0.1234，則內(nèi)存為： 地址 內(nèi)容 2F00H 00H 2F01H 12H 2F02H 34H系數(shù)存儲安排如表5.11。表5.11 0101H 010DH 0102H K0 010EH P1 0103H 010FH 0104H 0110H 0105H K1 0111H P2 0106H 0112H 0107H 0113H 0108H K2 0114H P3 0109H 0115H 010AH 010

17、BH K3 010CH將D(Z)式寫成差分方程，則有：UK=K0EK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2-P3UK-3式中EKEK-3，誤差輸入；UKUK-3，計算機輸出。計算機運算溢出處理，當(dāng)計算機控制輸出超過00HFFH時(對應(yīng)于模擬量-5V+5V)，則計算機輸出相應(yīng)的極值00H或FFH，同時在相應(yīng)的內(nèi)存單元也存入極值。 (3)模擬電路的參數(shù)整定被控對象有模擬電路，電路中所接電阻、電容參數(shù)有一定誤差，所以應(yīng)加以整定，可先整定慣性環(huán)節(jié)，再整定積分環(huán)節(jié)，應(yīng)使二者串聯(lián)時盡量接近所給傳遞函數(shù)。整定方法參見注1。(4)接線(如圖5.12所示)8253 2#輸出OUT

18、2信號，經(jīng)單穩(wěn)整形，正脈沖打開采樣保持器的采樣開關(guān)，負(fù)脈沖啟動A/D變換器。系統(tǒng)誤差信號EU4、IN2、U14、OUT2U15、IN7：采樣保持器對系統(tǒng)誤差信號進行采樣，將采樣信號保持并輸出給A/D第7路輸入端。計算溢出顯示部分：圖5.12虛框內(nèi)。當(dāng)計算控制量的結(jié)果溢出時，計算機給口B的PB17輸出高電平，只要有一次以上溢出便顯示。這部分線路只為觀察溢出而設(shè)，可以不接，對于控制沒有影響。圖5.1-2(5)采樣周期T定時10ms，采樣周期T為：T=TK×10msTK需事先送入2F60H單元，取值范圍：01HFFH，對應(yīng)的范圍：10ms2550ms。例如當(dāng)T=1S，有：TK=100=64

19、H3.實驗內(nèi)容與步驟 (1)按圖5.12連線，S11置方波檔，S12置下檔，調(diào)W12使U1單元的OUT端輸出為2.5V的方波，調(diào)W11約為6S。裝入程序TH5-1.EXE后，可分別用U命令、D命令查看反匯編程序與數(shù)據(jù)。用E命令編輯、修改指定單元中的數(shù)據(jù)，0100F單元存入64H。(2)按要求計算D(E)各系數(shù)，送入內(nèi)存0101H0115H單元。具體推導(dǎo)過程見有關(guān)計算控制技術(shù)教材。（其中，K00.5434、K1-0.7434、K20.2000、K30、P1-0.2826、P2-0.7174、P30），Ki與Pi系數(shù)存儲地址參見表5.11。(3)選用普通示波器，用示波器觀察輸入R波形，在輸入R為零

20、時啟動最小拍程序(G=F000:15E6按“Enter”鍵)，對照階躍輸出R觀察輸出C，應(yīng)有以下波形(見圖5.14)，輸出經(jīng)過一拍后，在采樣點上跟蹤輸入誤差輸出為：E(Z)=e(Z)R(Z)=(1-Z-1)·即一拍后進行跟蹤，偏差保持為零。而從控制量的輸出Y(Z)=D(Z)E(Z) =1.3590-1.4744Z-1+1.0571Z-2-0.7580Z-3+0.5435Z-4-0.3897Z-5可見，控制量在一拍后并未進入穩(wěn)態(tài)(常數(shù)為零)，而是在不停地波動，從而使連續(xù)部分的輸出在采樣點之間存在紋波。圖5.1-4實驗4.2 最小拍無紋波設(shè)計1實驗原理與線路只是D(Z)應(yīng)按無波紋設(shè)計，其

21、余同實驗5.1 3實驗內(nèi)容與步驟對象改為G0(S)=1/S(S+1)，所以將實驗5.1圖5.12中R1改為250K。針對階躍輸入按無紋波設(shè)計 D(Z)=U(Z)=D(Z)E(Z)R(Z)=(1.583-0.5824)Z-1×2.5=3.9575-1.4560Z-1調(diào)W11使U1信號發(fā)生器單元的OUT端的方波信號輸出幅值不超過2.5V，調(diào)W12使周期為6S。將TK=64H送入2F60H單元中，0101H0115H單元分別存入K0K3，P1P3。參見上面實驗步驟。用示波器觀察輸入R波形，在輸入R為零時啟動最小拍程序(G=F000:15E6)，對照方波輸入R，觀察輸出C點波形，應(yīng)觀察到，系

22、統(tǒng)從第二拍起，U(Z)恒為零。因此輸出量穩(wěn)定在穩(wěn)態(tài)值，而不余有波紋了。從控制量輸出U(Z)的表達(dá)式可看出此時前一拍的值均為1，所以輸出飽和，可用示波器觀察U15單元的OUT端輸出。最小拍無波紋設(shè)計，除了消除采樣點之間的波紋外，還在一定程度上減小了控制能量，降低了對參數(shù)的敏感度，但它仍然是針對某一特定輸入設(shè)計的，對其它輸入的適應(yīng)性仍不好。 4、實驗心得與分析 實驗七 直流電機閉環(huán)調(diào)速實驗1.實驗原理及接線人為數(shù)字給定CPU系統(tǒng)驅(qū)動單元電路直流電機速度測速電路反饋圖1實驗原理圖圖2CPU系統(tǒng)的8255PB10脈沖信號為控制量，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)?；魻枩y速元件輸出的脈沖信號記錄電機轉(zhuǎn)速構(gòu)成反饋量

23、，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)。其中OPCLK為1.1625MHz時鐘信號，經(jīng)8253的2號通道分頻輸出1ms的方波，接入8259產(chǎn)生IRQ6中斷，作為系統(tǒng)采樣時鐘；PB10產(chǎn)生PWM脈沖計時及轉(zhuǎn)速累加，8259的IRQ7中斷用于測量電機轉(zhuǎn)速。3實驗內(nèi)容及步驟(1)按圖2接線：(2)裝入程序 CS1.EXE。其中段地址為：0000，偏移地址：2000。使用U0000：2000命令查看第一、二條指令為MOV AX，0259、MOV DS，AX由此可知數(shù)據(jù)段段地址為0259。用D0259：0000命令可查看到數(shù)據(jù)段中所放TS、SPEC、IBAND、KPP

24、等參數(shù)值(對于雙字節(jié)DW，低位在前)已按順序排好，并與初始化值相符。用E0259：0000命令可從TS第一個數(shù)據(jù)開始修改這些值，按空格繼續(xù)修改下一個值，按減號修改上一個值，按回車確認(rèn)并停止修改。(DEBUG命令的詳細(xì)使用方法詳見軟件系統(tǒng)中的幫助文檔中的常見命令說明部分。)例：D0259：0000(回車)可看到：0259：0000 14 30 00 60 00 60 10 10 即：TS=14H，SPEC=0030H，0259：0008 00 20 00 XX XXXX XX XX IBAND=0060H KPP=1060H KII=0010H，KDD=0020H(3)進入專用示波器界面點擊運行，使用默認(rèn)的段地址和偏移量，按確定運行示波器。(4)觀察電機轉(zhuǎn)速及示波器上給定值與反饋值的波形，分析其響應(yīng)特性，改變參數(shù)Iband、KPP、KII、KDD的值后再觀察其響應(yīng)特性，選擇一組較好的控制參數(shù)并記錄下來。