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计算机控制技术实验课件

计算机控制技术实验课件. 易 杰. 目 录. 实验一 模／数、数／模转换实验 实验二 多路模拟信号 A ／ D 、 D ／ A 转换实验 实验三 采样实验 实验四 保持器实验 实验五 积分分离 PID 控制实验. 实验一 模／数、数／模转换实验. 本实验为验证性实验. 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 DAC0832 芯片的使用。 3 、掌握量化原理。. 二、实验设备 PC 机一台， TDN-AC 系列教学实验系统。

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计算机控制技术实验课件

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  1. 计算机控制技术实验课件 易 杰

  2. 目 录 实验一 模／数、数／模转换实验 实验二 多路模拟信号A／D、D／A转换实验 实验三 采样实验 实验四 保持器实验 实验五 积分分离PID控制实验

  3. 实验一 模／数、数／模转换实验 本实验为验证性实验 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DAC0832芯片的使用。 3、掌握量化原理。

  4. 二、实验设备 PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。 三、实验原理 1．实验线路原理图：见图1－1 图1－1

  5. 8088CPU的OPCLK信号与ADC0809单元电路的 CLOCK相连作为ADC0809的时钟信号。ADC0809芯 片输入选通地址码A、B、C为“1”状态，选通输 入通道IN7。通过电位器W141给A/D变换器输入-5V ～+5V的模拟电压。8253的2#口用于5ms定时输出 OUT2信号启动A/D变换器。由8255口A为输入方式。 A／D转换的数据通过A口采入计算机，送到显示 器上显示，并由数据总线送到D／A变换器0832的 输入端。选用8088CPU的地址输入信号为片选信号 ( ),XIOW信号为写入信号( ),D／A变换器的口地 址为00H。

  6. 调节W141即可改变输入电压，可从显示器上看 A／D变换器对应输出的数码，同时这个数码也 是D/A变换器的输入数码。 2、A/D、D/A转换程序流程： （见图1-2） 对应下面的流程，我们 已编好了程序存放在8088的 监控中，可用U(反汇编)命令 查看，当然对于学生来说， 应自已编写调试，以达到锻 炼的目的。 图l一2

  7. 四、实验内容及步骤 1、按图1--1接线(注意：虚框内线路为印刷 线路)。用“短路块”分别将U1 SG单元中的ST 插针与+5V插针短接；U14P单元中的X与+5v， Z与一5v短接。其它画“。”的线需自行连接。 连接好后，请仔细检查，无误后方可接通电源。 2、将W141输出调至-5V，执行监控中的程序(G= F000：1100↙)。如果程序正确执行，将在显示器 上显示“00”。 3、将W141依次调节，用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1一l。

  8. 表 1一l 模拟输入电压(v) 显示器数码(H) 模拟输出电压(v)

  9. 4．按图1-3改接U14输出Y 至U12输人IN7的连接，其 它线路同图1-1。 图 1-1 5．用数字万用表监测A／D的输入电压，在OV附近 连续调节A／D的输入电压，观察整理量化误差和量 化单位。

  10. 6．测出A／D输入电压在OV附近±5个量化单位 的数值，记录与之相对应的数字量，如表1-2 所示： 表 l-2 -196 -156.8 -117.6 -78.4 -39.2 0 39.2 78.4 117.6 156.8 196 7B 7C 7D 7E 7F 80 81 82 83 84 85

  11. A／D转换的量化特性图，如图1-4所示： 图 1-4

  12. 实验二 多路模拟信号 A／D、D／A转换实验 本实验为综合性实验。 一、实验目的 掌握A/D转换器多路转换原理及接口方法。 二、实验设备 PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。

  13. 三、实验原理 1．实验线路原理图：见图1--5 图 1-5

  14. 设置8253为定时方式，OUT2信号为采样脉冲， 采样周期5ms。8255的A口为输入方式，用于 采入数据。8255的B口为输出方式，用于选择 控制双路输入输出通道。A／D转换单元可对多路 模拟量进行转换，这里用6、7两路分别接入 图1--6所示信号。 图 1—6

  15. 计算机控制A／D变换器分时对这两路模拟信 号进行A／D转换。将转换的数字量送至D／A变换 器还原成模拟量，并送至两个采样保持器。 由8255B口分别控制两个采样保持器的采样开关， 以保证采样保持器单元电路中的OUTl输出信号与 A／D变换单元U12的IN6输入信号—致；采样保持 器单元电路的OUT2输出信号与A／D变换单元U12的 IN7输入信号—致。

  16. 2．程序流程：见图1-7 图 1-7

  17. 四、实验内容与步骤 1、按图1--5接线。将信号源单元(U1SG)的 信号选择开关S11放到斜坡位置。用短路块将信号 源(U1SG)的微型插针S与ST短接。置S12为下档。 将W11旋到最大，使信号周期最大。调W12使输出 信号不大于5v。 2、执行程序(G=F000:1151↙)。 3、用示波器同时观察输入与输出信号。 如果 程序正确执行，A／D变换单元U12的IN6输入信号应 与U10 DAC单元中的采保输出OUTI信号一致；U12的 IN7输入信号与U10单元中的采保输出OUT2信号一致。 4、在U10 DAC转换单元的OUT端用示波 器观察计算机分时控制的输出波形。

  18. 实验三 采样实验 本实验为综合性实验。 一、实验目的 1、熟悉信号的采样过程。 2、学习和掌握香农定理。 二、实验设备 PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。 三、实验原理 1、实验线路原理图 （1）原理：信号源U1 SG单元的OUT端输出抛物 线信号,通过A／D转换单元U12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

  19. 送至教学机8255口A， 口A设成输入方式。 8088 CPU将输人的数 字量直接输到D/A转 换单元U10,在U10单元 的OUT端则输出相应模 拟信号。如图2.1-1 所示，在时间 以外， 计算机输出零至D/A 并使其转换，所以 以外输出为零。 的时间：10ms。 图 2.1—1

  20. （2）接线图：见图2.1-2 图 2.1-2 (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T＝10ms～2550ms， 改变TK即可以确定T。

  21. 2、实验程序流程图：见图2.1-3 图 2.1-3

  22. 四、实验内容与步骤 1、按图2.1-2连线,首先将U1 SG单元中的S11置抛 物线档，S12置下档．用短路块短接S与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使约2s 3、选定TK=04H。 4、将2F60H单元存入TK，启动采样程序 (G=F000:11A2↙)。 5、用示波器对照观察U1单元的OUT端与U10单元的 OUT端波形，观察完停机。 6、选择若干TK值，重复(4)、(5)，观察不同采样 周期T时的输出波形。 7、调节U1 SG单元的W11,使W12约0.3S,调使其不高 于5v，重复步骤4、5。

  23. 五、实验说明 通过3中的一些实验步骤,大家可明显地观察到, 当TK=01H～26H时,U10单元的OUT端的输出波形为IN7 的采样波形,但当TK再增大时,U10单元的OUT端的输出 波形将采样失真。从这看出,似乎采样周期T取得越 小，对信号恢复越有利，—般来说， T必须满足： TA/D+T处理≤T ≤T香农/2,在此前提下,T越小越好（TA/D 为A／D转换时间，T处理为计算机对信息进行处理所 用的时间)。

  24. 有人又问，既然A／D采样本身具有保持功 能，那是不是不管模拟量在A／D转换时变化多 大，都可不加保持器呢?不—定，因A／D在采样 时，对模拟量的变化频率有限制。一般在十几 Hz左右，如果信号变化太快，就会使采样信号 失真，所以必须加采样保持器。

  25. 实验四 保持器实验 本实验为综合性实验。 一、实验目的 1、熟悉信号的保持过程。 2、学习用直线插值法还原信号。 二、实验设备 PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。 三、实验原理 1、实验原理与线路 (1) 原理

  26. 计算机(8088CPU)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) 将模拟量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2.2-1 ，采样周期设置同实 验三。 图 2.2-1

  27. 无零阶保持器的模拟原理图见图2.2-2。开关 合上的时间为10ms，采样周期同实验三。 图 2.2-2

  28. （2）实验接线图：见图2.2-3 R为输入，C为输出。U10单元的OUT端为IN7端的 离散化信号。 图 2.2-3

  29. 2、实验程序流程：见图2.1-3 图 2.1-3

  30. 3、实验内容与步骤 (1)按图2.2-3接线,S11置阶跃档,S12置下档,调W12使 U1单元的OUT端为1v,调W11使周期为5S。选TK为02H。 (2)2F60H单元存 入TK值，启动采样 保持程序(G=FO0O :11E5↙),用示波 器对照观察U12单 元的IN7与U10单元 的OUT端波形，观 察输出OUT，停机。 OUT的波形如图 2.2-4所示。 图 2.2-4

  31. (3)更换TK，重复（2）。 (4)增大TK,存入2F60H单元,启动采样保持器程序， 观察输出C波形，停机。重复做几次，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2.2-1中。 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 计控系统中若无零阶保 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。为什么 D／A器件会具有零阶保持器 的作用？这是因为D／A器件具有两级输出锁存能力。 表2.2-1(T=TK×10ms)

  32. (5)在已填入表2.2-1中选取一个TK值(不要选为01H),(5)在已填入表2.2-1中选取一个TK值(不要选为01H), TK存入2F60单元，启动采样程序（G=F000:11A2↙)， 观察无零阶保持器系统的输出波形C，如图 2.2-5所示 。 (6)减小输入 信号幅度，增 大采样周期， 重复(2)，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—步观察。 图 2.2-5

  33. 实验五 积分分离PID控制实验 本实验为设计性实验。 一、实验目的 1、了解PID参数对系统性能的影响。 2、学习整定PID参数。 3、掌握积分分离PID控制规律。 二、实验设备 PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。 三、实验原理 1、实验原理及线路简介 (1) 原理

  34. 如图4—1，R为输入．C为输出，计算机不断采 入误差E，进行积分判别与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。 图 4一l

  35. (2) 运算原理 PID控制规律为： e(t)为控制器输入；u(t)为控制器输出． 用矩形法算积分，用向后差分代替微分， 采样周期为T，算法为：

  36. 简记为： P、I、D范围为： -0.999～+O.999，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O.1234， I为0.04秒，D为0，则内存为表4一l所示。 表4一l 　　　　　 地址　　 内容 低字节　　 2F03H 00H 中间字节 P{2F04H 12H 高字节 　2F05H 34H 2F06H 00H I{2H07H 04H 2F08H00H 2F09H 00H D{2FOAH 00H 2FOBH00H

  37. 计算机存有初始化程序，把十进制小数转换成 二进制小数，每个小数用两个字节表示。在控制计 算程序中接定点小数进行补码运算，对运算结果有 溢出处理。当运算结果超出00H或FFH时则用极值 00H或FFH作为计算机控制输出，在相应的内存中也 存入极值00H与FFH。 积分项运算也设有溢出处理，当积分运算溢出 时控制量输出取极值，相应内存中也存入极值。计 算机还用2F00H内存单元所存的值数作为积分运算 判定值 ,误差E的绝对值小于 时积分，大时不积 分。 的取值范围：00H～7FH。 控制量UK输出至D／A，范围：00H～FFH，对应 EK5v～+4.96V，误差模入范围与此相同。

  38. (3)整定调节参数与系统开环增益 可用临界比例带法整定参数。设采样周期为 50ms，先去掉微分与积分作用，只保留比例控制， 增大KP，直至系统等幅振荡，记下振荡周期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1/5TU) 比例KP=0.36KPU (即P=KP=0.36KPU ) 积分时间TI=1.05TU (即 )

  39. ③用比例、积分、微分调节(T取1/6TU) 比例KP=0.27KPU (即P=KP=0.27KPU ) 积分时间TI=0.4TU (即 ) 微分时间TD=0.22TU (即 ) 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。

  40. 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。 (4)接线 与线路原理 图 4--2

  41. 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→U2、lN；U2、OUT→U12、 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。 计算溢出显示部分：图4--2虚框内。当计算控 制量的结果溢出时，计算机给口B的PB 17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。

  42. (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=TK×10ms。TK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TK。 2、实验程序流程： 见图4-3

  43. 图 4—3

  44. 四、实验内容与步骤 1、按图4-2接线，用短路块将S与ST短接，Sl1 置阶跃档，S12置下档，调W1l使信号周期为6S，调 W12约为3V。 2、装入程序AC4-1.EXE，用U命令查看程序数 据段段地址为0240,在0240：0000地址开始存入TK、 EI、KP、KI、KD(其中KI=KD=O),启动PID位置式算 法程序，用示波器观察输出。 3、选不同的KP,直到等幅振荡,记下TU和KPU,填 入表4-1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)

  45. 4、根据临界比例带法计算PID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,在输入R为零时 启动程序，对照输入R观察输出C,用示波器测出MP、 ts。 5、改变积分分离值EI,在输入为零时重新启动 程序，对照输入观察输出C，看MP、ts有无改善,并 记录MP、ts。 6、根据PID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,在输入为 零时启动程序,对照输入观察输出,并记录MP、ts。 按上述方法重复做几次，直到使MP <20％，ts<1S， 在表4-1中填入此时的各参数和结果。

  46. 7、用表4-1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4-1中。 8、(这一项可不做)调W12增大输入为5V,改变 EI、KI值,启动程序,观察输出C,观察U10单元的OUT 端有无饱和(若接入运算溢出部分可观察发光二极 管是否发亮)。S11置斜坡、抛物档，调整W12,观察 输出C看其适应性。 T=05H KPU=0.905 TU=0.5S

  47. 表 4一l 参数 EI P I D MP ts 项目 I用临界比例带法整定参数 7F 0.2443 0.324 80% 3s 0.0996 II用I栏PID参数，但EI修改 30 0.2443 0.0996 0.324 40% 2s III较佳的PID控制参数 30 0.2443 0.0496 0.424 10% 0.9s Ⅳ用 II栏PID参数，EI为7F 7F 0.2443 0.0496 0.424 80% 1.5s

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