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1、计算机控制系统硬件部分实验指导书机电工程系杨大志 付 伶 郭天石四川理工学院2007年10月33目 录实验一 数/模转换与模/数转换1实验二 采样与保持4实验三 积分分离PID控制8实验四 最小拍控制系统12实验五 大林算法17附录一 TDN-AC/ACS+系统使用说明21附录二 实验程序流程图29注：实验一、二为基础性实验，实验三、四、五为综合性实验。实验一 数/模转换与模/数转换一、实验目的1、熟悉模/数转换的电路工作原理2、熟悉数/模转换的电路工作原理3、掌握模/数转化的量化特性4、熟悉多路数/模转换电路的工作原理二、实验设备1、计算机控制实验装置一台2、计算机一台3、万用表三、实验原理
2、图1-1如图1-1示，8088CPU的OPCLK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（接+5V），选通输入通道IN7。通过电位器W141给A/D转换器输入-5+5V模拟电压。8253的2#口用于5ms定时输出OUT2信号启动A/D转换器，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0832的输入端。选用8088的地址输入信号IOY0为片选信号（），XIOW信号为写入信号（），D/A转换器的口地址为00H。调节W141即可改变输入电压，可在调试窗口中看到AD
3、C对应输出的数字量，同时这个数字量也是DAC的输入数码。四、实验线路实验线路如图1-1，图1-2，图1-3所示。图中大部分线已接好，只需接入“”的线，并把电源部分用短路块短接有“短路”标志的地方即可。图1-2五、实验内容和步骤1、单路模/数与转换实验（1）按图1-1接线，接好后仔细检查，确定无误后方可接通实验箱的电源。（2）打开实验箱电源，双击图标执行计控实验程序ACS2002，选择默认串口1，使通讯成功。（3）按附录一系统实验说明中介绍的方法进行D/A调零。（4）打开汇编程序AC1-1.asm，仔细分析源程序，然后对其编译、链接，最后在调试窗口中装入程序AC1-1.exe，用命令G=0000
4、:2000（或者G=F0000:1100）启动模/数、数/模转换程序。转换后的数字量将显示在调试窗口中。（5）依次调节U14单元的电位器W141，使其输出端Y分别为表1-1所示模拟量输入值，记录程序显示的数字量并用万用表测量D/A转换后的模拟输出量填于表1-1中。表1-1模拟输入电压（V）显示器数码（H）模拟输出电压（V）-5-4-3-2-1012345（6）在图1-1基础上加接一个信号衰减电路，加接部分如图1-2所示，其余电路不变。（7）依次调节模拟输入电压，使A/D转换值分别如表1-2所示，记录对应的11个数字量情况下的模拟量输入电压，整理量化单位和量化误差。表1-2模入电压（mV）-19
5、6-156.8-117.6-78.4-39.2039.278.4117.6156.8196数字量（H）六、双路模/数、数/模转换实验（1）按图1-3接线。（2）接线后打开示波器，点击用不运行程序方式观察模数转换的两路输入信号R1和R2。（3）S11选择斜坡档，S12选择下档，将W11幅值调至最大，调节W12使R1幅值为4V左右。（4）打开汇编程序AC1-4.asm，对其编译、链接，然后在调试窗口中装入程序。再进入示波器窗口，点击用运行程序方式观察信号波形。程序入口地址采用默认地址，即CS:0000，IP:2000。（5）分别观察输入信号与对应的输出信号，（R1对应OUT1，R2对应OUT2）画
6、出对应波形并用示波器测量波形的幅值。（6）在DAC单元的OUT端观察计算机的分时控制输出波形。图1-3实验二 采样与保持实验2.1 采样实验一、实验目的1、熟悉模/数转换的电路工作原理2、熟悉数/模转换的电路工作原理3、掌握采样周期Tk对输出波形的影响二、实验设备1、计算机控制实验装置一台2、计算机一台三、实验原理信号源U1 SG单元的OUT端输出抛物线信号，通过A/D转换单元的U12的IN7端输入。计算机在采样时刻启动A/D转换器，转换得到数字量送至教学机8255口A，口A设成输入方式。8088CPU将输入的数字量直接送至D/A转换单元U10，在U10单元的OUT端则输出相应的模拟信号。如图
7、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。为10ms。图2.1-1需要特别注意采样周期T的选择，8088微机的8253产生定时为10ms的中断信号，倍数Tk存放在数据段DS中，其取值范围01HFFH。所以由采样周期T=Tk10ms，可知范围为10ms2550ms，根据需要的采样周期来确定Tk。四、实验线路见图2.1-2。图2.1-2五、实验内容和步骤（1）按图2.1-1接线，首先将U1 SG单元的S11置抛物线档，S12置下档。接好后仔细检查，确定无误后方可接通实验箱的电源。（2）打开实验箱电源，双击图标执行计控实验程序，选择默认串口1，使通讯成功。（3）进
8、入示波器窗口，用不运行程序方式分别观察U1单元的OUT端波形，调11使U1单元的OUT端输出不高于5V，调W12使周期为2s。（4）打开汇编程序AC2-1.asm，分析源程序后对其编译、链接，并下载程序，然后启动采样程序，打开寄存器窗口观察数据段地址DS（也可用反汇编命令U，为0225）。（5）选定采样周期Tk=04H，并在调试窗口中通过E命令将Tk存入0225:0000。（6）进入示波器窗口，用运行程序方式对照观察U1单元的OUT端波形与U10单元的OUT端波形，观察完后停机。（7）选择若干值，重复（5）、（6）两步骤，观察不同采样周期Tk的输出波形，并记录。（8）调节12使U1单元的OUT
9、端输出不高于5V，调W11电位器使周期为0.3S。重复（5）、（6）两步骤，观察不同采样周期Tk的输出波形，并记录。实验2.2 保持器一、实验目的1、熟悉模/数转换的电路工作原理2、熟悉数/模转换的电路工作原理3、掌握采样周期Tk对输出波形的影响4、熟悉零阶保持器在采样电路中的作用二、实验设备1、计算机控制实验装置一台2、计算机一台三、实验原理计算机（8088 CPU）用8253定时，在采样时刻计算机给A/D器件启动信号，这时0809将模拟量转换为数字量并通过口A输入，计算机直接把这些数字量输出给D/A器件（DAC0832），0832则输出相应的模拟量，并且一致保持到输入新值。原理如图2.2-
10、1，采样周期设置同实验2.1。图2.2-1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。采样周期设置同实验2.1。图2.2-2四、实验线路图2.2-3如图2.2-3，R为输入，E为误差，C为输出。U10单元的OUT端为IN7端的离散化信号。五、实验内容和步骤（1）按图2.2-3接线，首先将U1 SG单元的S11置阶跃档，S12置下档。接好后仔细检查，确定无误后方可接通实验箱的电源。（2）打开实验箱电源，双击图标执行计控实验程序，选择默认串口1，使通讯成功。（3）进入示波器窗口，用不运行程序方式分别观察U1单元的OUT端波形，调11使U1单元的OUT端输出1V，调W12使周期
11、为5s。（4）打开汇编程序AC2-2.asm，分析源程序后对其编译、链接，并下载程序，然后启动采样程序，打开寄存器窗口观察数据段地址DS（0227）。（5）选定采样周期Tk=02H，并在调试窗口中通过E命令将Tk存入0227:0000。（6）进入示波器窗口，用运行程序方式对照观察U12单元的IN7端波形与U10单元的OUT端波形，观察输出C的波形，观察完后停机。（7）选择不同采样周期Tk，重复（5）、（6）两步骤。观察不同采样周期Tk的输出波形，并记录。（8）增大Tk，存入DS段的第一个单元，重新进入示波器窗口，用运行程序方式观察输出C的波形，停机。连续增大Tk，重复几次，直到系统不稳定，记录
12、并填下表：表2.2-1 （T=Tk10ms）Tk（H）采样周期T(s)系统稳定性02040810（9）在已填入表中选取一个Tk，值存入DS段的第一个单元，重新进入示波器窗口，用运行程序方式观察输出C的波形。（10）减小输入信号幅度，增大采样周期Tk，值存入DS段的第一个单元。重新进入示波器窗口，用运行程序方式对照观察U12单元的IN7端波形与U10单元的OUT端波形，观察系统及离散化噪音输出。再将S11拨至斜坡，抛物线档，作进一步观察。实验三 积分分离PID控制一、实验目的1、熟悉PID控制规律2、掌握用临界比例带法整定PID控制参数的方法3、掌握不同P、I、D参数对控制系统的影响4、掌握采样
13、时间变化对系统的影响5、掌握积分分离值对系统的影响二、实验设备1、计算机控制实验装置一台2、计算机一台三、实验原理（1）原理如图3-1，R为输入，C为输出，计算机不断的采入误差E，进行积分分离PID运算，然后判断结果是否溢出（若溢出则取最大或最小值），最后将控制量输送给系统。图3-1（2）运算原理PID控制规律为：为控制器输入，为控制器输出。用求和代替积分，用向后差分代替微分，采样周期为T，算法为：简记为：P、I、D范围为：-0.9999+0.9999，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0.1
14、234，I为0.04，D为0，则内存表示为表3-1所示。表3-1字节系数地址内容低字节P2402H00H中间字节2403H12H高字节2404H34H低字节I2405H00H中间字节2406H04H高字节2407H00H低字节D2408H00H中间字节2409H00H高字节240AH00H计算机存有初始化程序，把十进制小数转化成二进制小数，每个小数用两个字节表示。在控制计算程序中按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0240:0001内存单元所存的数值作为积分分离偏差阈值EI，误差E的绝对值小于EI时积分，大于EI时不积分。EI的取值范围：00H7FH。控制量U输出至D/A，范围：00HFFH，对应-5V+4.96V，误差E的模入范围与此相同。（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（Tk=05H，
