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1、微机控制原理和技术实验指导书电子信息工程系实验一控制系统分析实验二步进电机实验实验三直流电机调速实验实验四PID算法设计实验一控制系统分析一、实验目的1. 培养学生初步的 MATLAB编程能力；2. 培养学生初步的利用 MATLAB对连续控制系统进行时域、频域分析的能力。二、实验设备及材料1. 计算机一台；2. MATLAB 平台；三、实验原理及方法1. 对如下离散控制系统进行单位阶跃响应、单位脉冲响应的仿真：G(s)= s +3s+252. 用到的控制系统工具箱函数有：step( )、impulse( )、bode()、nyquist()。可查看帮助 文件了解它们的功能及用法。3. 可参考如
2、下 MATLAB语言仿真样例程序进行编程：25num=25;den=1 3 25;%画单位阶跃响应曲线y,x=step( nu m,de n) subplot(2,2,1) plot(y) grid xlabel(Time/s); ylabel(Amplitude); title(step response) %画单位脉冲响应曲线 y,x=impulse(num,den); subplot(2,2,2) plot(y) grid xlabel(Time/s); ylabel(Amplitude); title(impulse response) %画系统 bode 图 subplot(2,2,
3、3) bode(num,den); title(Bode Plot) grid%画系统的 nyquist 图 subplot(2,2,4) nyquist(num,den) title(Nyquist Plot) grid 4参考仿真结果曲线如下：step response- O5 15 010.ap2-dluvimpulse response42050100150Time/sBode Plot50100Time/s150mT3j 喝匸七匚BBzc)aJT5】(uwffilld0000OO.9I I I i i i p i i p i i H ii| 9 HPif i nvii I MR*Ii
4、i*|ii ppp11VVVV1VIP1 i |irii1 iii|i i i id1 | |i|1 1 14VI l 1 1 1VI-1J J ULl11.J J-li I1 NilIl 1 Irrh a1 Hhilli 1 bb lili lii i iiriiillii b ilaiaid1 i Timmi ii jia iifii i iIaiai iij i 1 ii i i j ！O210L OO 181n4310 10-1Nyquist Plot0 1Real Axis2Frequency Cradfeec)四、实验内容1、时域分析(1)根据下面传递函数模型：绘制其单位阶跃响应曲
5、线并从图上读取最大超调量，并 绘制系统的单位脉冲响应。(2)典型二阶系统传递函数为：当 Z =0.7,3 n 取 2、4、6、8、10、 跃响应。2+ 2討十少;12的单位阶(3)典型二阶系统传递函数为：当 3 n =6, Z 取 0.2、0.4、0.6、0.8、 的单位阶跃响应。卫+ 2歹f+虻1.0、 1.5、2.02、频域分析(1)典型二阶系统传递函数为：宀.当 Z =0.7,3 n 取 2、4、6、8、10、 几、严 12 的伯德图(2)典型二阶系统传递函数为：宀= 当 3n =6, Z 取 0.2、0.4、0.6、0.8、.、”1.0、1.5、2.0 的伯德图。3、系统稳定性分析(1
6、)代数法稳定性判据:(用求分母多项式的根的方法)已知系统的开环传递函数为：G(a) = 10()邑迢试对系统闭环判 匚 别其稳定性。(2) Bode图法判断系统稳定性：已知两个单位负反馈系统的开环传递函数分别为：稳定性。用 Bode2.7、二2.7品+朋+4/ 2W7+5?4?图法判断系统闭环的五、实验步骤1. 开机，进入 MATLAB记事本窗口；2新建“ * . M ”文件，输入程序，保存“ * . M ”文件；3. 进入命令窗口，运行“ * . M ”文件；4. 观察并绘制仿真结果曲线；5调整模型参数，观察、分析时间响应曲线的变化。六、实验要求利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验用
7、程序和结果写在实验报告上。如果有图，则将图画在实验报告上。实验二步进电机实验一. 实验目的通过实验学习使用5509DSP的扩展I/O端口控制外围设备信息的方法，掌握使用5509DSP通用计时器的控制原理及中断服务程序的编程方法；了解步进电机的控制方法。二. 实验设备计算机，ICETEK-VC5509-EDU 实验箱。三实验原理1. EMIF 接口：TMS320C5509DSP勺扩展存储器接口 （EMIF）用来和大多数外围设备进行连接，典型使用 如连接片外扩展存储器等。这一接口提供地址连线、数据连线和一组控制线。 ICETEK-VC5509-A将这些扩展线引到了板上的扩展插座上供扩展使用。2.
8、步进电机是由 DSP通用I/O管脚输出直接控制。步进电机的起动频率大于500PPS（拍每 秒），空载运行频率大于 900PPS 5509A的通用I/O 口 S22控制电机的转动频率， S14控制 转动方向。,FLDA1JJBIB23. 控制的方法是使用 DSP通用定时器设置 S22以一定的频率改变高低状态，输出方波，设 置S14为高电平则顺时针转动，低电平为逆时针转动。4实验程序流程图：斷服务科序幵晞一須掀标左计散辭加1政减h从0-78 IF3Mil肚肾川氏的柠1:汕小电机妁J胳M贻化:DSP片忡.EMF初始itICETEK-CTR.步进电机fit*i：? 1 -1- -1.1 b Enter
9、 斤闭ICETEK-CTR悄用设祥计蠢JHR方向反圖独制字如输人“+”或-*1调議速度*镐人丿丿丨门四实验步骤1实验准备：连接实验设备。连接实验箱附带的键盘的PS2插头到ICETEK-CTR的“键盘接口” P8。将ICETEK-CTR板的供电电源开关拨动到“开”的位置。2. 设置 Code Composer Studio 2.21在硬件仿真(Emulator)方式下运行:3. 启动 Code Composer Studio 2.21:4. 打开工程文件：工程目录：C:ICETEK-VC5509-EDULabLab0407-SAMotorSAMotor.pjt 。 浏览mai n.c文件的内容，
10、理解各语句作用。5 编译并下载程序。6 运行程序，观察结果。电机转动时按下ICETEK-CTR板上连接的小键盘中“ 4”和“ 6” 键，控制电机转动方向。 用“ +”和“-”键可微调速度。7 停止程序运行并退出。&退出CCS。实验三直流电机调速控制实验一.实验目的1. 学习用C语言编制中断程序，控制VC5509 DSP的通用I/O管脚产生不同占空比的 pwM信号。2. 学习VC5509DSP勺通用I/O管脚的控制方法。3. 学习直流电机的控制原理和控制方法。二实验设备计算机，ICETEK-VC5509-EDU实验箱。三. 实验原理1. 直流电机控制：直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现
11、调速的电动机。近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制(Puls Width Modulation ,简称PWM控制方式已成为绝对主流。PWM调压调速原理：直流电动机转速n的表达式为：U - IR科其中，U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；为每极磁通量；K为电 动机结构参数。所以直流电动机的转速控制方法可分为两类：对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁
12、线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。现在，大多数使用场合都使用电枢控制法。绝大多数直流电机采用开关驱动方式。开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制 PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。上图是利用开关管对直流电动机进行中，当开关管 MOSFE的栅极输入高电平时,PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。图 开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。t2秒后，栅极输入重新变为高电平， 开关管的动作重复前面的过程。这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图中所示。电动机
13、的电枢绕组两端的电压平均值Uo为:击为片空比*占空比a表示了在一个周期 T里，开关管导通的时间和周期的比值。a的变化范围为0WaW 1。由此式可知，当电源电压US不变的情况下，电枢的端电压的平均值U0取决于占空比a的大小，改变a值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。2. ICETEK-CTR直流电机模块：ICETEK-CTR即显示/控制模块上直流电机部分的原理图见下图。图中PWM输入对应ICETEK-VC5509-A板上P4外扩插座第 26引脚的S22信号，DSP将在 此引脚上给出 PWM言号用来控制直流电机的转速；图中的 DIR输入对应ICETEK-VC550
14、9-A 板上P4外扩插座第29引脚的S14信号，DSP将在此引脚上给出高电平或低电平来控制直流 电机的方向。从DSP输出的PWMI号和转向信号先经过2个和门和1个非门再和各个开关管的栅极相连。控制原理：当电动机要求正转时，S14给出高电平信号，该信号分成3路：第1路接和门Y1的输入端，使和门Y1的输出由PWM决定，所以开关管V1栅极受PWM控制；第2路直接和开关管 V4的栅极相连，使V4导通；第3路经非门F1连接到和门Y2的输入端，使和门Y2输出为0， 这样使开关管V3截止；从非门F1输出的另一路和开关管 V2的栅极相连，其低电平信号也 使V2截止。同样，当电动机要求反转时，S14给出低电平信号，经过 2个和门和1个非门组成的逻V2导通，V1 V4全部截止。辑电路后，使开关管 V3受PWM信号控制，
