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计算机控制技术实验课件 易易 杰杰目目 录录实验一实验一 模数、数模转换实验实验二实验二 多路模拟信号AD、DA转换实验实验三实验三 采样实验实验四实验四 保持器实验实验五实验五 积分分离PID控制实验实验一实验一 模数、数模转换实验模数、数模转换实验本实验为验证性实验 一、实验目的一、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、实验设备二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。三、实验原理三、实验原理1 1实验线路原理图：见图11 图11

2、 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。AD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DA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( ),DA变换器的口地址为00H。 调节W141即可改变输入电压，可从显示器上看AD变换器对应输出的数

3、码，同时这个数码也是D/A变换器的输入数码。2 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 四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤 1 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 2、将W141输出调至-5V，执行监控中的程序(G=F000：1100)。如

4、果程序正确执行，将在显示器上显示“00”。 3 3、将W141依次调节，用数字电压表分别检测AD的输入电压和DA的输出电压。 观察显示器，记下相应的数码及DA的输出模拟电压，填入下表1一l。 -500 -5 -41A -4 -333 -3 -24C -2 -166 -1 模拟输入电压(v) 显示器数码(H) 模拟输出电压(v) O 80 O +l 99 l +2 B3 2 +3 CD 3 +4 E6 4 +5 FF 5模拟输入电压(v) 显示器数码(H) 模拟输出电压(v) 表 1一l4 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。5 5用数字万用表监测AD的输入

5、电压，在OV附近连续调节AD的输入电压，观察整理量化误差和量化单位。图 1-16 6测出AD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： 模入 电压（mv） 数字量（H）-196 7B -156.8 7C -117.6 7D -78.4 7E -39.2 7F 0 80 39.2 81 78.4 82 117.6 83 156.8 84 196 85 表 l-2AD转换的量化特性图，如图1-4所示：图 1-4 实验二实验二 多路模拟信号多路模拟信号 A AD D、D DA A转换实验转换实验本实验为综合性实验。一、实验目的一、实验目的掌握A/D转换器多路转换原

6、理及接口方法。二、实验设备二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。三、实验原理三、实验原理1 1实验线路原理图：见图1-5图 1-5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。AD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 16 计算机控制AD变换器分时对这两路模拟信号进行AD转换。将转换的数字量送至DA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

7、出信号与AD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AD变换单元U12的IN7输入信号致。 2 2程序流程：见图1-7图 1-7四、实验内容与步骤四、实验内容与步骤 1 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 2、执行程序(G=F000:1151)。 3 3、用示波器同时观察输入与输出信号。 如果程序正确执行，AD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

8、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 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。实验三实验三 采样实验采样实验本实验为综合性实验。一、实验目的一、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、实验设备二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。三、实验原理三、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AD转换单元U12的IN7端输入。计算机在采样时刻启动AD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。8088 CPU将输人的数字量直

9、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 2.11 （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01HFFH，采样周期T=TK10ms，所以T的范围为T10ms2550ms，改变TK即可以确定T。2 2、实验程序流程图：见图2.1-3图 2.1-3 四、四、实验内容与步骤 1 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

10、用短路块短接S与ST。 2 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 3、选定TK=04H。 4 4、将2F60H单元存入TK，启动采样程序(G=F000:11A2)。 5 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 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。 五、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=01H26H时,U10单元的OUT端的输出波形为IN7的采样波形

11、,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AD转换时间，T处理为计算机对信息进行处理所用的时间)。 有人又问，既然AD采样本身具有保持功能，那是不是不管模拟量在AD转换时变化多大，都可不加保持器呢?不定，因AD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。实验四实验四 保持器实验保持器实验本实验为综合性实验。一、实验目的一、实验目的1 1、熟悉信号的保持过程。2 2

12、、学习用直线插值法还原信号。二、实验设备二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。 三、实验原理三、实验原理 1 1、实验原理与线路(1) 原理 计算机(8088CPU)用8253定时，在采样时刻计算机给AD器件启动信号，这时AD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DA器件，DA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 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（2 2）实验接线图：见图2.2

13、-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 2.2-32、实验程序流程：见图2.1-3图 2.1-3 3 3、实验内容与步骤 (1)(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)(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 (3)(3)更换TK，重复（2）。 (4)(4)增大TK,存入2F60H单元,启动采样保持器

14、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。 表2.2-1(T=TK10ms) TK(H) 采样周期T（S) T=TK10ms 020.02稳定040.04稳定080.08稳定100.1等幅振荡 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 DA器件会具有零阶保持器的作用？这是因为DA器件具有两级输出锁存能力。(5)(5)在已填入表2.2-1中选取一个TK值(不要选为01H),TK存入2

15、F60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 。图 2.2-5(6)(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。 实验五实验五 积分分离积分分离PIDPID控制实验控制实验本实验为设计性实验。一、实验目的一、实验目的1 1、了解PID参数对系统性能的影响。2 2、学习整定PID参数。3 3、掌握积分分离PID控制规律。二、实验设备二、实验设备 PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。 三、实验原理三、实验原理1 1、实验原理及线路简介(1) (1) 原理 如

16、图41，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 (2) (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：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。 表表4 4一一l l 地址地址 内容内容 低

17、字节低字节 2F03H 00H2F03H 00H 中间字节中间字节 P2F04H 12HP2F04H 12H 高字节高字节 2F05H 34H2F05H 34H 2F06H 2F06H 00H00H I2H07H I2H07H 04H04H 2F08H2F08H00H00H 2F09H 2F09H 00H00H D2FOAH D2FOAH 00H00H 2FOBH2FOBH00H00H 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，

18、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：00H7FH。 控制量UK输出至DA，范围：00HFFH，对应EK5v+4.96V，误差模入范围与此相同。 (3)(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。 只用比例调节 KP=0.5KPU (

19、P=KP=0.5KPU)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 ) 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K5，PID系数则都相应增大5倍。 另一方面PID系

20、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P5.3，可取0.5300送入，模拟电路开环增益亦相应增大10倍。 (4)(4)接线与线路原理 图 4-2 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AD转换器。 系统误差信号EU2、lN；U2、OUTU12、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AD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。 (

21、5)(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=TK10ms。TK事先送入2F60H单元，范围是01HFFH，则采样周期T的范围为10ms2550ms。按TU计算出的T如果不是10ms的整数倍，可以取相近的TK。 2 2、实验程序流程： 见图4-3图 43 四、四、实验内容与步骤 1 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 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),

22、启动PID位置式算法程序，用示波器观察输出。 3 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) 4 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 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 6、根据PID三个系数的不同的控制作用，适当加

23、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，ts1S，在表4-1中填入此时的各参数和结果。 7 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 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 参数项目 I用临界比例带法整定参数 II用I栏PID参数，但EI修改 III较佳的PID控制参数 用 II栏PID参数，EI为7F EI7F30307FP0.24430.24430.24430.2443I0.09960.04960.04960.0996D0.3240.3240.4240.424ts80%MP10%80%40%3s2s1.5s0.9s表 4一l