计算机控制技术实验报告.(DOC)

计算机控制技术实验报告

实验一信号的采样与保持

一、实验目的

1．熟悉信号的采样和保持过程。

2．学习和掌握香农(采样)定理。

3．学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。

二、实验设备

PC 机一台，TD-ACS实验系统一套，i386EX 系统板一块。

三、实验原理

香农（采样）定理：若对于一个具有有限频谱（max ωω<）的连续信号)(t f 进行采

样，当采样频率满足max 2ωω≥s

时，则采样函数)(t f *能无失真地恢复到原来的连续信号

)(t f 。max ω为信号的最高频率，s ω为采样频率。

四．实验内容

1．采样与保持

编写程序，实现信号通过 A/D 转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到 D/A 转换器输出。

实验线路图如图2-1所示，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

STR /OE EOC CLOCK

IN7

A

B C

D0 ┆

D7

+5V i386EX CPU

24MHz

TMROUT1INT3(主8259IRQ7)TMRCLK1

WR#CLK2 M/IO# A0

XD0┆XD7

OUT1/IOY01MHz 分频模数转换单元

控制计算机

/CS /WR A0

OUT1D0

┆ D7 /IOY1

/IOW

IRQ7

数模转换单元

正弦波OUT

图2-1 采样保持线路图

控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1#定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的“7”号中断，用作采样中断。正弦波单元的“OUT ”端输出周期性的正弦波信号，通过模数转换单元的“IN7”端输入,系统用定时器作为基准时钟（初始化为10ms ），定时采集“IN7”端的信号，转换结束产生采样中断，在中断服务程序中读入转换完的数字量，送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号。由于数模转换器有输出锁存能力，所以它具有零阶保持器的作用。

采样周期T= TK×10ms ，TK 的范围为01~ FFH ，通过修改TK 就可以灵活地改变采样周期，后面实验的采样周期设置也是如此。零阶采样保持程序流程图如图2-2所示。

系统初始化

主程序

变量初始化

等待中断

还原采样周期变量

采样中断服务程序（零阶保持）

采样周期到否？

读取A/D 采样值，送D/A 输出

Y

N

中断返回

图2-2 零阶采样保持程序流程图

实验步骤：

（1）参考流程图2-2编写零阶保持程序，编译、链接。 （2）按照实验线路图2-1接线，检查无误后开启设备电源。

（3）用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT ”端，调节正弦波单元的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT ”端输出幅值为3V ，周期1S 的正弦波。

（4）加载程序到控制机中，将采样周期变量“Tk ”加入到变量监视中，运行程序，用示波器的另一路表笔观察数模转换单元的输出端“OUT1”。

（5）增大采样周期，当采样周期>0.5S 时，即Tk>32H 时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真，记录此时的采样周期，验证香农定理。

2．信号的还原

编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。

从香农定理可知，对于信号的采集，只要选择恰当的采样周期，就不会失去信号的主要特征。在实际应用中，一般总是取实际采样频率s ω比max 2ω大，如：max 10ωω≥s 。但是如果采用插值法恢复信号，就可以降低对采样频率的要求，香农定理给出了采样频率的下限，但是用不同的插值方法恢复信号需要的采样频率也不相同。

（1）直线插值法（取max 5ωω≥s ）利用式1.2 -1在点（X0，Y0）和（X1，Y1）之间插入点（X ，Y ）。

)(00X X K Y Y -+=

其中：0

10

1X X Y Y K --=

X1?X0为采样间隔，Y1?Y0分别为X1和X0采样时刻的AD 采样值。

（2）二次曲线插值法（取max 3ωω>s

）：)]()[(12100X X K K X X Y Y -+-+=

其中，1

20101020220

1011,

X X X X Y Y X X Y Y K X X Y Y K -???? ??-----=

--= 直线插值与二次曲线插值程序流程图如图2-3所示。

采样中断服务程序（直线插值）

采样周期到否？

计算插值点并送D/A 输出

N

Y

采样周期变量减一D/A 输出前一采样值，计算K1采样周期变更还原

采样中断服务程序（二次曲线插值）

采样周期到否？

计算插值点并送D/A 输出

N

Y

采样周期变量减一

D/A 输出前一采样值，计算K1、K2

采样周期变更还原

中断返回

中断返回图2-3 直线插值与二次曲线插值程序流程图

实验步骤：

（1）参考流程图2-3分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。 （2）按照线路图2-1接线，检查无误后，开启设备电源。调节正弦波单元的调幅、调频 电位器，使正弦波单元输出幅值为3V ，周期1S 的正弦波。

（3）分别装载并运行程序，运行程序前将采样周期变量Tk 加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察数模转换单元的输出，和零阶保持程序的运行效果进行比较。 由上述结果可以看出：在采样频率Ws =10Wmax 时，用三种方法还原信号，直线插值要好于零阶保持，二次曲线插值好于直线插值。采用合理的插值算法可以降低信号的失真度，在允许的范围内可以有效地降低对采样频率的要求。

（4）（3）中是在同一采样频率下，比较三种方法还原信号的效果，实验中也可比较一种还原方法在不同采样频率下的效果。

对于零阶保持来说：当采样频率≥信号频率的10倍时，即AH T S T k k 0,110

1

≤?≤信

号的还原效果较好。

对于直线插值来说：当采样频率≥信号频率的5倍时，即H T S T k k

14,15

1≤?≤

信

号的还原效果较好。

对于二次曲线插值来说：当采样频率≥信号频率的3倍时。H

T S T k k 21,13

1≤?≤

信号的还原效果较好。

五．实验结果

采样周期Tk=05H 时的输出波形：

采样周期Tk=33H 时的输出波形为：

由得到的实验结果可以看出:采样周期 Tk=05H 时，输出波形与原来基本相同；Tk>32H 时输出波形产生失真。 信号还原实验结果：

Tk=0AH 时，三种方法还原得到的结果：

直线差值的输出波形：

二次曲线插值的输出波形：

零阶保持输出波形：

实验二 数字滤波

一、实验目的

1．学习和掌握一阶惯性滤波。 2．学习和掌握四点加权滤波。

二、实验设备

PC 机一台，TD-ACS 实验系统一套，i386EX 系统板一块。

三、实验原理

一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种，由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点被广泛应用。

控制计算机

模数

转换

数模转换

R

C

图3-1数字滤波方框图

（1）一阶惯性滤波： 相当于传函

1

1

+S τ的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式： 1)1(-+-=K K K aY X a Y

其中，K X 为当前采样时刻的输入，K Y 为当前采样时刻的输出，1-K Y 为前一采样时刻的输出，T 为采样周期，τ

T

a =

-1。

（2）四点加权滤波： 四点加权滤波算法公式：

)1(4

1

i 3

423121∑=---=+++=i K K K K K A X A X A X A X A Y

其中，K X 为当前采样时刻的输入，1-K X 为前一采样时刻的输入，1-K Y 为前一采样时刻的输出。

数字滤波程序流程图如图3-2所示。

系统初始化

主程序

变量初始化

等待中断

系数转换

取A/D 采样值计算YK=(1-a)XK+Z D/A 输出YK 的值采样中断程序（一阶惯性）

计算Z=a*YK 取A/D 采样值

计算YK=A1*XK+Z

D/A 输出YK 的值

采样中断程序（四点加权）

计算Z=A2*XK_1+A3*XK_2+A4*XK_3

中断返回中断返回

图3-2 数字滤波程序流程图

实验中的参数：1－a 、a 、A1、A2、A3、A4为十进制2位小数（BCD 码），取值范围：0.00 ～ 0.99，只须对应存入00～99。程序中将其转换成二进制小数，再按算式进行定点小数运算。

四．实验内容

分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。

实验线路图如图3-3所示，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行搭接。

STR /OE EOC CLOCK IN7

A B C

D0 ┆

D7

+5V i386EX CPU

24MHz

TMROUT1INT3(主8259IRQ7)TMRCLK1

WR#CLK2 M/IO# A0

XD0┆XD7

OUT1/IOY01MHz 分频模数转换单元

控制计算机

/CS /WR A0

OUT1D0

┆ D7 /IOY1

/IOW

IRQ7

数模转换单元

S ST +5V GND -正弦波 OUT

信号源10K

10K

10K

10K 1uF 47K

47K

S1

NC

短路块

R

C

图3-3 数字滤波实验线路图

控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常,“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的7号中断，用作采样中断。 电路中用RC 电路将S 端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。注意R 点波形不要超过±5V ，以免数字化溢出。计算机对有干扰的正弦信号R 通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C 输出。

五、实验步骤

1. 参照流程图3-2分别编写一阶惯性和四点加权程序，检查无误后编译、链接。

2. 按实验线路图3-3接线，检查无误后开启设备电源。调节正弦波使其周期约为2S ，调信号源单元使其产生周期为100ms 的干扰信号（从“NC ”端引出），调节接线图中的两个47K 电位器使正弦波幅值为3V ，干扰波的幅值为0.5V 。

3. 分别装载并运行程序，运行前可将“TK ”加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察R 点和C 点，比较滤波前和滤波后的波形。

4. 如果滤波效果不满意，修改参数，再运行程序，观察实验效果。

六．实验结果

一阶惯性滤波输出波形：

四点加权滤波输出波形：

由实验结果可以得到此实验一阶惯性滤波的效果更好，其更有效的滤去了噪声干扰信号。

实验四积分分离法PID控制

一、实验目的

1．了解PID参数对系统性能的影响

2．学习凑试法整定PID参数

3．掌握积分分离法PID控制规律

二、实验设备

PC 机一台，TD-ACS 实验系统一套，i386EX 系统板一块

三、 实验原理

根据系统偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）进行控制的调节器简称为PID 调节器（也称为PID 控制器），是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器，其控制规律为：

])

()(1)([)(?++

=dt

t de T dt t e T t e K t u d i p 在计算机控制系统中，PID 控制规律的实现必须用数值逼近的方法。当采样周期相当短时，用求和代替积分、用后向差分代替微分，使模拟PID 离散化变为差分方程。数字 PID 控制算法可以表示为位置式 PID 和增量式 PID 两种。

（1）位置式 PID 控制算法为：

))]1()(()()([)(0

--+

+

=∑=k e k e T

T i e T T

k e K k u D

k

i I

P （2）增量式 PID 控制算式为：

)

1()()(-+?=k u k u t u ))]2()1(2)(()())1()([()(-+--++

--=?k e k e k e T

T k e T T

k e k e K k u D I P 其中，T 为采样周期，k 为采样序号，)(k u 为第k 次采样调节器输出，)(k e 为第k 次采样误差值，)1(-k e 为第1-k 次采样误差值。

增量式与位置式相比具有以下优点：

1．增量式算法与最近几次采样值有关，不需要进行累加，因此，不易产生累积误差，控制效果较好。

2．增量式中，计算机只输出增量，误动作（计算机故障或干扰）影响小。

3．在位置式中，由手动到自动切换时，必须使输出值等于执行机构的初始值，而增量式只与本次的误差值有关，更易于实现手动到自动的无扰动切换。

4．增量式控制算法因其特有的优点在控制系统中应用比位置式更加广泛。 为了便于实验参数的调整，下面讨论PID 参数对系统性能的影响：

（1）增大比例系数K P 一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。

（2）增大积分时间参数T I 有利于消除静差、减小超调、减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。

（3）增大微分时间参数T D 有利于加快系统响应，使超调量减小，系统稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。

在调整参数时，采用凑试法。参考以上参数对控制过程的影响趋势，对参数实行“先比例，后积分，再微分”的步骤。

（1）首先整定比例部分。将比例系数K P 由小变大，并观察相应的系统响应，直到响应曲线超调小、反应快。如果系统没有静差，或者静差小到允许的范围内，那么只需比例调节器即可。

（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足要求，则须加入积分作用。整定时首先置积分时间T I 为一较大值，并将第1步整定得到的比例系数K P 缩小（80％），然后减小积分时间，使静差得到消除。如果动态性能（过渡时间短）也满意，则需PI 调节器即可。

（3）若动态性能不好，则需加入微分作用。整定时，使微分时间T D 从0变大，并相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意结果。由于PID 三个参数有互补作用，减小一个往往可由几个增大来补偿，因此参数的整定值不唯一，不同的参数组合完全有可能得到同样的效果。

四．实验内容

本实验中，采用位置式PID 。在一般的PID 控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的偏差，以及系统有惯性和滞后，因此在积分项的作用下，往往会使系统超调变大和长时间的波动，过渡时间变长。特别对于温度、成份等变化缓慢的过程，这一现象更为严重。为此，可采用积分分离PID 控制算法，即：当偏差e （k ）较大时，取消积分作用；当误差e （k ）较小时才加入积分作用。

系统方块图如图4-1所示， 是一个典型的 PID 闭环控制系统方块图，其硬件电路原理及接线图如图4-2所示，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

)

14.0)(13.0(10

++S S R +E

C

-PID

S

e S

T --1T

图4-1 PID 控制系统方块图

STR /OE EOC CLOCK A B C D0 ┆IN7 D7

+5V

i386EX CPU

24MHz

P1.0TMROUT1INT3(主8259IRQ7)TMRCLK1

WR#CLK2 M/IO# A0

XD0┆XD7

OUT1/IOY01MHz 分频/CS /WR A0

D0

┆

D7 OUT1

/IOY1

/IOW

IRQ7

模数转换单元控制计算机

数模转换单元-10K

10K

20K 20K

20K

/ST ST S OUT

DIN0

信号源20K

100K

100K

200K

3uF 2uF C

E

R --

-

图4-2 积分分离法PID 控制实验线路图

控制计算机的“OUT1”表示386EX 内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的7号中断，用作采样中断，“DIN0”表示386EX 的I/O 管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。这里，系统偏差信号E 通过模数转换单元“IN7”端输入，控制机的定时器作为基准时钟（初始化为10ms ），定时中断采集“IN7”端的信号E ，并进行PID 计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。

图4-3是积分分离法 PID 控制程序流程图。

系统初始化

主程序

变量初始化

等待中断

采样中断服务程序

同步信号到否？

采样周期变量减一

N

Y

采样周期到否？

输出控制量U(k)

求误差E(k)

调PID 子程序

采样周期变量赋初值

Y

N

D/A 输出清零

变量初始化

PID 子程序

计算Ek+Td/T*ΔEk

判积分分离值

判控制量溢出

N

N

取极值

Y 判积分溢出

Kp(Ek+T/Ti*ΣEk+Td/T*ΔEk)

Kp(Ek+Td/T*ΔEk)

Y

N

Y

取极值

中断返回

返回

图4-3 积分分离法PID 控制程序流程图

五、实验步骤

1．根据参考流程图4-3编写实验程序，检查无误后编译、链接。 2．按照实验线路图4-2接线，检查无误后开启设备电源。

3．调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为2V 、周期6S 的方波。确

定系统的采样周期以及积分分离值。

4．装载程序，将全局变量TK（采样周期）、EI（积分分离值）、KP（比例系数）、TI （积分系数）和TD（微分系数）加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

5．运行程序，将积分分离值设为最大值7FH（相当于没有引入积分分离），用示波器分别观测输入端R和输出端C。

6．如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。

7．修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。

8．将第6和第7步骤中较满意的响应曲线记录下来。

六．实验结果

采样周期TK =05H；比例系数KP=6100H;积分系数TI=0018H ;微分系数TD=000BH。

未引入积分分离值的响应曲线（即EI（积分分离值）=7FH时）：

积分分离值为20H时的响应曲线：

由得到的实验结果可以看到，引入积分分离法后，降低了系统输出的超调量，并缩短了调节时间。

积分分离值为10H时的响应曲线：

实验五 直流电机闭环调速控制系统设计和实现

一、实验目的

1．了解闭环调速控制系统的构成。 2．熟悉PID 控制规律与算法实现。

二、实验设备

PC 机一台，TD-ACC +实验系统一套，i386EX 系统板一块。

三、实验内容

典型的直流电机调速实验的系统方框图如图11-1所示：

数字PID 控制器

数字给定

+-测速电路

驱动电路

直流电机

图11-1 典型的直流电机调速实验的系统方框图

根据系统方框图，直流电机闭环调速控制系统实验线路图设计如图11-2所示，实验中将图中画“○”的线接好。控制机算机的“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P2.0，输出PWM 脉冲经驱动后控制直流电机，“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的7号中断，用作测速中断。

i386EX CPU

P2.0

(主8259IRQ7)INT3

控制计算机 1

2

HR

DOUT0

IRQ7+12

A ’

驱动单元

直流电机霍尔输出

+A

-

图11-2 直流电机闭环调速控制系统实验线路图

实验中，用系统的数字量输出端口“DOUT0”来模拟产生PMW 脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。在参数给定情况下，经PID 运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。系统定时器定时1ms ，作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。

PWM 发生子程序

标志 pwm=1?

aa1=0?

标志 pwm=2?

bb1=0?

Y Y Y Y N

N

N

N

aa1

电机停止 DOUT0=1

标志pwm=2bb1=bb/2

bb1

电机停止 DOUT0=0

标志pwm=1aa1=aa/2

返回

主程序系统初始化与系数转换

采样周期到否？

溢出处理

采样周期变量清零

取YK 反馈值

赋PWM 所需值

Y

N

调用PID 子程序

定时中断服务程序采样周期变量加1

MARK=1 ？

转速累加VADD=VADD+1

Y

N

调用PWM 发生子程序

测速中断服务程序

MARK=0 ？

取定时中断程序中转速累加值VADD ，计算电机转速

Y

N

MARK=0

MARK=1

VADD 清零

中断返回

中断返回

图11-3直流电机闭环调速控制系统程序流程图

四、实验步骤

1．参照图11-3的程序流程图，其中的PID 子程序采用积分分离法PID ，编写实验程序，编译、链接。

2．按图11-2接线，检查无误后开启设备电源，将编译链接好的程序装载到控制机中。

3．打开专用图形界面，运行程序，观察电机转速，分析其响应特性。

4．若不满意，改变参数：积分分离值Iband、比例系数KPP、积分系数KII、微分系数KDD的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。

表11-1 控制参数表

项目参数IBAND KPP KII KDD 超调稳定<2%时间1．例程中参数响应特性0060H 1060H 0010H 0020H 15% 4．8秒

2．去掉IBAND 0000H 1060H 0010H 0020H 20% 5.2秒

3．自测一组较好参数0010H 6100H 0018H 000BH 8% 2.5秒5．注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0的状态应保持上次的状态。当DOUT0为1时，直流电机将停止转动；当DOUT0为0时，直流电机将全速转动，如果长时间让直流电机全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0的排线拔掉或按系统复位键。

五、实验结果

电机响应曲线：

实验总结及建议：

此实验是我们的课程实验，实验的内容是我们课堂上学习的相关知识的应用，对我们来说这些知识是我们应该好好掌握的。运用书本所学，好好分析得到结论，有利于我们对知识的理解。由于实验的时间有限，我们无法对所有的内容有很好的理解，我希望老师可以在试验前给我们以很好的引导，不要把时间浪费在不必要的事情上，而要有所着重点，在有限的时间里使我们尽可能学习更多的知识。

在此，要谢谢老师在我们出现问题时的耐心解答。