《计算机控制系统实验》指导书

安徽大学实验系列教材安徽大学电子科学与技术学院工业自动化实验室实验一模入通道（A/D）、模出通道（D/A）实验本实验主要介绍以A/D和D/A为主的模拟量输入输出通道，A/D和D/A的芯片非常多，这里使用的是人们常用的ADC0809和TLC7528.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TLC7528芯片的使用。

实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验内容：1.编写实验程序，将－5V~+5V的电压作为ADC0809的模拟量输入，将转换所得的8位数字量保存于变量中。

2.编写实验程序，实现D/A转换产生周期性三角波，并用示波器观察波形。

实验原理：1.A/D转换实验ADC0809芯片主要包括多路模拟开关和A/D转换器两部分，其主要特点是：单电源供电、工作时钟CLOCK最高可达到1200KHz、8位分辨率，8个单端模拟输入端，TTL电平兼容等，可以很方便地和微处理器接口。

实验线路图a为：实验步骤：（1）打开联机操作软件，参照流程图，在编辑区编写实验程序。

检查无误后编译、链接。

（2）按照上图a接线，连接好后，请仔细检查，无错误后方可开启设备电源。

（3）装载完程序后，系统默认程序的起点在主程序的开始语句。

用户可以自行设置程序起点，可先将光标放在起点处，再通过调试菜单项中设置起点或直接点击设置起点图标，即可将程序起点设在光标处。

（4）加入变量监视，具体步骤为：打开“设置”菜单项中的“变量监视”窗口或直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量“AD0~AD9”加入变量监视中。

在查看菜单项中的工具栏中选中变量区或点击变量区图标，系统软件默认选中寄存器区，点击“变量区”可查看或修改要监视的变量。

（5）在主程序JMP AGAIN语句处设置断点。

具体操作如下：先将光标置于要设断点的语句，然后在调试菜单项中选择“设置断点/删除断点”，或直接点击“设置断点/删除断点”的图标，即可在本语句设置或删除断点。

（6）打开虚拟仪器菜单项中的万用表选项或者直接点击万用表图标，选择“电压档”用示波器单元中的“CH1”表笔测量图a中的模拟输入电压“Y”端，点击虚拟仪器中的“运行”按钮，调节图a中的单次阶跃中的电位器，确定好模拟输入电压值。

（7）做好以上准备工作后，运行程序（打开“调试”菜单项中的“运行到断点/运行”或者点击“运行到断点/运行”图标），程序将在断点处停下，查看变量“AD0~AD9”的值，取平均值记录下来，改变输入电压并记录，最后填写下表。

2.D/A转换实验TLC7528芯片是8位、并行、两路、电压型输出数模转换器。

其主要参数如下：转换时间100ns，满量程误差1/2LSB，参考电压－10V～＋10V，供电电压＋5V～＋15V，输入逻辑电平与TTL兼容。

实验线路图b为：实验步骤：（1）编写实验程序，检查无误后编译、链接并装载到控制计算机中。

（2）运行程序，用示波器观测输出波形，并画出。

实验二采样与保持实验实验目的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实验设备PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块实验内容1．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。

2．编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。

实验原理1．采样与保持香农 (采样) 定理：若对于一个具有有限频谱 (|W|<Wmax)的连续信号f (t)进行采样，当采样频率满足 Ws≥2Wmax 时，则采样函数f*(t) 能无失真地恢复到原来的连续信号f(t)。

Wmax 为信号的最高频率，Ws 为采样频率。

实验线路图：本实验中，我们将具体来验证香农定理。

可设计如下的实验线路图，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

上图中，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。

这里，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= T K×10ms，T K 的范围为01~ FFH，通过修改T K 就可以灵活地改变采样周期。

实验参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-2-1.ASM 文件2．信号的还原(1) 实验原理从香农定理可知，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Ws 比2Wmax 大，如：Ws≥10Wmax。

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。

(2) 实验线路图设计为了验证上面的原理，可以设计如下的实验线路图，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

上图中，控制计算机“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。

这里，正弦波单元的“OUT”端输出周期性正弦波信号，通过模数单元的“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，并通过控制机算计读取转换完后的数字量，再送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号。

采样周期T= T K×10ms，T K 的范围为01 ～FFH。

实验参考程序：直线插值法参照随机软件中的example 目录中的ACC1-2-2.ASM 文件，二次曲线插值法请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-2-3.ASM 文件。

实验步骤及结果1. 采样与保持(1) 编写零阶保持程序，编译、链接。

(2) 按照实验线路图接线，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(1) 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。

实验三数字PID算法实验实验目的：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。

实验设备：PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块实验原理和内容：上图是一个典型的PID闭环控制系统方框图。

其硬件电路原理及接线图如下：控制计算机实验中，采用位置式PID算式。

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，会有较大的误差，并使系统有惯性和滞后。

因此，在积分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。

为此，采用积分分离法PID控制算法，即：当误差e(k)较大时，取消积分作用；当误差e(k)较小时才将积分作用加入。

实验步骤：1.编写实验程序，检查无误后编译、链接。

2.按照实验线路图接线，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，用试凑法修改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6和7中的较满意的响应曲线分别保存，写实验报告。

实验四 最小拍有、无纹波系统实验实验目的：1. 掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。

2. 掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。

实验设备：PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块实验原理和内容：上图是一个典型的最小拍控制系统方框图。

针对阶跃输入：1. 有纹波系统控制算法设计为：11717.012.05435.0)()()(--+-==Z Z Z E Z U Z D ， 当阶跃输入信号幅值为2.5V 时，5.215.2)1()()()(11=-∙-=∙=--ZZ Z R Z G Z E e , U(Z)=D(Z)E(Z)=1.3590-1.4744Z -1+1.0571 Z -2 -0.7580 Z -3+…2. 最小拍无纹波系统设计：21215920.04080.011651.07302.07650.0)()()(-------==Z Z Z Z Z E Z U Z D ＋其硬件电路原理及接线图如下：实验步骤：1.编写实验程序，检查无误后编译、链接。

2.按照实验线路图接线，检查无误后开启设备电源。

3.将模拟实验对象进行整定。

对象的输入信号选择：当为有纹波设计时，选择方波。

调节电位器使方波信号的幅值为2.5V，周期为6S，当为无纹波设计时，选择单位斜波信号，斜波幅值为6V，上升时间为6S。

4.分别将有纹波和无纹波设计方法得到的参数写入程序，分别装载并运行程序，用示波器观察对象的测量点“C”和数模转换单元的“OUT1”端，并记录波形进行分析。

注意：实验中有纹波是针对阶越输入设计，而无纹波是针对斜波输入信号设计，所以实验时要注意正确的选择信号源。