北京科技大学计算机控制系统实验报告

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1、计算机控制技术课程实验报告书姓名：班级：学号：专业：学院： 指导老师： 孙昌国 完成日期：2017年4月5日星期三实验一输入与输出通道1、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。2、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。3、实验设备PC 机一台、TD-ACC+实验系统一套、i386EX 系统板一块4、实验原理与步骤4.1A/

2、D 转换实验原理根据实验内容的第一项要求，可以设计出如图1.1所示的实验线路图。单次阶跃 模数转换单元 控制计算机图1.1 A/D 转换实验线路图图1.1中，AD0809 的启动信号“STR”是由控制计算机定时输出方波来实现的。“OUT1” 表示386EX 内部1定时器的输出端，定时器输出的方波周期等于定时器时常。主程序流程如图1.2所示。图1.2 主程序流程图4.2A/D转换实验步骤1) 按图1.1接线，连接好后，仔细检查，无错误后开启设备电源。2) 装载完程序后，自行设置程序起点，将光标放在起点处，再通过调试菜单项中设置起点或者直接点击设置起点图标，即可将程序起点设在光标处。3) 加入变量

3、监视，打开“设置”菜单项中的“变量监视”窗口或者直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量“AD0AD9”加入到变量监视中。4) 在主程序JMP AGAIN 语句处设置断点。5) 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1.1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1.1中的单次阶跃中的电位器，确定好模拟输入电压值。运行程序，查看变量“AD0AD9”的值，取平均值记录下来，改变输入电压并记录，最后填入表1.1中。实验结果记录图片：表1.1实验结果表模拟输入电压 (V) 对应的数字量 (H)5 （00）

4、(00)4 （19）(19)3 （33）(33)2 （4C）(4C)1 （66）(66)0 （7F）(7F)1 （9A）9A2 （B4）B33 （CD）CD4 （E7）E75 （FF）FF4.3 D/A 转换实验原理实验平台中的TLC7528 的八位数据线、写线和通道选择控制线已接至控制计算机的总线上。片选线预留出待实验中连接到相应的I/O 片选上，具体如图1.3。图1.3 D/A转换实验线路图以上电路是TLC7528 双极性输出电路，输出范围5V +5V 。“W101”和“W102”分别为A 路和B 路的调零电位器，实验前先调零，往TLC7528 的A 口和B 口中送入数字量80H，分别调节

5、“W101”和“W102”电位器，用万用表分别测“OUT1 ”和“OUT2 ”的输出电压，应在0mV 左右。图1.4D/A转换实验程序流程图4.4 D/A 转换实验结果实验总结：实验二：信号的采样与保持1、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；1) 学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。2、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。3、实验设备PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块4、实验原理与步

6、骤4.1信号采样为验证香农定理，设计实验线路图如图1.6。图1.6 实验线路图根据上面的实验线路，设计如图1.7的参考程序流程。图1.7 实验程序流程图4.2信号还原原理1）直线插值法(取Ws5Wmax) 利用式1.1 在点和之间插入点 (X,Y) （1.1）其中：为采样间隔，分别为和采样时刻的AD 采样值。2）二次曲线插值法(取Ws3Wmax) （1.2） 其中，程序流程图如图1.8所示。图1.8还原原理实验程序流程图4.3 实验步骤及结果（1）采样与保持1）参考流程图1.7编写零阶保持程序，编译、链接。2）按照实验线路图1.6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

7、“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Tk32H 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。实验接线图以及实验结果图：图1.9实验接线图图1.10“OUT”端信号图1.11“OUT1”端输出信号图1.12“OUT1”端增大采样周期输出信号(2)信号的还原*1) 参考流程图1.9分别编写直线插值和二次曲线插

8、值程序，并编译、链接。2) 按照线路图1.8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。实验结果：图1.13 直线插值法图1.14二次曲线插值法实验总结：实验三数字滤波1、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2、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。3、实验设备PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块

9、4、实验原理与步骤4.1实验原理典型数字滤波的方框图：数模转换OUT控制计算机模数转换IN7图1.15典型数字滤波方框图滤波器算法设计一阶惯性滤波相当于传函的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式，如式（1.3）：YK =(1a)XK +(a)YK1 （1.3）XK：当前采样时刻的输入YK：当前采样时刻的输出YK-1：前一采样时刻的输出T：采样周期，1-a = 四点加权滤波算法如式（1.4）所示：YK=A1XK+A2XK-1+A3XK-2+A4XK-3 （1.4）其中A1 =1XK：当前采样时刻的输入XK-1：前一采样时刻的输入YK：当前采样时刻的输出程序流程如图1.16所示：图1.16 数字虑波

10、程序流程实验线路如图1.17：图1.17 数字虑波实验线路图电路中用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。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。4.2实验步骤及结果1）参照流程图1.16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）按图1.17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。图1.18 干扰信号波形图3）分别

11、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。实验结果：一阶惯性：Tk=01一阶惯性：Tk=08四点加权：Tk=01四点加权：Tk=08实验总结：实验四数字PWM 发生器和直流电机调速控制1、实验目的掌握脉宽调制 (PWM) 的方法。2、实验内容用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制。3、实验设备PC 机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块4、实验原理与步骤4.1 实验原理PWM (Pulse Width Modulation) 简称脉宽调制 (见图2.1) 。即，通过改变输出脉冲的占

12、空比，实现对直流电机进行调速控制。VH VL 图2.1 脉宽调制波形图实验线路图如图2.2，图中画“”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。图2.2实验线路图实验程序流程图如图2.3所示：图2.3 实验程序流程图4.2 实验步骤1）参考实验线路图的说明及流程图2.3，编写相应的主程序及PWM 子程序，检查无误后编译、链接。2）按图2.2 接线，检查无误后开启设备的电源。3）装载程序，将全局变量TK (PWM 周期) 和PWM_T ( 占空比)加入监视，以便实验过程中修改。4）运行程序，观察电机运行情况。5）终止程序运行，加大脉冲宽度，即将占空比PWM_T 变大，重复第3 步，再观察电机

13、的运行情况，此时电机转速应加快。电机每转动一圈，“HR”端(霍尔元件的输出端)就会输出一个脉冲，用虚拟仪器中示波器的一路表笔测“HR”端的脉冲信号可算出电机此时的转速。实验结果：Tk=0C8H; PWM_T=10H;FPWM=01HTk=0C8H; PWM_T=14H;FPWM=01H实验总结：实验五积分分离法PID控制1、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2、实验设备PC机一台，TDACC实验系统一套，i386EX系统板一块。3、实验原理和内容3.1 实验原理图3.1典型的PID闭环控制系统框图其硬件电路原理及接线图可设

14、计如下如图3.2图3.2实验线路图图3.3是积分分离法PID控制实验的程序流程图。图3.3积分分离法PID控制实验流程图3.2实验步骤1）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。2）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。3）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。4）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

15、线进行比较。4、实验结果未引入积分分离输出图形采用积分分离输出图形5、实验结论：实验总结：实验六带死区的PID控制1、实验目的掌握带死区的PID控制规律。2、实验设备PC机一台，TDACC实验系统一套，i386EX系统板一块。3、实验原理及内容3.1 实验原理在计算机控制系统中，某些系统为了避免过于频繁的控制动作，为了消除由于频繁动作所引起的振荡，通常采用带死区的PID控制系统，该系统实际上是一个非线性控制系统。其基本思想是：可以按实际需要设置死区B,当误差的绝对值B时，P (K)为0，U (K)也为常值，实际应用中，常值是由经验值来确定的；当B时，P (K)= , U (K)以PID运算的结

16、果输出。系统框图如图3.5所示。图3.5 带死区的PID控制框图实验参考流程如图3.6所示：图3.6 带死区的PID控制参考流程其硬件电路原理及接线图见图3.7。图3.7 实验线路图3.2 实验步骤1）参照图3.6的流程图编写实验程序，检查无误后编译、链接。2）按照实验线路图3.7接线，检查无误后开启设备电源。调节信号源中的电位器和拨动开关，使信号源输出幅值为4V，周期6S的方波。3）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)、TD(微分系数)、PT(死区变量值)和 CONST(常值)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。4）运行程序，将死区

17、宽度B (PT) 设为最小值00H (相当于没有引入死区控制)，用示波器分别观测控制量输出端U(即数模转换单元的“OUT1”端)和对象输出端C。5）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。6）修改死区宽度B (PT)为02H，用示波器分别观测控制量输出端U(即数模转换单元的“OUT1”端)和对象输出端C，记录并和积分分离时的响应曲线进行比较。4、实验结果未引入死区输出波形引入死区输出波形5、实验结论：从实验结果图可以看出，带死区的PID控制响应曲线C产生了轻微的振荡，但其偏差在规定范围内；控制量U的输出动作频率比积分分离时明显的降低了，从而降低了机械的磨损。实验总结：实验总心得：