湖南工业大学计算机控制实验报告

1、计算机控制技术实验报告学生姓名刘宝雨班级测控1002班学号电气与信息工程学院2013年 4 月 20 日实验一 A/D、D/A转换实验实验1.1 A/D、D/A转换实验（1）1实验线路原理图：见图11图11CPU的DPCLK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W41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。A/D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D/A变

2、换器0832的输入端。选用CPU的地址输入信号IOY0为片选信号()，XIOW信号为写入信号()，D/A变换器的口地址为00H。调节W41即可改变输入电压，可从显示器上看A/D变换器对应输出的数码，同时这个数码也是D/A变换器的输入数码。2A/D、D/A转换程序流程：（见图12）对应下面的流程，我们已编好了程序放在CPU的监控中，可用U(反汇编)命令查看。而且已将所有控制程序放在光盘中，供教师参考，当然对于学生来说，应让其自己编写调试。图123实验内容及步骤(1)按图11接线。用“短路块”分别将U1单元中的ST与+5V短接，U4单元中的X与+5V，Z与-5V短接。其它画“”的线需自行连接。示波

3、器的CH1通道接U15单元的OUT端，连接好后，接通电源。(2)对U15 D/A转换单元进行调零。按下实验箱上的复位键，在调试窗口中出现“WELCOME TO YOU”后，输入如下（参照图13）： A2000 按“Enter”键 0000：2000 MOV AL，80 按“Enter”键 0000：2002 OUT 00，AL 按“Enter”键 0000：2004 INT 按“Enter”键 0000：2005 按“Enter”键 G=0000：2000 按“Enter”键待输入完成后，用U16单元电压表毫伏档监测U15 D/A转换单元OUT端电压，调节U15单元103电位器使电压表显示“0

4、0”。图13(3)将U4单元中W41输出调至-5V，执行监控中的程序(G=F000：1100按“Enter”键)。如果程序正确执行，将在显示器上显示“00”。参见图14。图14(3)将W41依次调节，用U16 交/直流数字电压表分别检测A/D的输入电压和D/A的输出电压。观察显示器，记下相应的数码及D/A的输出模拟电压，填入下表11。模拟输入电压(V)显示器数码(H)模拟输出电压(V)-4.9300-4.93-3.851A-3.85-2.8933-2.89-1.944C-1.94-0.9766-0.970800+0.91990.91+1.89B31.89+2.88CD2.88+3.83E63.

5、83+4.80FF4.804按图15改接U4输出Y至U15A/D转换单元输入IN7的连接，即添加一个反向放大器，其它线路同图11。图1-55用U16 交/直流数字电压表监测A/D的输入电压，在OV附近连续调节A/D的输入电压，观察整理化误差和量化单位。6测出A/D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12所示：表12模入电压(mV)-196-156.8-117.6-78.4-39.2039.278.4117.6156.8196数字量(H)7B7C7D7E7F808182838485AD转换的量化特性图，如图16所示：图1-6实验1.2 A/D、D/A转换

6、实验(2)1.实验线路原理图：见图17图1-7设置8255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。A/D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18所示信号。图1-8计算机控制A/D变换器分时对这两路模拟信号进行A/D转换。将转换的数字量送至D/A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OUT1输出信号与A/D转换单元U13的IN6输入信号一致；采样保持器单元电路的OUT2输出信号与A/D转换

7、换单元U13的IN7输入信号一致。2程序流程：见图19初始化8255芯片，将A口设为输入，B口为输出方式初始化8253芯片(2#为5ms)填IRQ7中断矢量表关总中断初始化8259清8255的B口，并选中AD0809的IN6，置CH=06H，BL=40H开中断等待中断主程序中断申请7号中断处理程序读AD0809的采样值并送至DA832输出送相应脉冲给LF398的PU端使OU端输出IN端信号判CH=06？预置下次采样通道为IN7BL=80H，CH=07H中断返回预置下次采样通道为IN6BL=40H，CH=06HNY图193实验内容及步骤(1)按图17接线，其中画“”的线需自行连接。将U1的信号选

8、择开关S11放到斜波位置。用短路块将U1的S与ST短接。置S12为T3档，实验中调节W11电位器，改变信号周期。调W12使输出信号不大于5V。(2)执行程序(G=F000：1151按“Enter”键)。(3)本实验选择普通示波器，用示波器同时观察输入与输出信号。如果程序正确执行，A/D转换单元U13的IN6输入信号应与U15 DA/C单元中的采样保持输出OUT1信号一致，参见图1-8左图。U13的IN7输入信号与U15单元中的采保持输出OUT2信号一致，参见图1-8右图。(4)在U15 DA/C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。实验二 采样与保持实验2.1 采样实验1.实

9、验线路原理图(1)原理：信号发生器U1 单元的OUT端输出抛物线信号，通过A/D转换单元U13的IN7端输入。计算机在采样时刻启动A/D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。CPU将输入的数字量直接送到D/A转换单元U15，在U15单元的OUT端则输出相应的模拟信号。如图2.11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2.12。图2.12（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=Tk×10ms，所以T

10、的范围为10ms2550ms，改变Tk即可以确定T。中断程序Tk-1TkTk=0?输出零至D/A输入A/D连接至D/A还原Tk值中断返回NY主程序8255、8253、8259初始化等待中断及中断返回处理中断申请保持器中断程序Tk-1TkTk=0?输入A/D连接至D/A还原Tk值中断返回NYINT2实验程序流程图：见图2.13采样:图2.133实验内容与步骤（1）按图2.12连线，其中画“”的线需自行连接。首先将U1 信号发生器单元中的S11置抛物线档，S12置T3档。用短路块短接S与ST。（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T1周期约2s。（3）选定T

11、k=04H，将2F60H单元存入Tk值。在调试窗口输入：E2F60，按“Enter”键，待调试窗口显示“0000：2F60=CC”从键盘输入04后，按“Enter”，即将Tk=04H存入2F60H单元。见下图。（4）启动采样程序(在调试窗口输入G=F000：11A2按“Enter”键)。（5）本实验选用普通示波器，用示波器对照观察U1单元的OUT端与U15单元的OUT端波形，观察完停机。（6）选择若干Tk值（可取01HFFH），重复（3）、（4）、（5），观察不同采样周期T时的输出波形。（7）调节U1信号发生器单元的W11，使T1约0.3s，调W12使其不高于5V，重复步骤（3）、（4）、（5

12、）。上机实验结果如下图所示：周期约等于两秒T=04H时的采样波形如下：T=07H时的采样波形如下：T=FFH时的采样波形如下：调节U1信号发生器单元的W11，使T1约0.3s，调W12使其不高于5V的输出波形如下所示：T=04H时的输出波形如下：T=70H时的输出波形如下：T=FFH时的输出波形如下：4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，U15单元的OUT端的输出波形为IN7的采样波形，但当Tk再增大时，U15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，一般来说，T必须满足tA/D+t处理TT香农/2，在此前提

13、下，T越小越好（tA/D为A/D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A/D采样本身具有保持功能，那是不是不管模拟量在A/D转换时变化多大，都可不加保持器呢？不一定，因为A/D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2.2 保持实验1实验原理与线路（1）原理计算机(CPU)用8253定时，在采样时刻计算机给A/D器件启动信号，这时A/D器件(ADC0809)将模拟器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D/A器件，D/A器件(DAC0832)则输出相应的模拟量，并且一直

14、保持到输入新值。原理如图2.21，采样周期设置同实验2.1。图2.21无零阶保持器的模拟原理图见图2.22。开关合上的时间为10ms。采样周期同实验2.1。图2.22（2）实验接线图：见图2.23R为输入，C为输出。U15单元的OUT端为IN7端的离散化信号。图2.232实验程序流程：见图2.133实验内容与步骤（1）按图2.23接线，S11置方波档，S12置T3档，调W12使U1单元的OUT端输出为1V方波，调W11使输出信号周期为5S。（2）选Tk为02H，将2F60H单元存入Tk值，见下图。（3）在调试窗口，启动采样保持程序（G=F000：11E5按“Enter”键）。本实验选用普通示波

15、器，用示波器对照观察U13单元的IN7与U15单元OUT端波形，停机。（4）更换Tk，重复（2）、（3）步骤。（5）增大Tk，存入2F60H单元，启动采样保持程序，观察输出C点波形，停机。重复几次，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2.21中。表2.21（T=Tk×10ms）Tk（H）采样周期T(s)T= Tk×10ms020.02稳定040.04稳定080.08稳定100.1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，因为在计算机控制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

16、出波形将失真。（5）在已填入表2.21中选取一个Tk值（不要选为01H），Tk存入2F60H单元，启动采样程序（G=F000：11A2），观察无零阶保持器系统C点的输出波形。（6）减小输入信号幅度，增大采样周期，重复（2）、（3）步骤，观察离散化噪音及系统的输出。再将S11拔至斜波，抛物线档，作进一步观察。上机实验演示如下图所示：T=02H时输出波形如下（发生失真）：将T调节为70H时的输出波形如下：实验三 积分分离PID控制实验1.实验原理及线路简介(1)原理如图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

17、量输送给系统。图31(2)运算原理PID控制规律为：U(t)=Kpe(t)+ 。e(t)控制器输入；U(t)为控制器输出。用矩阵法算积分，用向后差分代替微分，采样周期为T，算法为：U(K)=KpE(K)+E(K)-E(K-1) =Kp·E(K)+E(K)-E(K-1)简记为：U=P·E+I+D·(E-E-1)P、I、D范围为：-0.9999+0.9999，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0.1234，I为0.04秒，D为0，则内存为表4-1所示。 地址 内容 低

18、字节 0002H 00H 中间字节 P 0003H 12H 高字节 0004H 34H 0005H 00H I 0006H 04H 0007H 00H 0008H 00H D 0009H 00H 000AH 00H表31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。在控制计算程序中按定点小数进行补码运算，对运算结果设有溢出处理。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，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

19、运算判定值EI，误差E有绝对值小于EI时积分，大时不积分。EI的取值范围：00H7FH。控制量U输出至D/A，范围：00HFFH，对应5V+4.96V，误差EI模入范围与此相同。(3)整定调节参数与系统开环增益可用临界比例法整定参数。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，记者证下振荡周期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(P=Kp=0.5Kpu)用比例、积分调节(T取Tu)比例Kp=0.36Kpu(即P=Kp=0.36Kpu)积分时间TI=1.05Tu(即I=0.07Kpu)用比例、积分、微分调节(T

20、取Tu)比例Kp=0.27Kpu(即P=Kp=0.27Kpu)积分时间TI=0.4Tu(即I=0.11Kpu)微分时间TD=0.22Tu(即D=0.36Kpu)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K/5，PID系数则都相应增大5倍。另一方面PID系数不可等于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P=5.3，可取0.5300送入，模拟电路开环增益亦相应增大10倍。(4)接线与线路原理8253的OU

21、T2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A/D转换器。系统误差信号EU14、IN；U14、OUTU13、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A/D第7路输入端IN7。计算溢出显示部分：图42虚框内。当计算控制量的结果溢出时，计算机并口B的PB17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。(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=T×10msT事先送入2F60H单元，范围是01HFFH，则采样周期T的范围为10ms2550ms。按Tu

22、计算出的T如果不是10ms的整数倍，可以取相近的T。系数转换，8253、8255、8259初始化设置A口、B口中断地址控制准备程序等待中断及中断返回后处理程序中断申请2实验程序流程：见图43 主 程 序 KP·EKD(EK·EK-1)判积分运算KP·EK +D(EKEK-1)+I·EK取极值判积分运算KP·EK +D(EKEK-1)判溢出取极值中断返回是否是否 PID位置算法A口中断程序 图333实验内容与步骤(1)按图4-2接线，用短路块将S与ST短接，S11置方波档，S12置T3档，调W11使信号周期为5S，调W12使信号约为3 V。 按下

23、实验箱CPU单元的复位键，从菜单栏选择“装入程序”，程序存放路径为：安装目录盘（如C盘）：TeamkitTKKLTH4-1.EXE，如下图选择指定程序后，会提示装入程序地址的段地址、偏移量。确定装入程序的段地址和偏移量后，会显示装入程序的进度，直到出现“完成”提示，即程序装载完成。可用U命令查看反汇编程序与数据,在调试窗口键入(U0000: 2000按“Enter”键)。用D命令查看程序数据段段地址为0240后的数据，在调试窗口键入(D0240:0000按“Enter”键)。如下图 在TK（0240：0000）、EI（0240：0001）、KP、KI、KD(其中取KI=KD=0)的相应地址中存

24、入表4-2中的数据，P、I、D系数的内存地址和存入方法参见表4-1的举例。注：用E命令编辑指定单元中的数据，在调试窗口输入E0240：0000按“Enter”键，进入修改数据状态。输入数据后可通过“空格”键使地址向高地址方向移动，而“-”键使地址向低地址方向移动。修改完后直接按“Enter”键退出E命令状态。 选用普通示波器，在调试窗口启动程序（G=0000:2000按“Enter”键），启动PID位置式算法程序，调电位器R可改变输出波形,用示波器观察输出。(2)选不同的KP，直到等幅振荡，记下TU和KPU，TU填入表42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

25、增益可调整图42中电位器R)(3)根据临界比例法计算P、I、D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，启动程序（G=0000:2000），用示波器测出MP、tS。(4)改变积分分离值EI，启动程序（G=0000:2000），对照输入观察输出C，看MP、tS有无改善，并记录MP、tS。(5)根据P、I、D三个系数的不同的控制作用，适当加以调整，同时可配合改变EI值，重新存入，启动程序（G=0000:2000），对照输入观察输出，记录MP、tS。按上述方法重复做几次，直到使MP20%，tS1S，在表32中填入此时的各参数和结

26、果。(6)用表32中的最佳PID参数，但积分分离值改为7FH并存入，在输入信号R为零时启动程序，将参数和结果填入表42中。TK= 05H KPU= 0.905 TU= 0.5S 表32 参 数项 目EIPIDMptsI用临界比例法整定参数7F0.24430.09960.32480%3SII用I栏PID参数，但EI修改300.24430.09960.32440%2SIII较佳的PID控制参数300.22430.04960.42410%0.9SIV用II栏PID参数，EI为7F7F0.22430.04960.42440%1.5S依照实验示波器的输出如下图所示：图1、图2、图3、图4、实验四 最小拍

27、控制系统1.实验原理与线路图(1)原理见图5.11。R为输入，C为输出，计算机对误差E定时采样按D(Z)计算输出控制量U(Z)。图中K=5。图4.11针对阶跃输入进行计算机控制算法D(Z)设计。(2)D(Z)算法采样周期T=1S，E(Z)为计算机输入，U(Z)为输出，有：D(Z)= =式中Ki与Pi取值范围：-0.99990.9999，计算机分别用相邻三个字节存储其BCD码。最低字节符号，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0.1234，则内存为： 地址 内容 2F00H 00H 2F01H 12H 2F02H 34H系数存储安排如表5.11。表5.11

28、 0101H 010DH 0102H K0 010EH P1 0103H 010FH 0104H 0110H 0105H K1 0111H P2 0106H 0112H 0107H 0113H 0108H K2 0114H P3 0109H 0115H 010AH 010BH K3 010CH将D(Z)式写成差分方程，则有：UK=K0EK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2-P3UK-3式中EKEK-3，误差输入；UKUK-3，计算机输出。计算机运算溢出处理，当计算机控制输出超过00HFFH时(对应于模拟量-5V+5V)，则计算机输出相应的极值00H或FFH，

29、同时在相应的内存单元也存入极值。 (3)模拟电路的参数整定被控对象有模拟电路，电路中所接电阻、电容参数有一定误差，所以应加以整定，可先整定惯性环节，再整定积分环节，应使二者串联时尽量接近所给传递函数。整定方法参见注1。(4)接线(如图5.12所示)8253 2#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A/D变换器。系统误差信号EU4、IN2、U14、OUT2U15、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A/D第7路输入端。计算溢出显示部分：图5.12虚框内。当计算控制量的结果溢出时，计算机给口B的PB17输出高电平，只要有一次以上溢出便

30、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。图4.1-2(5)采样周期TCPU的8253产生定时信号，定时10ms，采样周期T为：T=TK×10msTK需事先送入2F60H单元，取值范围：01HFFH，对应的范围：10ms2550ms。例如当T=1S，有：TK=100=64H0. 实验程序流程见图5.13系数转换、接口初始化等待中断及中断返回处理中断申请主 程 序 A口中断程序 输入误差信号计算D(Z)中断返回 图4.133.实验内容与步骤 (1)按图5.12连线，S11置方波档，S12置下档，调W12使U1单元的OUT端输出为2.5V的方波，调W11约为6S。装入程序TH5-1.EXE后，可分别用U命令、D命令查看反汇编程序与数据。用E命令编辑、修改指定单元中的数据，0100F单元存入64H。具体过程可参