计算机控制技术实验课.ppt
计算机控制技术实验课件、易杰、目录、实验一模数、数模转换实验二模拟信号AD、DA转换实验三采样实验四保持器实验PID控制实验，实验一模数，数模转换实验，本实验为验证实验，1，实验目的1，学习A/D掌握转换器的原理和接口方法ADC使用0809芯片。2、学习D/A掌握转换器的原理和接口方法DAC使用0832芯片。掌握量化原理。,二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。第三，实验原理1实验线路原理图见图11，图11，，8088，CPU的OPCLK信号与ADC0809单元电路的CLOCK相连作为ADC0809时钟信号。ADC0809芯片输入选择地址码A、B、C选择1状态的输入通道IN7。通过电位器W141给A/D变换器输入-5V5V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。输入方式为8255口A。AD转换的数据通过A口进入计算机，发送到显示器显示，并通过数据总线发送到显示器DA0832变换器输入端。选用8088CPU地址输入信号为片选信号，XIOW信号是写信号，DA变换器的口地址为00H。,调节W输入电压可以从显示器上改变141AD变换器对应输出的数码，同时这个数码也是D/A输入数字的变换器。2、A/D、D/A转换程序流程(见图1-2)对应以下流程。我们已经在8088在8088监控中的程序，可以用U反汇编命令查看。当然，对于学生来说，应该自己编写调试，以达到锻炼的目的。,,图12、4、实验内容及步骤1、注意虚框内线路按图1-1接线为印刷线路。分别使用短路块U1SG单元中的ST插针与5V插针短接；U14P单元中的X和5v，Z与一5v短接。其它画“。自行连接线。连接好后，请仔细检查，无误后方可接通电源。2、将W141输出调至-5V，执行监控中的程序GF0001100。如果程序正确执行，00将显示在显示器上。3、将W141依次调整，用数字电压表检测AD输入电压和DA输出电压。观察显示器，记录相应的数字和DA输出模拟电压的输出模拟电压l。,模拟输入电压v,显示器数码H,模拟输出电压v,表1一l,4按图1-3改接U14输出Y至U12输人IN7连接，其他线路同图1-1。,,,5用数字万用表监控AD输入电压，在OV连续调整附近AD输入电压，观察量化误差和量化单位。,图1-1,6测出AD输入电压在OV附近五个量化单位的数值，记录相应的数字量，如表1-2所示，-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-2,AD转换量化特性图，如图1-4所示，图1-4，实验二多路模拟信号AD、DA本实验为综合实验。一、掌握实验目的A/D转换器多路转换原理及接口方法。一、实验目的掌握A/D转换器多路转换原理及接口方法。二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。,实验线路原理图见图1-5，图1-5，定时设置8253，OUT2信号为采样脉冲，采样周期5ms。8255a口是用来输入数据的输入模式。用于选择控制双路输入输出通道的8255B口。AD转换单元可以转换多路模拟量，在图1-6中分别连接6、7路信号。,,图16，计算机控制AD变换器分时模拟这两个模拟信号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为保证采样保持器单元电路中的采样开关，口分别控制两个采样保持器的采样开关OUTl输出信号与AD变换单元U12的IN6输入信号；采样保持器单元电路OUT2输出信号与AD变换单元U12的IN7输入信号。,2.程序流程见图1-7、图1-7、4、实验内容及步骤1。信号源单元U1SG信号选择开关S11放在斜坡上。信号源用短路块U1SG微插针S和ST短接。置S12为下档。将W11旋转到最大，使信号周期最大。调W输出信号不超过5v。2、执行程序GF0001151。3.用示波器观察输入和输出信号。若程序正确执行，AD变换单元U12的IN6输入信号应与U10DAC单保输出在单输出OUTI信号一致；U12的IN7输入信号与U10单保输出在单输出OUT2信号一致。4、在U10DAC转换单元的OUT用示波器观察计算机分时控制的输出波形。,本实验为综合实验。1.熟悉信号采样过程。2.学习和掌握香农定理。二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。三、实验原理1。实验线路原理图(1)原理信号源U1SG单元的OUT通过端输出抛物线信号AD转换单元U12的IN7端输入。计算机在采样时启动AD转换器，转换数量，送到教学机8255口A，口A设置输入模式。8088CPU直接输入输人的数量D/A转换单元U10,在U10单元的OUT端输出相应的模拟信号。如图2.如1-1所示，计算机输出在时间之外为零D/A并将其转换，因此外部输出为零。的时间10ms。,,,,图2.(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TTK10ms，所以T的范围是T10ms2550ms，改变TK即可以确定T。,2.实验程序流程图见图2.1-3,,图2.1-3、4、实验内容及步骤1、图2.1-2连线，先将U1SG单元中的S11抛物线档，S12下档用短路块短接SST。2.用示波器观察U1单元的OUT端部波形，调整W12使其不高于5V，调W11使约2s3、选定TK04H。4、将2F60H单元存入TK，启动采样程序GF00011A2。5.用示波器观察U1单元的OUT端与U10单元的OUT终端波形，观察停机。6、选择若干TK重复4、5，观察不同采样周期T的输出波形。7、调节U1SG单元的W11,使W12约0.3S,调使其不超过5v，重复步骤4、5。,五、实验说明，通过3中的一些实验步骤，可以清楚地观察到，当TK01H26H时,U10单元的OUT端输出波形为IN7采样波形，但当TK再增大时,U10单元的OUT端输出波形采样失真。由此可见，采样周期T似乎越小，对信号恢复越有利，T必须满足TA/DT处理TT在此前提下，香农/2，T越小越好(TA/D为AD转换时间，T处理是计算机处理信息的时间。,有人问，既然AD无论模拟量如何，采样本身都有保持功能AD不确定转换时变化有多大，因为AD采样时，模拟量的变化频率有限。一般在十几Hz如果信号变化过快，采样信号就会失真，因此必须添加采样保持器。,,本实验为综合实验。,一、实验目的，1、熟悉信号保持过程。2.学会用直线插值法还原信号。,二、实验设备，PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。,三、实验原理，1、实验原理和线路，1原理，计算机8088CPU计算机在采样时间定时使用8253AD此时，设备启动信号AD器件ADC0809将模拟量转换为数字量，并通过口A输入，计算机直接输出数字量DA器件，DA器件DAC0832输出相应的模拟量，并保持到新的输入值。原理如图2.2-1，采样周期设置与实验3相同。,,图2.2-1，无零阶保持器模拟原理图2.2-2。开关关闭合时间为10ms，采样周期与实验三相同。,,图2.2-2实验接线图见图2.2-3R为输入，C为输出。U10单元的OUT端为IN离散信号7端。,,图2.2-3.实验过程见图2.1-3,,图2.1-3、3、实验内容及步骤1.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。22F60H单元存入TK值，启动采样保持程序GFO0O11E5.用示波器观察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更换TK，重复(2)。4增大TK,存入2F60H启动采样保持器程序，观察输出C波形，停机。重复几次，直到系统不稳定，写下来TK值，并转换相应的采样周期T。填写表2中的实验结果.2-1中。,表2.2-1TTK10ms,说明当TK02H在没有零阶保持器的情况下，启动采样程序，系统的输出波形将失真。如果计控系统中没有零阶保持器，控制就会不稳定。即在采样点间短暂失控，系统输出波形将失真。为什么DA这是因为零阶保持器的作用DA该装置具有两级输出锁定能力。,5在已填入表2.2-1中选取一个TK值不要选为01H,TK存入2F60单元启动采样程序(GF00011A2.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入信号范围，增加采样周期，重复2，观察离散噪声和系统输出。再将S11拔至斜坡，抛物线档，观察进步。,实验五点分离PID本实验是设计实验。,1.了解实验目的PID参数对系统性能的影响。2、学习整定PID参数。掌握积分分离PID控制规律。,二、实验设备，PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。,三、实验原理，1、实验原理及线路简介，1原理，如图41所示，R计算机不断采用误差输入C作为输出E，积分判别与PID计算，然后判断结果是否溢出，取最大或最小值，最后将控制量输送到系统。,,图4一l,2运算原理,PID控制规律为et输入控制器；ut用矩形法计算控制器输出的积分，用向后差代替微分采样周期为T，算法为，简记为，P、I、D范围为-0.999O.999计算机分别存储在相邻的三个字节中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，最高字节存后2位小数。例有系数P为O.1234，I为0.04秒，D为0，内存如表41l所示。,低字节2表41l地址F03H00H中间字节P2F04H12H高字节2F05H34H2F06H00HI2H07H04H2F08H00H2F09H00HD2FOAH00H2FOBH00H,计算机有一个初始化程序，将十进制小数转换为二进制小数，每个小数用两个字节表示。在控制计算程序中，连接定点小数进行补码操作，以溢出计算结果。当计算结果超过00时H或FFH时则用极值00H或FFH作为计算机控制输出，极值00也存储在相应的内存中H与FFH。,积分项运算也有溢出处理，当积分项运算溢出时，控制输出取极值，并在相应的内存中存储极值。计算机还用2F00H存储单元存储的值作为积分运算的判断值，误差E的绝对值小于时间积分，大时间不积分。的取值范围00H7FH。控制量UK输出至DA，范围00HFFH，对应EK5v4.96V，误差模入范围相同。,,3.可以用临界比例带法对系统开环增益的整定调整参数进行整定。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，直到系统等幅振荡，写下振荡周期TU振荡时使用的比例值KPU，参数按以下公式确定。,只需调整比例KP0.5PUPKP0.5KPU用比例、积分调节T取1/5TU比例KP0.36KPU即PKP0.36KPU积分时间TI1.05TU即,用比例、积分、微分调节T取1/6TU比例KP0.27KPU即PKP0.27KPU积分时间TI0.4TU即微分时间TD0.22TU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TTK10ms。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、实验程序流程见图4-3,,图43,四、实验内容与步骤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、装入程序AC4-1.，用U命令查看程序数据段段地址为0240,在02400000地址开始存入TK、EI、KP、KI、KD其中KIKDO,启动PID位置式算法程序，用示波器观察输出。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、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、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、根据PID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,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MP20，ts1S，在表4-1中填入此时的各参数和结果。,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、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。T05HKPU0.905TU0.5S,,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,EI,7F,30,30,7F,P,0.2443,0.2443,0.2443,0.2443,I,0.0996,0.0496,0.0496,0.0996,D,0.324,0.324,0.424,0.424,ts,80,MP,10,80,40,3s,2s,1.5s,0.9s,表4一l,