微型計算機實驗教程

1、電工電子實驗 中 心實驗指導(dǎo)書計算機控制技術(shù)實驗教程二九 年 三 月高等學(xué)校電工電子實驗系列計算機控制技術(shù)實驗教程主編 顏昌彬 陳宇攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院電工電子實驗中心內(nèi) 容 簡 介本書是根據(jù)高等院校理工科本(專)科的計算機控制技術(shù)實驗課程的基本要求編寫的。全書包含三個部分。第一部分為基本實驗。包含模/數(shù)轉(zhuǎn)換實驗、數(shù)/模轉(zhuǎn)換實驗、數(shù)字PID控制實驗、最少拍控制系統(tǒng)實驗、大林算法實驗等。第二部分是綜合設(shè)計實驗。根據(jù)教學(xué)大綱的要求及結(jié)合我校實際情況，進行步進電機控制、溫度閉環(huán)控制等實驗。第三部分是實驗中使用的虛擬示波器進行介紹，掌握其使用方法。本書可作為我校電類和非電類專業(yè)本科生、?？粕鷮嶒?/p>

2、教學(xué)用書，還可作為從事計算機控制技術(shù)的工程技術(shù)人員的參考書。前 言學(xué)生通過學(xué)習(xí)本課程后或?qū)W習(xí)期間進行實驗有助于使學(xué)生加深對計算機控制技術(shù)方面的基本理論和原理、基本知識的認識，有助于學(xué)生基本技能的提高，有助于培養(yǎng)學(xué)生分析問題和解決問題的工程綜合能力，拓寬學(xué)生的專業(yè)面和知識面，為以后繼續(xù)深入學(xué)習(xí)與工作打下良好的、扎實的基礎(chǔ)。通過實驗加強學(xué)生的實驗手段與實踐技能，掌握計算機控制技術(shù)在工程實踐中的基本應(yīng)用，培養(yǎng)學(xué)生分析問題、解決問題、應(yīng)用知識的能力。培養(yǎng)學(xué)生創(chuàng)新精神，提高學(xué)生自行設(shè)計、自主實驗，真正培養(yǎng)學(xué)生的實踐動手能力，全面提高學(xué)生的綜合素質(zhì)。全書由攀枝花學(xué)院電氣信息工程學(xué)院顏昌彬、陳宇老師主編。由

3、于作者水平有限，書中錯誤之處在所難免，懇請廣大師生及讀者提出寶貴意見及建議。編 者 2009年3月于攀枝花目錄實驗一模/數(shù)轉(zhuǎn)換實驗1實驗二數(shù)/模轉(zhuǎn)換實驗4實驗三數(shù)字PID控制實驗6實驗四最少拍控制系統(tǒng)實驗.10實驗五大林算法實驗.15實驗六步進電機控制實驗.19實驗七溫度閉環(huán)控制實驗.23附錄 虛擬示波器的使用.26參考文獻.34實驗一 模/數(shù)轉(zhuǎn)換實驗一、實驗裝置實驗儀器設(shè)備、藥品、器材：LABACT實驗電路、電腦、LABACT軟件 二、實驗要求了解A/D芯片ADC0809轉(zhuǎn)換性能及編程。編制程序通過0809采樣輸入電壓并轉(zhuǎn)換成數(shù)字量值。 三、實驗原理A/D轉(zhuǎn)換器大致有三類

4、：一是雙積分A/D轉(zhuǎn)換器，優(yōu)點是精度高，抗干擾性好，價格便宜，但速度慢；二是逐次逼近法A/D轉(zhuǎn)換器，精度，速度，價格適中；三是并行A/D轉(zhuǎn)換器，速度快，價格也昂貴。圖1-1 模/數(shù)轉(zhuǎn)換器電路圖實驗用的ADC0809屬第二類,是八位A/D轉(zhuǎn)換器。典型采樣時間需100us。編程中應(yīng)該保證A/D轉(zhuǎn)換的完成，這可以在程序中插入適當(dāng)延時代碼或監(jiān)視EOC信號的電平來實現(xiàn)。后一種方式尤其適合采用中斷處理。模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（B8）單元電路圖見圖1-1所示。ADC0809的片選在實驗機內(nèi)部已固定為0A0H。由于0809的A、B、C三腳依次接至A0、A1、A2，所以模擬輸入通道IN0IN7的端口地址為0A00A7。其

5、中IN1IN5為標準接法，有效輸入電平為0V+5V。IN6、IN7為雙極性輸入接法，有效輸入電平為-5V+5V。溫度模塊的測溫輸入經(jīng)放大器放大后輸入到ADC0809的IN0端口外設(shè)接口模擬量輸入經(jīng)放大器的隔離（阻抗轉(zhuǎn)換）后，輸入到ADC0809的 IN1IN3端口IN4IN7端口有測孔引出，供用戶使用模數(shù)轉(zhuǎn)換結(jié)束信號EOC引出至EOC插孔，并經(jīng)反向后引出至EOC/孔。示例程序：見Cp2源文件。程序流程如圖1-2所示               &

6、#160;                                                 &

7、#160;   圖1-2 程序流程圖   四實驗內(nèi)容及步驟 在實驗中欲觀測實驗結(jié)果時，只要運行LCAACT程序，選擇微機控制菜單下的模/數(shù)轉(zhuǎn)換實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相應(yīng)源文件，（1）將信號發(fā)生器（B1）的幅度控制電位器中心Y測孔，作為模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（B8）輸入信號：B1單元中的電位器左邊K3開關(guān)撥下（GND），右邊K4開關(guān)撥上（+5V）。（2）測孔聯(lián)線：B1（Y）模/數(shù)轉(zhuǎn)換器B8（IN4）（信號輸入）（3）運行、觀察、記錄：點擊開始后，在虛擬示波器屏幕上顯示出即時模/數(shù)轉(zhuǎn)換二進制碼及其對應(yīng)的電壓值

8、；再次點擊開始，將繼續(xù)轉(zhuǎn)換及顯示，滿11次后回到原點顯示。屏幕上X軸表示模/數(shù)轉(zhuǎn)換的序號，Y軸表示該次模/數(shù)轉(zhuǎn)換的結(jié)果。每次轉(zhuǎn)換后將在屏幕出現(xiàn)一個“*”，同時在“*”下顯示出模/數(shù)轉(zhuǎn)換后的二進制碼及對應(yīng)的電壓值，所顯示的電壓值應(yīng)與輸入到模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元（B8）輸入通道的電壓相同。每轉(zhuǎn)換滿11次后，將自動替代第一次值。見圖1-3所示。輸入通道可由用戶自行選擇，默認值為IN4。     圖1-3 模/數(shù)轉(zhuǎn)換在屏幕上的效果圖實驗二 數(shù)/模轉(zhuǎn)換實驗一、實驗裝置實驗儀器設(shè)備、藥品、器材：LABACT實驗電路、電腦、LABACT軟件 二、實驗要求掌

9、握DAC0832芯片的性能、使用方法及對應(yīng)的硬件電路。編寫程序控制D/A輸出的波形，使其輸出周期性的三角波。 三、實驗原理 圖2-1 數(shù)模轉(zhuǎn)換電路圖數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（B2）單元電路圖見圖2-1所示。示例程序：見Cp1源文件,程序流程如圖2-2所示。       四實驗內(nèi)容及步驟 在實驗中欲觀測實驗結(jié)果時，只要運行LCAACT程序，選擇微機控制菜單下的數(shù)/模轉(zhuǎn)換實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相應(yīng)源文件，此時可選用普通示波器，也可選用虛擬示波器（B3）單元的CH1（選X1

10、檔）測孔測量波形，詳見實驗指導(dǎo)書虛擬示波器部分。測孔連線：數(shù)/模轉(zhuǎn)換器（B2）單元OUT1虛擬示波器（B3）輸入端CH1。                圖2-2 程序流程圖實驗三 數(shù)字PID控制實驗一、實驗裝置實驗儀器設(shè)備、藥品、器材：LABACT實驗電路、電腦、LABACT軟件 二、實驗要求數(shù)字PID控制實驗原理方塊圖如圖3-1所示。圖3-1 數(shù)字PID控制實驗原理三、實驗原理 按比例（P）、積分（I）、微分（D

11、）通過線性組合構(gòu)成控制量。PID控制算法的模擬表達式是：式中，P(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號；Kp調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti調(diào)節(jié)器的積分時間；Td調(diào)節(jié)器的微分時間；用數(shù)字形式的差分方程來代替連續(xù)系統(tǒng)的微分方程：式中：T采樣周期（0.2秒）P(n)第n次采樣時微機輸出；e(n)第n次采樣時的偏差值；e(n-1)第n-1次采樣時的偏差值；n采樣序號，n=0，1，2，。離散化的PID位置控制算式表達式為：式中：PID系數(shù)不可過小，因為這會使計算機控制輸出也較小，從而使系統(tǒng)量化誤差變大，甚至有時控制器根本無輸出而形成死區(qū)。這時可將模擬電路開環(huán)增益適當(dāng)減小，而使PID系數(shù)變大。 

12、; 四實驗內(nèi)容及步驟 數(shù)字PID控制實驗構(gòu)成如圖3-2所示。示例程序：見Cp5源文件。在實驗中欲觀測實驗結(jié)果時，只要運行LCAACT程序，選擇微機控制菜單下的數(shù)字PID控制實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相應(yīng)源文件，此時可選用普通示波器，也可選用虛擬示波器（B3）單元的CH1測孔測量波形，詳見實驗指導(dǎo)書虛擬示波器部分。圖3-2 數(shù)字PID控制實驗構(gòu)成實驗步驟：（1）將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的輸出（OUT）作為系統(tǒng)輸入R。(連續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號)a將該單元的S1置階躍檔（最頂端），S20.2-6S檔。b. 將S ST用短路套短接，調(diào)節(jié)

13、調(diào)幅電位器使OUT輸出電壓< 2.5V，調(diào)節(jié)調(diào)頻電位器使OUT正輸出寬度>2秒。（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：（a）安置短路套  模塊號跨接座號1A1S2，S62A2S1，S63A3S1，S8，S10，S114A6S4，S9（b）測孔聯(lián)線1輸入信號RB5（OUT）A1（H1）2運放級聯(lián)A1（OUT）A2（H1）3信號連接A2（OUT）B8（IN7）4信號連接B2（OUT2）A3（H1）5運放級聯(lián)A3（OUT）A6（H1）6負反饋A6（OUT）A2（H2） （c）跨接元件：將可變元件庫（A7）中的可變電阻跨接到A6單元（IN）測孔和（OUT）測孔之間 (調(diào)

14、整為100K)。（3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：示波器輸入端CH1接到A6單元輸出端OUT（C）。注：CH1選X1檔，CH2置0檔。（4）運行、觀察、記錄：該實驗的顯示界面中“控制系數(shù)”欄的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd均可由用戶在界面上直接修改，以期獲得理想的實驗結(jié)果，改變這些參數(shù)后，只要再次點擊“發(fā)送”鍵，即可使實驗機按照新的控制參數(shù)運行。根據(jù)公式計算所得的控制系數(shù)Kp、Ki、Kd必須乘以100后才能填入“控制系數(shù)”欄的相應(yīng)位置。   該實驗的顯示界面中“控制系數(shù)”欄的Kp、Ki、Kd已設(shè)定：Kp=40 ， Ki=3 ，Kd=2運行程序，用示波器觀察

15、輸出C，如果現(xiàn)象不明顯則可以調(diào)節(jié)A7單元中的可變電阻和函數(shù)發(fā)生器（B5）中的調(diào)頻調(diào)幅。記錄Kp、Ki、Kd、MP、ts、參數(shù)，在表3-1中填入給此次的各參數(shù)與結(jié)果。本實驗的數(shù)字PID控制實驗曲線見圖3-3。                                 

16、;              表3-1Kp Ki Kd Mp tS 1           2           3           圖3-3 數(shù)字PID控制實驗曲線實驗四 最少拍控制系統(tǒng)實驗一、實驗裝置實驗儀器設(shè)備、藥品、器材：LABACT實驗電路、電腦、LABACT軟件 二、實驗要求最小拍控制系統(tǒng)原

17、理方塊圖見圖4-1所示。圖4-1 最小拍控制系統(tǒng)原理方塊圖搭建如圖4-1系統(tǒng)，針對階躍輸入進行計算機控制算法D（Z）設(shè)計，編程實現(xiàn)最小拍有紋波系統(tǒng)。 三、實驗原理 最少拍隨動系統(tǒng)的設(shè)計任務(wù)就是設(shè)計一個數(shù)字調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)到達穩(wěn)定所需要的采樣周期最少，而且在采樣點的輸出值能準確地跟蹤輸入信號，不存在靜差。對任何兩個采樣周期中間的過程則不做要求，習(xí)慣上把一個采樣周期稱為一拍。最少拍系統(tǒng)，也稱為最少調(diào)整時間系統(tǒng)或最快響應(yīng)系統(tǒng)。將D（Z）式寫成差分方程，則有：UK=KOEK + K1EK-1 + K2EK-2 + K3EK-3 - P1UK-1 - P2UK-2 - P3UK-3 （

18、式4-1）式中EKEK-3為誤差輸入；UK-1UK-3為計算機輸出。計算機運算還設(shè)有溢出處理，當(dāng)計算機控制輸出超過00H-FFH時（對應(yīng)于模擬量-5V-+5V），則計算機輸出相應(yīng)的極值00H或FFH。每次計算完控制量，計算機立即輸出，并且將各次采入的誤差與各次計算輸出作延時運算，最后再作一部分下次的輸出控制量計算。這樣當(dāng)采入下次誤差信號時，可減少運算次數(shù)，從而縮短計算機的純延時時間。模擬連續(xù)系統(tǒng)的參數(shù)整定被控對象有模擬電路模擬，因為電路中所接電阻、電容參數(shù)有一定誤差，所以應(yīng)加以整定，可先整定一階慣性環(huán)節(jié)，再整定積分器，應(yīng)使二者串聯(lián)時盡量接近所給傳函的數(shù)學(xué)模型。四實驗內(nèi)容及步驟 最小拍

19、有紋波系統(tǒng)構(gòu)成如圖4-2所示。示例程序：見Cp6_1源文件。采樣周期T=1S，A5的時間常數(shù)t1=R1C1=1，A6的時間常數(shù)t2=R2C2=1， K=5 。在實驗中欲觀測實驗結(jié)果時，只要運行LCAACT程序，選擇微機控制菜單下的最少拍控制系統(tǒng)-有紋波實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相應(yīng)源文件，此時可選用普通示波器，也可選用虛擬示波器（B3）單元的CH1、CH2測孔測量波形，詳見實驗指導(dǎo)書虛擬示波器部分。 圖4-2 最少拍有紋波系統(tǒng)構(gòu)成  實驗步驟：（1）將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的輸出（OUT）作為系統(tǒng)輸入R。(連續(xù)的正輸出寬度足夠大

20、的階躍信號)a將該單元的S1置階躍檔（最頂端），S20.2-6S檔。b. 將S ST用短路套短接，調(diào)節(jié)調(diào)幅電位器使OUT輸出電壓= 2.5V，調(diào)節(jié)調(diào)頻電位器使OUT正輸出寬度為>7秒。（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：（a）安置短路套  模塊號跨接座號1 A1 S2，S6 2 A2 S1，S6 3 A5 S3，S7，S11 4 A6 S10，S11 （b）測孔聯(lián)線   1 輸入信號RB5（OUT）A1（H1） 2 運放級聯(lián)A1（OUT）A2（H1）3 信號連接A2（OUT）B8（IN6）4 信號連接B2（OUT2）A5（H1）5 負反饋A6（O

21、UT）A2（H2）  （c）跨接元件：將元件庫（A7）中的可變電阻跨接到A5單元（OUT）測孔和A6單元（IN）測孔之間 (調(diào)整為250K)。（3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：示波器輸入端信號輸出端CH1（選X1檔）A6單元的OUT（C）CH2（選X1檔）B2單元的OUT2（4）運行、觀察、記錄   該實驗的顯示界面中“計算公式”欄的Ki與Pi均可由用戶在界面上直接修改，以期獲得理想的實驗結(jié)果，改變這些參數(shù)后，只要再次點擊“開始”鍵，即可使實驗機按照新的控制參數(shù)運行。根據(jù)公式計算所得的控制系數(shù)Ki與Pi必須乘以100后才能填入“計算公式”欄的相應(yīng)位置，其中

22、K1必須根據(jù)要求填入號；而Pi在“計算公式”欄中已有號，因此不用另填號。該實驗的顯示界面中“計算公式”欄的Ki與Pi已設(shè)定：K0=54 K1=20 K2=K3 =0 P1=72 P2=P3 =0 用虛擬示波器中的CH2觀察B5單元的OUT端，使之波形幅度、寬度符合輸入要求。再用虛擬示波器中的CH1觀察A6單元的OUT（C）端。注：由于實驗機中的元器件值有離散性，為此，在實驗中可調(diào)節(jié)A6單元的可變電阻的值。用虛擬示波器CH2分別觀察A6單元輸出OUT（C）和B2單元的OUT2端，繪出波形草圖，探討紋波產(chǎn)生的原因和計算，及最少拍控制的性能特點、優(yōu)劣。最少拍有紋波系統(tǒng)實驗結(jié)果見圖4-3。說明：一般來

23、說，針對一種典型輸入函數(shù)設(shè)計得到的系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)，用于次數(shù)較低的輸入函數(shù)時，系統(tǒng)將會出現(xiàn)較大的超調(diào)，系統(tǒng)響應(yīng)時間也會增加，但在采樣時刻的誤差為零；當(dāng)針對一種典型輸入函數(shù)設(shè)計得到的系統(tǒng)閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)用于次數(shù)較高的輸入函數(shù)時，輸出將不能完全跟蹤輸入，產(chǎn)生靜態(tài)誤差。對于給定的系統(tǒng)，如圖4-1所示，其被控對象的脈沖傳遞函數(shù)G（z）中含有e-TS項，T為采樣周期，由于最少拍系統(tǒng)的設(shè)計特點是要求響應(yīng)最快，系統(tǒng)對輸入信號的變換適應(yīng)能力比較差，輸出響應(yīng)只保證采樣點上的誤差為零，不能確保采樣點之間的誤差值也為零，也就是說，在最少拍系統(tǒng)中，系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在采樣點之間有紋波存在。產(chǎn)生紋波的原因是在零階保持器

24、的輸入端，也就是數(shù)字控制器的輸出經(jīng)采樣開關(guān)后達不到相對穩(wěn)定，因而使系統(tǒng)輸出在采樣點之間產(chǎn)生波動；如果輸入偏差E（k）為零，保持器的輸入脈沖序列為一恒定值，那么輸出量C（t）就不會在非采樣點間產(chǎn)生紋波。由于G（z）中含有e-TS項，采樣周期的變化對輸出紋波也有影響，如果T趨于無限小，則離散系統(tǒng)變?yōu)檫B續(xù)系統(tǒng)，紋波也就沒有了，所以，對同一個被控對象G（s），其數(shù)字控制器的控制算法D（z）設(shè)計也與采樣周期緊密相關(guān)。由于控制算法的設(shè)計是理論性的，在實際被控對象中由于參數(shù)的離散性，使得G（s）和G（z）與實際系統(tǒng)有誤差。  圖4-3 運行最少拍有紋波算法的輸出波形實驗五大林算法實驗一、實驗裝置實

25、驗儀器設(shè)備、藥品、器材：LABACT實驗電路、電腦、LABACT軟件 二、實驗要求搭建如圖系統(tǒng)，編程實現(xiàn)大林算法。圖5-1 大林算法原理方塊圖 三、實驗原理 大林算法是針對工業(yè)生產(chǎn)過程中含有純滯后對象的控制算法，即在調(diào)節(jié)時間允許的情況下，要求系統(tǒng)沒有超調(diào)量或只有在允許范圍中的很小的超調(diào)量。大林算法的設(shè)計目標是使整個閉環(huán)系統(tǒng)所期望的傳遞函數(shù)相當(dāng)于一個延遲環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)的串聯(lián)，并期望整個閉環(huán)系統(tǒng)的純滯后時間和被空對象的滯后時間相同。純滯后時間與采樣周期是整數(shù)倍關(guān)系。D（Z）算法 ： 具體的公式推導(dǎo)參考計算機控制系統(tǒng)（清華大學(xué)出版社，何克忠著）等書中有關(guān)內(nèi)容。大多數(shù)

26、的工控對象均可近似地描述成具有帶純滯后的一階或二階慣性環(huán)節(jié)根據(jù)設(shè)計要求，確定D（Z）的各個參數(shù)：（1）采樣周期T=0.4S （2）放大倍數(shù)K=10（3）被控對象的時間常數(shù)T1 =1.2 （4）校正后閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)T0=1（5）被控對象的純滯后時間t 為采樣周期T的倍數(shù)  L=1 （零階保持器延遲一拍輸出）將D（Z）式寫成差分方程，則有：UK=KOEK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2-P3UK-3（式5-1）式中：EKEK-3為誤差輸入，UK-1UK-3為計算機輸出。CPU運算設(shè)有溢出處理，當(dāng)計算機控制輸出超過00H-FFH時（對應(yīng)于模擬量-5

27、V+5V），則計算機輸出相應(yīng)的極值00H或FFH。四實驗內(nèi)容及步驟 大林算法系統(tǒng)構(gòu)成如圖5-2所示。示例程序：見Cp7_1源文件。采樣周期T=0.4S， A6的時間常數(shù)T1 =R*C=1.2 ， K=10。校正后閉環(huán)系統(tǒng)的時間常數(shù)T0=1 ，延遲系數(shù) L=1（零階保持器延遲一拍輸出）。在實驗中欲觀測實驗結(jié)果時，只要運行LCAACT程序，選擇微機控制菜單下的大林算法實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始后將自動加載相應(yīng)源文件，此時可選用普通示波器，也可選用虛擬示波器（B3）單元的CH1、CH2測孔測量波形，詳見實驗指導(dǎo)書虛擬示波器部分。圖5-2 大林算法系統(tǒng)構(gòu)成實

28、驗步驟：（1）將函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的輸出（OUT）作為系統(tǒng)輸入R。(連續(xù)的正輸出寬度足夠大的階躍信號)a. 將該單元的S1置階躍檔（最頂端），S20.2-6S檔。b. 將S ST用短路套短接，調(diào)節(jié)調(diào)幅電位器使OUT輸出電壓=2.5V，調(diào)節(jié)調(diào)頻電位器使OUT輸出周期約>7秒。（2）安置短路套、聯(lián)線，構(gòu)造模擬電路：（a）安置短路套  模塊號跨接座號1A2S1，S62A3S1，S63A6S3，S8,S10，S11（b）測孔聯(lián)線            1 輸入信號R B5（OUT）A

29、2（H1）2 運放級聯(lián)A2（OUT）A3（H1）3 信號聯(lián)線A3（OUT）B8（IN7）4 信號聯(lián)線B2（OUT2）A6（H1）5 負反饋A6（OUT）A2（H2）6 中斷請求線B5 （S）B9（IRQ6）（3）虛擬示波器（B3）的聯(lián)接：示波器輸入端信號輸出端CH1（選X1檔）函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的輸出OUT（R）CH2（選X1檔）A6單元的OUT（C）（4）運行、觀察、記錄該實驗的顯示界面中“計算公式”欄的Ki與Pi均可由用戶在界面上直接修改，以期獲得理想的實驗結(jié)果，改變這些控制系數(shù)后，只要再次點擊“開始”鍵，即可使實驗機按照新的控制系數(shù)運行。根據(jù)公式計算所得的控制系數(shù)Ki與Pi必須乘以1

30、00后才能填入“計算公式”欄的相應(yīng)位置，其中K1必須根據(jù)要求填入號；而Pi在“計算公式”欄中已有號，因此不用另填號。由于公式根據(jù)公式計算所得的控制系數(shù)進行實驗其現(xiàn)象不明顯，我們對系數(shù)Ki與Pi作了如下修改，該實驗的顯示界面中“計算公式”欄：已設(shè)定：K0=24 K1=4 K2= K3=0 P1=33 P2=16 P3=0 （該控制系數(shù)僅供參考）2用虛擬示波器（示波選項）中的CH1觀察函數(shù)發(fā)生器（B5）單元的OUT（R）端，使之波形幅度、寬度符合輸入要求。3再用虛擬示波器中的CH2觀察A6單元的OUT（C）端，使之波形趨于穩(wěn)定。用虛擬示波器中的CH1和CH2同時觀察輸入R和輸出C波形，系統(tǒng)輸出波形

31、如圖5-3所示。圖5-3 運行大林算法的輸出波形說明：由于D（Z）算法是根據(jù)系統(tǒng)的被控對象傳遞函數(shù)及期望的閉環(huán)傳遞函數(shù)設(shè)計的。所以當(dāng)被控制對象傳遞函數(shù)稍有不準時，輸入計算機內(nèi)存的參數(shù)和被控對象的傳遞函數(shù)不一致，也就是說被控對象不能很好的被控制。可能會使系統(tǒng)輸出產(chǎn)生一定的穩(wěn)態(tài)誤差。將輸入改為其它類型信號，如斜坡信號，觀察大林算法對斜坡輸入響應(yīng)特性。從示波器上將觀察到系統(tǒng)輸出不能完全跟蹤輸入，產(chǎn)生了穩(wěn)態(tài)誤差。因此實驗中D（Z）設(shè)計是針對階躍輸入信號的，當(dāng)改變輸入信號為斜坡，而D（Z）的設(shè)計方法仍按階躍設(shè)計，那么系統(tǒng)將不能完全跟蹤輸入，以致產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。也就是說，針對一種典型輸入函數(shù)設(shè)計的閉環(huán)脈沖傳

32、函，用于次數(shù)較低的輸入函數(shù)時，系統(tǒng)將會出現(xiàn)較大的超調(diào)，響應(yīng)時間也會增加，用于次數(shù)較高的輸入函數(shù)時，系統(tǒng)將不能完全跟蹤輸入，以至產(chǎn)生穩(wěn)態(tài)誤差。實驗六 步進電機控制實驗一、實驗裝置實驗儀器設(shè)備、藥品、器材：LABACT實驗電路、電腦、LABACT軟件 二、實驗要求1編制程序，控制步進電動機的運轉(zhuǎn)速度。2編制程序，控制步進電動機的旋轉(zhuǎn)方向。 三實驗?zāi)康?掌握步進電動機控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計方法。2掌握步進電動機速度調(diào)節(jié)、方向控制技術(shù)。3進一步學(xué)習(xí)編制步進電動機驅(qū)動程序的軟件設(shè)計方法。 四、 實驗原理 步進電動機又稱為脈沖電機，是工業(yè)過程控制和儀表中一種能夠快速啟動

33、、反轉(zhuǎn)和制動的執(zhí)行元件。其功用是將電脈沖轉(zhuǎn)換為相應(yīng)的角位移或直線位移。步進電動機的運轉(zhuǎn)是由電脈沖信號控制的，步進電動機的角位移量或線位移量與脈沖數(shù)成正比，每給一個脈沖，步進電機就轉(zhuǎn)動一個角度（步距角）或前進/倒退一步。步進電機旋轉(zhuǎn)的角度由輸入的電脈沖數(shù)確定，所以，也有人稱步進電動機為一個數(shù)字/角度轉(zhuǎn)換器。當(dāng)某一相繞阻通電時，對應(yīng)的磁極產(chǎn)生磁場，并與轉(zhuǎn)子形成磁路，這時，如果定子和轉(zhuǎn)子的小齒沒有對齊，在磁場的作用下，由于磁通具有力圖走磁阻最小路徑的特點，轉(zhuǎn)子將轉(zhuǎn)動一定的角度，使轉(zhuǎn)子與定子的齒相互對齊，由此可見，錯齒是促使電機旋轉(zhuǎn)的原因。四相步進電動機以四相單四拍、四相雙四拍、四相八拍方式工作時的脈

34、沖分配表如表6-1，表6-2和表6-3表6-1 四相單四拍脈沖分配表 A B C D N1000N+10100N+20010N+30001  表6-2 四相雙四拍脈沖分配表  A B C D N1100N+10110N+20011N+31001表6-3 四相八拍脈沖分配表 A B C D N1000N+11100N+20100N+30110N+40010N+50011N+60001N+71001如步進電動機每一相均停止通電，則電機處于自由狀態(tài)；若某一相一直通直流電時，則電機可以保持在固定的位置上，即停在最后一個脈沖控制的角位移的終點位置上，這樣，步進電動

35、機可以實現(xiàn)停車時轉(zhuǎn)子定位。這就是步進電動機的自鎖功能。當(dāng)步進電機處于自鎖時，若用手旋轉(zhuǎn)它，感覺很難轉(zhuǎn)動。步進電動機是用電脈沖進行控制的電機，改變脈沖輸入頻率，就可以改變電機的速度；改變通電順序，即改變定子磁場旋轉(zhuǎn)的方向，就可以達到控制步進電動機正反轉(zhuǎn)目的.  1運行速度的控制圖6-1是四相單四拍方式的脈沖時序圖，從圖6-1可以看出，當(dāng)改變電脈沖的周期，ABCD四相繞組高低電平的寬度將發(fā)生變化，這就導(dǎo)致通電和斷電的變化率發(fā)生變化，使電機轉(zhuǎn)速改變，所以調(diào)節(jié)電脈沖的周期就可以控制步進電機的運轉(zhuǎn)速度。     圖6-1  

36、 2運轉(zhuǎn)方向的控制從圖6-1仍可看出，步進電機以四相單四拍方式工作時，按A®B®C®D®A次序通電時，為正轉(zhuǎn)；如按A®D®C®B®A次序通電時，為反轉(zhuǎn)。其它工作方式下的方向控制原理相同。 五實驗內(nèi)容及步驟        1本實驗無需連線，內(nèi)部已連好。步進電機驅(qū)動電路原理如下圖所示，其中采用一片74LS273（8位D觸發(fā)器）的低4位輸出Q0-Q3來鎖存步進碼值;一片ULN2003AN（7位OC門驅(qū)動器）來驅(qū)動步進電機。

37、74LS273的片選地址為60H，本實驗采用四相八拍方式。實驗時請保證擴展平臺正常連接。  圖6-2 步進電機驅(qū)動電路原理2觀測現(xiàn)象：只要運行LCAACT程序，選擇控制系統(tǒng)菜單下的步進電機調(diào)速實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊執(zhí)行后將自動加載相應(yīng)源文件，當(dāng)改變功能后，再點擊執(zhí)行即可實現(xiàn)實時控制步進電機模塊，點擊停止步進電機不運行。實驗七溫度閉環(huán)控制實驗一 、實驗要求編寫程序，實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制，使溫度穩(wěn)定在某一給定值上。     圖7-1 溫度閉環(huán)控制系統(tǒng)原理框圖二實驗?zāi)康?.鞏固閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本概念。

38、2.了解閉環(huán)控制系統(tǒng)中反饋量的引入方法。 3.掌握PID算法數(shù)字化的方法和編程。4.了解、掌握消除系統(tǒng)積分飽和的遇限削弱積分法使用方法。三、 實驗說明   1基礎(chǔ)知識自動控制有兩種最基本的形式：開環(huán)控制和閉環(huán)控制。開環(huán)控制系統(tǒng)的精度取決于元器件的精度和特性調(diào)整的精度。當(dāng)內(nèi)外干擾影響不大，并且控制精度要求不高時，可采用開環(huán)控制方式。前面我們所進行的實驗，就是一些開環(huán)控制的簡單實例。閉環(huán)控制又稱為反饋控制，其實質(zhì)是利用負反饋來減小系統(tǒng)的誤差。閉環(huán)控制具有自動修正被控量偏離給定值的作用，因而可以抑制內(nèi)部干擾和外部干擾引起的誤差，達到自動控制的目的。按偏差的比例

39、、積分、微分控制（簡稱PID控制）是過程控制中應(yīng)用最廣的一種控制規(guī)則。由PID控制規(guī)則構(gòu)成的PID調(diào)節(jié)器是一種線性調(diào)節(jié)器。這種調(diào)節(jié)器是將設(shè)定值U與實際輸出值Y構(gòu)成控制偏差：e=UY按比例（P）、積分（I）、微分（D）通過線性組合構(gòu)成控制量。PID控制算法的模擬表達式是：式中，P(t)調(diào)節(jié)器的輸出信號；e(t)調(diào)節(jié)器的偏差信號；Kp調(diào)節(jié)器的比例系數(shù)；Ti調(diào)節(jié)器的積分時間；Td調(diào)節(jié)器的微分時間；在實際應(yīng)用中，根據(jù)對象特征和控制要求，也可靈活改變其結(jié)構(gòu)，取其一部分構(gòu)成控制，例如：比例（P）調(diào)節(jié)器、比例積分（PI）調(diào)節(jié)器、比例微分調(diào)節(jié)器（PD）等。比例調(diào)節(jié)器是一種最簡單的調(diào)節(jié)器。它具有反應(yīng)快、無滯后的

40、特點，抗干擾，使被控參數(shù)穩(wěn)定在給定值附近。但是，對于具有自平衡系統(tǒng)（即系統(tǒng)階躍響應(yīng)為一有限值）的被控對象存在靜差。對于某一給定系統(tǒng)，當(dāng)負荷變化時，靜差大小與比例作用的強弱有關(guān)。加大比例系數(shù)可以減小靜差，但KP過大時，會使動態(tài)質(zhì)量變差，引起控制量振蕩甚至導(dǎo)致閉死不穩(wěn)定。比例積分調(diào)節(jié)器是在比例調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上增加積分調(diào)節(jié)規(guī)律。積分調(diào)節(jié)規(guī)律的實質(zhì)是調(diào)節(jié)器輸出的變化速度與輸入偏差的大小成正比。只要有偏差，調(diào)節(jié)器輸出的調(diào)節(jié)信號就不斷變化，執(zhí)行器就不斷動作，直至偏差信號消除。因此，積分作用能消除比例調(diào)節(jié)器的靜差。但是積分調(diào)節(jié)動作緩慢，其調(diào)節(jié)作用總是滯后于偏差信號的變化。在上述PI調(diào)節(jié)器的基礎(chǔ)上再加上微分調(diào)節(jié)

41、環(huán)節(jié)就構(gòu)成了PID調(diào)節(jié)器。微分調(diào)節(jié)作用可以克服積分調(diào)節(jié)作用緩慢性，避免積分作用可能降低系統(tǒng)響應(yīng)速度的缺點。另外，微分調(diào)節(jié)的加入有助于減小超調(diào)、克服振蕩，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。在實際應(yīng)用中，PID調(diào)節(jié)器的實現(xiàn)分模擬和數(shù)字模擬兩種方法。模擬法就是利用硬件電路實現(xiàn)PID調(diào)節(jié)規(guī)律。PID數(shù)字模擬法就是對經(jīng)典的模擬PID進行數(shù)字模擬，用數(shù)字調(diào)節(jié)器來代替模擬調(diào)節(jié)器。在采樣周期較小時，數(shù)字模擬PID控制算法是一種較理想的控制算法。2PID算法的數(shù)字實現(xiàn)由于DDC（Direct Digital Control）系統(tǒng)是一種時間離散控制系統(tǒng)。因此，為了用微機實現(xiàn)（式7-1）必須將其離散化，用數(shù)字形式的差分方程來代替

42、連續(xù)系統(tǒng)的微分方程：式中：T采樣周期P(n)第n次采樣時微機輸出；e(n)第n次采樣時的偏差值；e(n-1)第n-1次采樣時的偏差值；n采樣序號，n=0，1，2，。離散化的PID位置控制算式表達式為：式中：圖7-2程序框圖確定了KP,KI和KD的值后，實現(xiàn)（式7-3）的編程框圖如7-2所示。由（式7-3）還可得離散的位置型P控制、PI控制和PD控制的編程表達式，它們編程框圖也只需在該圖的基礎(chǔ)上稍作刪減即可。     3遇限削弱積分法由于溫度閉環(huán)控制是一種變化十分緩慢的控制系統(tǒng)，因此它很容易產(chǎn)生積分飽和，在積分項的作用下，往往將使系統(tǒng)產(chǎn)生較大的超

43、調(diào)量和長時間波動。為此，本實驗采用了遇限削弱積分的方法來消除積分飽和。該方法是在實驗進行前先設(shè)定一個積分控制量，在計算、控制過程中，一旦積分控制量達到規(guī)定值時，它將不再增加。詳見微型計算機控制技術(shù)及應(yīng)用（高等教育出版社，徐大誠等著）按本實驗所規(guī)定的參數(shù)進行實驗后，可以看出超調(diào)量和波動受到了有效的控制。見圖7-4所示。4實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制本實驗機實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制系由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（B8）單元和溫控模塊（C3）（包括加熱、冷卻機構(gòu)和測溫）組成。溫控加熱和冷卻原理見圖7-3。 加熱由72LS273輸出Q5控制，該電壓驅(qū)動達林頓復(fù)合晶體管TIP122對加熱棒加熱。Q5輸出高電平為加熱，Q5輸出低電平為停止

44、加熱。加熱時，C3單元的LED燈亮。 冷卻由74LS273輸出Q5控制，Q6輸出高電平時風(fēng)扇轉(zhuǎn)動進行冷卻，Q6輸出低電平時風(fēng)扇停止。 本模塊采用裝在散熱器下的溫度采集晶體管AD590進行測溫，當(dāng)溫度為0時，C3模塊輸出電壓為0V，當(dāng)溫度上升，則輸出電壓線性增加；當(dāng)溫度為76.5時輸出電壓為+4.98V，該電壓值可在該模塊的IN-0測孔上測到，其輸出值已連到模數(shù)轉(zhuǎn)換器（B8）的IN-0，用戶無須再連線。由模/數(shù)轉(zhuǎn)換器對其模擬電壓進行摸/數(shù)轉(zhuǎn)換，送CPU控制模塊實現(xiàn)溫度閉環(huán)控制。圖7-3 溫控加熱和冷卻原理圖注：溫控模塊的零位和滿度，在出廠時已用專用設(shè)備調(diào)整，并用油漆封死，希望用戶不要輕易調(diào)整。

45、  四實驗內(nèi)容及步驟             1. 實驗測孔聯(lián)線：1定時中斷B9輸出（OUT2）B9輸入（IRQ6）2觀測現(xiàn)象：只要運行LCAACT程序，選擇控制系統(tǒng)菜單下的溫度閉環(huán)控制實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出溫度示波器的界面（將自動加載相應(yīng)源文件），點擊開始將運行；然后設(shè)定溫度參數(shù)和控制系數(shù)后，點擊發(fā)送即可實現(xiàn)實時溫度閉環(huán)控制。該實驗的顯示界面中“控制系數(shù)”欄的比例系數(shù)Kp、積分系數(shù)Ki、微分系數(shù)Kd和積分控制量，以及溫度參數(shù)均可由用戶在界面上直接修改，

46、以期獲得理想的實驗結(jié)果。如在控制過程中欲改變這些系數(shù)和參數(shù)，則改變后，只要再次點擊“發(fā)送”鍵，即可使實驗機按照新的控制系數(shù)和設(shè)定參數(shù)運行。根據(jù)公式計算所得的控制系數(shù)Kp、Ki、Kd必須乘以100后才能填入“控制系數(shù)”欄的相應(yīng)位置。注：溫度參數(shù)不能為0度。該實驗的顯示界面中：已設(shè)定：Kp=99 ， Ki=5 ，Kd=1 ，積分控制量=30 ，溫度=65 。在控制過程中，實際溫度經(jīng)數(shù)次振蕩達到隱定值后，點擊仃止，把時間軸移至2分/格或更大（在界面的右上角顯示），將觀測到整個溫度閉環(huán)控制曲線，見圖7-4所示（壓縮了8倍的波形）。運行中，改變溫度參數(shù)為1后，再次點擊“發(fā)送”鍵將啟動風(fēng)扇轉(zhuǎn)動，進行冷卻。

47、圖7-4 溫度閉環(huán)控制曲線附錄 虛擬示波器的使用第一節(jié)虛擬示波器的類型虛擬示波器的類型為了滿足自動控制不同實驗的要求我們提供了示波器的三種使用方法。（1）示波器的一般用法（2）幅頻相頻示波器的用法（3）特征曲線的用法  第二節(jié)虛擬示波器的使用一設(shè)置用戶可以根據(jù)不同的要求選擇不同的示波器，具體設(shè)置方法如下：1示波器的一般用法：運行LCAACT程序，點擊開始即可當(dāng)作一般的示波器使用。2.  實驗使用：運行LCAACT程序，選擇自動控制 / 微機控制 / 控制系統(tǒng)菜單下的相應(yīng)實驗項目，再選擇開始實驗，就會彈出虛擬示波器的界面，點擊開始即可使用本實驗機配套的虛擬示波器（B3）單元的

48、CH1、CH2測孔測量波形。                                   附-1 虛擬示波器的界面  二示波器的使用1示波器的一般使用       

49、;附-2 虛擬示波器運行界面附-2為普通示波器的界面，只要點擊開始，示波器就運行了，此時就可以用實驗機上CH1和 CH2來觀察波形。CH1和 CH2各有輸入范圍選擇開關(guān)，當(dāng)輸入電壓小于5v-+5v 應(yīng)選用x1檔，如果大于此輸入范圍應(yīng)選用x5擋（表示衰減5倍）。普通示波器中提供了示波和X-Y兩種方式，示波就是虛擬一般示波器的功能，X-Y相當(dāng)于真實示波器中的X-Y選項，如果需要用X-Y功能，只要選中X-Y選項即可，在自動控制原理實驗中實驗五，實驗六，實驗七中必須用X-Y功能。在示波器運行時（示波方式下）可以調(diào)節(jié)電壓量程CH1位移CH2位移和時間量程。再次點擊開始后，將停止示波器運行，即可進行波形分析和相關(guān)的測量（只保存當(dāng)前實驗的波形）。1信號幅值測量：首先應(yīng)拖動上下滑