东华大学计算机控制系统实验报告

实验一.信号的采样与保持一、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二、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。三、实验设备PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，i386EX系统板一块四、实验原理与步骤零阶保持香农(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=TK×10ms，TK的范围为01~FFH，通过修改TK就可以灵活地改变采样周期，后面实验的采样周期设置也是如此。参考程序流程：基于上面的实验线路，可以设计如下的参考程序流程。五.实验结果与分析1.零阶保持器采样周期10MS信号频率0.5HZ采样周期10MS信号频率1HZ采样周期10MS信号频率2HZ采样周期10MS信号频率5HZ采样周期50MS信号频率1HZ采样周期50MS信号频率2HZ采样周期50MS信号频率5HZ采样周期50MS信号频率0.5HZ采样周期100MS信号频率0.5HZ采样周期100MS信号频率1HZ采样周期100MS信号频率2HZ采样周期100MS信号频率5HZ2.线性插值法采样周期10MS信号频率0.5HZ采样周期10MS信号频率1HZ采样周期10MS信号频率2HZ采样周期10MS信号频率5HZ采样周期50MS信号频率0.5HZ采样周期50MS信号频率1HZ采样周期50MS信号频率2HZ采样周期50MS信号频率5HZ3.二次曲线插值法采样周期10MS信号频率1HZ采样周期10MS信号频率2HZ采样周期10MS信号频率5HZ采样周期50MS信号频率1HZ采样周期50MS信号频率2HZ采样周期50MS信号频率5HZ采样信号的还原效果的分析:实验二数字PID闭环控制按闭环系统误差信号的比例、积分和微分进行控制的调节器简称为PID调节器(也叫PID控制器)。它是在连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器。随着计算机技术的飞速发展，PID控制算法可以用计算机程序实现了，而这进一步拓宽了PID调节器的应用领域，出现了各种新型数字PID控制器。本章将从多个方面来开展数字PID控制器的实验研究。数字PID控制算法在模拟调节系统中，PID算法表达式为：dt)t(deTddt)t(eTi1)t(eKp)t(u在计算机系统中，离散的数字PID算法可以表示为位置式PID控制算式，或增量式PID控制算式。位置式PID控制算式为：)1k(e)k(eTTd)j(eTiT)k(eKp)k(uk0jT：采样周期，k：采样序号，u(k)：第k次采样调节器输出，e(k)：第k次采样误差值，e(k－1)：第(k－1)次采样误差值增量式PID控制算式为：)1k(u)k(u)k(u))2k(e)1k(e2)k(e(TTd)k(eTiT))1k(e)k(e(Kp)k(u增量式与位置式相比具有以下优点：1．增量式算法与最近几次采样值有关，不需要进行累加，因此，不易产生累积误差，控制效果较好。2．增量式中，计算机只输出增量，误动作(计算机故障或干扰)影响小。3．在位置式中，由手动到自动切换时，必须使输出值等于执行机构的初始值，而增量式只与本次的误差值有关，更易于实现手动到自动的无扰动切换。4．增量式控制算法因其特有的优点在控制系统中应用比位置式更加广泛。积分分离法PID控制一、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控制规律二、实验设备PC机一台，TD－ACC＋实验系统一套，i386EX系统板一块三、实验原理和内容SRC1－eT-TS10(0.3S+1)(0.4S+1)EPID图3.2－1图3.2－1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可设计如下，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。STSOUT信号源短/STR20K20K20K100K10K10K20K3uFCE100K200K2uF模数转换单元ABCIN7+5V数模转换单元CLOCKD0D7OUT1/WR/CS...A0控制计算机D0D71MHZSTROUT1.../OE/IOY0XD7XD0...TMROUT1TMRCLK1CS0#CLK2i386EXCPU24MHZ分频EOCIRQ7INT3(主8259IRQ7)DIN0P1.0/IOY1WR#M/IO#/IOWA0路块图3.2－2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，“DIN0”表示386EX的I/O管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。这里，系统误差信号E通过模数转换单元“IN7”端输入，控制机的定时器作为基准时钟(初始化为10ms)，定时采集“IN7”端的信号，并通过采样中断读入信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。本实验中，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，以及系统有惯性和滞后，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，可采用积分分离法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。图10.2－3是积分分离法PID控制实验的参考程序流程图。PID子程序计算Ek+判积分溢出Kp(Ek+取极值中断返回是否判积分分离值是否主程序系统初始化变量初始化等待中断EkEk)*Kp(Ek+Ek)**Ek+判控制量溢出取极值是否TTiTdTTdTTdT*采样中断服务程序求误差E(k)调PID子程序输出控制量U(k)中断返回采样周期到否？是否同步信号到否？是否采样周期变量减一D/A输出清零变量初始化采样周期变量赋初值采样周期变量赋初值图3.2－3实验参考程序：请参照随机软件中的example目录中的ACC3―2―1.ASM。四.实验步骤及结果连线构建系统，采用方波信号作为系统的设定值输入（方波信号周期10s）,观察系统作为随动控制系统的输出响应，了解控制器参数对控制效果的影响。（1）采用默认参数运行程序，进行控制，记录曲线及数据。（注意阅读程序源代码，找到控制器参数赋值命令）。默认参数比例系数kp=0.2，积分系数Ti=30微分系数Td=1，积分分离值Iband=32（2）取消积分分离效果（设置Iband=0x7f），进行控制，记录曲线及数据。(3)改变PID控制参数参数，进行控制，记录曲线及数据。了解PID参数变化对控制的影响.①.Ti、Td取默认值，分别设置Kp=0.4，Kp=0.8，Kp=0.05，Kp=0.02。记录不同Kp值的调节效果曲线。1.Kp=0.022.Kp=0.053.Kp=0.44.kp=0.8②Kp、Td取默认值，分别设置Ti=15，Ti=90记录不同Ti值的调节效果曲线。1.Ti=152.Ti=90③.Kp、Ti取默认值，Td=5，记录调节效果曲线。五.结果分析(1)比较有无积分分离效果时的控制效果（输出响应曲线），说明积分分离对控制效果的影响。(2)比较默认PID参数和改动的PID参数的控制效果，说明PID参数变化对系统性能的影响