计控讲义

第一部分 TDN-AC/ACS＋教学实验系统介绍 第一章 TDN-AC/ACS＋系统概述

1.1 系统构成：系统由各单元电路、8088CPU板和PC机进行通讯的串口构成，其系统布局见附录三

信号源发生单元： U1 SG&U15 SIN 采样保持器及单稳单元: U2 SH 运算模拟单元: U3-U8、U20 非线性单元: U9 NC 数/模转换单元: U10 DAC 模/数转换单元: U12 ADC 状态指示灯单元: U11 D 单节拍脉冲发生单元: U13 SP 电位器单元: U14 P -5V电源发生单元: U16 A 信号测量单元: U19 SC 驱动单元: U17 DRIVER 电机单元: U18 MOTOR 高效开关电源

特殊运算环节单元： U21 可变电阻单元： U22 微型温度控制单元: U23 TC

1.2系统实验项目

实验一 模/数、数/模转换 实验实验二 采样与保持 实验三 平滑与数字滤波实验 实验四 积分分离PID控制实验 实验五 最小拍控制系统 实验六 大林算法

实验七 非线性控制 实验八 多调节器计算机控制 实验九 综合控制实验

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第二章 TDN-AC/ACS＋系统硬件资源

2.1 系统电源

TDN-AC/ACS＋系统采用的电源的主要技术指标为：

1． 输入电压：AC165-260V

2． 输出电压/电流：＋5V/2A,+12V/0.2A,-12V/0.2A 3． 输出功率:15W 4． 效率: ≥75% 5． 稳压性能:

电压调整率≤0.2% 负载调整率≤0.5% 纹波系数≤0.5% 6.

工作环境温度:-5℃--40℃

2.2 8088微机主板资源 一.系统内存分配:

0000:1000H 0000:0FFFH

0000:0000H

系统程序区64K 用户栈区 用户程序区 系统堆栈区 DEBUG系统数据区 BIOS系统数据区 中断矢量区 F000:FFFFH- F000:0000H 1000:0000H 28K

0000:0500-06FFH 0000:0400-04FFH

二.系统单元电路

1.信号源发生单元电路:

信号源发生单元电路包括U1 SG单元和U15 SIN单元. a) U1 SG此单元可以产生重复的阶跃、斜波、抛物线三种典型信号，且信号的幅值。频率可以调（通过调电位器W12，W11）。

2

b) U15 SIN可以产生正弦波和方波（频率从0.2HZ到400Hz、幅值在）

2.采样保持器及单稳单元电路（U2 SH）：

该单元的输入输出电平范围±12V，PU为控制端，用逻辑电平控制，高电平采样，低电平保持，采样时间约为10us。 3．运算模拟单元电路（U6） 4．非线性单元电路：（U9 NC）：

该单元供死区非线性和间隙非线性模拟电路插接电阻用。 5. 数/模转换单元电路（U10 DAC）：

该单元采用DAC0832芯片，转换精度为8位二进制码，输入数字范围为00H－FFH，对应输出（U10单元的OUT端）为－5V－＋4。96V。80H对应0V。

6.模/数转换单元电路（U12 ADC）：

它采用ADC0809芯片，分辨率为8位二进制码。模拟输入通道8路（IN0～IN7），通过三端地址码A、B、C多路开关可选通8路模拟输入的任何一路进行A/D变换。其中IN1～IN5的模拟量输入允许范围：0V～4.98V,对应数字量00H～FFH，2.5V对应数字量80H。IN6和IN7两路用于接上拉电阻，所以模拟量输入允许范围：-5V～＋4.96V，对应数字量00H～FFH。0V对应80H。 7.状态指示单元(U11 D)： 用于实验现象指示作用。 8.信号测试单元：

信号测量单元由ADC0809、LM324、74LS02芯片、量程选择开关和双路表笔构成。本单元可以替代实验中使用的长余辉示波器。

第三章 TDN-AC/ACS+常见故障分析及处理

3.1常见故障的分析及处理

1．信号源单元无方波输出（U3－U8）

若信号源打在方波档，输出为一条直线时，请检测S端的输出信号。 1） S端有方波，则锁零电路故障。 2） 无方波，请更换555。

3

2．有方波但无斜波或抛物波

1）检查相应单元电路中的2uf电解电容，如损坏，请更换。 2）检查相应单元电路的场效应管，如损坏，请更换。 3.2实验中有关注意实现 1．D/A调零

在每一次进行实验以前，DAC0832必须要进行调零。操作步骤如下： 1） U10单元中的DAC0832的控制信号CS和WR端分别接到CS&TS

接口信号中IOYO和XIOW中。

2） 在调试状态下及“>”提示符下，键入A200回车，启动汇编，

然后输入以下程序： 0000：2000 MOV AL，80 0000：2002 OUT 00，AL 0000：2004 INT

3） 连续运行以上程序G＝0000：2000回车。屏幕将显示当前寄

存状态，（IP＝2004，CS＝0000，），将万用表拨至毫伏档，测量U10单元中OUT端的电压，调节DAC0832芯片下方的微调电阻，直至电压显示到0mv为至（若调不到绝对0mv，可偏正一点的0mv亦可，但不能为负）。

2．对于搭接被控对象时，输入和反馈回来中的电阻应尽量使用实验板上的电位器来实现。

3．实验用的导线，导线头不应拔得太长，以防短路。做完实验后，应将导线收好。

4．在开启实验箱得时候要注意开启得间隔时间应大于30秒，不能频繁的开启电源。

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第二部分

计算机控制实验部分

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实验一 模/数、数/模转换实验

一 实验目的：

1．初步掌握在TDN－ACS＋实验箱上进行实验的方法。 2．初步掌握利用虚拟示波器观察实验结果的方法。 3．通过实验了解模/数和数/模的基本原理。 二 实验仪器设备：

1．TDN－ACS＋自动控制原理/计算机控制实验箱一台。 2．PC机一台。

3．示波器一台（可选）。 4．万用表一台。 三．实验预习及准备：

1．认真阅读本实验内容，熟悉实验过程。 2．结合课本了解模/数、数/模转换的原理。 四．实验内容及步骤：

1．实验线路原理图：见下图1-1

图1-1

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U2 SH A2 Q2 OUT2 +5V W141 Y U14 P 1 IN7 CLOCK D0 A B C +5V D7 U12 GATE2 测量点C

OUT PA0 PA7 D0 D7 D0 D7 U10 8088

8088CPU的OPCLK信号与AD0809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W141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口输入计算机，送显示器显示，并由数据总线送到D/A变换器0832的输入端。选用8088CPU的地址输入信号IOYO为片选信号（CS），XIOW信号为写入信号（WR），D/A变换器的口地址为00H。

调节W141即可改变输入电压，可从显示器看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。

2．实验流程：（对应的程序已经放在了8088的监控中，可以用U（反汇编）命令查看。（见图1－2）

图1－2

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主程序 初始化8255A口为输入 8255 2口为定时方式（3ms） 延时20ms 取A/D值并送D/A 显示A/D

3．实验步骤：

① 按图1－1接线，用”短路块”分别将U1 SG单元中的ST插针与＋5v插针短接；U14 P单元中的X与＋5V，Z与－5V短接。其它用粗线画的线需自行连接。连接后，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（G=F000:1100）.如果程序正确执行，将显示“00“。

③ 将W141依次调节，用数字电压表分别检查A/D的输入电压D/A的输出电压。记下相应的数码及D/A的输出模拟电压，填入下表1－1： 模拟输入电压（V） -5 -4 -3 -2 -1 0 +1 +2 +3 +4 +5 1－1

U14 P 图1-3 U12 Y 100K - IN7 10K 显示器数码（H） FF E7 CD B3 9A 80 67 4D 34 1A 00 模拟输出电压（V） -5.00 -4.02 -3.00 -2.01 -0.99 -0.01 0.99 2.01 2.99 4.00 5.01 ④ 按图1－3该接U14输出Y至U12输入IN7的连接，其它线路同图

5）用数字万用表监测A/D的输入电压，在OV附近连续调节A/D的输

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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，记录与之对应的数字量，如表1－2表示：

模入电-196 -156.8 -117.6 -78.4 -39.2 0 39.2 78.4 117.6 156.8 压（mv） 数字量85 （H） 五．实验报告要求：

1）根据实验线路，完成表1－1，和表1－2，并与理论值进行比较。 2)仔细分系统的流程图，理解A/D D/A的转换过程。 3)分析实验中出现的各种现象，总结实验体会。

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84 83 82 81 80 7F 7E 7C 7B

实验二 采样与保持

一． 实验目的：

1:掌握采样与保持应用原理。 2：采样周期T的设置。 3：掌握实验过程的流程图。 二 实验仪器设备：

1．TDN－ACS＋自动控制原理/计算机控制实验箱一台。 2．PC机一台。

3．示波器一台（可选）。 4．万用表一台。 三．实验预习及准备：

1．认真阅读本实验内容，熟悉实验过程。 2．结合课本了解采样与保持的原理。 四．实验内容及步骤：

实验2.1 采样实验

1．实验线路原理图 1）原理：

信号源U1 SG单元的OUT端输出抛物线信号，通过A/D转换单元U12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实验箱的8255口A，A口设成输入方式。8088CPU将输入的数字量直接送到D/A转换单元U10，在U10单元的OUT端则输出相应的模拟信号。

输出为零。在时间 以外，计算机输出零至D/A并使其转换，所以的时间：10ms

以外

OUT U1 R 8088 U12 OUT U10 C 10

2）接线图：见图2－1。 OUT U1 SG

+5V IN7 EOC A B C PA0 PA7 U12 IRQ7 D0 D7 D0 D7 8088 D0 D7 U10 OUT C 1 OUT2 3）采样周期T的设置：

计算机用8235产生定时中断信号，定时10ms，并在2F60H单元存放倍数Tk可取01H～FFH，采样周期T＝Tk×10ms。所以T的范围为T＝10ms～2550ms，改变Tk即可以确定T。 2．实验内容和步骤：

1）按图2-1连线，首先将U1 SG单元中的S11拨至抛物线档，S12拨至下档。用短路块短接S和ST。

2）用示波器(可用虚拟示波器)观察U1单元的OUT端的波形，调W12使其不高于5V，调W11使T1约为2s 3）选定Tk＝04H。

4）将2F60H单元存入Tk启动采样程序（G＝F000:11A2）

5）用示波器对照观察U1单元的OUT端与U10单元的OUT端波形。 6）选择若干Tk值，重复4）、5），观察不同采样周期T时的输出波形。 7）调节U1 SG单元的W11使T1约0.3s，调W12使其不高于5V，重复步骤4），5）。

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实验2.2 保持器

1．实验原理与接线图： 1）原理：

计算机（8088CPU）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A口输入，计算机直接把这些数字量输出给D/A器件，DA器件（DAC0832）则输出相应的模拟量，并且一直保持到输入新值。原理图如下图2-2：采样周期设置同实验2.1.

R 10 S1eTSSS 0.5S1C 图 2-2 2)实验接线图：如下。 U1 SG R 10K 10K 图2-3

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IRQ6 1 ST OUT IN7 EOC PA0 PA7 U12 2uf 50K 50K IRQ7 D0 D7 8088 D0 D7 U10 2uf 250K OUT OUT2 +5V 10K 250K -C

2．实验内容与步骤：

① 按图2-3接线，S11拨至阶跃档，S12拨至下档，调W12使U1单元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（G=F0000:11E5）.用示波器对照观察U12单元的IN7与U10单元的Out端波形，观察输出Out。

③ 更换Tk，重复2）。

④ 增大Tk，存入2F60H单元，启动采样保持程序，观察输出C波形.重复做几次，直到系统不稳定，记下Tk值，并换算出相应的采样周期，将实验结果填入下表2－4： Tk（H） 02 04 08 10 采样周期（s） T＝Tk×10ms 五 实验报告:

1）根据实验步骤，记录实验的波形以以及完成表2-4，并与理论值进行比较。

2）完成实验过程流程图。

3) 分析实验中出现的各种现象，总结实验体会。

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实验三 平滑与数字滤波实验

一． 实验目的：

1.初步掌握滤波的原理。

2.结合实验熟悉滤波在系统控制中的作用。 二 .实验仪器设备：

1．TDN－ACS+自动控制原理/计算机控制实验箱一台。 2．PC机一台。

3．模拟示波器一台（可选）。 4．万用表一台。 三．实验预习及准备：

1．认真阅读本实验内容，熟悉实验过程。 2．结合课本了解数字滤波的原理。 四．实验内容及步骤： 1．实验原理及接线： 1）原理：

见图3－1，微分加在反馈输入端（为正反馈），计算机用D（z）式进行微分运算，R为阶跃输入信号，C为系统输出。其中输入R由信号源给出（U1 SG）。

图3－1

微分是正反馈，当取合适的微分时间常数时，会使系统响应加快。若微分时间常数过大，会影响系统稳定性。 2）实验接线图：图3－2

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2 0.02S11eTS SD(Z)

U1 SG OUT 图3－2

系统输出C接至A/D的IN7输入端。A/D转换的数字量接至PA10～PA17，8255 A口为输入方式。8088经过D（z）运算，将微分控制输出D0～D7通过D/A D0～D7送到D/A转换器，变成模拟量后加到系统的相加点上。 3）算法：

在计算机中，微分算法采用一阶差分代替：

R 10K 10K R1 C IRQ7 OUT D0 D7 U10 20K 20K D0 D7 PA0 PA7 8088 EOC D0 D7 1u 20K IN7 ST +5V GATE2 OUT2 IRQ6 1 A B C +5V U12 TDTDYKXKXK1P1XKP2XK1

TT(TD为微分时间常数，T为采样周期)

微分平滑算法采用四点微分均值法：

TTTDDDYKXXXDX6TK2TK12TK26TK3 AXAXAXAX1K2K13K24K3

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T

4)采样周期T：

计算机用8253产生中断信号，定时5ms，采样周期T为T＝TK×5ms，Tk需预先送入2F60H单元。范围为：01H－FFH，对应T的范围:5ms-1275ms. 2.实验内容与步骤 1）观察有噪音时的微分

①按图3-2接线，S11拨至阶跃档，S12拨至下档，调W11使周期约为2s，调W12使幅值约为0.5V，TD先取0.02s，采样周期也先取0.02s。 ②将2F00H、2F03H存入系数P1、P2，2F60H存入Tk。

③启动微分程序（G＝F000：123D），用示波器观察系统输出C波形，观察U10单元的OUT端微分输出波形，并画出来.

④选择不同的Tk与P1，P2，重复②、③，观察微分噪音幅度，并以TD=T=0.01s时系统噪音为参考，记录参数与结果，填入表中。

表3.1-2

参数 Tk 项目

2）观测平滑后的波形

①按图3-2接线，S11拨至阶跃档，S12拨至下档，调W11使周期约为2s，调W12使幅值约为0.5V，TD先取0.02s，采样周期也先取0.02s。 ②将2F06H、2F09H、2F0CH、2F0FH存入A1、A2、A3、A4、2F60H存

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TD（s） T（s） P1,P2 A1.A4 A2,A3 微分噪音幅度 0.99 0.99 02 02 04 04

入TK，启动微分平滑程序（G＝F000：12EB）。

③观察U10单元的OUT端，观察系统输出波形，看有无平滑作用。 ④若无平滑作用，停机，改变系数和TK，再重复②、③。将结果填入表3.1-2。

3）观察微分加速作用

①图3-2接线，S11拨至阶跃档，S12拨至下档，调W11使周期约为0.5s，调W12使幅值约为1.5V，TD和采样周期也先取10ms，启动无微分反馈程序（G＝F000:13C5）,系统输出。

②按1）②、③或者2）②、③步骤做，这时主要看系统影响是否加快，并可适当调整TD、Tk，重复做几次。

实验3.2 数字滤波

1．实验原理及接线： 1）原理：见图3－3

图3－3

计算机对含有干扰的正弦波信号R（约0.5～1HZ）通过U12 采样输入，然后进行数字滤波处理，以保留正弦波信号，最后送至U10变成模拟量C输出。

2）模拟带有尖脉冲干扰的正弦信号

用RC电路将U1单元的555输出方波（S端）微分，将次信号视作干扰，再用U15 SIN单元产生的正弦波，两信号迭加，如图3－4。注意R点的波形不要超过±5V，以免数字化益处。 3）滤波器的计算

R IN7 U12 8088 U10 OUT C 1要求设计一个相当于的数字滤波器，由一阶差分法可得近似公

s1式

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Yk＝（1－a）Xk+(a)Yk-1

Xk:输入，Yk:输出，T：采样周期，1－a=。

T加权平均值算法为：

Yk＝A1Xk+A2Xk-1+A3Xk-2+A4Xk-3（式中A11）

i14Xk: 输入，Yk:输出。

1－a,a,Ai需分别存入内存，存储区见表3.2-1。 地址 2F00H 2F03H 4)采样周期T

计算机用8253产生定时信号，定时5ms，采样周期T为： T＝Tk=T×5ms

Tk需选送入2F60H单元，范围：01H～FFH，对应T的范围：5ms～1275ms。 5）线路

接线见图3.2-2。接入1点的信号为正弦波，2点为干扰信号。

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内容 1－a a 地址 2F06H 2F09H 2F0CH 2F0FH 内容 A1 A2 A3 A4

+5V SOUT 47K U15 U1 S +5V NC ST GND 1 47K 2 10K 10K 10K - 1 IN7 +5V OUT2 GATE2 C OUT D0 D7 U10 EOC PA0 PA7 U12 IRQ7 D0 D7 8088 图3.2-2

2.实验内容及步骤 1）一阶惯性数字滤波

①按图3.2-2接线，置S12中档，调W11使S约为0.02S，调信号发生器使其输出1HZ，3V的正弦信号，调整1，2端对应的电位器，使R端波形符合要求。

②输入程序，经过汇编、连接后装入系统，装入的段地址CS：0000，偏移地址IP：2000。装入后可用U0000：2000命令查看第一、二条指令为MOVAX，022C、MOV DS,AX由此可知数据段地址为022C。用D002C：0000命令可查看到数据段中所放的数据，用E022C：0000命令可从第一个数据开始修改这些值，按空格键可修改下一个值，按“——”键可修改上一个值，按回车确认并停止修改。例如：D022C：0000

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（回车）可看到：022C：0000 01 20 00 00 80 00 00 00 即：Tk＝01、1－a＝20、a＝80

③启动一阶惯性数字滤波程序G＝0000：2000，用示波器观察输入端R，输出段C的波形，分析滤波效果并记下正弦衰减比、干扰衰减比以及a、1-a值。

④改变1－a，Tk，重复步骤（3），直到得到满意的效果，将实验结果填入表3.2-2。

（2）四点加权平均数子滤波

①同上.②同上。0233：0000（回车）： 0233：0000 01 10 00 00 20 00 00 30 0233：0008 00 00 40 00 00 00 00 00 即：A1＝10 A2＝20 A3＝30 A4＝40

③启动地点加权滤波程序G＝0000：2000，用示波器观察输入和输出，记录正弦衰减比、干扰衰减比和A1、A2、A3、A4。

④改变A1、A2、A3、A4和Tk的值，重复步骤③并记录实验结果。

参数 Tk T(S) 1-a a A1 A2 A3 A4 滤波前后滤波前后干MS 项目 一阶01 惯性 06 四点01 加权06 平均 表3.2－2

五：实验报告要求

1） 完成实验步骤中的内容以及记录所要观察的波形 2） 记录实验结果填入表3.2－2中 3） 画出系统实验的流程图。 4） 总结实验体会。

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正弦幅值扰幅值比 比 30 30 20 20 30 30 20 20

实验四 积分分离PID控制实验

一．实验目的：

1: 掌握PID控制原理。 2：运算原理的计算。

3：整定调节参数与系统开环增益。 二．实验设备

1．TDN－ACS＋自动控制原理/计算机控制实验箱一台。 2．PC机一台。

3．示波器一台（可选）。 4．万用表一台。 三．实验预习及准备：

1．认真阅读本实验内容，熟悉实验过程。 2．结合课本了解积分分离PID控制的原理。 四．实验内容及步骤： 1．实验原理及线路 1）原理

如图4-1，R为输入，C为输出，计算机不断采入误差E，机型积分判别与PID运算，然后判断结果是否溢出（若溢出则取最大或最小值），最后将控制量输送给系统。 R + - 图4-1

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P I D 1eTS S50 (0.2S1)(0.25S1)C

3） 运算原理 PID控制规律为： U（t）＝Kp[e(t)+

1TIde(t)] dt0e(t)dtTDe(t)为控制器输入；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：

TKTDU（k）=Kp{E(k)+ [E（k）-E(k-1)]} E(i)TIi1TKpT = Kp×E(k)+

TIE(i)i1KKpTD[ E（k）-E(k-1)] T简记为：

UK＝PEK＋IEiD(EKEk1)

i1KP、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。 3）整定调节参数与系统开环增益

可用临界比例带法整定参数。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。 ① 只用比例调节

KP＝0.5KPU（P＝KP＝0.5 KPU） ② 用比例、积分调节（T取TU） 比例KP＝0.36 KPU（即P＝KP＝0.36 KPU） 积分时间TI＝1.05TU（即I＝

KPT0.07KPU） TI1615③ 用比例、积分、微分调节（T取TU）

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比例KP＝0.27KPU（即P＝KP＝0.27 KPU）

KPT0.11KPU） TIKT微分时间TD＝0.22TU（即D＝PD＝0.36KPU）

T积分时间TI＝0.4TU（即I＝

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PID＝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。 见图4-2 A2 Q2 PV2 OUT Q2 U2 SH IN OUT ST U11 IRQ6 PB17 OUT2 A1 1 IN7 EOC EOC A B C +5V PA0 PA7 U12 +5V GATE2 IRQ7 D0 D7 8088 3u 100K - 200K E 50K - R 30K 240K - c D0 D7 U10 1u OUT 10K R 10K - 200K 200K OUT U1

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8253的OUT定时输出OUT2信号，经单稳整形，政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EU2、IN；U2、OUTU12，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：T＝Tk×10ms，Tk事先送入2F60H单元，范围是01H～FFH，则采样周期T的范围为10ms～2550ms。按TU计算出的T如果不是10ms的整数倍，可以取相近的Tk。

3．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拨至阶跃档，S12拨至下档，调W11使信号周期为6S，调W12约为3V。 2）装入程序AC4-1.EXE，用U命令查看程序数据段地址为0240，在0240：0000地址开始存入TK、EI、KP、KI、KD(其中KI=KD=0),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，Tu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三个参数，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E1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C，用示波器测出MP、ts。

5）改变积分分离值E1，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E1值，重新输入，在输入为零时启动程序，对照输入观察

24

输入，并记录MP、ts。

按上述方法重复几次，直到使MP<20%、ts<1s，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，但积分分离值改变为7FH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。

T＝ KPU＝ TU＝

参数 项目 I用临界比例带 法整定参数 II用I栏PID参 数，但E1修改 III较佳的PID 控制参数 IV用II栏PID 参数，E1为7F

五．实验报告要求：

1.完成实验步骤中的内容以及记录所要观察的波形 2.记录实验结果填入表4－1中 3.画出系统实验的流程图。 4.总结实验体会。

25

E1 P I D MP ts

实验五 最小拍控制系统

一． 实验目的：

1.初步掌握最小拍有纹波和无纹波系统的原理。 2.熟悉D（Z）算法。 二 .实验仪器设备：

1．TDN－ACS＋自动控制原理/计算机控制实验箱一台。 2．PC机一台。

3．示波器一台（可选）。 4．万用表一台。 三．实验预习及准备：

1．认真阅读本实验内容，熟悉实验过程。 2．结合课本了解最小拍控制系统的原理。 四．实验内容及步骤： 实验5.1 最小拍有纹波系统 1．实验原理及接线： 1）原理

见图5.1-1。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。图中K＝5。 R + - 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：

U(Z)K0K1Z1K2Z2K3Z3D（Z）＝＝ 123E(Z)1PP2ZP3Z1Z1eTS SD（Z） K S(S1)C 式中K1与P1取值范围：－0.9999～0.9999，计算机分别用相邻三个字节存储其BCD码。最低字节符号，00H为正，01H为负。中间

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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

程序运行时转换为二进制模2定点小数。注意，D（Z）中缺项相当于系数为零，应在相应内存三字节全存入00H。 系数存储安排如表5.1－1。 2F00H 2F0CH 2F01H K0 2F0DH P1 2F02H 2F0EH 2F03H 2F0FH 2F04H K1 2F10H P2 2F05H 2F11H 2F06H 2F12H 2F07H K2 2F13H P3 2F08H 2F14H 2F09H 2F0AH K3 2F0BH

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EK～EK-3,误差输入；UK～UK-3,计算机输出。

计算机运算还没有溢出处理，当计算机控制输出超过00H～FFH时（对应模拟量－5V～＋5V），则计算机输出相应的极值00H或FFH，同时在相应的内存单元也存入极值。

每次计算完控制量，计算机立即输出，并且将各次采入的误差与各次计算输出作延时运算，最后再作一部分下次的输出控制量计算。这样当采入下次误差信号时，可减少运算次数，从而缩短计算机的纯延时时间。

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3）模拟连续系统的参数整定

被控对象有模拟电路模拟，因为电路中所接电阻、电容参数有一定误差，所以应加以整定，可先整定一阶惯性环节，再整定积分器，应使二者串联时尽量接近所给传函的数学模型。 4）接线（如图5.1-2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EU2、IN2;U2、OUT2U12、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5.1-2虚框内。当计算控制量的结果溢出时，计算机给B口的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。 ST R 20K OUT ST U1 20K 20K 20K 20K E A 250K 4u 50K 250K B B’ 4u C U11 PB17 GATE2 OUT2 A1 A2 Q2 PU OUT U2 SH IN +5V Q2 1 IN7 EOC A B C PA0 PA7 U12 IRQ7 D0 D7 IRQ6 8088 D0 D7 U10 OUT 图5.1-2

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5） 采样周期T

8088微机的8253产生定时信号，定时10ms，采样周期T为： T＝TK10ms

TK需事先送入2F60H单元，取值范围：01H～FFH，对应的范围：10ms～2550ms。例如当T＝1s,有： TK＝

1T(s)＝＝100＝64 0.010.01(s)2.实验内容与步骤

1）按图5.1－2连线，S11置阶跃档，S12置下档，W12为1V，调W11为1s。先将图5.1－2中的U10单元的OUT端断开，A直接接入U1单元的OUT端，整定一阶惯性环节参数，再将B与B’断开，将B接入U1单元的OUT端，整定积分器参数。整定完二者串接使传函为： G(S)=

5 S(S1)整定完再按图5.1-2连好。

2）调W12使U1单元的OUT端输出为2.5V的方波，调W11约为6s.2F60H存64H。

3）用示波器观察输入R波形，在输入R为零时启动最小拍程序（G＝F000：15E6）,对照阶跃输入R观察输出C，记录下波形。 说明：最小拍有波纹系统存在的问题。

1．对不同输入类型的适应性差，对其它类型的输入不一定是最小拍甚至会产生很大的超调和静差，对随机输入，性能更差。 2．对参数变化过于灵敏。

最小拍系统的闭环传函含有多重极点Z＝0，这一多重极点对系统参数变化的灵敏度可达到无穷。因此，若系统参数变化或在计算机中存入的 参数与设计参数略有差异，则实际输出将严重偏离期望值，这也是在做最小拍设计试验时常常得不到预期的效果的原因。 3.控制作用易超出限制范围。

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实验5.2 最小拍无纹波设计 1.实验原理与线路

只是D(Z)应按无纹波设计，其余同实验5.1 2.试验内容与步骤 1）针对斜坡输入设计实验 ①针

0.76500.7302Z10.1651Z2D(Z)= 11(1Z)(10.5920Z) K0=0.7650

K1=-0.7302 P1=-0.4080 K2=0.1651 P2=-0.5920 K3=0 P3=0

②存TK和K0～K3、P1～P3时注意：装入程序后用U2000命令查看数据段地址为0241，由于程序中前256个数据为存储缓冲，所以修改数据时应从0241：0100地址开始。

③调W11使UISG单元的OUT输出端的阶跃信号输出幅值不大于2.5V，调节W12使周期为6S。

G＝0000：2000运行程序，用示波器观察输入R和输出C的波形。 2.饱和设计:对象改为G0（S）＝中R1改为250K。

①针对阶跃输入按无纹波设计

1.58300.5824Z11.583(10.3679Z1)D(Z) 1110.47Z10.4176Z1，所以将实验5.1图5.1－2

[S(S1)]U(Z)D(Z)E(Z)R(Z)(1.5830.5824)Z12.53.95751.4560Z1

得出：K0=0.9999，K1=－0.3679，K2=0，K3=0 P1=-0.4176,P2=0,P3=0

②调W11使U1SG单元的OUT端的阶跃信号输出幅值不超过2.5V，调W12使周期为6S。

30

③将TK＝64H送入2F60单元中，2F00～2F14单元分别存入K0～K3，P1～P3。

④用示波器观察输出R波形，在输入R为零时启动最小拍程序（） 对照阶跃输入R，观察输C。 五．实验报告要求

1.完成实验步骤中的内容以及记录所要观察的波形 2.记录实验结果.

3.画出系统实验的流程图。 4.总结实验体会。

31

实验六 大林算法

一． 实验目的：

1.掌握大林算法和消除振铃的原理。 2.再次熟悉D（Z）算法。 二 .实验仪器设备：

1．TDN－ACS+自动控制原理/计算机控制实验箱一台。 2．PC机一台。

3．示波器一台（可选）。 4．万用表一台。 三．实验预习及准备：

1．认真阅读本实验内容，熟悉实验过程。 2．结合课本了解大林算法的原理。 四．实验内容及步骤： 实验 6.1 大林算法 1．实验线路原理

1）实验原理图为图6.1-1，纯滞后环节是通过控制采样保持器，使采样保持器的输出滞后D/A输出一拍来模拟实现的。 R + -

D（Z） 1eTS S10eTS S(S1)C eTS采样周期T=0.2s，大林设计目标定为：Wb(s)式中 ＝0.1s

S1U(Z)K0K1Z1K2Z2K3Z3D（Z）算法 ：D(Z) 123E(Z)1PP2ZP3Z1Z式中可K1与P1取值范围：-0.9999～＋0.9999，计算机分别用相邻一个字节存储其BCD码。最低字节存符号，00H为正，01H为负。中点字节存前2位小数，最高字节存末2位小数。

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将D（Z）式写成差分方程，则有：

UKK0EKK1EK1K2EK2K3EK3PUK1P12UK2P3UK3

式中：Ek～EK－3误差输入，UK～UK-3计算机输出。

计算机运算没有溢出处理，当计算机控制输出超过00H`～FFH时（对应于模拟量-5v～+5v）,则计算机输出相应的极值00H或FFH。同时在相应的内存单元存入极值。 3）采样周T

计算机用8253产生定时信号，定时10ms，采样周期T为：T=Tk×10ms Tk需实现送入2F60H单元。范围：01H～FFH，对应T的范围：10ms～2550ms，实验取T=0.2s＝20×10，TK＝20＝14H 4）实验接线图：见图6.1-2 IN7 +5V EOC PA0 IRQ7 D0 D7 8088 D0 D7 U10 4U 10K 10K 25K IRQ6 PB14 +5V 1 GATE2 OUT2 PU2 OUT IN2 OUT2 PA7 U12 ST 10K ST R 10K OUT 10K U1

-C E 10K C（t） 33

10K

U2 SH：采样保持单元

U10 、OUTU2、IN2：D/A输出接至第二路采样保持器输入。 8088微机PB14U2的PU2：计算机给采样保持器的控制信号，使采样保持器的输出滞后一拍。 3．实验内容和步骤

①根据设计要求，确定计算机的D（Z）各个系数。

S11置阶跃档，S12置下档，调W11使U1单元的OUT端的输出波形为2.5V方波。调W12为6S。

装入程序，用U2000查看数据段段地址0243H，由于程序中前256个数据为存缓冲，修改程序时应从0243H：0100地址开始，在此地址下依次存入TK值（14H）和K0～K3、P1～P3运行程序G＝0000：2000，对找输入R观察输出C的波形，并记录。

②S12置斜波档，调W12使U1单元的OUT端不高于5V，运行程序观察输出C，了解大林算法对斜波输入的响应特性。 实验6.2 振铃的消除 1．实验原理和接线图 1）振铃产生的原因

由于D（Z）中含有左半圆内的极点，极点越接近－1，振荡越严重。因为当D（Z）含

1

因子时，其输出中必有分量为： Za

（k)Z1[ 若K－1为偶，(K)为正。

1]aK1 a<0时，若K－1为奇，(K)为负。 Za这也说明了为什么D(Z)输出以二分之一采样频率振荡的原因。 振铃现象并不是大林算法特有的现象，它与最少拍控制中的波纹实质上是一致的，振铃现象会引起在采样点间系统输出波纹，并执行机构磨损在有交互作用的多系数系统中，甚至会威胁到系统的稳定性，因此在系统设计时，必须清除振铃。 2）振铃消除的方法

大林提出的方法是：将振铃因子的正值直接取为Z＝1，这样不会影响D(Z)的稳定值，又消除了振铃。

34

例如在实验6.1中，

0.480.3936Z10.480.3936Z1D(Z)= 121110.135Z0.865Z(1Z)(10.865Z)由于D(Z)中含有左半圆内的极点（1＋0.865Z－1），所以取为1，即成为1＋0.865＝1.865

0.25740.211Z10.2223Z20.1825Z3Wb(Z)则D(Z)= 1131Z0.480.8736Z0.1825Z2.50.223Z20.1825Z3Y(Z)=Wb(Z)R(Z)= 11231Z0.480.8736Z0.6159Z0.1825ZU(Z)=Y(Z)/G(Z)

Y(Z)=(0.4631Z-2+0.9257Z-3+1.1642Z-4+1.8082Z-5+1.0529Z-6„)

2.5

U(Z)=(0.257+0.3028Z-1+0.2293Z-2+0.1345Z-3+0.0737Z-4 +0.0567Z-5„)2.5

从U(Z)可看出，U(Z)并没有围绕某一值上下振荡，而是逐渐趋于一个常值，所以振铃即可消除。

值得注意的是由于消除了振铃因子，所以D(Z)变化了导致了系统的闭环传函Wb(Z)也相应发生了变化，因此修改以后应检验Wb(Z)的稳定性。如此实验中

0.223Z20.1825Z3Wb(Z)＝ 1230.480.8736Z0.6159Z0.1825Z＝0.4631Z-0.4626Z+0.2385Z+0.0166Z

可看出Wb(Z)是收敛的，即稳定，此时即可用修改后的D(Z)参数。 3）实验接线：见图6.1－2 2.实验内容及步骤

① 按照图6.1－2连好线后，再用导线把 UI单元的ST和GATE2

35

-2-3-4-5

接好，输入为2.5V的阶跃信号，周期为6S，存入各系数并运行程序，对照输入R观察U10单元的OUT端输出波形，可以看到输出以2T的周期振荡，记录此时振铃的幅值。

②修改参数（K0=0.2574,K1=-0.2110,K2=K3=0,P1=0.9999,P2=P3=0),在输入R为零时，启动算法程序，观察U10单元的OUT端可以看到振铃已消除。

参数 K0 项目 修改前不消0.48 振铃 修改后消除0.2574 －0.211 振铃 五 实验报告要求

1.完成实验步骤中的内容以及记录所要观察的波形 2.记录实验结果.

3.画出系统实验的流程图。 4.总结实验体会。

0 0 －0.9999 0 0 K1 －0.3936 K2 K3 P1 0 0 －0.135 P2 P3 －0.865 0 36

实验七 非线性控制

一． 实验目的：

1.掌握非线性系统以及PID复式控制算法的原理。 2.对比非线性系统与线性系统在实验上的不同。 二 .实验仪器设备：

1．TDN－ACS＋自动控制原理/计算机控制实验箱一台。 2．PC机一台。

3．示波器一台（可选）。 4．万用表一台。 三．实验预习及准备：

1．认真阅读本实验内容，熟悉实验过程。

2．结合课本了非线性系统以及PID复式算法的原理。 四．实验内容及步骤： 实验7.1 非线性离散系统 1）实验线路原理图 1．原理

对系统误差信号采样并数字化，在进行判别：绝对值大于PT，，输出与误差同符号的最大（＋5V）或最小值（－5V），反之乘K。输出量变成模拟量送到积分器。如图7.1－1。PT为二进制码，范围：00H～7FH，存2F00H单元。K为二位十进制小数，存2F03单元。存入方式：二位十进制小数BCD码。在相应程序中转换成二进制定点小数。K的取值范围：0.00～0.99，相应存00H～99H。 图7－1

37

R 1eTS S1 SC

2)接线图：见图7－2

IRQ6 A2 IN7 1 +5V 2) PB14 OUT2 GATE2 OUT2 PU2 OUT IN2 +5V EOC PA0 PA7 U12 IRQ7 D0 D7 8088 D0 D7 U10 2U 10K 10K E 10K C(t) 500K -C Q2 OUT PU U2 SH IN ST R 10K 10K OUT 10K U1 10K 图7－2

3）采样周期T

计算机用8253产生定时信号，定时10ms，采样周期T为：T＝TK10ms，TK需事先送入2F60H单元，范围：01H～FFH，对应T的范围：10ms～1559ms。 3.实验内容及步骤

① 按图7-2接线S12置下档，S11置阶跃档，观察U1单元的 OUT端波形，调W11，使其不高于2.5V，调W12使T约4s。

38

②选定TK＝02H。

③送TK到2F60H,PT、K参数分别存2F00H、2F03H单元。

④在输入R为零时启动非线性程序（G=F000:1766）,观察输出C波形，记录MP与TS，停机。

⑤取不同的TK、、K、PT，重复3）、4），并注意观察系统过渡过程时间和有无不稳定现象。记录所用参数和结果， 并填入表7.1－1。 参数 TK T 项目 I 02H 20ms II III IV 02H 04H 24H 20ms 20ms K 50 50 50 PT 7FH 08H 06H 08H MP ts 稳定性 240ms 50 实验7.2 砰砰——PID复式控制 1.实验原理与线路 1)原理

每次将系统误差信号E采样值变成数字量，然后计算机进行判别：绝对值大于砰砰切换值则输出与误差同符号的作大或最小值，即FFH（＋5v）或）00H（－5v）。否则，则进行积分分离式的PID控制。积分分离值，砰砰切换值分别存在2F00H，2F01H。存入方式为十六进制，范围：00H～7FH.

积分分离值为E，当误差小于EI绝对值时有积分控制，反之无积分控制，PID控制规律为：

U(t)KP[e(t)1TIde(t)] dte(t)dtTD e(t),控制器输入，u(t),控制器输出用矩形法计算积分，用后向差分代替微分，采样周期T，算法为：

TU(K)KP{E(K)TIE(i)KTD[E(K)E(K1)]} T 39

KPTKKPTDKPE(K)E(i)[E(K)E(K1)] TII1T简记为：

K U(K)PEKIZi1D(EKEK1)

PID取值范围：-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为负，中间字节存前2位小数，最高字节存末2位小数。 EI，PT，PID系数存储见下表7-3 地址 内容 2F00H EI 2F01H PT 2F02H 不用 2F03H 2F04H P 2F05H 2F06H 2F07H I 2F08H 2F09H 2F0AH D 2F0BH 计算机在相应程序中将十进制小数转换成二进制小数，每个小数用两个字节表示，在控制算法程序中按定点小数运行补码运算，对运算结果有溢出处理，当运算超出00H或FFH时则输出对应极值。当积分溢出时则取极值存入相应内存单元。 2）采样周期T

同实验7.1中1（2）采样周期T设定。

3）接线，见下图7.2－1,其中R1改变为25K。C1该为4u。 图中左上角单元电路为采样保持器U2 SH。 3．实验内容及步骤

①按图7.2－2接线，S11置阶跃档，S12置下档，W11为4S，W12为2.5V.S与ST短接。

②选TK值，PID系数，砰砰值切换值，积分分离值判定值，分别送

40

入2F60H、2F60H、2F03H～2F05H、2F06H～2F08H、2F09H～2F0BH 、2F01H、2F00H内存单元。

③在输入为零时启动砰砰－PID程序（G=F000：17D3）观察输出波形，计算机模入、模出波形，在输入为零时停。（模入模出分别为图7－2中的E、U10单元的OUT端）。记录各参数。

④重复步骤②、③，记录所用的参数与结果，填入表7－4中。 项目 I II III IV TK 02H 02H 04H 24H T 20ms 20ms 20ms K 50 50 50 PT 7FH 08H 06H 08H MP ts 稳定性 240ms 50 五．实验报告要求 1.完成实验步骤中的内容以及记录所要观察的波形 2.记录实验结果以及表7－4. 3.画出系统实验的流程图。 4.总结实验体会。

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