计算机控制技术.pdf

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1、北 京 信 息 科 技 大 学 自 编 实 验 教 材 计 算 机 控 制 技 术 实 验 指 导 书 侯 明 编 曹 荣 敏 审 北 京 信 息 科 技 大 学 自 动 化 实 验 室 2010.10目 录 实 验 一 A/D与 D/A实 验.3实 验 二 信 号 的 采 样 与 还 原.12实 验 三 数 字 滤 波.17实 验 四 积 分 分 离 PID控 制.21实 验 五 最 小 拍 控 制 实 验.27实 验 六 大 林（Dahlin）算 法.33实 验 七 数 字 PWM发 生 器 和 直 流 电 机 调 速 控 制.38实 验 一 A/D与 D/A实 验 为 了 实 现 计 算

2、 机 对 生 产 过 程 或 现 场 对 象 的 控 制，需 要 将 对 象 的 各 种 测 量 参 数 按 要 求 转 换 成 数 字 信 号 送 入 计 算 机；经 计 算 机 运 算、处 理 后，再 转 换 成 适 合 于 对 生 产 过 程 进 行 控 制 的 量。所 以 在 微 机 和 生 产 过 程 之 间，必 须 设 置 信 息 的 传 递 和 变 换 的 连 接 通 道，该 通 道 称 为 过 程 通 道。它 包 括 模 拟 量 输 入 通 道、模 拟 量 输 出 通 道、数 字 量 输 入 通 道、数 字 量 输 出 通 道。模 拟 量 输 入 通 道：主 要 功 能 是 将

3、 随 时 间 连 续 变 化 的 模 拟 输 入 信 号 变 换 成 数 字 信 号 送 入 计 算 机，主 要 有 多 路 转 化 器、采 样 保 持 器 和 A/D转 换 器 等 组 成。模 拟 量 输 出 通 道：它 将 计 算 机 输 出 的 数 字 信 号 转 换 为 连 续 的 电 压 或 电 流 信 号，主 要 有 D/A转 换 器 和 输 出 保 持 器 组 成。数 字 量 输 入 通 道：控 制 系 统 中，以 电 平 高 低 和 开 关 通 断 等 两 位 状 态 表 示 的 信 号 称 为 数 字 量，这 些 数 据 可 以 作 为 设 备 的 状 态 送 往 计 算 机

4、。数 字 量 输 出 通 道：有 的 执 行 机 构 需 要 开 关 量 控 制 信 号（如 步 进 电 机），计 算 机 可 以 通 过 I/O接 口 电 路 或 者 继 电 器 的 断 开 和 闭 合 来 控 制。本 实 验 教 程 主 要 介 绍 以 A/D和 D/A为 主 的 模 拟 量 输 入 输 出 通 道，A/D和 D/A的 芯 片 非 常 多，这 里 主 要 介 绍 人 们 最 常 用 的 ADC0809和 TLC7528。1.1实 验 目 的 1.学 习 A/D转 换 器 原 理 及 接 口 方 法，并 掌 握 ADC0809芯 片 的 使 用 2.学 习 D/A转 换 器

5、原 理 及 接 口 方 法，并 掌 握 TLC7528芯 片 的 使 用 1.2 实 验 设 备 PC机 一 台，TD-ACC+实 验 系 统 一 套，SST51系 统 板 一 块 1.3 实 验 内 容 1.编 写 实 验 程 序，将 一 5 V+5V的 电 压 作 为 ADC0809的 模 拟 量 输 入，将 转 换 所 得 的 8位 数 字 量 保 存 到 变 量 中。2.编 写 实 验 程 序，实 现 D/A转 换 产 生 周 期 性 三 角 波，并 用 示 波 器 观 察 波 形。1.4 实 验 原 理 1.A/D转 换 实 验 ADC0809芯 片 主 要 包 括 多 路 模 拟

6、开 关 和 A/D转 换 器 两 部 分，其 主 要 特 点 为：单 电 源 供 电、工 作 时 钟 CLOCK最 高 可 达 到 1200KHZ、8位 分 辨 率，8个 单 端 模 拟 输 入 端，TTL电 平 兼 容 等，可 以 很 方 便 地 和 微 处 理 器 接 口。TD-ACC+教 学 系 统 中 的 ADC0809芯 片,其 输 出 八 位 数 据 线 以 及 CLOCK线 已 连 到 控 制 计 算 机 的 数 据 线 及 系 统 应 用 时 钟 1MCLK(1MHz)上。其 它 控 制 线 根 据 实 验 要 求 可 另 外 连 接(A、B、C、STR、/OE、EOC、IN0

7、 IN7)。根 据 实 验 内 容 的 第 一 项 要 求，可 以 设 计 出 如 图 1-1所 示 的 实 验 线 路 图。单 次 阶 跃 模 数 转 换 单 元 控 制 计 算 机 图 1-1 A/D转 换 接 线 图 上 图 中，AD0809的 启 动 信 号“STR”是 由 控 制 计 算 机 定 时 输 出 方 波 来 实 现 的。这 里 用 P1.7来 模 拟 1#定 时 器 的 输 出，通 过“OUT1”排 针 引 出，方 波 周 期=定 时 器 时 常 x2。图 中 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

8、过 单 次 阶 跃 单 元 的 电 位 器 可 以 给 A/D转 换 器 输 入-5V+5V的 模 拟 电 压；系 统 定 时 器 定 时 1ms输 出 方 波 信 号 启 动 A/D转 换 器，并 将 A/D转 换 完 后 的 数 据 量 读 入 到 控 制 计 算 机 中,最 后 保 存 到 变 量 中。参 考 流 程 如 下：.图 1-2 A/D转 换 程 序 流 程参 考 程 序 如 下：请 参 照 随 机 软 件 中 examples 1目 录 中 的 ACC1-1-1文 件 夹 中 的 ACC1-1-LUV2/*文 件 名：ACC1-1-1.C*功 能 描 述：定 时 启 动 模

9、数 转 换，延 时 后 读 取 转 换 结 果，并 送 至 变 量 保 存#include#include/*宏 定 义*/#define uchar unsigned char#define uint unsignedint#define ADC_7 XBYTE 0 x7ff0 定 义 模 数 转 换 工 O地 址/*函 数 声 明*/voidtd_delay(int time)；/*全 局 变 量 定 义*/sbitstr=P1A7;uchar data ad10;声 明 变 量，用 于 存 储 转 换 结 果 uint data time;声 明 变 量，用 于 定 时 uchar da

10、ta 用 于 存 储 定 时 器 0的 初 值/*主 函 数*void main(void)uchari；TMOD=0 x01;time=1；/定 时 1mstO h(6553 6-500*time)/2 56;计 算 定 时 器。初 值to_l=(65536-500*time)%256;THO=tO_h;TLO=tO_l;ETO=1;/开 定 时 中 断 0TRO=1;/启 动 定 时 器 EA=1;开 总 中 断 while(1)(for(i=O；ivlO；i+)/读 取 转 换 结 果，并 保 存(adi=ADC_7;td_delay(500)；/延 时 td_delay(100);/可

11、 在 此 设 置 断 点)/*函 数 名：TimerO功 能：定 时 器 0中 断 服 务 程 序 参 数：无 返 回 值：无*void TimerO()interrupt 1(str=!str;产 生 A/D启 动 信 号 THO=tO_h;重 新 装 入 初 值 TLO=tO_l;函 数 名：td_delay功 能：设 置 延 时 时 间 参 数：time返 回 值：无*voidtd_delay(int time)inti；for(i=0；i=time；i+)return；)实 验 步 骤 与 结 果：(1)如 何 建 立 一 个 工 程 文 件 打 开 Keil uVision2联 机

12、操 作 软 件，首 先 选 择“Project”主 菜 单 中 的“New Project”选 项,建 立 新 的 工 程 文 件*.U v 2,接 着 选 择 CPU的 类 型，这 里 我 们 选 择“SST”公 司 的“SST89E554RC”芯 片，在 project workspace”的 file”区 中 将 出 现 卜 图 将 鼠 标 指 向 Target 1，点 击 鼠 标 右 键，出 现 下 图,Davi c for Trct*V选 择“Options for TargetTarget 1后，弹 出 下 图先 选 择“Target”项，将 图 中 的 晶 振 值“XtaF修 改

13、 成 1 2,再 选 择“debug”项 设 置 来 确 定 当 前 的 调 试 模 式 是 Use Simulator还 是 Use Keil Monitor-51 Driver,如 选 择 UseKeilMonitor-51 Driver”，则 用 鼠 标 点 击“setting”来 选 择 调 试 时 串 口 的 基 本 设 置，如 串 口 号 Prot”和 通 讯 波 特 率“Baudrate”。本 实 验 中 选 择“Use Keil Monitor-51 Driver,“Prot”为 C0M1,“Baudrate”为 38400。至 此，该 工 程 的 基 本 情 况 设 置 完

14、毕，在 实 验 中 可 根 据 需 要 对 其 中 的 一 些 选 项 再 作 修 改。下 面 我 们 在 该 工 程 文 件 的 基 础 上 添 加 C文 件，将 鼠 标 指 向 下 图 中 的“Source Group 1点 击 鼠 标 右 键 出 现 以 卜 窗 口 选 择“Add Files to Group Source G r o u p 即 可 添 加 已 有 的 C文 件，如 果 没 有 C文 件，可 先 选 择“File”主 菜 单 中 的“New”选 项，先 建 立 好 一 个 C文 件。然 后 添 加 到 工 程 中 去。此 时 将 出 现 下 图：用 鼠 标 点 击“S

15、ource Group 1”前 的“+”将 会 出 现 添 加 的 C文 件，用 鼠 标 双 击 该 文 件,在 界 面 的 右 边 的 编 辑 区 显 示 该 C文 件，可 在 此 编 写 或 修 改 实 验 程 序。(2)参 照(1)中 的 说 明，先 编 写 一 个 图 1-2对 应 的 C文 件，然 后 建 立 一 个 工 程，再 将 编 好 的 C文 件 添 加 到 工 程 中 去，检 查 程 序 无 误 后 编 译、链 接。参 考 程 序 请 参 照 随 机 软 件 examples 1目 录 中 的 ACC 1-1-LUv2工 程 文 件。(3)按 图 1-1接 线(注 意：图

16、中 画“。”的 线 需 用 户 自 行 连 接)，连 接 好 后，请 仔 细 检 查，无 错 误 后 方 可 开 启 设 备 电 源。(4)点 击“Debug”主 菜 单 中 的“Start/Stop Debug Session”选 项，即 可 转 入 到 Debug调 试 状 态。(5)加 入 变 量 或 数 组 监 视，具 体 步 骤 为：用 鼠 标 双 击 所 要 监 视 的 变 量 或 数 组，点 击 鼠 标 的 右 键，将 会 出 现 卜 图 所 示 窗 口，选 择 Addadto Watch Window”项 后，再 选 择 将 变 量 或 数 组 放 在“Watch 1 还 是

17、仅 atch 2#”窗 口 进 行 监 视。(6)在 程 序 结 束 的 地 方 设 置 断 点。(7)打 开 虚 拟 仪 器 菜 单 项 中 的 万 用 表 选 项 或 者 直 接 点 击 万 用 表 图 标，选 择“电 压 档”用 示 波 器 单 元 中 的“CH1”表 笔 测 量 图 1/中 的 模 拟 输 入 电 压“Y”端，点 击 虚 拟 仪 器 中 的“运 行”按 钮，调 节 图 1-1中 的 单 次 阶 跃 中 的 电 位 器，确 定 好 模 拟 输 入 电 压 值。(8)做 好 以 上 准 备 工 作 后，运 行 程 序，程 序 将 在 断 点 处 停 下，查 看 数 组 ad

18、0 ad9/的 值，取 平 均 值 记 录 下 来，改 变 输 入 电 压 并 记 录，最 后 填 入 表 1-1中。表 1-1模 拟 量 与 数 字 量 转 换 结 果 表 本 节 实 验 仅 仅 就 软 件 的 相 关 功 能 做 简 单 介 绍。模 拟 输 入 电 压 对 应 的 数 字 量(十 六 进 制)测 量 结 果(十 六 进 制)-5(00)-4(1A)-3(33)-2(4C)-1(66)0(80)1(99)2(B3)3(CD)4(E6)5(FF)2.D/A转 换 实 验 本 实 验 采 用 TLC7528芯 片，它 是 8位、并 行、两 路、电 压 型 输 出 数 模 转 换

19、 器。其 主 要 参 数 如 下：转 换 时 间 1 0 0 n s,满 量 程 误 差 1/2 L S B,参 考 电 压 一 10V+1 0 V,供 电 电 压+5 V-+1 5 V,输 入 逻 辑 电 平 与 TTL兼 容。实 验 平 台 中 的 TLC7528的 八 位 数 据 线、写 线 和 通 道 选 择 控 制 线 已 接 至 控 制 计 算 机 的 总 线 上。片 选 线 预 留 出 待 实 验 中 连 接 到 相 应 的 I/O片 选 上，具 体 如 图 1-3。OUT IOCT2图 1-3 D/A 通 道 芯 片 连 接 以 上 电 路 是 TLC7528双 极 性 输 出

20、 电 路，输 出 范 围 一 5V+5V。“W101”和“W102”分 别 为 A路 和 B路 的 调 零 电 位 器，实 验 前 先 调 零，往 TLC7528的 A口 和 B口 中 送 入 数 字 量 8 0 H,分 别 调 节“W101”和“W102”电 位 器，用 万 用 表 分 另 IJ测“OUT1”和“OUT2”的 输 出 电 压，应 在 OmV左 右。参 考 流 程 如 下：主 程 J节 图 1-4 D/A 程 序 流 程 图 参 考 程 序：请 参 照 随 机 软 件 中 example51目 录 中 的 ACC1-1-2文 件 夹 中 的 ACC1-1-2.UV2。实 验 步

21、 骤 及 结 果:(1)参 照 流 程 图 1-4编 写 实 验 程 序，检 查 无 误 后 编 译、链 接，点 击”图 标，使 得 系 统 进 入“Start/Stop Debug Session”模 式。(2)点 击“国 1，图 标，运 行 程 序，打 开 虚 拟 仪 器 软 件，用 示 波 器 的“CH1”和“CH2”路 表 笔 分 别 测 量 图 1-3中 的“OUT 1”和“0UT2”端，观 测 输 出 波 形。参 考 波 形 如 图 1-5所 示。图 1-5 DA程 序 运 行 示 意 结 果 实 验 注 意 事 项：针 对 本 实 验 教 程 中 提 到 的 所 有 实 验，当

22、出 现 下 面 两 种 情 况 时，请 按“SST51系 统 板”上 的“复 位”键，否 则 将 会 导 致 系 统 无 法 再 次 进 入“Start/Stop Debug Session”模 式。退 出 Start/Stop Debug Session”模 式(2)停 止 全 速实 验 二 信 号 的 采 样 与 还 原 2.1 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 2.2 实 验 设 备 PC机-台，TD-ACC+实 验 系 统

23、 一 套，SST51系 统 板 块 2.3 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。2.4 实 验 原 理 1.信 号 采 样 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 W它 2Wmax时，则 采 样 函 数 俨（t）能 无 失

24、真 地 恢 复 到 原 来 的 连 续 信 号 出。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。正 俊 波 模 数 转 换 控 制 计 算 机 数 快 转 换 图 2-1采 样 实 验 连 线 图上 图 中,用 P1.7来 模 拟 1井 定 时 器 的 输 出，通 过“0UT1”排 针 引 出，方 波 周 期=定 时 来 时 常 x2,“IRQ7”表

25、 示 51的 外 部 中 断 1,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

26、持 器 的 作 用。采 样 周 期 丁=1 1 10W max但 是 如 果 采 用 插 值 法 恢 复 信 号，就 可 以 降 低 对 采 样 频 率 的 要 求，香 农 定 理 给 出 了 采 样 频 率 的 下 限，但 是 用 不 同 的 插 值 方 法 恢 复 信 号 需 要 的 采 样 频 率 也 不 相 同。直 线 插 值 法（取 Ws5Wmax）利 用 式 2-1在 点（X0,Y0）和（X I,Y1）之 间 插 入 点（X,Y）丫=丫 0+&万-/0）式 2一 1其 中：XI-xoX 1 XO为 采 样 间 隔，Y1 YO分 别 为 X 1和 XO采 样 时 刻 的 AD采 样

27、值。二 次 曲 线 插 值 法(取 Ws3Wmax)：Y=y0+(X-X 0)K l+K 2(X-X l)式 2_2其 中：KI J”XI-XO n-Y Q n-ro口 x 2-X 0 X I-X 0)KZ=-X 2-X(2)实 验 线 路 图 设 计 为 了 验 证 上 面 的 原 理，可 以 设 计 如 下 的 实 验 线 路 图，图 中 画“J 的 线 需 用 户 在 实 验 中 自 行 接 好，其 它 线 系 统 已 连 好。正 弦 波 模 数 然 换 控 制 计 算 机 数 模 转 换 图 2-4信 号 采 样 还 原 实 验 连 线 图 上 图 中，用 P1.7来 模 拟 1#定

28、时 器 的 输 出，通 过“OUT1”排 针 引 出，方 波 周 期=定 时 器 时 常 x2,“IRQ7”表 示 51的 外 部 中 断 1,用 作 采 样 中 断。这 里，正 弦 波 单 元 的“OUT”端 输 出 周 期 性 正 弦 波 信 号，通 过 模 数 单 元 的“IN7”端 输 入,系 统 用 定 时 器 作 为 基 准 时 钟(初 始 化 为 10m s),定 时 采 集“IN7”端 的 信 号，并 通 过 控 制 机 算 计 读 取 转 换 完 后 的 数 字 量，再 送 到 数 模 转 换 单 元，由“OUT1”端 输 出 相 应 的 模 拟 信 号。采 样 周 期 丁=

29、1、10ms,T K的 范 围 为 01 FFH。(3)参 考 程 序 流 程 图 设 计采 棒 中 断*务 程 序(二 次 曲 统 播 脩 D来 祥，|，断 服 务 程 序(百 线 插 值)图 2-3直 线 插 值、二 次 曲 线 插 值 程 序 流 程 图 参 考 程 序：请 参 照 随 机 软 件 中 example51目 录 中 的 ACC1-2-2文 件 夹 中 的 ACC1-2-2.UV2(直 线 插 值 法)，ACC1-2-3文 件 夹 中 的 ACCl-2-3.UV2(二 次 曲 线 插 值 法)。2.5 实 验 步 骤 及 结 果 1.信 号 采 样(1)按 照 实 验 线

30、路 图 2-1接 线，用 示 波 器 的 表 笔 测 量 正 弦 波 单 元 的“OUT”端，调 节 正 弦 波 单 元 的 调 幅、调 频 电 位 器 及 拨 动 开 关，使 得“OUT”端 输 出 幅 值 为 3 V,周 期 1S的 正 弦 波。(2)参 考 流 程 图 2-2编 写 零 阶 保 持 程 序，汇 编、链 接，点 击“卜 图 标，使 得 系 统 进 入“Start/Stop Debug Session”模 式。(3)点 击“国 图 标，运 行 程 序，用 示 波 器 观 察 数 模 转 换 单 元 的 输 出，见 图 2-5。图 2-5零 阶 保 持 器 实 验 参 考 结

31、果(4)增 大 采 样 周 期，当 采 样 周 期 0.5S时，即 Tk32H时，运 行 程 序 并 观 测 数 模 转 换 单 元的 输 出 波 形 应 该 失 真，记 录 此 时 的 采 样 周 期，验 证 香 农 定 理。2.信 号 的 还 原(1)按 照 线 路 图 2-4接 线，使 正 弦 波 单 元 输 出 幅 值 为 3 V,周 期 1S的 正 弦 波。(2)参 考 流 程 图 2-3分 别 编 写 直 线 插 值 和 二 次 曲 线 插 值 程 序，并 编 译、链 接。点 击“霾 图 标，使 得 系 统 进 入“Start/Stop Debug Session”模 式。点 击“

32、鬻 阁 标，运 行 程 序，用 示 波 器 观 察 数 模 转 换 单 元 的 输 出，和 零 阶 保 持 程 序 的 运 行 效 果 进 行 比 较。图 2-6三 种 还 原 方 法 实 验 结 果 参 考 由 上 述 结 果 可 以 看 出：在 采 样 频 率 Ws=10Wmax时，用 三 种 方 法 还 原 信 号，直 线 插 值 要 好 于 零 阶 保 持，二 次 曲 线 插 值 好 于 直 线 插 值。采 用 合 理 的 插 值 算 法 可 以 降 低 信 号 的 失 真 度，在 允 许 的 范 围 内 可 以 有 效 地 降 低 对 采 样 频 率 的 要 求。(4)(3)中 是

33、在 同 一 采 样 频 率 下，比 较 三 种 方 法 还 原 信 号 的 效 果，实 验 中 也 可 比 较 一 种 还 原 方 法 在 不 同 采 样 频 率 下 的 效 果。对 于 零 阶 保 持 来 说：当 采 样 频 率 N信 号 频 率 的 10倍 时，即 信 号 的 还 原 效 果 较 好。对 于 直 线 插 值 来 说：当 采 样 频 率 N信 号 频 率 的 5倍 时，即 一 工、次 4 信 号 的 还 原 效 果 较 好。对 于 二 次 曲 线 插 值 来 说：当 采 样 频 率 N信 号 频 率 的 3倍 时，即 21H信 号 的 还 原 效 果 较 好。实 验 三 数

34、字 滤 波 3.1 实 验 目 的 1.学 习 和 掌 握 一 阶 惯 性 滤 波 2.学 习 和 掌 握 四 点 加 权 滤 波 3.2 实 验 设 备 PC机-台，TD-ACC+实 验 系 统-套，SST51系 统 板 一 块 3.3 实 验 内 容 分 别 编 写 一 阶 惯 性 滤 波 程 序 和 四 点 加 权 滤 波 程 序，将 混 合 干 扰 信 号 的 正 弦 波 送 到 数 字 滤 波 器，并 用 示 波 器 观 察 经 过 滤 波 后 的 信 号。3.4 实 验 原 理 一 般 现 场 环 境 比 较 恶 劣，干 扰 源 比 较 多，消 除 和 抑 制 干 扰 的 方 法

35、主 要 有 模 拟 滤 波 和 数 字 滤 波 两 种。由 于 数 字 滤 波 方 法 成 本 低、可 靠 性 高、无 阻 抗 匹 配、灵 活 方 便 等 特 点，被 广 泛 应 用，下 面 是 一 个 典 型 数 字 滤 波 的 方 框 图：图 3-1滤 波 前 后 效 果 示 意 图 1.滤 波 器 算 法 设 计 一 阶 惯 性 滤 波：相 当 于 传 函 4+1的 数 字 滤 波 器，由 一 阶 差 分 法 可 得 近 似 式4=(1-。)居+(a)yK_lXK：当 前 采 样 时 刻 的 输 入 Y K：当 前 采 样 时 刻 的 输 出 Y K-I：前-采 样 时 刻 的 输 出

36、l-a=rT：采 样 周 期，7四 点 加 权 滤 波 算 法 为：%=A.XK+&X K_+A、X z+（式 中 4=1）i!X K：当 前 采 样 时 刻 的 输 入 X K-U 前 一 采 样 时 刻 的 输 入 Y K：当 前 采 样 时 刻 的 输 出 2.参 考 流 程 图:采 样 中 断 程 序 采 样 中 断 程 序 图 3-2数 字 滤 波 实 验 程 序 流 程 图 参 考 程 序：请 参 照 随 机 软 件 中 example51目 录 中 的 ACC1-3-1文 件 夹 中 的 ACC1-3-1.UV2（一 阶 惯 性），ACC1-3-2文 件 夹 中 的 ACC1-3

37、-2.UV2（四 点 加 权）。3.实 验 线 路 图:图 中 画“的 线 需 用 户 在 实 验 中 自 行 接 好，运 放 单 元 需 用 户 自 行 搭 接。模 数 转 换 单 元 控 制 计 算 机 数 模 转 换 单 元 图 3-3数 字 滤 波 实 验 连 线 图 上 图 中，用 PL7来 模 拟 1井 定 时 器 的 输 出，通 过 OUT1排 针 引 出，方 波 周 期=定 时 器 时 常 x2,“IRQ7”表 示 51的 外 部 中 断 1,用 作 采 样 中 断。电 路 中 用 RC电 路 将 S端 方 波 微 分，再 和 正 弦 波 单 元 产 生 的 正 弦 波 叠 加

38、。注 意 R点 波 形 不 要 超 过 5 V,以 免 数 字 化 溢 出。计 算 机 对 有 干 扰 的 正 弦 信 号 R通 过 模 数 转 换 器 采 样 输 入，然 后 进 行 数 字 滤 波 处 理，去 除 干 扰，最 后 送 至 数 模 转 换 器 变 成 模 拟 量 C输 出。3.5 实 验 步 骤 及 结 果 1.按 图 3-3接 线，调 节 正 弦 波 使 其 周 期 约 为 2 S,调 信 号 源 单 元 使 其 产 生 周 期 为 100ms的 干 扰 信 号（从“NC”端 引 出），调 节 接 线 图 中 的 两 个 47K电 位 器 使 正 弦 波 幅 值 为 3 V

39、,干 扰 波 的 幅 值 为 0.5V。2.参 照 流 程 图 分 别 编 写 一 阶 惯 性 和 四 点 加 权 程 序，检 查 无 误 后 编 译、链 接。3.点 击“”图 标，使 得 系 统 进 入“Start/Stop Debug Session”模 式。点 击“引”图 标，运 行 程 序，分 别 运 行 程 序，用 示 波 器 观 察 R点 和 C点，比 较 滤 波 前 和 滤 波 后 的 波 形。4.如 果 滤 波 效 果 不 满 意，调 节 相 应 程 序 中 的 参 数，再 执 行 步 骤 2和 3。记 录 实 验 曲 线，将 实 验 结 果 填 入 下 表 中 的 括 号 中

40、。表 3-1 滤 波 实 验 记 录 表 参 数 项 目 IkTs(ms)la a Al A2 A3 A4滤 波 前 后 正 弦 幅 值 比 滤 波 前 后 干 扰 幅 值 比 一 阶 惯 性 1 5 0.1 0.93/3()0.5 0.1()8 40 0.1 0.9V2A5()0.5/0()四 点 加 权 1 5/0.3 0.3 0.2 0.23/3()0.5/0.4()8 40 0.3 0.3 0.2 0.23/3()0.5 0.2()不 适 当 的 应 用 数 字 滤 波 反 而 会 降 低 控 制 效 果，甚 至 造 成 系 统 不 稳 定。在 实 际 应 用 中,对 于 参 数 变

41、化 缓 慢 的（如 温 度）可 用 惯 性 滤 波，对 于 参 数 变 化 快 的 信 号 可 用 加 权 平 均 滤 波。实 验 四 积 分 分 离 P ID控 制 4.0 P ID控 制 原 理 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 步 拓 宽 了 PI

42、D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。在 模 拟 调 节 系 统 中，PID算 法 表 达 式 为：(0=Kp+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：T 9 Td,、uk=Kp e(/r)+V e(J)+(e(Zr)-e(Zr-l)刀=5 TT：采 样 周 期，k：采 样 序 号，u(k)：第 k次 采

43、样 调 节 器 输 出，e(k)：第 k次 采 样 误 差 值，e(k1)：第(k1)次 采 样 误 差 值 增 量 式 PID控 制 算 式 为：u(k)=Sii(k)+u(k-1)T,T V J4 伏)=Kp(e(k)-e(k-1)+e()+一(e(k)-2e(k-1)+e伏-2)Ti T增 量 式 与 位 置 式 相 比 具 有 以 下 优 点:1.增 量 式 算 法 与 最 近 儿 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

44、 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。4.1 实 验 目 的 1.了 解 P1D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 4.2 实 验 设 备 PC机

45、一 台，TD-ACC+实 验 系 统 一 套，SST51系 统 板 一 块 4.3 实 验 原 理 和 内 容 图 4-1 P ID 控 制 原 理 框 图 图 4-1是 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。控 制 计 算 机 图 4-2 PID控 制 实 验 连 线 图 上 图 中，用 PL7来 模 拟 1#定 时 器 的 输 出，通 过“OUT1”排 针 引 出，方 波 周 期=定 时 器 时

46、 常 x2,“IRQ7”表 示 51的 外 部 中 断 1,用 作 采 样 中 断，“D1N0”表 示 51的 I/O管 脚 P 1.0,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 10m s),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“O

47、UT1”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 P1D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 5.2-3

48、是 积 分 分 离 法 PID控 制 实 验 的 参 考 程 序 流 程 图。主 悭 序 采 样 中 断 眼 务 程 序 图 4-3 P1D控 制 软 件 流 程 图 参 考 程 序：请 参 照 随 机 软 件 中 example51目 录 中 的 ACC3-2-1文 件 夹 中 的 ACC3-2-1.UV2。为 了 便 于 实 验 参 数 的 调 整，下 面 讨 论 PID参 数 对 系 统 性 能 的 影 响：(1)增 大 比 例 系 数 K P一 般 将 加 快 系 统 的 响 应，在 有 静 差 的 情 况 下 有 利 于 减 小 静 差。但 过 大 的 比 例 系 数 会 使 系 统

49、 有 较 大 的 超 调，并 产 生 振 荡，使 系 统 稳 定 性 变 坏。(2)增 大 积 分 时 间 参 数 Ti有 利 于 消 除 静 差、减 小 超 调、减 小 振 荡，使 系 统 更 加 稳 定，但 系 统 静 差 的 消 除 将 随 之 减 慢。(3)增 大 微 分 时 间 参 数 T D有 利 于 加 快 系 统 响 应，使 超 调 量 减 小，系 统 稳 定 性 增 加，但 系 统 对 扰 动 的 抑 制 能 力 减 弱，对 扰 动 有 较 敏 感 的 响 应。在 调 整 参 数 时，可 以 使 用 凑 试 法。参 考 以 上 参 数 对 控 制 过 程 的 影 响 趋 势，

50、对 参 数 实 行“先 比 例，后 积 分，再 微 分”的 步 骤。(1)首 先 整 定 比 例 部 分。将 比 例 系 数 K P由 小 变 大，并 观 察 相 应 的 系 统 响 应，直 到 响 应 曲 线 超 调 小、反 应 快。如 果 系 统 没 有 静 差，或 者 静 差 小 到 允 许 的 范 围 内，那 么 只 需 比 例 调 节 器 即 可。(2)如 果 在 比 例 调 节 的 基 础 上 系 统 的 静 差 不 能 满 足 要 求，则 须 加 入 积 分 作 用。整 定 时 首 先 置 积 分 时 间 为 较 大 值，并 将 第 一 步 整 定 得 到 的 比 例 系 数 K