长江大学工程技术学
院
《计算机控制技术》实验指导书
主编 周 勇
长江大学工程技术学院
二0一0年四月
第1章 课程简介、实验项目及学时安排
一、课程简介
《计算机控制技术》是一门实践性很强的课程。加强这门课程的实验教学可以起到重要的作用，有利于提高人才的培养质量，巩固和宽展实际的动手能力，实现知识向能力的转化。实验的任务是使学生掌握计算机控制系统组成原理、设计方法和技术，培养学生设计和调试的能力，为今后从事工程应用和科学研究打好基础。
二、教学基本要求
以提高学生实际工程设计能力为目的，通过实验和训练，使学生熟悉一种工程上常用的实验参数整定法。
三、实验项目与类型 学 序号 实验项目 3 3 3 3 演时 示 1 2 3 4
实验性质 验证 √ √ √ √ 设计 综合 备注 必 做 √ √ √ √ 选 做 数／模转换与模／数转换 采样与保持 最小拍控制系统 大林算法 四、实验教学内容及学时分配
实验一 数／模转换与模／数转换 （3学时） 1、目的要求
熟悉模／数转换的电路工作原理、熟悉数／模转换的电路工作原理、掌握模／数转化的量化特性、熟悉多路数／模转换电路的工作原理。 2、方法原理
参考实验指导书
3、主要实验仪器和材料：DICE-AT2实验箱 4、实验内容
（1）单路模／数与转换实验
（2）双路模／数、数／模转换实验。
实验二 采样与保持 （3学时） 1、目的要求
掌握模／数、数／模采样电路的工作原理、掌握模／数、数／模保持电路的工作原理掌握采样周期T对输出波形的影响、熟悉零阶保持器在采样电路中的作用。
2、方法原理
参考实验指导书
3、主要实验仪器和材料：DICE-AT2实验箱 4、实验内容 （1）采样 （2）保持
实验三 最小拍控制系统 （3学时） 1、目的要求
熟悉最小拍控制系统的设计原理、熟悉最小拍控制系统的电路工作原理、掌握最小拍有纹波纹控制系统的(D)Z算法、掌握模拟连续系统的参数整定方法。 2、方法原理
参考实验指导书
3、主要实验仪器和材料：DICE-AT2实验箱 4、实验内容
（1）最小拍有纹波设计 （2）最小拍无纹波设计
实验四 大林算法 （3学时） 1、目的要求
熟悉大林算法系统的设计原理、熟悉大林算的电路工作原理、了解大林算法对斜坡输入影响特性。 2、方法原理
参考实验指导书
3、主要实验仪器和材料：DICE-AT2实验箱 4、实验内容 大林算法
第2章 实验仪器仪表设备简介
一、计算机控制技术实验箱DICE-AT2：
计算机控制技术实验其主要由以下七个模块组成： 1、自动控制原理实验模块 2、计算机控制技术实验模块 3、信号源模块 4、控制对象模块 5、虚拟示波器模块
6、控制对象输入显示模块 7、CPU控制模块
各模块相互交联关系框图见图1-1-1所示：
信号源 自动控制原理实验模块 计算机控制技术实验模块 虚拟示波器 控制对象模块 CPU控制模块 RS232接口
控制对象输出显示模块 上位机 图1-1-1 各模块相互交联关系框图 DICE-AT2由各单元电路、8088CPU单元和PC机进行通讯的串口
构成，其主要由信号源发生单元电路U1、正弦波单元U2、运算模拟单元电路U3-8、反向器单元U9、状态指示灯单元U10、电位器单元U11、单节拍脉冲发生单元U12、非线性单元电路U13、特殊运算环节单元U14、-5V电源发生单元U15、驱动单元U16、微型温度控制单元U17、电机单元U18、采样保持器及单稳单元电路U19、模/数转换单元电路U20、数/模转换单元电路U21、可变电阻器组单元U23、8088CPU单元电路U24、RS485通信单元U25等单元模块组成，利用本实验机所提供的这些单元模块可实现A/D、D/A转换实验、采样与保持实验、直流电机闭环调速实验、模拟/数字温度闭环综合控制实验等。使用本实验机提供的虚拟示波器界面可观察和分析实验的响应曲线。
二、数字计算机
微型计算机
三、数字万用表
第3章 计算机控制技术课程实验
实验一 模/数、数/模转换实验
（验证性实验）
一、实验目的
1、加深理解模/数、数/模转换的工作原理，熟练使用和掌握ADC0809和
DAC0832。 2、了解掌握A/D、D/A转换流程以及计算机分时控制模/数、数/模转换器的情况。
二、实验所需电路单元及附件 序号 型 号 1 U11 P电位器单元 2 3 4 5 6 7 8 U1 SG信号源发生单元电路 U19 SH采样保持器及单稳单元电路 8088CPU U20 ADC模/数转换单元电路 U21 DAC数/模转换单元电路 数字电压表 20K电阻一只 备 注 另备两个短路块 短路块一个 三、实验原理
1、[试验1.1](试验线路图见图1.1-1)
8088CPU的OPCLK信号与ADC0809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。有8255口A为输入方式。A/D转换的数据通过A口 采入计算机，送到显示器上显示，并由数据总线送到D/A变换器0832。选用8088CPU的地址输入信号10Y0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，可从显示器上看A/D 变换器对应输出的数码，同时这个数码也可是D/A变换器的输入码。 2、A/D、D/A转换程序流程（见图1-2）
对应下面的流程，我们已编好了程序存放在8088的监控中，可用U(反汇编)命令查看。而且已经将所有计控程序行印出来装订成程序清单，仅供教师参考，当然对于学生来说，应让其自己来编写程序，以达到锻炼的目的。
+5V
W14X Y z -5U14 SH A2 U2 Q2 1 OUT2 +5V GATE2 OPCLK 10Y0 CLK2 PA0 ～PA7 D0 D7 D0 ～D7 U10 D/AC XIOW WR CS OUT IN7 CLOCK A B C D0 ～ U12 A/DC +5V
图1-2
3、[试验1.2](试验线路图见图1.2-1)
设置8253为定时方式，OUT2信号为采样脉冲，采样周期为5ms。8255的A口为输入方式，用于采入数据。8255的B口为输出方式，用于选择控制双路输入输出通道。A/D转换单元可对多路模拟量进行转换，这里用6、7两路分别接入图1.2-2所示信号。
计算机控制A/D变换器分时对这两路模拟信号进行A/D转换。将转换的数字量送至D/A变换器还原成模拟量，并送至两个采样保持器。由8255B口分别控制两个采样保持器的采样开关，以保证采样保持器单元电路中的OUT1输出信号与A/D变换单元U12的IN6输入信号一致；采样保持器单元电路的OUT2输出信号与A/D变换单元U12的IN7输入信号一致。
D7 8088 图1-1
主程序
CP初始化8255A 口为输入8253 2＃口为定时方式 延时20ms 取A/D值并送显示A/D
GATE2 PB16 +5V PU1 PB17 PU2 I OUT2 IN6 OUT1C1 OPCLK 1 OUT1 R1 IN1 CLK2 CLOCK IRQ7 EOC 20K IN2 S PB10 XI0W A WR 10K IN7 OUT - PB11 B R2 IOY0 CS ST -5v 20K PB12 C C2 U1 SG D0 D0 OUT2 PA0 D0 ～～～～ D7 D7 D7 PA7 U12 A/DC 8088 CPU U10 D/AC 图1-3
+5+50V
0V
-5V
图1-4
4、程序流程：见图1-5 四、实验内容及步骤
1. 按图1-1接线（注意：虚线框内线路为印刷线路）。用“短路块”分别将U1、SG 单元中的ST插针与+5V插针短接；U14P单元中的X与+5V，Z与-5V 短接。其它画为“o”的线需自动连接。连接好后，请仔细检查，无误后方可接通电源。 2. 将W141输出调节至-5V，执行监控中的程序（G=F000：1100↘）。如果程序正确执行，将在显示器上显示“00”。
3. 将W141依次调节，用数字电压表分别检测A/D的输入电压和D/A的输出电压。观察显示器，记下相应的数码及D/A的输出模拟电压，填入下表1-1 。
主程序
中断处理
初始化8255A口为输入8253 2＃口为定时方式（5ms） 填IRQ7 中断向量表 允许IRQ7中断 ＃0→PB口，＃0→B 取A/D，D/A送口 ＃40→PB口 B= ＃40 ＃80H→PB ＃0→PB 开中断 ＃40H→B，＃60→PB口 中断等待 ＃80H→B，＃70→PB口 返回 等待 图1-7
表1-1 模拟输入电压（V） 显示器数码（H） 模拟输出电压（V） -5 00 -5 -4 1A -4 -3 33 -3 -2 4C -2 -1 66 -1 0 80 0 +1 99 1 +2 B3 2 +3 CD 3 +4 E6 4 +5 FF 5 4、按图1-3 改接U12 输入IN7 的连接，其它线路同图1。
Y 100K U14 P 10K
IN7 图1—8 U12 A/DC
5、用数字万用表监测A/D的输入电压，在0V附近连续调节A/D输入电压，观察整理化误差和量化单位 。
6、测出A/D输入电压在0V附近±5个量化单位的数值，记录与之相应的数位量，如表1-2所示：
表1-2 模入电压（mv） 数字量（H） -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 Q(x) 85 84 83 82 q 81 X(t) q -q -196 -156.8 -117.6 -18.4 -39.2 39.2 18.4 117.6 156.8 196 q 7F 7E 7D 7C 图1-4
7、按图1-3 接线。将信号单元（U1 SG）的信号选择开关S11 放到斜坡位置。用短路块将信号源（U1 SG）的微型插针S与ST 短接。位置S12位下文件，将W11旋到最大，是信号周期最大条W12使输出信号不大于5V。 8、执行程序（G=F000：1151）。
9、用示波器同时观察输入与输出信号。如果程序正确执行，A/D变换单元U12的IN6输入信号英语U10 DAC单元中的采保输出OUT1信号一致；U12的IN7 输入信号与U10单元的采保输出OUT2 的信号一致。
10、在U10DAC转换单元的OUT端用示波器观察计算机的控制的输出波形。
五、实验要求
1.调节模拟输入电压从-5V至+5V之间变化，测量D/A转换后模拟输出，并观察显示器显示数值，填入表1-1，并与参考值比较，给出结论。如结果不吻合，分析产生原因。
2.图1-8接线，在0V附近改变模拟输入电压从-196mv至+196mv变化，观察显示器显示数值，填入表1-2，并由此画出图1-4，根据结果给出结论，如结果不吻合，分析产生原因。
实验二 采样与保持
（验证性实验）
实验（1） 采样实验
一、实验目的
验证香农采样定理，确定采样周期的选择范围，确认A/D转换前采样保持的必要性。
二、实验仪器
1、TDN—AC/ACS实验系统（包括微机） 一套
2、20兆赫兹(MHZ)数字示波器 一台 3、数字或指针式万用表 一台
三、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
计算机在采样时刻启动A/D 转换器，转换得到数字量直接送到 的IN7 端输入。
D/A转换单元U10，在U10 单元的OUT端则输出相应的模拟信号。
如图2.1-1所示，在时间τ 以外，计算机输出零至D/A，并使其转换，所示τ以外输出为零。τ的时间为：10ms
OUT U1 SG R U2 A/DC 8088 CPUT OUT U10 D/AC C τ R T1
2. 接线图：见2.1-2。
ST OUT S IN7 A B C U12 CLOCK EOC D0 图2.1-1
T1 +5V 1 GATE2 OUT2 CLK2 OPCLK IRQ7 PA0 XIOW 10Y0 WR CS OUT C U1 SG ～D7 ～ PA7 D0 ～D7 D0 ～D7 U10 D/AC +5V A/DC 图2.1-2
8088 CPU
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T，可取01H～FFH，采样周期T=TK×10 ms，所以T=10ms ～2550ms, 改变TK即可以确定T。
4. 实验程序流程图：见图2.1—3
中断程序
采样 Y TK?I?TK ?0?TK
输入A/D，连接至D/A
输出零至D/A
还原TK值 主程序
中断返回
8255、8253、8259初始化
中断申请 中断程序 等待中断及中断返回处理
保持器 ?I?TKY TK TK?0?
输入A/D，输出至D/A
输出零至D/A
还原TK值
图2.1-3 中断返回
四、实验内容与步骤
1. 按图2.1—2连线，首先将U1SG 单元中的S11置抛物线档，S12置下档。用短路块短接S与ST。
2. 用示波器观察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，观察完停机。
6. 选择若干TK值，重复（4）、（5）, 观察不同周期T 时的输出波形。 7.调节U1SG单元的W11，使T1约0. 3s调W12，使其不高于5V，重复步骤（4）、(5)。
五、实验说明
通过3中的一些实验步骤，大家可明显地观察到，当TK=01H~26H时，U10单元的OUT端的输出波形为IN7的采样波形，但当TK再增大时，U10单位的OUT端的输出波形将采样失真。从这看出，似乎采样周期T 取得越小，对信号恢复越有利，一般来说，T必须满足t A/D + T处理<=T<=T 香农/2，在此前提下，T越小越好（t A/D为A/D 转换时间，t处理为计算机对信息进行处理所用的时间）。
有人又问，既然A/D采样本身具有保护功能，那是不是不管模拟量在A/D 转换时变化多大，都可不加保持器呢？不一定，因为A/D在采样时，对模拟量的变化频率有限制。一般在十几合HZ 左右，如果信号变化太快，就会使信号失真。所以必须加采样保持器。
实验（2） 保持器
一、实验目的：
验证（观察）保持器的存在对输出信号的影响，观察采样周期对系统稳定性的影响。
二、实验仪器：同上
三、实验原理与线路 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（AADC0809）将仿真器转换成数字量并通过口A 输入，计算机直接把这些数字量输出给D/A，器件（DAC0832）则输出相应的模拟量，并且一直保持到输入新值。原理如图2.2—1，采样周期设置同实验2.1。
R ?10 s1?es??s 5 0.5s?1C 图2.2-1
无零阶保持器的仿真原理图见图2.2—2。开关τ合上的时间为10ms 。采样周期实验2.1。
C 510R 0.5s?1s
?
图2.2-2
2. 实验接线图：见图2.2—3
R 为输入，C为输出，U10单元的OUT端为IN7端的离散化信号。 3. 实验程序流程: 见图2.1—3 四、实验内容与步骤
1. 按图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.。
GATE2 +5V IRQ6 ST ST OUT2 1 XIOW WR A S CLOCK OPCLK OUT CS 10Y0 B CLK2 OUT C IRQ7 EOC U1 SG IN7 D0 D0 PA0 D0 ～～～ D7 D7 PA7 D7 8088 A/DC CPU U12 U10 D/AC 2?10K 2? 250K10K R C - - 50K - 10K 图2.2-3
2. 2F60HD 单元存入TK值，启动采样保持程序（G=F000：11E5↘），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C，停机。C的波形如图2.2—4所示。
C(t) t o Ui 图2.2-4
3. 更换TK，重复（2）。
4. 增大TK，存入2F60H 单元，启动采样保持器程序，观察输出C 波形，停机。重复做几次，直至系统不稳定，记下TK值，并换算出相应的采样周期T。将实验结果填入表2.2—1中。
表2.2-1（T=TK×10ms） TK（H） 采样周期T（S） T=TK×10ms 02 04 08 10 0.02 0.04 0.08 0.1 稳定 稳定 稳定 等幅振荡 说明：当TK=02H时，启动采样程序，此时无零阶保持器，系统的输出波形将失真。因为在计控系统中若无零阶保持器将导致控制不稳定，即在采样点间短暂失控，系统输出波形将失真。
为什么D/A 器件会具有零阶保持器的作用？这是因为D/A 具有两级输出锁存的能力。
5. 在已填入表2.2—1 中选取一个TK值（不要选01H），TK存入2F60H 单元，启动采样程序（G=F000：11A2↘ ），观察无零阶保持器系统的输出波形C，如图2.2—5所示。 C（t）
t 0
Ui 图2.2-5
6. 减小输入信号幅度，增大采样周期，重复（2），观察离散化噪音的输出。再将S11拨至斜坡，抛物线档，作进一步观察。
五、实验要求
1. 调节TK的值(使T1=2S)，用示波器观察（记录）信号源U1单元的输出波形，
与U10单元（D/A转换器输出端）的输出波形，确定当TK取值多大时，U10输出波形较U1单元的输出波形失真，分析原因。
2. 观察并记录图2.2—1（有零阶保持器），2.2—2（无零阶保持器）的输出响应波形，并作对比分析。
3. 对2.2—1不断增大TK值，直至系统出现等幅振荡（或不稳定现象），将TK值，T及系统稳定性的变化填入表2.2—1中，说明T对系统稳定性的影响。
实验三 最小拍控制系统
（综合性实验）
实验（1） 最小拍有纹波系统
一、实验目的
1、按照教材所述思路设计出最小拍有波纹及最小拍无波纹控制系统。 2、总结出G（S）部分参数选择的规律，使结果更趋满意。
二、实验仪器
1、DICE-AT2实验系统（包括微机） 一套 2、20兆赫兹(MHZ)示波器 一台 3、数字或指针式万用表 一台
三、实验原理与线路图
1、原理见图3.1-1。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 ?D(Z) 1?es??s K S(S?1)C 图3.1-1
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)D(z)??E(Z)K0?K1Z1?P1Z?1?1?K2Z?2?P2Z?2?K3Z?3?3?P3Z
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，01为负。中间字节存前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3.1-1。
表3.1-1
2F00H1 2F0H2F02H2F0CHK0 2F0DH 2F0EHP
12F03H2F04HK1
2F05H2F06HK2
2F07H
2F08H2F09H2F0AHK3 2F0BH2F0FH2F10H2F11H2F12H2F13H2F14H P3 P2
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是（对应于模拟量-5V～+5V），则计算机输出相应得极值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。这样但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。
3、模拟连续系统的参数整定
被控对象有模拟电路模拟，以为电路中所结电阻、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。整定方法参见注1。
4、接线（如图3.1-2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
脉启动A/D变换器。
系统误差信号E→U2的IN；U2的OUT→U12的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3.1-2 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，只要有一次以上的溢出便显示。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 +5v Q2 A2 PU Q2 IN OUT 1 IN7 +5V GATE2 IRQ6 PB17 OUT2 XIOW OPCLK 10Y0 CLK2 IRQ7 PA0 D0 D0 U11 D A1 WR CS OUT U2 SH A CLOCK EOC B C D0 ～D7 U12 A/DC ～～D7 CPU ～D7 PA7 8088 20K 20K 20K 20K 50K E A U10 D/AC 4μ 4μ 250K ST R S OUT U1 SG ?250K C 20K 图3.1-2
B4 B R
5. 采样周期T
8088微机的8253 差生定时信号，定时10ms，采样周期T为：T=TK×10ms TK 需要事先送入2F60H单元，取值范围：01H～FFH ，对应的范围：10ms～250ms 。
例如当T =1 s 有：
TK?T(S)1??100?64H
0.01(S)0.01
四、实验程序流程：见图3.1-3
主程序
系数转换、接口初始化
等待中断及中断返回处理
A口中断程序 输入误差信号 计算D（Z） 中断返回 图3.1-3 中断申请
五、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3.1—2中的U10单元的OUT端断开，A直接接入U1单元的OUT端，按注2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3.1—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、按要求计算D（E）各系数，送入内存2F00H～2F14H单元，具体推导过程见有关计控书。
4、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↘），对照阶跃输出R 观察输出C应有以下波形（见图3.1—4），输出经过一拍后，在采样点，上跟踪输入误差输出为：
?12.5E(Z)?(Z)R(Z)?(1?Z)??25 ?1e1?Z即一拍后进行跟踪，偏差保持为零。
而从控制量的输出
Y（Z）=D（Z）E（Z）
?0.5435?0.2Z?1?1?2?1.3590?1.4744Z?1.0571Z?= 2.5×1?0.717Z?1
0.7580Z?3?0.5435Z?4?0.3897Z?5可见，控制量在一拍后并未进入稳态（常数或零），而是在不停地波动，从
而使
连续部分的输出在采样点之间存在波纹。
C 2.5 O 1 2 3 4 图3.1-4 t 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
横打的超调合静差，对随机输入，性能更差。
2、对参数变化过于灵敏。
最小拍系统的闭环路传函有多极点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实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。
实验（2） 最小拍无纹波设计
一、实验目的
1、按照教材所述思路设计出最小拍有波纹及最小拍无波 纹控制系统。 2、总结出G（S）部分参数选择的规律，使结果更趋满意。
二、实验仪器
1、TDN—AC/ACS实验系统（包括微机） 一套 2、20兆赫兹(MHZ)示波器 一台 3、数字或指针式万用表 一台
三、实验原理与线路
只是D（Z）应按无波纹计算，其余同实验3.1
四、实验流程图：见图3.1-3
五、实验内容与步骤
1. 针对斜坡输入设计实验 ①针对斜坡输入按无波纹输出计算。
0.7650?0.7302Z?1?0.1651Z?2D(Z)?
(1?Z?1)(1?0.5920Z?1)
?
KKKK01?0.7650??0.7302 ?0.16512?0PPP123??0.1080 0??0.592?03②调W11使U1 SG单元的OUT端斜坡输出端不超过2.5V， 周期6s.
③将TK=64H送入2F60单元中，2F00～2F14 单元分别存入K0～K3，P1～P3。 ④用示波器观察输入R波形，在输入R为零时启动最小拍程序（G=F000：15E6 ↘），对照斜坡输入R，观察输出C。应观察到，系统输出C在2拍后即跟踪上输入，并且采样点间无纹波，达到控制的目的。乳突3.2-1所示。
2. 饱和设计
对象改为G0(S)?Y R—输入 C—输出
t O 1 2 3 图 3.2-1
1，所以将实验3.1图3.1-2中R1改为250K。
S(S?1)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)?? ?11?0.47Z1?0.4716Z?1U(Z)?D(Z)E(Z)R(Z)?(1.583?0.5824)Z?1?2.5?3.9575?1.4560Z?1
K?KKK0123?0.9999??0.3679?0?0 PPP123??0.4176?0?0
②调W11使U1 SG单元的OUT端的阶跃信号输出幅值不超过2.5V，调W12使期为6s.
③将TK=64H 送入2F00～2F14 单元分别存入K0～K3，P1～P3。 ④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，应观察到，系统从第二拍起，U(Z) 恒为零。因此输出量稳定在稳态值，而不余有波纹了。从控制量输出U（Z）的表达式可看出此时前一拍的值均>1，所以输出饱和，可用示波器观察U21单元的OUT端输出。最小拍无波纹设计，除了消除采样点之间的波纹外，还在一定程度上减少了控制能量，降低了对参数的敏感度，但它仍然是针某一特定输入设计的，对其它输入的适应性仍不好。
注1：最小拍设计因为要求模拟连续系统参数准确，所以应加以整定，先介绍以简便方法：
（1）积分器（积分环节）：按图3.3—1（a)接线，U1单元的S与ST 用短路块短接，由U1单元的OUT端输出输入调好的1S，1v，方波，作为积分器的输入信号。用示波器观察积分器1s时A的幅值，调电位器W，如果A为-1V，则
?11?A积分器为1×,余类推。传递函数写为?RC。
SSS（2）比例器（比例环节）：见图3.3-1（b）.调W1，即可算出比例K=R/R’。 （3）一阶惯性环节将按（1）整定好的积分器闭环，得时间常数T=R·C，根据（2）由电阻可确定增益K=R/R'。见图3.3-1（C）。一阶惯性环节传递函数为：
KR/R'?
TS?1R?CS?1
R’ ?W1 (c)
(a)
A R C R ?R’ ?R (b) R’ ??C 图3.3-1
六、实验要求
1、设计（选择）合适的电路参数（其思路可参考图3.3-1（a），（b），（a）），构成G（S），以实现 3.1-4及图3.2-1的响应输出。
2、总结出电路参数选择的方法和规律 3、针对最小拍（有波纹或无波纹），找出图3.1-4 及图 3.2-1出现波形失真的采样周期T = ？
4、对3.1-4及图3.2-1的响应输出进行MATLAB仿真。
实验四 大林算法
(综合性实验)
实验（1） 大林算法
一、实验目的
熟悉大林算法实施的全过程，设计出适合于纯滞后对象控制的控制器 D（Z）。
二、实验仪器
1、DICE-AT2S实验系统（包括微机） 一套 2、20兆赫兹(MHZ)示波器 一台 3、数字或指针式万用表 一台
三、实验线路原理 1. 如图3.1-1，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。
??sC R + E 10e?TS1?e D(Z) ?
S(S?1)s
采样周期T=0.2s，大林设计目标定为：
e?TSWb(S)??S?1 式中τ=0。1s
图4.1-1
2. D(Z)算法
计算机输入为E（Z），输出U（Z），有：
U(Z)D(Z)??E(Z)K1?P1Z?1?2?3?Z?Z?ZKKK0123?1?P2Z?2?P3Z?3
式中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，O1H 为负。中间字节存前2位小数，最高字节存末2位小数。例有一系数-0.4321，则内存为:
地址 内容 2F00H 01H 2F01H 43H 2F02H 21H
程序运算时转换为二进制模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4.1-1。
表4.1-1
2F00H 2F0H1
2F02H2F0CHK0 2F0DH
2F0EHP1
P
2F03HK1 2F04H2F05H2F06H2F07H K 2
2F08H2F09HK3 2F0AH2F0BH2F0FH2F10H2F11H2F12H2F13H2F14H
P3 P2
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 需要事先送入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. 接线：见图4.1-2
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。
IRQ6 PB14 ST +5V ST 1 OUT2 S A ST CLOCK OPCLK OUT B OUT2 CLK2 A U1 SG C OPCLEOC B IRQ7 IN7 ～ D0 PA0 1 ～CLOC～CLK2 D7 PA7 D0 U12 A/DC PA0 8088 A/DC D7 10K 10K 4?R 10K - - 2 10K 10K 10K 图4.1-2
四、程序流程：见图4.1-3
+5V GATE2 PB14 PU2 OUT OUT IN2 IN2 ～ OUT2 U10 D0 ～CS D7 U10 D7 D/AC XIOW GATE2 10Y0 WR +5V CS WR D0 D7 CPU 4?250K25K C -
主程序
系数转换、接口初始化 等待中断及中断返回处理 中断申请 中断程序 计算D（Z） 模拟延时处理 中断返回 图4.1-3
五、实验内容及步骤
1.根据设计要求，确定计算机的D(Z)各个系数。
0.48?0.396Z?1 D(Z)??1?1(1?Z)(1?0.865Z)
K?KKK0123?0.4800??0.3936?0?0
PPP123??0.1350??0.8650 ?0
2. 图4.1-2连线，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的方波，调W12为2S，2F60H单元存入TK值（14H）。
3. 在2F00H～2F14H 存入D(Z)各系数，在输入为零时启动大林算法程序（G=F00：16E3↘），对照输入R观察输出C波形，记录Mp、t，将结果填入表4.1-2。
表4.1-2 KO K1 K2 0.4800 -0.3936 0 K3 P1 P2 0 -0.1350 -0.8650 P3 MP ts 0 10% 0.6S 注：若控制效果不很满意，可适当调整K0～K3、P1～P3，直至满意。
说明：由于D(Z)算法是根据系统的被控制对象函数及期望的闭环传函设计的。所以当被控制对象传函稍有不准时，输入计算机内存的参数和被控对象的传函不一致，也就是说被控对象不能很好的被控制。可能会使系统输出产生一定的稳态误差。
4. S12支斜坡档，调W12使U1单元的OUT端不高于5V，启动大林算法的程序观察输入C理解大林算法对斜坡输入影响特性。从示波器上观察系统输出不能完全跟踪输入，产生了稳态误差。 因此实验中D（Z）设计是针对节约输入信号的，当改变输入信号为斜坡，而D(Z)的设计方法仍按阶跃设计，那么系统将不能完全跟踪输入，以致产生稳态误差。也就是说针对一种典型输入函数设计的闭环脉冲传函，用于较低的输入函数时，系统将会出现较大的超调，影响时间也会增加，用于次数较高的输入函数时，系统将不能完全跟踪输入，以致产生稳态误差
实验（2） 振铃的消除
一、实验目的：同上
二、实验仪器：同上
三、实验原理与接线 1. 振铃产生的原因
由于D（Z） 中含有半圆内的极点，极点越接近-1，震荡严重。因为当D（Z）
1含有因子时，其输出中必有分量为：
z?a1k?1?1?]a a 这也就是说明了为什么D(Z)输出一二分之一采样频率震荡的原因。 振铃现象并不是大林算法特有的现象，它与最少控制中的波纹实质上是一致的，振铃现象会引起采样点间系统输出波纹，并使执行机构磨损，在有交互作用的多系统中，甚至会威胁到系统的稳定性，因此在系统设计时，必须消除振铃。 2. 振铃消除的方法 大林提出的方法是：将振铃因子的正直接取Z=1 ，这样不会影响D（Z）为内定值，又消除振铃。 例如在实验4.1中 ， D(Z)?1?0.135Z0.48?0.3936Z?1?1?2?0.865Z?(1?Z)(1?0.865Z)?10.48?0.3936Z?1?1?1 由于D(Z)中含有左半圆内的极点 （1?0.865Z），所以Z取为1 即成为 1?0.865=1.865，则 D(Z)?0.2574?0.211Z1?Z?1?1?Wb(z)?0.48?0.8736Z?0.1825Z?2?3?20.2223Z?0.1825Z?1?2?3?3Y(Z)?W0(Z)R(Z)?U(Z)?Y(Z)?G(Z)?20.48?0.8736Z?0.6159Z?0.1825Z0.2223Z?0.1825Z?1??32.51?Z?1Y(Z)?(0.4631Z?0.9257Z?1.1642Z?1.8082Z?1.0529Z?)?2.5U(Z)?(0.257?0.3028Z?0.2293Z?0.1345Z?0.0737Z?0.0567Z?)?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数值，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 ?1?2?3?4?5?3?4?5?6W(z) 也相应发生了变化，因此修改后应检验W(z)的稳定性。 bb如实验中 W?b(z)?0.48?0.8736Z?2?10.2223Z?1?2?0.6159Z?3?0.1825Z?2?3?3?0.1825Z1?1.82Z0.4631Z?2?1.2831Z?0.3802Z?2?3?0.3802Z?3?4 ?0.4631Z?0.4626Z?0.2385Z?0.0166Z?5可以看出W6(Z)是收敛的，即稳定，因此即可取用修改后的 D（Z）参数。 3. 实验接线：见图4.1-2 四、实验流程：见图4.1-3. 五、实验内容及步骤： 1. 根据实验4.1中的设计要求计算D(Z)的各系数，这是考虑抵消振铃。 2. 按图4.1-2 连线，S11 置阶跃档，S12 置下档，调W12使U1 的OUT端输出波形为2.5V的方波信号，调W12 为2S，2F60H单元存入TK为（14H）。 3. 在2F00～2F14存入D(Z)各系数，在输入为零时启动大林算法程序，对照输入R 观察输出C的波形，在观察U10 单元的OUT端（控制器输出）波形，应有振铃产生，记录振铃幅值RA（V），填入表4.2-2上。记录参数，将结果填入表3.2-2中（修改前）。 4. 若有振铃，找到引起振铃因子，修改D(Z)系数（K0=0.2574，K1=-0.211，K2=K3=0，P1=-0.9999，P2=P3=0），重新存入2F00～2F14H 各单元，在输入R为零时，启动大林算法程序，观察U10单元OUT端 ，看是否消除振铃，并观察输出C，记录参数。将修改后D（Z）D的参数与结果填入表3.2-2中。 表4.2-2 各参数 K0 K1 K2 K3 P1 P2 P3 MP ts 项目 修改前不消除振铃 修改后不消除振铃 0.48 -0.3936 0 0 0 0 -0.135 -0.865 -0.9999 0 0 0 10% 5% 0.6s 0.4s 0.2574 -0.211 六、实验要求 10e?2TS选择被控对象的纯延时时间τ=2T或G(s)?，计算G（Z），确定 D（Z）， s(s?i)观察有无振铃现象，有则消除之，写出设计步骤，添入表4.2-2中。画出响应曲线。对设计内容进行MATLAB仿真。