计算机控制技术实验报告

计算机控制技术实验报告

学 院 自动化学院 专业班级 自动化104 姓 名 学 号

2013年6月

前 言

本指导书是配合自动化专业本科生专业课《计算机控制技术》的课堂教学而编写的实验教材，通过实验的验证能够使学生了解和掌握计算机控制的硬件技术和软件编程方法。本书共设计了七大类实验，第一类中包含过程通道和数据采集处理方面的几个内容；第二类为数字PWM 发生器和直流电机调速控制的开环实验；第三类包含几种数字PID闭环控制实验；第四类中有两种数字调节器直接设计方法的实验；第五类是一个温度控制系统；第六类是随动系统实验；第七类是过程控制系统的研究；实验五至实验七的内容是带有被控对象的控制系统。七个实验的全部学时大于计划学时，教师和学生对所做的实验内容可以选择以满足实验计划学时为准。通过实验学生巩固了课堂教学的内容，也为今后实际工作打下了一定技术基础。

本指导书由王尚君、毛一心老师共同编写，穆志纯教授进行了严格的审阅工作。

由于计算机性能的快速提高，计算机控制的技术手段也在不断出新，书中难免存在不足之处，敬请读者批评指正。

编者

2007年10月

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目 录

前 言 ...........................................................1 目 录 ...........................................................2 实验一 过程通道和数据采集处理 .....................................4

一、输入与输出通道 ..........................................................................................4 1. AD 转换实验` ..........................................................................................5 2. DA 转换实验` ..........................................................................................7 二、信号的采样与保持` ....................................................................................9 1. 零阶保持实验` ........................................................................................9 2. 直线插值实验 *` ................................................................................ 11 3. 二次曲线插值实验 *` ........................................................................ 11 三、数字滤波 ....................................................................................................15 1. 一阶惯性实验 ........................................................................................16 2. 四点加权实验 * ..................................................................................16

实验二 开环系统的数字程序控制 ....................................19

数字PWM 发生器和直流电机调速控制 ...........................................................19 一、实验目的 ....................................................................................................19 二、实验内容` ..................................................................................................19 三、实验所用仪表及设备 ................................................................................19 四、实验原理及步骤 ........................................................................................20 五、思考题........................................................................................................21 六、实验报告内容及要求 ................................................................................21 实验三 数字PID闭环控制 ..........................................22

数字PID控制算法 ............................................................................................22 积分分离法PID控制 ........................................................................................23 带死区的PID控制 * ...................................................................................27 简易工程法整定PID 参数 ...............................................................................30

扩充临界比例度法 ....................................................................................30 扩充响应曲线法 ........................................................................................32

附录一 I386EX 系统板引出管脚排列及名称 ...........................47 附录二 INTEL386TM EX嵌入式处理器框图 .............................50 附录三 实验程序名称列表实验报告内容及要求 ........................51 附录四 模拟平台布局图 ............................................52

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实验一 过程通道和数据采集处理

为了实现计算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。

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。

输入与输出通道

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。

一、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 转换器原理及接口方法，并掌握TLC7528 芯片的使用

二、实验内容

1．编写实验程序，将－5V ~ +5V 的电压作为ADC0809 的模拟量输入，将转换所得的8 位数字量保存于变量中。

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。

三、实验设备

PC 机一台，TD-ACC实验系统一套，i386EX 系统板一块

+

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四、实验原理与步骤

1．A/D 转换实验

ADC0809 芯片主要包括多路模拟开关和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～IN7)。根据实验内容的第一项要求，可以设计出如图1.1-1 所示的实验线路图。

单次阶跃 模数转换单元 控制计算机

图1.1-1

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。“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。

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：

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主程序

图1.1-2

参考程序：请参照随机软件中的example 目录中ACC1-1-1.ASM 文件

实验步骤与结果：

(1) 打开联机操作软件，参照流程图，在编辑区编写实验程序。检查无误后编译、链接。

(2) 按图1.1-1 接线 (注意：图中画“o”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。

(3) 装载完程序后，系统默认程序的起点在主程序的开始语句。用户可以自行设置程序起点，可先将光标放在起点处，再通过调试菜单项中设置起点或者直接点击设置起点图标，即可将程序起点设在光标处。 (4) 加入变量监视，具体步骤为：打开“设置”菜单项中的“变量监视”窗口或者直接点击“变量监视”图标，将程序中定义的全局变量“AD0～AD9”加入到变量监视中。

在查看菜单项中的工具栏中选中变量区或者点击变量区图标，系统软件默认选中寄存器区，点击“变量区”可查看或修改要监视的变量。 (5) 在主程序JMP AGAIN 语句处设置断点。具体操作为：先将光标置于要设断点的语句，然后在调试菜单项中选择“设置断点/删除断点(B)”或者直接点击“设置断点/删除断点”图标，即可在本语句设置或删除断点。

(6) 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1.1-1 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1.1-1 中

６

的单次阶跃中的电位器，确定好模拟输入电压值。-5V

(7) 做好以上准备工作后，运行程序(打开“调试”菜单项中的“运行到断点/运行”或者点击“运行到断点/运行”图标)，程序将在断点处停下，查看变量“AD0～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1.1-1 中。

表1.1-1 模拟输入电压 (V) 对应的数字量 (H) －5 00 －4 19 －3 32 －2 56 －1 65 0 82 ＋1 99 ＋2 B3 ＋3 CB ＋4 E6 ＋5 FF 本节实验仅仅就软件的相关功能做简单介绍，该软件的具体操作与说明请详见本实验教程的“第1 部分第4 章联机软件说明”。 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器。其主要参数如下：转换时间100ns ，满量程误差1/2 LSB ，参考电压－10V ~ +10V ，供电电压+5V~ +15V，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1.1-3。 实验步骤及结果：

(1) 参照流程图 1.1-4 编写实验程序，检查无误后编译、链接并装载到控制计算机中。

(2) 运行程序，用示波器观测输出波形。

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图1.1-5

以上电路是TLC7528 双极性输出电路，输出范围－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80H， 分别调节“W101”和“W102”电位器，用万用表分别测“OUT1 ”和“OUT2 ”的输出电压，应在0mV 左右。参考流程：

主程序

图1.1-4

参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-1-2.ASM 文件。

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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|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。

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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。

实验参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-2-1.ASM 文件。

* 信号的还原原理

(1) 实验原理

从香农定理可知，对于信号的采集，只要选择恰当的采样周期，就不会失去信号的主要特征。在实际应用中，一般总是取实际采样频率Ws 比2Wmax 大，如：Ws≥10Wmax 。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。

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直线插值法(取Ws>5Wmax)

利用式1.2 -1 在点 (X0,Y0) 和 (X1,Y1) 之间插入点 (X,Y)

Y=Y0+K(X−X0) 式1.2-1

Y1Y0其中：K = X1X0

X1―X0 为采样间隔，Y1―Y0 分别为X1 和X0 采样时刻的AD 采样值。 二次曲线插值法(取Ws>3Wmax)：

Y=Y0+(X−X0)[K1+K2(X−X1)] 式1.2-2

Y2Y0Y1Y0)Y1Y0X2X0X1X0其中K1 = X1X0，K2 = X2X1((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“○”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“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10ms) ，

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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T= TK ×10ms，TK 的范围为01 ~ FFH。

(3) 参考程序流程图设计

实验参考程序：直线插值法参照随机软件中的example 目录中的ACC1-2-2.ASM 文件，二次曲线插值法请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-2-3.ASM 文件。 实验步骤及结果

1. 采样与保持

(1) 参考流程图1.2-2 编写零阶保持程序，编译、链接。

(2) 按照实验线路图1.2-1 接线，检查无误后开启设备电源。 (3) 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3V，周期1S 的正弦波。

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(4) 加载程序到控制机中，将采样周期变量“Tk”加入到变量监视中，运行程序，用示波器的另一路表笔观察数模转换单元的输出端“OUT1”。“OUT1”端的参考波形如图1.2-5 所示。

(5) 增大采样周期，当采样周期>0.5S 时，即Tk>32H 时，运行程序

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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。 Tk=34H

数字滤波

一、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

二、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。

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

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：

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模数转换 IN7

控制 计算机

数模转换

OUT

1．滤波器算法设计

一阶惯性滤波：

1相当于传函S1的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式

YK =(1−a)XK +(a)YK−1

XK： 当前采样时刻的输入 YK： 当前采样时刻的输出 YK-1：前一采样时刻的输出

TT：采样周期，1-a =

四点加权滤波算法为：

YK=A1XK+A2XK-1+A3XK-2+A4XK-3(式中A1 =1)

i14XK： 当前采样时刻的输入 XK-1：前一采样时刻的输入 YK： 当前采样时刻的输出

2．参考流程图：

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实验中的参数：

1－a、a、A1、A2、A3、A4 为十进制2 位小数（BCD 码），取值范围：0.00 ～ 0.99，只须对应存入00～99。程序中将其转换成二进制小数，再按算式进行定点小数运算。

实验参考程序：一阶惯性请参照随机软件中的example 目录中的ACC1-3-1.ASM，四点加权参照ACC1-3-2.ASM。

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。

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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。

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。注意R 点波形不要超过±5V，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。 实验步骤及结果

1. 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。

2. 按图1.3-3 接线，检查无误后开启设备电源。调节正弦波使其周期约为2S，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3V，干扰波的幅值为0.5V。

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3. 分别装载并运行程序，运行前可将“TK”加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察R 点和C 点，比较滤波前和滤波后的波形。 一阶惯性: Tk=01

Tk=08

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四点加权: Tk=01H

Tk=0.8

4. 如果滤波效果不满意，修改参数，再运行程序，观察实验效果。

参数 项目 Tk 16进制 01 08 01 08 滤波前后Ts 1-a a A1 A2 A3 A4 正弦幅值(ms) 比 5 40 5 40 10 90 10 90 30 30 20 20 30 30 20 20 3/3 3/2.15 3/3 3/3 滤波前后干扰幅值比 0.5/0.1 0.5/0 0.5/0.4 0.5/0.2 一阶惯性 四点加权 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。

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实验二 开环系统的数字程序控制

数字PWM 发生器和直流电机调速控制

一、实验目的

掌握脉宽调制 (PWM) 的方法。

二、实验内容

用程序实现脉宽调制，并对直流电机进行调速控制。

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

1．PWM (Pulse Width Modulation) 简称脉宽调制 (见图2.1-1) 。即，通过改变输出脉冲的占空比，实现对直流电机进行调速控制。

VH VL

图2.1-1

2．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。

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图2.1-2

图中，“DOUT0”表示386EX 的I/O 管脚P1.4，输出PWM 脉冲经驱动后控制直流电机。

本实验中，由系统产生1ms 的定时中断。在中断处理程序中完成PWM 脉冲输出。最后通过控制计算机的数字量输出端DOUT0 引脚来模拟PWM 输出，并经达林顿管输出驱动直流电机，实现脉宽调制。

3．参考流程图

图2.1-3

实验参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的ACC2-2-1.ASM。 实验步骤

1．参考实验线路图的说明及流程图2.1-3，编写相应的主程序及PWM 子程序，检查无误后编译、链接。

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2．按图2.1-2 接线，检查无误后开启设备的电源。

3．装载程序，将全局变量TK (PWM 周期) 和PWM_T ( 占空比)加入监视，以便实验过程中修改。

4．运行程序，观察电机运行情况。

5．终止程序运行，加大脉冲宽度，即将占空比PWM_T 变大，重复第3 步，再观察电机的运行情况，此时电机转速应加快。电机每转动一圈，“HR”端(霍尔元件的输出端)就会输出一个脉冲，用虚拟仪器中示波器的一路表笔测“HR”端的脉冲信号可算出电机此时的转速。

Tk=0C8H; PWM_T=28H;FPWM=01H; HR

6．注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0 的状态应保持上次的状态。当DOUT0 为1 时，直流电机将停止转动；当DOUT0 为0 时，直流电机将全速转动，如果长时间直流电机处于全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0 的排线拔掉或按系统复位键。

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实验三 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：

1de(t)u(t)Kpe(t)e(t)dtTd Tidt

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：

TkTde(k)e(k1) u(k)Kpe(k)e(j)Tij0TT：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：

u(k)u(k)u(k1)TTdu(k)Kp(e(k)e(k1))e(k)(e(k)2e(k1)e(k2))

TiT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

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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

REP I DT1－e-TSS10(0.3S+1)(0.4S+1)C 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。

控制计算机i386EX CPUDIN0模数转换单元P1.0TMROUT1CS0#INT3(主8259IRQ7)1MHZ分频数模转换单元STR信号源OUT1/IOY0IRQ7/STSTSOUTIN710K10K短路块/OEEOCABC+5VD0.../IOY1/CSCLOCKTMRCLK1CLK2XD0...24MHZD7WR#M/IO#A0/IOW/WRA0D0D7OUT1XD720K3uF100K2uF200K100K20KRE20K20KC... 图3.2－2

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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。

主程序系统初始化变量初始化等待中断采样周期到否？是采样中断服务程序同步信号到否？否采样周期变量减一是D/A输出清零变量初始化采样周期变量赋初值求误差E(k)调PID子程序输出控制量U(k)采样周期变量赋初值否中断返回PID子程序计算 Ek+TdEkT*是判积分分离值否Kp(Ek+T*Ek)Td是取极值判积分溢出否是取极值判控制量溢出否中断返回TKp(Ek+Ti*Ek+TdT*Ek) 图3.2－3

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实验参考程序：请参照随机软件中的example目录中的ACC3―2―1.ASM。

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KP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TD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，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KP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TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数KP缩小 (如80％)，然后减小积分时间，使静差得到消除。如果动态性能 (过渡时间短) 也满意，则需PI调节器即可。

(3) 若动态性能不好，则需加入微分作用。整定时，使微分时间TD从0变大，并相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意结果

由于PID三个参数有互补作用，减小一个往往可由几个增大来补偿，因此参数的整定值不唯一，不同的参数组合完全有可能得到同样的效果。

四、实验步骤

1．参考流程图3.2－3编写实验程序，检查无误后编译、链接。 2．按照实验线路图3.2－2接线，检查无误后开启设备电源。 3．调节信号源中的电位器及拨动开关，使信号源输出幅值为2V，周期6S的方波。确定系统的采样周期以及积分分离值。

4．装载程序，将全局变量TK (采样周期)、EI (积分分离值)、KP (比例系数)、TI (积分系数)和TD (微分系数) 加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

5．运行程序，将积分分离值设为最大值7FH (相当于没有引入积分分离)，用示波器分别观测输入端R和输出端C。

6．如果系统性能不满意，用凑试法修改PID参数，直到响应曲线

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满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。

7．修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。

8．将6和7中的较满意的响应曲线分别保存，在画板、PHOTOSHOP中处理后粘贴到WORD中，方便形成实验报告。

五、实验结果及分析

未引入积分分离： 参数列表如下：

TK DB 05H ;采样周期 EI DB 7FH ;积分分离值 KP DW DOFFH ;比例系数 TI DW 0028H ;积分系数 TD DW 0012H ;微分系数

引入积分分离：

参数列表如下：

TK DB 05H ;采样周期 EI DB 20H ;积分分离值 KP DW DOFFH ;比例系数 TI DW 0028H ;积分系数 TD DW 0012H ;微分系数

２８

图3.2－4

从上图中可以看出，引入积分分离法后，降低了系统输出的超调量，并缩短了调节时间。

简易工程法整定PID参数

在连续系统中，模拟调节器的参数整定方法很多，但简单易行的还是简易工程法。这种方法的优点是整定参数时不必依赖被控对象的数学模型，实际情况也是很难准确地得到数学模型的。简易工程法是由经典的频率法简化而来的，虽然稍微粗糙，但简单易行，非常适用于现场应用。常用的方法包括扩充临界比例度法和扩充响应曲线法。

一、实验目的

1．学习并掌握扩充临界比例度法整定PID参数。 2．学习并掌握扩充响应曲线法整定PID参数。

二、实验设备

PC机一台，TD－ACC＋实验系统一套，i386EX系统板一块

三、实验原理及内容

1．扩充临界比例度法 1) 实验原理

扩充临界比例度法是对模拟调节器中的临界比例度法的推广，在工程实践中最常用，其参数整定步骤如下：

(1) 选择一个足够小的采样周期T，一般取系统纯滞后时间的1/10

２９

以下。

(2) 使系统闭环工作，只用比例控制，增大比例系数KP直到系统等幅振荡，记下此时的临界比例系数KPU和临界振荡周期TU (见图3.4－1)。

C(t)TuRt 图3.4－1

(3) 选择控制度 (1.05~2.0)。控制度指数字调节器和模拟调节器控制效果之比。

(4) 根据控制度，查表3.4－1计算出采样周期T和KP、TI、TD。

表3.4－1 控制度 1.05 1.2 1.5 2.0 T 0.014TU 0.043TU 0.09TU 0.16TU KP 0.63KPU 0.47KPU 0.34KPU 0.27KPU TI 0.49TU 0.47TU 0.43TU 0.40TU TD 0.14TU 0.16TU 0.20TU 0.22TU 2) 实验设计 图3.4－2是一个PID闭环控制系统的实验电路原理及接线图，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。其相应的程序流程图和3.2节中的图3.2－3是一样的，实验中的参数取值范围规定为： 参数名称 取值范围 实际量纲 T 1～FFH 10～2550ms KP 0～FFFFH 0～1倍 TI 1～7FFFH TD 0～7FFFH 10ms～327.67s 0ms～327.67s

３０

控制计算机i386EX CPUDIN0模数转换单元P1.0TMROUT1CS0#INT3(主8259IRQ7)1MHZ分频数模转换单元STR信号源OUT1/IOY0IRQ7/STSTSOUTIN710K10K短路块/OEEOCACLOCKBC+5VD0.../IOY1/CSTMRCLK1CLK2XD0...24MHZD720K20KWR#M/IO#A0/IOW/WRA0D0D7OUT1XD73uF100K1uF250K...RE20K10K50KC 图3.4－2

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。

本实验中，将针对该闭环系统应用临界比例度法来整定PID参数。 2．扩充响应曲线法 1) 实验原理

扩充响应曲线法是模拟调节器的响应曲线法的一种扩充，也是一种常用的工程整定方法。其参数整定步骤如下：

(1) 使数字调节器不接入系统，让系统处于手动操作状态，当系统稳定在某一值处后，给对象一个阶跃输入。

(2) 用仪表记录下被调量在阶跃输入下的整个响应曲线，见图3.4－3。

３１

C(t)O0t 图3.4－3

图中“”表示对象的时间常数；“”表示对象的纯滞后时常 (4) 根据所得的、，查表3.4－2计算出采样周期T和KP、TI、TD

表3.4－2

控制度 1.05 1.2 1.5 2.0 T 0.05 0.16 0.34 0.60 KP 1.15 1.0 0.85 0.60 TI 2.00 1.90 1.62 1.50 TD 0.45 0.55 0.65 0.82 2) 实验设计 同样，图3.4－4也是一个PID闭环控制系统的实验电路原理及接线图，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。其相应的程序流程图和3.2节中的图3.2－3是一样的。本实验中，将针对该闭环系统应用扩充响应曲线法来整定PID参数。

图3.4－4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。

实验中，参考程序中的参数取值范围规定为： 参数名称 取值范围

T 1～7FH KP 0～800H TI 1～1FFH TD 0～1FFH ３２

实际量纲

10～1270ms 0～8倍 10ms～5110s 控制计算机i386EX CPU0ms～5110ms DIN0模数转换单元P1.0TMROUT1CS0#INT3(主8259IRQ7)TMRCLK1CLK2XD0...STR信号源OUT1/IOY0IRQ71MHZ分频数模转换单元/STSTSOUT短路块/OEEOCACLOCKBC+5VD0IN710K.../IOY1/CS24MHZD720K20K200KWR#M/IO#A0/IOW/WRA0D0D7OUT1XD72uF100K2uF200K10KRE20KC... 图3.4－4

四、实验步骤

1．扩充临界比例度法

(1) 编写程序，检查无误后编译、链接并装载程序。实验程序请参照随机软件中的example目录中的ACC3―4―1.ASM。

(2) 按照实验线路图3.4－2接线，调节信号源使其输出幅值为3V，周期6S的方波。

(3) 由于模拟对象的惯性时常约为250ms，取采样周期T=10ms。 (4) 装载程序，将全局变量TK (采样周期)、EI (积分分离值)、KP (比例系数)、TI (积分系数)和TD (微分系数)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

(5) 运行程序且只用比例控制 (EI = 0，TD = 0)，KP由小变大，使系统等幅振荡，记下此时的临界比例系数KPU和临界振荡周期TU。

(6) 查表3.4－1，选择控制度2.0，计算出采样周期T和KP、TI、TD。

３３

(7) 将参数重新写入PID控制程序，运行程序并用示波器观测输入和输出，如果控制效果不太满意，可适当结合凑试法调整参数，直到满意为止。 整定参数为

KP =DOF0H ;比例系数 TI =0028H ;积分系数 TD =0012H ;微分系数

2．扩充响应曲线法

(1) 参照图3.4－5接线，调节器先不接入系统中。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。

短路块10K20K20K20K200K2uF100K200K2uFSTSOUT信号源10KCR 图3.4－5

(2) 调节信号源使其“OUT”输出幅值为2V，周期12S的方波。 (3) 用示波器测量系统输出“C”，并记录下波形。在响应曲线最大斜率处作切线，用游标测量，作图求得滞后时间和对象时常。计算出/，查表3.4－2，控制度选择2.0时可求得数字调节器的KP、TI、TD以及采样周期T的初始值。

(4) 按照图3.4－4接线，将数字调节器接入系统，将以上得到的参数KP、TI、TD和T重新写入程序中，然后编译、链接。实验程序请参照随机软件中的example目录中的ACC3―4―2.ASM。

(5) 装载程序，将全局变量TK (采样周期)、EI (积分分离值)、KP (比

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例系数)、TI (积分系数)和TD (微分系数)加入变量监视，以便实验过程中观察和修改。

(6) 运行程序，用示波器测量系统输出“C”，观察数字调节器在这组参数下的控制效果，若不理想，可适当调整参数，直到控制效果满意为止。 整定参数为

KP =DOE6H ;比例系数 TI =0025H ;积分系数 TD =0013H ;微分系数

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附录

附录一 I386EX 系统板引出管脚排列及名称

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J1B、J2C、J2D 这四排针上的信号与PC-104 总线标准兼容，但并未

将所有的PC-104 信号都提供，引脚名称空处为未提供的信号。表中带“＃”表示该信号低电平有效。“/”表示该信号管脚复用。

1. J1A 排针说明

管脚号 1 2～9 10 11 12～30 31 32 信号名称 ―― XD7～XD0 IOCHRDY P1.7/HLDA XA19～XA1 BLE＃ GND 输入/输出类型 ―― 输入/输出 输入 输出 输出 输出 输出 说明 ―― 数据总线的XD0～XD7 外部等待信号 P1.7 为IO 线的，HLDA 表示总线控制应答信号 地址总线的XA1～XA19 低字节使能 信号地线 2．J1B 排针说明 管脚号 1 2 3 4 5、6 7 8 9 10 11 12 13 14 15～18 19 20 21 22 23 信号名称 GND RST VCC INT5/TG0 ―― －12V ―― +12V ―― MEMW＃ MEMR＃ IOW＃ IOR＃ ―― REFRESH＃ CLK12MHZ INT3 INT2 INT1 输入/输出类型 输出 输出 输出 输入 ―― 输出 ―― 输出 ―― 输出 输出 输出 输出 ―― 输出 输出 输入 输入 输入 说明 信号地线 系统复位信号，高有效 ＋5V 电源线 从片8259 的IRQ1，和定时器0 的门控信号复用 ―― －12V 电源线 ―― ＋12V 电源线 ―― 存贮器写信号 存贮器读信号 I/O 写信号 I/O 读信号 ―― 总线周期刷新信号 系统12M 时钟信号 主片8259 的IRQ7 中断输入端 主片8259 的IRQ6 中断输入端 主片8259 的IRQ5 中断输入端

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24 25～27 28 29 30 31、32 INT9/P30/TO0 ―― ADS# VCC ―― GND 输入/输入 ―― 输出 输出 ―― 输出 主片8259 的IRQ4 中断输入端（调试时系统占用）可作为IO 线用，也可作为定时器0 的输出 ―― 地址锁存信号 ＋5V 电源线 ―― 信号地线

3．J2C 排针说明

管脚号 1 2 3～9 10 11 12～19 20 信号名称 GND BHE＃ XA23～XA17 MEMR＃ MEMW＃ XD8～XD15 GND 输入/输出类型 输出 输出 输出 输出 输出 输入/输出 输出 说明 信号地线 高字节使能信号 地址总线的XA17～XA23 存贮器读信号 存贮器写信号 数据总线的XD8～XD15 信号地线

4．J2D 排针说明

管脚号 1 2 3 4～7 8 信号名称 GND MEMCS16＃ IOCS16＃ ―― INT7/TG1 输入/输出类型 输出 输出 输出 ―― 输入 说明 信号地线 16 位存贮器片选信号 16 位I/O 片选信号 ―― 从片8259 的IRQ6 中断信号输入端也可作为定时器1 的门控信号端 9～16 17 18 19、20 ―― VCC ―― GND ―― 输出 ―― 输出 ―― ＋5V 电源线 ―― 信号地线 5.系统应用总线JP2

JP2 两排针上提供了I386EX 芯片的一些功能引脚，详细引脚说明请参考器件手册。

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附录二 Intel386TM EX 嵌入式处理器框图

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附录三 实验程序名称列表

文件路径：安装完联机软件后，在Tangdu\\ TD-ACC \\Example 目录中 文件名称 实验名称

ACC1－1－1.ASM 实验1.1 输入与输出通道 (AD 转换实验) ACC1－1－2.ASM 实验1.1 输入与输出通道 (DA 转换实验) ACC1－2－1.ASM ACC1－2－2.ASM ACC1－2－3.ASM ACC1－3－1.ASM ACC1－3－2.ASM ACC2－1－1.ASM ACC2－2－1.ASM ACC3－2－1.ASM ACC3－3－1.ASM ACC3－4－1.ASM

ACC3－4－2.ASM ACC4－1－1.ASM ACC4－1－2.ASM

实验1.2 信号的采样与保持 (零阶保持实验) 实验1.2 信号的采样与保持 (直线插值实验) 实验1.2 信号的采样与保持 (二次曲线插值实验) 实验1.3 数字滤波 (一阶惯性实验) 实验1.3 数字滤波 (四点加权实验)

实验2.1 数字脉冲分配器和步进电机调速控制 实验2.2 数字PWM 发生器和直流电机调速控制 实验3.2 积分分离法PID 控制 实验3.3 带死区的PID 控制

实验3.4 简易工程法整定PID 参数 (扩充临界比例度法)

实验3.4 简易工程法整定PID 参数 (扩充响应曲线法) 实验4.1 最小拍控制系统 (有纹波) 实验4.1 最小拍控制系统 (无纹波)

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附录四 模拟平台布局图

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