微型计算机实验教程电子教案.doc

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1、Good is good, but better carries it.精益求精，善益求善。微型计算机实验教程-电工电子实验中心实验指导书计算机控制技术实验教程二九年三月-高等学校电工电子实验系列计算机控制技术实验教程主编颜昌彬陈宇攀枝花学院电气信息工程学院电工电子实验中心内容简介本书是根据高等院校理工科本(专)科的计算机控制技术实验课程的基本要求编写的。全书包含三个部分。第一部分为基本实验。包含模/数转换实验、数/模转换实验、数字PID控制实验、最少拍控制系统实验、大林算法实验等。第二部分是综合设计实验。根据教学大纲的要求及结合我校实际情况，进行步进电机控制、温度闭环控制等实验。第三部分是实

2、验中使用的虚拟示波器进行介绍，掌握其使用方法。本书可作为我校电类和非电类专业本科生、专科生实验教学用书，还可作为从事计算机控制技术的工程技术人员的参考书。前言学生通过学习本课程后或学习期间进行实验有助于使学生加深对计算机控制技术方面的基本理论和原理、基本知识的认识，有助于学生基本技能的提高，有助于培养学生分析问题和解决问题的工程综合能力，拓宽学生的专业面和知识面，为以后继续深入学习与工作打下良好的、扎实的基础。通过实验加强学生的实验手段与实践技能，掌握计算机控制技术在工程实践中的基本应用，培养学生分析问题、解决问题、应用知识的能力。培养学生创新精神，提高学生自行设计、自主实验，真正培养学生的实

3、践动手能力，全面提高学生的综合素质。全书由攀枝花学院电气信息工程学院颜昌彬、陈宇老师主编。由于作者水平有限，书中错误之处在所难免，恳请广大师生及读者提出宝贵意见及建议。编者2009年3月于攀枝花目录实验一模/数转换实验1实验二数/模转换实验4实验三数字PID控制实验6实验四最少拍控制系统实验.10实验五大林算法实验.15实验六步进电机控制实验.19实验七温度闭环控制实验.23附录虚拟示波器的使用.26参考文献.34实验一模/数转换实验一、实验装置实验仪器设备、药品、器材：LABACT实验电路、电脑、LABACT软件二、实验要求了解A/D芯片ADC0809转换性能及编程。编制程序通过0809采样

4、输入电压并转换成数字量值。三、实验原理A/D转换器大致有三类：一是双积分A/D转换器，优点是精度高，抗干扰性好，价格便宜，但速度慢；二是逐次逼近法A/D转换器，精度，速度，价格适中；三是并行A/D转换器，速度快，价格也昂贵。图1-1模/数转换器电路图实验用的ADC0809属第二类,是八位A/D转换器。典型采样时间需100us。编程中应该保证A/D转换的完成，这可以在程序中插入适当延时代码或监视EOC信号的电平来实现。后一种方式尤其适合采用中断处理。模/数转换器（B8）单元电路图见图1-1所示。ADC0809的片选在实验机内部已固定为0A0H。由于0809的A、B、C三脚依次接至A0、A1、A2

5、，所以模拟输入通道IN0IN7的端口地址为0A00A7。其中IN1IN5为标准接法，有效输入电平为0V+5V。IN6、IN7为双极性输入接法，有效输入电平为-5V+5V。温度模块的测温输入经放大器放大后输入到ADC0809的IN0端口外设接口模拟量输入经放大器的隔离（阻抗转换）后，输入到ADC0809的IN1IN3端口IN4IN7端口有测孔引出，供用户使用模数转换结束信号EOC引出至EOC插孔，并经反向后引出至EOC/孔。示例程序：见Cp2源文件。程序流程如图1-2所示图1-2程序流程图四实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时，只要运行LCAACT程序，选择微机控制菜单下的模/数转换实验项目，

6、再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为模/数转换器（B8）输入信号：B1单元中的电位器左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨上（+5V）。（2）测孔联线：B1（Y）模/数转换器B8（IN4）（信号输入）（3）运行、观察、记录：点击开始后，在虚拟示波器屏幕上显示出即时模/数转换二进制码及其对应的电压值；再次点击开始，将继续转换及显示，满11次后回到原点显示。屏幕上X轴表示模/数转换的序号，Y轴表示该次模/数转换的结果。每次转换后将在屏幕出现一个“*”，同时在“*”下显示出模/数转换后的二进制码及对应

7、的电压值，所显示的电压值应与输入到模/数转换单元（B8）输入通道的电压相同。每转换满11次后，将自动替代第一次值。见图1-3所示。输入通道可由用户自行选择，默认值为IN4。图1-3模/数转换在屏幕上的效果图实验二数/模转换实验一、实验装置实验仪器设备、药品、器材：LABACT实验电路、电脑、LABACT软件二、实验要求掌握DAC0832芯片的性能、使用方法及对应的硬件电路。编写程序控制D/A输出的波形，使其输出周期性的三角波。三、实验原理图2-1数模转换电路图数/模转换器（B2）单元电路图见图2-1所示。示例程序：见Cp1源文件,程序流程如图2-2所示。四实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时

8、，只要运行LCAACT程序，选择微机控制菜单下的数/模转换实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，此时可选用普通示波器，也可选用虚拟示波器（B3）单元的CH1（选X1档）测孔测量波形，详见实验指导书虚拟示波器部分。测孔连线：数/模转换器（B2）单元OUT1虚拟示波器（B3）输入端CH1。图2-2程序流程图实验三数字PID控制实验一、实验装置实验仪器设备、药品、器材：LABACT实验电路、电脑、LABACT软件二、实验要求数字PID控制实验原理方块图如图3-1所示。图3-1数字PID控制实验原理三、实验原理按比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组

9、合构成控制量。PID控制算法的模拟表达式是：式中，P(t)调节器的输出信号；e(t)调节器的偏差信号；Kp调节器的比例系数；Ti调节器的积分时间；Td调节器的微分时间；用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程：式中：T采样周期（0.2秒）P(n)第n次采样时微机输出；e(n)第n次采样时的偏差值；e(n-1)第n-1次采样时的偏差值；n采样序号，n=0，1，2，。离散化的PID位置控制算式表达式为：式中：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。四实验内容及步骤数字P

10、ID控制实验构成如图3-2所示。示例程序：见Cp5源文件。在实验中欲观测实验结果时，只要运行LCAACT程序，选择微机控制菜单下的数字PID控制实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，此时可选用普通示波器，也可选用虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形，详见实验指导书虚拟示波器部分。图3-2数字PID控制实验构成实验步骤：（1）将函数发生器（B5）单元的输出（OUT）作为系统输入R。(连续的正输出宽度足够大的阶跃信号)a将该单元的S1置阶跃档（最顶端），S20.2-6S档。b.将SST用短路套短接，调节调幅电位器使OUT输出电压2秒。（2）安置短

11、路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套模块号跨接座号1A1S2，S62A2S1，S63A3S1，S8，S10，S114A6S4，S9（b）测孔联线1输入信号RB5（OUT）A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3信号连接A2（OUT）B8（IN7）4信号连接B2（OUT2）A3（H1）5运放级联A3（OUT）A6（H1）6负反馈A6（OUT）A2（H2）（c）跨接元件：将可变元件库（A7）中的可变电阻跨接到A6单元（IN）测孔和（OUT）测孔之间(调整为100K)。（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元输出端OUT（C）。注：CH1选X1档，CH2置0档。

12、（4）运行、观察、记录：该实验的显示界面中“控制系数”栏的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd均可由用户在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果，改变这些参数后，只要再次点击“发送”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。根据公式计算所得的控制系数Kp、Ki、Kd必须乘以100后才能填入“控制系数”栏的相应位置。该实验的显示界面中“控制系数”栏的Kp、Ki、Kd已设定：Kp=40，Ki=3，Kd=2运行程序，用示波器观察输出C，如果现象不明显则可以调节A7单元中的可变电阻和函数发生器（B5）中的调频调幅。记录Kp、Ki、Kd、MP、ts、参数，在表3-1中填入给此次的各参数与结果。本实验的数

13、字PID控制实验曲线见图3-3。表3-1KpKiKdMptS123图3-3数字PID控制实验曲线实验四最少拍控制系统实验一、实验装置实验仪器设备、药品、器材：LABACT实验电路、电脑、LABACT软件二、实验要求最小拍控制系统原理方块图见图4-1所示。图4-1最小拍控制系统原理方块图搭建如图4-1系统，针对阶跃输入进行计算机控制算法D（Z）设计，编程实现最小拍有纹波系统。三、实验原理最少拍随动系统的设计任务就是设计一个数字调节器，使系统到达稳定所需要的采样周期最少，而且在采样点的输出值能准确地跟踪输入信号，不存在静差。对任何两个采样周期中间的过程则不做要求，习惯上把一个采样周期称为一拍。最少

14、拍系统，也称为最少调整时间系统或最快响应系统。将D（Z）式写成差分方程，则有：UK=KOEK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2-P3UK-3（式4-1）式中EKEK-3为误差输入；UK-1UK-3为计算机输出。计算机运算还设有溢出处理，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。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。模拟连续系统的参数整定被控对象有模拟

15、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。四实验内容及步骤最小拍有纹波系统构成如图4-2所示。示例程序：见Cp6_1源文件。采样周期T=1S，A5的时间常数t1=R1C1=1，A6的时间常数t2=R2C2=1，K=5。在实验中欲观测实验结果时，只要运行LCAACT程序，选择微机控制菜单下的最少拍控制系统-有纹波实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，此时可选用普通示波器，也可选用虚拟示波器（B3）单元的CH1、CH2测孔测量波形，详见实验指导书虚拟示

16、波器部分。图4-2最少拍有纹波系统构成实验步骤：（1）将函数发生器（B5）单元的输出（OUT）作为系统输入R。(连续的正输出宽度足够大的阶跃信号)a将该单元的S1置阶跃档（最顶端），S20.2-6S档。b.将SST用短路套短接，调节调幅电位器使OUT输出电压=2.5V，调节调频电位器使OUT正输出宽度为7秒。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套模块号跨接座号1A1S2，S62A2S1，S63A5S3，S7，S114A6S10，S11（b）测孔联线1输入信号RB5（OUT）A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3信号连接A2（OUT）B8（IN6）4信号连接B2（OU

17、T2）A5（H1）5负反馈A6（OUT）A2（H2）（c）跨接元件：将元件库（A7）中的可变电阻跨接到A5单元（OUT）测孔和A6单元（IN）测孔之间(调整为250K)。（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端信号输出端CH1（选X1档）A6单元的OUT（C）CH2（选X1档）B2单元的OUT2（4）运行、观察、记录该实验的显示界面中“计算公式”栏的Ki与Pi均可由用户在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果，改变这些参数后，只要再次点击“开始”键，即可使实验机按照新的控制参数运行。根据公式计算所得的控制系数Ki与Pi必须乘以100后才能填入“计算公式”栏的相应位置，其中K1必须根据要求填

18、入号；而Pi在“计算公式”栏中已有号，因此不用另填号。该实验的显示界面中“计算公式”栏的Ki与Pi已设定：K0=54K1=20K2=K3=0P1=72P2=P3=0用虚拟示波器中的CH2观察B5单元的OUT端，使之波形幅度、宽度符合输入要求。再用虚拟示波器中的CH1观察A6单元的OUT（C）端。注：由于实验机中的元器件值有离散性，为此，在实验中可调节A6单元的可变电阻的值。用虚拟示波器CH2分别观察A6单元输出OUT（C）和B2单元的OUT2端，绘出波形草图，探讨纹波产生的原因和计算，及最少拍控制的性能特点、优劣。最少拍有纹波系统实验结果见图4-3。说明：一般来说，针对一种典型输入函数设计得到

19、的系统闭环脉冲传递函数，用于次数较低的输入函数时，系统将会出现较大的超调，系统响应时间也会增加，但在采样时刻的误差为零；当针对一种典型输入函数设计得到的系统闭环脉冲传递函数用于次数较高的输入函数时，输出将不能完全跟踪输入，产生静态误差。对于给定的系统，如图4-1所示，其被控对象的脉冲传递函数G（z）中含有e-TS项，T为采样周期，由于最少拍系统的设计特点是要求响应最快，系统对输入信号的变换适应能力比较差，输出响应只保证采样点上的误差为零，不能确保采样点之间的误差值也为零，也就是说，在最少拍系统中，系统的输出响应在采样点之间有纹波存在。产生纹波的原因是在零阶保持器的输入端，也就是数字控制器的输出

20、经采样开关后达不到相对稳定，因而使系统输出在采样点之间产生波动；如果输入偏差E（k）为零，保持器的输入脉冲序列为一恒定值，那么输出量C（t）就不会在非采样点间产生纹波。由于G（z）中含有e-TS项，采样周期的变化对输出纹波也有影响，如果T趋于无限小，则离散系统变为连续系统，纹波也就没有了，所以，对同一个被控对象G（s），其数字控制器的控制算法D（z）设计也与采样周期紧密相关。由于控制算法的设计是理论性的，在实际被控对象中由于参数的离散性，使得G（s）和G（z）与实际系统有误差。图4-3运行最少拍有纹波算法的输出波形实验五大林算法实验一、实验装置实验仪器设备、药品、器材：LABACT实验电路、电

21、脑、LABACT软件二、实验要求搭建如图系统，编程实现大林算法。图5-1大林算法原理方块图三、实验原理大林算法是针对工业生产过程中含有纯滞后对象的控制算法，即在调节时间允许的情况下，要求系统没有超调量或只有在允许范围中的很小的超调量。大林算法的设计目标是使整个闭环系统所期望的传递函数相当于一个延迟环节和一个惯性环节的串联，并期望整个闭环系统的纯滞后时间和被空对象的滞后时间相同。纯滞后时间与采样周期是整数倍关系。D（Z）算法：具体的公式推导参考计算机控制系统（清华大学出版社，何克忠著）等书中有关内容。大多数的工控对象均可近似地描述成具有带纯滞后的一阶或二阶惯性环节根据设计要求，确定D（Z）的各个

22、参数：（1）采样周期T=0.4S（2）放大倍数K=10（3）被控对象的时间常数T1=1.2（4）校正后闭环系统的时间常数T0=1（5）被控对象的纯滞后时间t为采样周期T的倍数L=1（零阶保持器延迟一拍输出）将D（Z）式写成差分方程，则有：UK=KOEK+K1EK-1+K2EK-2+K3EK-3-P1UK-1-P2UK-2-P3UK-3（式5-1）式中：EKEK-3为误差输入，UK-1UK-3为计算机输出。CPU运算设有溢出处理，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。四实验内容及步骤大林算法系统构成如图5-2所示。示例程序：见Cp

23、7_1源文件。采样周期T=0.4S，A6的时间常数T1=R*C=1.2，K=10。校正后闭环系统的时间常数T0=1，延迟系数L=1（零阶保持器延迟一拍输出）。在实验中欲观测实验结果时，只要运行LCAACT程序，选择微机控制菜单下的大林算法实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文件，此时可选用普通示波器，也可选用虚拟示波器（B3）单元的CH1、CH2测孔测量波形，详见实验指导书虚拟示波器部分。图5-2大林算法系统构成实验步骤：（1）将函数发生器（B5）单元的输出（OUT）作为系统输入R。(连续的正输出宽度足够大的阶跃信号)a.将该单元的S1置阶跃档（最顶端

24、），S20.2-6S档。b.将SST用短路套短接，调节调幅电位器使OUT输出电压=2.5V，调节调频电位器使OUT输出周期约7秒。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套模块号跨接座号1A2S1，S62A3S1，S63A6S3，S8,S10，S11（b）测孔联线1输入信号RB5（OUT）A2（H1）2运放级联A2（OUT）A3（H1）3信号联线A3（OUT）B8（IN7）4信号联线B2（OUT2）A6（H1）5负反馈A6（OUT）A2（H2）6中断请求线B5（S）B9（IRQ6）（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端信号输出端CH1（选X1档）函数发生器（B5）单元的输出O

25、UT（R）CH2（选X1档）A6单元的OUT（C）（4）运行、观察、记录该实验的显示界面中“计算公式”栏的Ki与Pi均可由用户在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果，改变这些控制系数后，只要再次点击“开始”键，即可使实验机按照新的控制系数运行。根据公式计算所得的控制系数Ki与Pi必须乘以100后才能填入“计算公式”栏的相应位置，其中K1必须根据要求填入号；而Pi在“计算公式”栏中已有号，因此不用另填号。由于公式根据公式计算所得的控制系数进行实验其现象不明显，我们对系数Ki与Pi作了如下修改，该实验的显示界面中“计算公式”栏：已设定：K0=24K1=4K2=K3=0P1=33P2=16P3=0

26、（该控制系数仅供参考）2用虚拟示波器（示波选项）中的CH1观察函数发生器（B5）单元的OUT（R）端，使之波形幅度、宽度符合输入要求。3再用虚拟示波器中的CH2观察A6单元的OUT（C）端，使之波形趋于稳定。用虚拟示波器中的CH1和CH2同时观察输入R和输出C波形，系统输出波形如图5-3所示。图5-3运行大林算法的输出波形说明：由于D（Z）算法是根据系统的被控对象传递函数及期望的闭环传递函数设计的。所以当被控制对象传递函数稍有不准时，输入计算机内存的参数和被控对象的传递函数不一致，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。将输入改为其它类型信号，如斜坡信号，观察大林

27、算法对斜坡输入响应特性。从示波器上将观察到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）设计是针对阶跃输入信号的，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，用于次数较低的输入函数时，系统将会出现较大的超调，响应时间也会增加，用于次数较高的输入函数时，系统将不能完全跟踪输入，以至产生稳态误差。实验六步进电机控制实验一、实验装置实验仪器设备、药品、器材：LABACT实验电路、电脑、LABACT软件二、实验要求1编制程序，控制步进电动机的运转速度。2编制程序，控制步进电动机的旋

28、转方向。三实验目的1掌握步进电动机控制系统的硬件设计方法。2掌握步进电动机速度调节、方向控制技术。3进一步学习编制步进电动机驱动程序的软件设计方法。四、实验原理步进电动机又称为脉冲电机，是工业过程控制和仪表中一种能够快速启动、反转和制动的执行元件。其功用是将电脉冲转换为相应的角位移或直线位移。步进电动机的运转是由电脉冲信号控制的，步进电动机的角位移量或线位移量与脉冲数成正比，每给一个脉冲，步进电机就转动一个角度（步距角）或前进/倒退一步。步进电机旋转的角度由输入的电脉冲数确定，所以，也有人称步进电动机为一个数字/角度转换器。当某一相绕阻通电时，对应的磁极产生磁场，并与转子形成磁路，这时，如果定

29、子和转子的小齿没有对齐，在磁场的作用下，由于磁通具有力图走磁阻最小路径的特点，转子将转动一定的角度，使转子与定子的齿相互对齐，由此可见，错齿是促使电机旋转的原因。四相步进电动机以四相单四拍、四相双四拍、四相八拍方式工作时的脉冲分配表如表6-1，表6-2和表6-3表6-1四相单四拍脉冲分配表ABCDN1000N+10100N+20010N+30001表6-2四相双四拍脉冲分配表ABCDN1100N+10110N+20011N+31001表6-3四相八拍脉冲分配表ABCDN1000N+11100N+20100N+30110N+40010N+50011N+60001N+71001如步进电动机每一相均

30、停止通电，则电机处于自由状态；若某一相一直通直流电时，则电机可以保持在固定的位置上，即停在最后一个脉冲控制的角位移的终点位置上，这样，步进电动机可以实现停车时转子定位。这就是步进电动机的自锁功能。当步进电机处于自锁时，若用手旋转它，感觉很难转动。步进电动机是用电脉冲进行控制的电机，改变脉冲输入频率，就可以改变电机的速度；改变通电顺序，即改变定子磁场旋转的方向，就可以达到控制步进电动机正反转目的.1运行速度的控制图6-1是四相单四拍方式的脉冲时序图，从图6-1可以看出，当改变电脉冲的周期，ABCD四相绕组高低电平的宽度将发生变化，这就导致通电和断电的变化率发生变化，使电机转速改变，所以调节电脉冲

31、的周期就可以控制步进电机的运转速度。图6-12运转方向的控制从图6-1仍可看出，步进电机以四相单四拍方式工作时，按ABCDA次序通电时，为正转；如按ADCBA次序通电时，为反转。其它工作方式下的方向控制原理相同。五实验内容及步骤1本实验无需连线，内部已连好。步进电机驱动电路原理如下图所示，其中采用一片74LS273（8位D触发器）的低4位输出Q0-Q3来锁存步进码值;一片ULN2003AN（7位OC门驱动器）来驱动步进电机。74LS273的片选地址为60H，本实验采用四相八拍方式。实验时请保证扩展平台正常连接。图6-2步进电机驱动电路原理2观测现象：只要运行LCAACT程序，选择控制系统菜单下

32、的步进电机调速实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击执行后将自动加载相应源文件，当改变功能后，再点击执行即可实现实时控制步进电机模块，点击停止步进电机不运行。实验七温度闭环控制实验一、实验要求编写程序，实现温度闭环控制，使温度稳定在某一给定值上。图7-1温度闭环控制系统原理框图二实验目的1.巩固闭环控制系统的基本概念。2.了解闭环控制系统中反馈量的引入方法。3.掌握PID算法数字化的方法和编程。4.了解、掌握消除系统积分饱和的遇限削弱积分法使用方法。三、实验说明1基础知识自动控制有两种最基本的形式：开环控制和闭环控制。开环控制系统的精度取决于元器件的精度和特性调整的精度。当内

33、外干扰影响不大，并且控制精度要求不高时，可采用开环控制方式。前面我们所进行的实验，就是一些开环控制的简单实例。闭环控制又称为反馈控制，其实质是利用负反馈来减小系统的误差。闭环控制具有自动修正被控量偏离给定值的作用，因而可以抑制内部干扰和外部干扰引起的误差，达到自动控制的目的。按偏差的比例、积分、微分控制（简称PID控制）是过程控制中应用最广的一种控制规则。由PID控制规则构成的PID调节器是一种线性调节器。这种调节器是将设定值U与实际输出值Y构成控制偏差：e=UY按比例（P）、积分（I）、微分（D）通过线性组合构成控制量。PID控制算法的模拟表达式是：式中，P(t)调节器的输出信号；e(t)调

34、节器的偏差信号；Kp调节器的比例系数；Ti调节器的积分时间；Td调节器的微分时间；在实际应用中，根据对象特征和控制要求，也可灵活改变其结构，取其一部分构成控制，例如：比例（P）调节器、比例积分（PI）调节器、比例微分调节器（PD）等。比例调节器是一种最简单的调节器。它具有反应快、无滞后的特点，抗干扰，使被控参数稳定在给定值附近。但是，对于具有自平衡系统（即系统阶跃响应为一有限值）的被控对象存在静差。对于某一给定系统，当负荷变化时，静差大小与比例作用的强弱有关。加大比例系数可以减小静差，但KP过大时，会使动态质量变差，引起控制量振荡甚至导致闭死不稳定。比例积分调节器是在比例调节器的基础上增加积分

35、调节规律。积分调节规律的实质是调节器输出的变化速度与输入偏差的大小成正比。只要有偏差，调节器输出的调节信号就不断变化，执行器就不断动作，直至偏差信号消除。因此，积分作用能消除比例调节器的静差。但是积分调节动作缓慢，其调节作用总是滞后于偏差信号的变化。在上述PI调节器的基础上再加上微分调节环节就构成了PID调节器。微分调节作用可以克服积分调节作用缓慢性，避免积分作用可能降低系统响应速度的缺点。另外，微分调节的加入有助于减小超调、克服振荡，改善系统的动态性能。在实际应用中，PID调节器的实现分模拟和数字模拟两种方法。模拟法就是利用硬件电路实现PID调节规律。PID数字模拟法就是对经典的模拟PID进

36、行数字模拟，用数字调节器来代替模拟调节器。在采样周期较小时，数字模拟PID控制算法是一种较理想的控制算法。2PID算法的数字实现由于DDC（DirectDigitalControl）系统是一种时间离散控制系统。因此，为了用微机实现（式7-1）必须将其离散化，用数字形式的差分方程来代替连续系统的微分方程：式中：T采样周期P(n)第n次采样时微机输出；e(n)第n次采样时的偏差值；e(n-1)第n-1次采样时的偏差值；n采样序号，n=0，1，2，。离散化的PID位置控制算式表达式为：式中：图7-2程序框图确定了KP,KI和KD的值后，实现（式7-3）的编程框图如7-2所示。由（式7-3）还可得离散

37、的位置型P控制、PI控制和PD控制的编程表达式，它们编程框图也只需在该图的基础上稍作删减即可。3遇限削弱积分法由于温度闭环控制是一种变化十分缓慢的控制系统，因此它很容易产生积分饱和，在积分项的作用下，往往将使系统产生较大的超调量和长时间波动。为此，本实验采用了遇限削弱积分的方法来消除积分饱和。该方法是在实验进行前先设定一个积分控制量，在计算、控制过程中，一旦积分控制量达到规定值时，它将不再增加。详见微型计算机控制技术及应用（高等教育出版社，徐大诚等著）按本实验所规定的参数进行实验后，可以看出超调量和波动受到了有效的控制。见图7-4所示。4实现温度闭环控制本实验机实现温度闭环控制系由模/数转换器

38、（B8）单元和温控模块（C3）（包括加热、冷却机构和测温）组成。温控加热和冷却原理见图7-3。加热由72LS273输出Q5控制，该电压驱动达林顿复合晶体管TIP122对加热棒加热。Q5输出高电平为加热，Q5输出低电平为停止加热。加热时，C3单元的LED灯亮。冷却由74LS273输出Q5控制，Q6输出高电平时风扇转动进行冷却，Q6输出低电平时风扇停止。本模块采用装在散热器下的温度采集晶体管AD590进行测温，当温度为0时，C3模块输出电压为0V，当温度上升，则输出电压线性增加；当温度为76.5时输出电压为+4.98V，该电压值可在该模块的IN-0测孔上测到，其输出值已连到模数转换器（B8）的IN

39、-0，用户无须再连线。由模/数转换器对其模拟电压进行摸/数转换，送CPU控制模块实现温度闭环控制。图7-3温控加热和冷却原理图注：温控模块的零位和满度，在出厂时已用专用设备调整，并用油漆封死，希望用户不要轻易调整。四实验内容及步骤1.实验测孔联线：1定时中断B9输出（OUT2）B9输入（IRQ6）2观测现象：只要运行LCAACT程序，选择控制系统菜单下的温度闭环控制实验项目，再选择开始实验，就会弹出温度示波器的界面（将自动加载相应源文件），点击开始将运行；然后设定温度参数和控制系数后，点击发送即可实现实时温度闭环控制。该实验的显示界面中“控制系数”栏的比例系数Kp、积分系数Ki、微分系数Kd和

40、积分控制量，以及温度参数均可由用户在界面上直接修改，以期获得理想的实验结果。如在控制过程中欲改变这些系数和参数，则改变后，只要再次点击“发送”键，即可使实验机按照新的控制系数和设定参数运行。根据公式计算所得的控制系数Kp、Ki、Kd必须乘以100后才能填入“控制系数”栏的相应位置。注：温度参数不能为0度。该实验的显示界面中：已设定：Kp=99，Ki=5，Kd=1，积分控制量=30，温度=65。在控制过程中，实际温度经数次振荡达到隐定值后，点击仃止，把时间轴移至2分/格或更大（在界面的右上角显示），将观测到整个温度闭环控制曲线，见图7-4所示（压缩了8倍的波形）。运行中，改变温度参数为1后，再次

41、点击“发送”键将启动风扇转动，进行冷却。图7-4温度闭环控制曲线附录虚拟示波器的使用第一节虚拟示波器的类型虚拟示波器的类型为了满足自动控制不同实验的要求我们提供了示波器的三种使用方法。（1）示波器的一般用法（2）幅频相频示波器的用法（3）特征曲线的用法第二节虚拟示波器的使用一设置用户可以根据不同的要求选择不同的示波器，具体设置方法如下：1示波器的一般用法：运行LCAACT程序，点击开始即可当作一般的示波器使用。2.实验使用：运行LCAACT程序，选择自动控制/微机控制/控制系统菜单下的相应实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的

42、CH1、CH2测孔测量波形。附-1虚拟示波器的界面二示波器的使用1示波器的一般使用附-2虚拟示波器运行界面附-2为普通示波器的界面，只要点击开始，示波器就运行了，此时就可以用实验机上CH1和CH2来观察波形。CH1和CH2各有输入范围选择开关，当输入电压小于5v-+5v应选用x1档，如果大于此输入范围应选用x5挡（表示衰减5倍）。普通示波器中提供了示波和X-Y两种方式，示波就是虚拟一般示波器的功能，X-Y相当于真实示波器中的X-Y选项，如果需要用X-Y功能，只要选中X-Y选项即可，在自动控制原理实验中实验五，实验六，实验七中必须用X-Y功能。在示波器运行时（示波方式下）可以调节电压量程CH1位

43、移CH2位移和时间量程。再次点击开始后，将停止示波器运行，即可进行波形分析和相关的测量（只保存当前实验的波形）。1信号幅值测量：首先应拖动上下滑杆，标定被测信号的电压范围。在两平行线右边的两个黄色块中的数据表示滑杆所在位置的电压值，在两平行线之间的黄色方块（左边）显示的数据即为所测量信号的幅度值。例：图2-2所示的单位阶跃函数作用下的时间响应中显示的最大超调量Mp=v=1.25V。2信号时间测量：首先应拖动左右滑杆，标定被测信号的时间范围。在两条垂直线之间的黄色方块显示的数据即为所测量波形的时间值。例：图2-2所示的单位阶跃函数作用下的时间响应中显示的调节时间ts=t=0.71S。3压缩/扩展波形：拖动时间量程即可，相应压缩为X2，X4，相反方向即