微机控制原理与技术实验指导书.docx
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微机控制原理与技术实验指导书
微机控制原理与技术
实验指导书
电子信息工程系
目录
实验一控制系统分析
实验二步进电机实验
实验三直流电机调速实验
实验四PID算法设计
实验一控制系统分析
一、实验目的
1．培养学生初步的MATLAB编程能力；
2．培养学生初步的利用MATLAB对连续控制系统进行时域、频域分析的能力。
二、实验设备及材料
1．计算机一台；
2．MATLAB平台；
三、实验原理及方法
1．对如下离散控制系统进行单位阶跃响应、单位脉冲响应的仿真：
2．用到的控制系统工具箱函数有：
step（）、impulse（）、bode（）、nyquist（）。
可查看帮助文件了解它们的功能及用法。
3．可参考如下MATLAB语言仿真样例程序进行编程：
num=[25];
den=[1325];
%画单位阶跃响应曲线
[y,x]=step（num,den）
subplot（2,2,1）
plot（y）
grid
xlabel（'Time/s'）;
ylabel（'Amplitude'）;
title（'stepresponse'）
%画单位脉冲响应曲线
[y,x]=impulse（num,den）;
subplot（2,2,2）
plot（y）
grid
xlabel（'Time/s'）;
ylabel（'Amplitude'）;
title（'impulseresponse'）
%画系统bode图
subplot（2,2,3）
bode（num,den）;
title（'BodePlot'）
grid
%画系统的nyquist图
subplot（2,2,4）
nyquist（num,den）
title（'NyquistPlot'）
grid
4．参考仿真结果曲线如下：
四、实验内容
1、时域分析
（1）根据下面传递函数模型：
绘制其单位阶跃响应曲线并从图上读取最大超调量，并绘制系统的单位脉冲响应。
（2）典型二阶系统传递函数为：
当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的单位阶跃响应。
（3）典型二阶系统传递函数为：
当ωn=6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的单位阶跃响应。
2、频域分析
（1）典型二阶系统传递函数为：
当ζ=0.7,ωn取2、4、6、8、10、12的伯德图
（2）典型二阶系统传递函数为：
当ωn=6,ζ取0.2、0.4、0.6、0.8、1.0、1.5、2.0的伯德图。
3、系统稳定性分析
（1）代数法稳定性判据：
（用求分母多项式的根的方法）
已知系统的开环传递函数为：
试对系统闭环判别其稳定性。
（2）Bode图法判断系统稳定性：
已知两个单位负反馈系统的开环传递函数分别为：
用Bode图法判断系统闭环的稳定性。
五、实验步骤
1．开机，进入MATLAB记事本窗口；
2．新建“**．M”文件，输入程序，保存“**．M”文件；
3．进入命令窗口，运行“**．M”文件；
4．观察并绘制仿真结果曲线；
5．调整模型参数，观察、分析时间响应曲线的变化。
六、实验要求
利用所学知识，完成上述各项实验内容，并将实验用程序和结果写在实验报告上。
如果有图，则将图画在实验报告上。
实验二步进电机实验
一．实验目的
通过实验学习使用5509DSP的扩展I/O端口控制外围设备信息的方法，掌握使用5509DSP通用计时器的控制原理及中断服务程序的编程方法；了解步进电机的控制方法。
二．实验设备
计算机，ICETEK-VC5509-EDU实验箱。
三．实验原理
1．EMIF接口：
TMS320C5509DSP的扩展存储器接口（EMIF）用来与大多数外围设备进行连接，典型应用如连接片外扩展存储器等。
这一接口提供地址连线、数据连线和一组控制线。
ICETEK-VC5509-A将这些扩展线引到了板上的扩展插座上供扩展使用。
2．步进电机是由DSP通用I/O管脚输出直接控制。
步进电机的起动频率大于500PPS（拍每秒），空载运行频率大于900PPS。
5509A的通用I/O口S22控制电机的转动频率，S14控制转动方向。
3．控制的方法是使用DSP通用定时器设置S22以一定的频率改变高低状态，输出方波，设置S14为高电平则顺时针转动，低电平为逆时针转动。
4．实验程序流程图：
四．实验步骤
1．实验准备：
⑴连接实验设备。
⑵连接实验箱附带的键盘的PS2插头到ICETEK-CTR的“键盘接口”P8。
⑶将ICETEK-CTR板的供电电源开关拨动到“开”的位置。
2．设置CodeComposerStudio2.21在硬件仿真（Emulator）方式下运行：
3．启动CodeComposerStudio2.21：
4．打开工程文件：
工程目录：
C:
\ICETEK-VC5509-EDULab\Lab0407-SAMotor\SAMotor.pjt。
浏览main.c文件的内容，理解各语句作用。
5．编译并下载程序。
6．运行程序，观察结果。
电机转动时按下ICETEK-CTR板上连接的小键盘中“4”和“6”键，控制电机转动方向。
用“+”和“-”键可微调速度。
7．停止程序运行并退出。
8．退出CCS。
实验三直流电机调速控制实验
一．实验目的
1．学习用C语言编制中断程序，控制VC5509DSP的通用I/O管脚产生不同占空比的PWM信号。
2．学习VC5509DSP的通用I/O管脚的控制方法。
3．学习直流电机的控制原理和控制方法。
二．实验设备
计算机，ICETEK-VC5509-EDU实验箱。
三．实验原理
1．直流电机控制：
直流电动机是最早出现的电动机，也是最早能实现调速的电动机。
近年来，直流电动机的结构和控制方式都发生了很大的变化。
随着计算机进入控制领域，以及新型的电力电子功率元器件的不断出现，使采用全控型的开关功率元件进行脉宽调制（PulsWidthModulation，简称PWM）控制方式已成为绝对主流。
PWM调压调速原理：
直流电动机转速n的表达式为：
其中，U为电枢端电压；I为电枢电流；R为电枢电路总电阻；Φ为每极磁通量；K为电动机结构参数。
所以直流电动机的转速控制方法可分为两类：
对励磁磁通进行控制的励磁控制法和对电枢电压进行控制的电枢控制法。
其中励磁控制法在低速时受磁极饱和的限制，在高速时受换向火花和换向器结构强度的限制，并且励磁线圈电感较大，动态响应较差，所以这种控制方法用得很少。
现在，大多数应用场合都使用电枢控制法。
绝大多数直流电机采用开关驱动方式。
开关驱动方式是使半导体功率器件工作在开关状态，通过脉宽调制PWM来控制电动机电枢电压，实现调速。
上图是利用开关管对直流电动机进行PWM调速控制的原理图和输入输出电压波形。
图中，当开关管MOSFET的栅极输入高电平时，开关管导通，直流电动机电枢绕组两端有电压Us。
t1秒后，栅极输入变为低电平，开关管截止，电动机电枢两端电压为0。
t2秒后，栅极输入重新变为高电平，开关管的动作重复前面的过程。
这样，对应着输入的电平高低，直流电动机电枢绕组两端的电压波形如图中所示。
电动机的电枢绕组两端的电压平均值Uo为：
占空比α表示了在一个周期T里，开关管导通的时间与周期的比值。
α的变化范围为0≤α≤1。
由此式可知，当电源电压Us不变的情况下，电枢的端电压的平均值Uo取决于占空比α的大小，改变α值就可以改变端电压的平均值，从而达到调速的目的，这就是PWM调速原理。
2．ICETEK-CTR直流电机模块：
ICETEK-CTR即显示/控制模块上直流电机部分的原理图见下图。
图中PWM输入对应ICETEK-VC5509-A板上P4外扩插座第26引脚的S22信号，DSP将在
此引脚上给出PWM信号用来控制直流电机的转速；图中的DIR输入对应ICETEK-VC5509-A板上P4外扩插座第29引脚的S14信号，DSP将在此引脚上给出高电平或低电平来控制直流
电机的方向。
从DSP输出的PWM信号和转向信号先经过2个与门和1个非门再与各个开关管的栅极相连。
控制原理：
当电动机要求正转时，S14给出高电平信号，该信号分成3路：
第1路接与门Y1的输入端，使与门Y1的输出由PWM决定，所以开关管V1栅极受PWM控制；第2路直接与开关管V4的栅极相连，使V4导通；第3路经非门F1连接到与门Y2的输入端，使与门Y2输出为0，这样使开关管V3截止；从非门F1输出的另一路与开关管V2的栅极相连，其低电平信号也使V2截止。
同样，当电动机要求反转时，S14给出低电平信号，经过2个与门和1个非门组成的逻辑电路后，使开关管V3受PWM信号控制，V2导通，V1、V4全部截止。
3．程序编制：
程序中采用定时器中断产生固定频率的PWM波，100次中断为一个周期，在每个中断中根据当前占空比判断应输出波形的高低电平。
主程序用轮询方式读入键盘输入，得到转速和方向控制命令。
在改变电机方向时为减少电压和电流的波动采用先减速再反转的控制顺序。
4．实验程序流程图：
四．实验步骤
1．实验准备：
⑴连接实验设备。
⑵连接实验箱附带的键盘的PS2插头到ICETEK-CTR的“键盘接口”P8。
⑶将ICETEK-CTR板的供电电源开关拨动到“开”的位置。
2．设置CodeComposerStudio2.21在硬件仿真（Emulator）方式下运行：
3．启动CodeComposerStudio2.21：
4．打开工程文件：
工程目录：
C:
\ICETEK-VC5509-EDULab\Lab0406-DCMotor\DCMotor.pjt。
浏览main.c文件的内容，理解各语句作用。
5．编译并下载程序。
6．运行并观察程序运行结果。
开始运行程序后，电机以中等速度转动（占空比=60，转速=2）。
在小键盘上按数字‘1’～‘5’键将分别控制电机从低速到高速转动（转速=1～5）。
在小键盘上按数字‘0’键将控制电机停止转动。
在小键盘上按‘+’或‘-’键切换电机的转动方向。
如果程序退出或中断时电机不停转动，可以将控制ICETEK-CTR模块的电源开关关闭再开启一次。
有时键盘控制不是非常灵敏，这是因为程序采用了轮询方式读键盘输入的结果，可以多按几次按键。
7．结束程序运行：
在小键盘上按‘Enter’键停止电机转动并退出程序。
8．退出CCS。
实验四PID算法设计
一：
实验目的
1.初步利用MATLAB对离散控制系统进行时域、频域分析的能力;
2.了解PID控制规律和P、I、D参数对控制系统性能的影响;
3.学会用M文件来构造控制系统模型。
二：
实验设备
计算机一台；MATLAB平台；
三：
实验原理及方法
参考附件
四：
设计任务
对于如下的控制系统，首先分析其数学模型，用MATLAB描述对象的模型。
再分别采用P、PI、PD、PID控制器构成闭环控制系统，并求取闭环系统的阶跃响应；在此基础上变化P、I、D参数的值，了解比例、积分和微分参数对控制系统性能的不同影响，并用M文件来构造控制系统模型。
五：
设计要求
已知：
M=0.5kg；b=6N.s/m；k=10N/m
要求：
1.Step函数求取对象的开环响应曲线；指出稳态误差Ess和调节时间Ts。
2.采用比例控制器P构成闭环反馈系统；选取Kp＝100，用Step函数求其闭环响应曲线；指出稳态误差Ess、超调量
和调节时间Ts。
3.采用比例积分控制器PI构成闭环反馈系统；选取Kp＝50，Ki＝100，用Step函数求其闭环响应曲线；指出稳态误差Ess、超调量
和调节时间Ts。
4.采用比例微分控制器PD构成闭环反馈系统；选取Kp＝100，Kd＝10，用Step函数求其闭环响应曲线；指出稳态误差Ess、超调量
和调节时间Ts。
。
5.采用PID控制器构成闭环反馈系统；选取Kp＝100，Ki＝200，Kd＝10，用Step函数求其闭环响应曲线；指出稳态误差Ess、超调量
和调节时间Ts。
6.分别变化PID参数值中的一个参数，求取闭环控制系统的阶跃响应，得出相应参数对控制性能的影响效果。
六：
实验步骤
1.开机，进入MATLAB记事本窗口；
2.新建“**．M”文件，输入程序，保存“**．M”文件；
3.进入命令窗口，运行“**．M”文件；
4.记录仿真结果曲线；
5.调整模型参数，观察、分析时间响应曲线的变化。
附件
Introduction
Thistutorialwillshowyouthecharacteristicsoftheeachofproportional（P）,theintegral（I）,andthederivative（D）controls,andhowtousethemtoobtainadesiredresponse.Inthistutorial,wewillconsiderthefollowingunityfeedbacksystem:
Plant:
Asystemtobecontrolled
Controller:
Providestheexcitationfortheplant;Designedtocontroltheoverallsystembehavior
Thethree-termcontroller
ThetransferfunctionofthePIDcontrollerlookslikethefollowing:
∙Kp=Proportionalgain
∙KI=Integralgain
∙Kd=Derivativegain
First,let'stakealookathowthePIDcontrollerworksinaclosed-loopsystemusingtheschematicshownabove.Thevariable（e）representsthetrackingerror,thedifferencebetweenthedesiredinputvalue（R）andtheactualoutput（Y）.Thiserrorsignal（e）willbesenttothePIDcontroller,andthecontrollercomputesboththederivativeandtheintegralofthiserrorsignal.Thesignal（u）justpastthecontrollerisnowequaltotheproportionalgain（Kp）timesthemagnitudeoftheerrorplustheintegralgain（Ki）timestheintegraloftheerrorplusthederivativegain（Kd）timesthederivativeoftheerror.
Thissignal（u）willbesenttotheplant,andthenewoutput（Y）willbeobtained.Thisnewoutput（Y）willbesentbacktothesensoragaintofindthenewerrorsignal（e）.Thecontrollertakesthisnewerrorsignalandcomputesitsderivativeanditsintegralagain.Thisprocessgoesonandon.
ThecharacteristicsofP,I,andDcontrollers
Aproportionalcontroller（Kp）willhavetheeffectofreducingtherisetimeandwillreduce,butnevereliminate,thesteady-stateerror.Anintegralcontrol（Ki）willhavetheeffectofeliminatingthesteady-stateerror,butitmaymakethetransientresponseworse.Aderivativecontrol（Kd）willhavetheeffectofincreasingthestabilityofthesystem,reducingtheovershoot,andimprovingthetransientresponse.EffectsofeachofcontrollersKp,Kd,andKionaclosed-loopsystemaresummarizedinthetableshownbelow.
CLRESPONSE
RISETIME
OVERSHOOT
SETTLINGTIME
S-SERROR
Kp
Decrease
Increase
SmallChange
Decrease
Ki
Decrease
Increase
Increase
Eliminate
Kd
SmallChange
Decrease
Decrease
SmallChange
Notethatthesecorrelationsmaynotbeexactlyaccurate,becauseKp,Ki,andKdaredependentofeachother.Infact,changingoneofthesevariablescanchangetheeffectoftheothertwo.Forthisreason,thetableshouldonlybeusedasareferencewhenyouaredeterminingthevaluesforKi,KpandKd.
ExampleProblem
Supposewehaveasimplemass,spring,anddamperproblem.
Themodelingequationofthissystemis
（1）
TakingtheLaplacetransformofthemodelingequation
（1）
ThetransferfunctionbetweenthedisplacementX（s）andtheinputF（s）thenbecomes
Let
∙M=1kg
∙b=10N.s/m
∙k=20N/m
∙F（s）=1
Plugthesevaluesintotheabovetransferfunction
ThegoalofthisproblemistoshowyouhoweachofKp,KiandKdcontributestoobtain
∙Fastrisetime
∙Minimumovershoot
∙Nosteady-stateerror
Open-loopstepresponse
Let'sfirstviewtheopen-loopstepresponse.Createanewm-fileandaddinthefollowingcode:
num=1;
den=[11020];
step（num,den）
Runningthism-fileintheMatlabcommandwindowshouldgiveyoutheplotshownbelow.
TheDCgainoftheplanttransferfunctionis1/20,so0.05isthefinalvalueoftheoutputtoanunitstepinput.Thiscorrespondstothesteady-stateerrorof0.95,quitelargeindeed.Furthermore,therisetimeisaboutonesecond,andthesettlingtimeisabout1.5seconds.Let'sdesignacontrollerthatwillreducetherisetime,reducethesettlingtime,andeliminatesthesteady-stateerror.
Proportionalcontrol
Fromthetableshownabove,weseethattheproportionalcontroller（Kp）reducestherisetime,increasestheovershoot,andreducesthesteady-stateerror.Theclosed-looptransferfunctionoftheabovesystemwithaproportionalcontrolleris:
Lettheproportionalgain（Kp）equals300andchangethem-filetothefollowing:
Kp=300;
num=[Kp];
den=[11020+Kp];
t=0:
0.01:
2;
step（num,den,t）
Runningthism-fileintheMatlabcommandwindowshouldgivesyouthefollowingplot.
Note:
TheMatlabfunctioncalledcloopcanbeusedtoobtainaclosed-looptransferfunctiondirectlyfromtheopen-looptransferfunction（insteadofobtainingclosed-looptransferfun
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