计算机控制技术实验指导书ZY.docx
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计算机控制技术实验指导书ZY
第一部分ATC2007系统篇-----------------------------
第一章系统概述------------------------------------------------
第二章软件使用说明------------------------------------------
第二部分计算机控制技术实验部分-------------------------
实验一模/数、数/模转换实验一---------------------------------------
实验二模/数、数/模转换实验二---------------------------------------
实验三平滑与数字滤波实验-------------------------------------------
实验四积分分离PID控制实验-------------------------------------------
实验五大林算法-----------------------------------------------
实验六直流电机闭环调速实验------------------------------------------
实验七电烤箱闭环控制实验------------------------------------------
第一部分ATC2007系统篇
第一章ATC2007系统概述
一、引言
“自动控制原理”是自动化、自动控制、电子技术、电气技术、精密仪器等专业教学中的一门重要的专业基础课程。
为满足各大专院校的教学需要，我公司精心设计制造了ATC2007实验系统，它具有很强的开放性能、扩展性能；运算模拟单元的运放有八个，每个运算模拟单元内都有实验所需的电阻、电容等元件，可以通过短路块和导线灵活方便的对系统单元电路进行组合，可以构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统；从运算模拟单元独立出来的可变电阻器组单元档位连续，调节精度高，接线灵活多变，充分满足于自控原理实验教学的要求。
利用系统提供的集成操作软件ATC2007，通过PC示波器功能可以实时、清晰的观察控制系统的各项静态、动态特性，方便了对模拟控制系统特性的研究。
我们采用微型温度控制单元来代替烤箱进行温度控制实验，加上系统配置的直流电机、步进电机等控制对象，可开设控制系统课程的实验。
该系统还可扩展支持如线性系统、最优控制、系统辨识及计算机控制等现代控制理论的模拟实验研究。
二、系统构成
ATC2007系统由各单元电路、8088_CPU单元和与PC机进行通讯的串口构成。
信号源发生单元电路：
U1信号源SG
正弦波单元：
U2正弦波SIN
运算模拟单元电路：
U3～U8
反向器单元：
U9
状态指示灯单元：
U10指示灯D
电位器单元：
U11P
单节拍脉冲发生单元：
U12单脉冲SP
非线性用单元电路：
U13NC
特殊运算环节单元：
U14
－5V电源发生单元：
U15A
驱动单元：
U16DRIVER
微型温度控制单元：
U17TC
电机单元：
U18MOTOR
采样保持器及单稳单元电路：
U19SH
模/数转换单元电路：
U20ADC
数/模转换单元电路：
U21DAC
示波器单元：
U22
可变电阻器组单元：
U23
8088_CPU单元：
U24
RS485通信单元：
U25
控制信号单元U26
第二章ATC2007集成操作软件使用说明
一、软件的安装
ATC2007实验系统配合集成操作软件ATC2007可方便地进行各项实验。
该软件可以在Windows98及Windows2K下运行。
二、进入系统
开启PC微机及实验平台的电源开关，启动实验系统，双击“ATC2007计算机控制实验软件”图标，即可进入集成环境。
根据您所使用的通讯端口设置“选择串口”——COM1或COM2。
图3.1集成软件操作界面
三.、文件操作（File）
在图3.1所示的操作界面中，选择文件菜单可新建文件或打开已有的文件，进行源文件的编辑操作（图3.2文件编揖操作界面）。
屏幕显示：
图3.2文件编揖操作界面
当打开源文件编辑窗口后（菜单会发生相应的变化），可利用菜单中所提供的功能对源程序进行输入、修改、保存等操作。
在对源程序进行修改的过程中，用户应先定义需要修改的程序块，然后可使用“编辑”莱单中的复制（C）、剪切（T）、粘贴（P）和撤消（U）等功能。
当源程序编辑修改完毕后，可将文件进行保存，保存时默认的扩展名“。
ASM”。
四、汇编程序（Masm）
在图3.2所示的界面中，选择“编译”菜单中的“汇编”项，即可对源文件进行汇编，系统自动完成汇编并生成“*.OBJ”文件。
并在屏幕上显示错误、警告等汇编信息：
图3.3汇编信息窗口
若在汇编过程中出现错误，则错误信息会出现在图3.3汇编信息窗口，用户可对照出错信息，修改程序。
五、连接（Link）
在图3.2所示的操作界面中，选择“编译”菜单中的“连接”项，即可对源文件进行连接，系统自动连接生成“*。
EXE”文件。
并在屏幕上显示错误、警告等连接信息：
六、程序装入（Load）
程序装入需在调试窗口的界面中进行，在图3.1集成软件操作界面或在图3.2所示的文件编揖操作界面中，选择“窗口”—“调试”，出现下面的调试窗口：
这时菜单栏中会增加几个与程序调试相关的菜单项。
选择“装入程序”，出现一个打开文件对话框，到安装目录下，选中刚才连接好的执行文件，点击打开，出现一个地址对话框，点击确定，即可将执行文件装入到系统中由段地址和偏移量指定的位置。
如下图所示：
七、运行程序
进入调试窗口，可以通过“单步运行”菜单项来单步执行程序，
也可在调试窗口中输入G=0000：
2000”来全速执行程序。
其中0000：
2000为程序装入时的段地址和偏移量。
八、程序存盘
选择“程序存盘”可将系统内存中的程序存入磁盘。
九.调试（Debug）
计算机控制实验调试界面下的主要命令
A启动小汇编程序
其格式为：
A[段址：
][偏移量]即：
A段址，偏移量——从段址：
偏移量构成的实际地址单元起填充汇编程序的目标码。
A偏移量——从默认的段址：
偏移量构成的实际地址单元起填充汇编程序的目标码。
A——从默认段址：
默认偏移量构成的实际地址单元起填充汇编程序的目标码。
需要说明的是，对输入汇编语句有如下规定：
（1）数字一律是不带H后缀的16进制数。
（2）[m]类操作一定要在之前标注W（字）或B（字节），如
MOVB[2010]，AL；
MOVW[2010]，AX
B断点设置
在“>”提示符下键入B，系统就提示：
“[i]：
”等待您给出断点地址，回车后，系统继续提示“[i＋1]：
”。
若直接用回车来响应则结束该命令。
系统允许设至至多10个断点，断点的清除方法，只能是通过键入复位开关或重新上电来实现。
D显示一段地址单元中的数据
其格式为D：
[[段址：
]起始地址，[尾地址]]
E编辑指定地址单元中的数据
其格式为：
E[段址：
偏移量]
每次只能一字节一字节地显示或修改数据。
一旦进入E命令状态，就可通过“空格”键来使地址向高地址方向移动，而“-”链则使地址向低地址向移动，亦可直接填入新数据来修改地址单元中的内容。
若直接用回车键来响应的话，就退出E命令。
G连续运行程序
其格为：
G[＝[段址：
]偏移量]
GB[＝[段址：
]偏移量]
其中G格式表示无断点连续运行由段址：
偏移量指定入口的程序：
而GB格式表示带断点连续运行由段址：
偏移量指定入口的程序。
注：
断点是由B命令来设置的。
I从I/O端口读入数据并显示
其格式为：
I[I/O接口地址]
如：
>I0042显示地址为0042接口单元的内容。
M数据块搬移
其格式为：
M[段址：
]源起始址，尾址[目标段址：
]目标起始址
执行该命令可实现整块数据区的搬移。
O数据送存指定I/O接口地址单元
其格式为：
OI/O口地址，数据
如：
>O0098，10就完成送10到地址为98的I/O端口上去。
R寄存器显示与修改
其格式为：
R寄存器名
可显示并修改特定寄存器的内容。
如：
>RAX就显示AX＝XXXX，此时您键入回车键表示结束R命令，若输入四位16进制数并回车的话，则就会将该四位数填入到相应的寄存器中并结束R命令。
T单步运行指定的程序
其格式为：
T＝[[段址：
]偏移量]
单步运行的程序入口地址由段址：
偏移量来指定，每次执行完毕，系统就会显示CS、DS、IP、AX的内容到显示器上。
如T＝0000：
2000表示从0000：
2000地址起单步执行一条命令。
U反汇编程序命令
其格式为：
U[[段址：
]起始址[，尾址]]或U
系统提供反汇编程序能力，上面第一格式可实现连续显示从某地址到另一高端地址间的代码反汇编，而后一种格式每次只能显示当前行。
十、示波器功能（Wave）
进入ATC2007系统集成操作软件界面，选择“窗口”——“示波器”后，屏暮显示：
用户可根据需要选择不同的示波器功能，进入相应的界面。
下面介绍示波器的4个功能：
a）示波器（对信号进行时域的测量，类似与普通示波器的功能）
l、性能
1）实时显示时，带宽为50HZ：
冻结显示时，带宽可达200HZ。
2）实时采样频率：
10KHZ
3）测量范围：
×l档为±5v，×5档为±l2v，×0.5档为±2.5v
4）通道数：
双通道。
2、界面及操作
界面如图3.4所示。
图3.4示波器功能界面
示波器窗口由功能键工具栏、波形显示窗口、数据显示窗口和命令/提示栏（状态栏）四个部分。
（见图3.4）功能键工具栏显示功能键提示，当前可用的功能键用彩色显示，不可用的用灰色显示。
数据显示窗口显示两路信号当前的电压值。
CHl显示第一通道，CH2显示第二通道，第一通道的电压值及波形用黄色显示，第二通道用绿色显示。
显示数据乘以0.l即为实际电压值（注意这是在×1档，当拨至×5档时，则实际电压应乘以5，当拨至×0.5档时，则实际电压应乘以0.5），单位为伏特。
波形显示窗口显示波形曲线。
命令/提示栏接收用户的命令并显示提示信息。
示波器工具栏功能（按自左向右的顺序逐个介绍）
1、启动示波器不运行程序。
适合于只需要观察波形时使用，例如做自控实验时。
2、启动示波器，并运行程序。
适合于需要用示波器观察程序运行效果时使用，例如做计算机控制实验。
可按提示键入用户程序的段地址（CS）及偏移量（IP：
），按确定后程序开始运行。
此时可将示波器探笔接至用户需要测量的地方，观察该处的波形。
3、停止测量。
停止示波器的采样，如果运行了计算机控制程序，程序将被终止。
建议在激活其它窗口时停止示波器测量。
注意：
终止后波形不会保留。
如果需要保留屏幕上的波形，可用暂停显示。
4、暂停显示。
将当前的波形保留在屏幕上，便于细致观察波形。
用“←”键和“→”键可移动游标测量波形数据（游标显示为一条白线）。
CHl及CH2数据显示窗会分别显示出游标所在位置两路信号的电压值，同时，波形显示窗左下方用黄色显示出游标所在处距窗口最左边的时间值，单位为毫秒。
如果希望继续显示波形，可用“继续显示”功能键。
暂停后可以用游标对波形进行测量、细分显示和打印波形，如果运行了计算机控制程序，程序仍在运行，不会被终止（于停止功能不同），时示波器仍在采样，只是不将数据显示在屏幕上。
注意：
在选择暂停显示的同时，在工具栏中将激活“细”功能键，若此时再点击“细”功能键，屏幕上的波形将按冻结方式重新显示，可得到更为细致的波形图（即将实时显示时无法辩认的波形通过此功能进行显示，此时AD已经停止采样，只能显示用户暂停时这一屏的波形），冻结显示结束后，可以使用“<”和“>”键控制游标，以测量波形数据，
5、继续显示。
暂停显示后用来恢复示波器的显示。
6、横向增加示波器显示比例。
7、横向减少示波器显示比例。
8、纵向增加示波器显示比例。
9、纵向减少示波器显示比例。
10、示波器显示还原。
将纵向拉伸过的图形还原为最初显示尺寸。
11、快速向左移动游标。
在暂停或细分显示时，用来移动测量游标，每次10格
12、向左移动游标。
在暂停或细分显示时，用来移动测量游，每次移动一格。
13、向右移动游标。
14、快速向右移动游标。
15、细分显示波形。
在暂停后可以使用。
执行时，示波器窗口标题栏会闪动，此时正在接收数据请等待，数据接收完成后会显示出波形，并可用游标进行测量。
16、左移波形。
执行细分显示后，可以使用。
17、右移波形。
执行细分显示后，可以使用。
18、在波形显示和保存波形界面间切换
19、保存某一时刻CH1的波形显示。
此处会弹出一个对话框询问保存到那一个图中，可选的有三个，选中之后，系统会将用户需要保存的图象保存到用户指定的图库中。
20、保存某一时刻CH2的波形显示到用户指定的图库中。
21、将两路波形同时保存到一个图库中。
22、波形打印。
暂停或细分显示时可以使用。
b）非线性测量（电压-电压关系测量功能）
三个工具按钮分别为：
启动测量，清屏功能，停止测量。
下面以典型非线形环节为例来说明此功能，实验内容参见《ATC2007实验指导书》中实验五（P25）。
将测量单元的CH1探笔接至Ui处，CH2接至UO处，调节U11单元的RW电位器（注意X与＋5V，Z与－5V分别用短路块短接）使Y在±5V变化，Ui将在±2.55×5V之间变化，而此次实验若选5.1V稳压二极管（用二个稳压二极管负极对负极串接起来，即可构成一只双向稳压二极管）调节RW时，一旦Ui超出±5.lV时，双向稳压二极管将限幅在±5.lV。
注意：
图中CHl、CH2所显示的值×0.l即为电压值，若测量单元中的CHl、CH2为乘5档时，一格代表5V，若为乘档l时，一格代表lV。
c）频率特性分析
在此实验中，我们利用ATC2007系统中的U21DAC单元，将提供频率和幅值均可调的基准正弦信号源，作为被测对象的输入信号，而ATC2007系统中测量单元的CH1通道用来观测被测对象的输出，选择不同角频率及幅值的正弦信号源作为对象的输入，可测得相应的对象输出，并在PC机屏幕上显示，我们可以根据所测得的数据正确描述对象的幅频和相频特性图。
具体实验步骤如下：
（l）将U21DAC单元的OUT端接到对象的输入端。
（2）将测量单元的CH1（必须拨为乘l档）接至对象的输出端。
（3）将U1SG单元的ST和S端断开，用排线将ST端接至8088_CPU单元中的PB0。
（由于在每次测量前，应对对象进行一次回零操作，ST即为对象锁零控制端，在这里，我们用8255的PB0口对ST进行程序控制。
）
（4）在PC机上输入相应的角频率，并使用“+”、“－”键选择合适的幅值，按ENTER键后，输入的角频率开始闪烁，直至测量完毕时停止，屏幕即显示所测对象的输出及信号源，移动游标，可得到相应的幅值和相位。
（5）如需重新测试，则按“N”键，系统会清除当前的测试结果，并等待输入新的角频率，准备开始进行下次调试。
（6）根据测得的在不同频率和幅值的信号源作用下系统误差e（t）及反馈c（t）的幅值、相对于信号源的相角差，用户可自行画出闭环系统的开环幅频和相频曲线。
d）86示波器（直流电机、烤箱实验专用波形显示）
在做第三部分电机调速控制和烤箱温度控制实验时，需要显示反馈和给定值，为了使显示数值与界面相符，请进入86示波器界面，使用该界面下“启动示波器，并运行程序”功能。
86示波器的界面中除示波器功能中显示刻度值与示波器界面中的不同之外，其余功能及使用方法完全相同。
对于时间刻度值由于采样周期不同存在以下关系：
实际时间（秒）＝（采样周期×实际刻度值）/20
烤箱温度控制范围在室温∽250℃，不要过高。
即给定值SPEC范围约在l4H（20℃）—FAH（250℃）之间。
示例程序中SPEC＝64H为l00℃。
TS＝64H，由于8253OUT2接IRQ6中断为l0ms，故采样周期＝64H×10＝1s；如实际刻度值＝5400，则实际响应时间（秒）＝（1×5400）/20＝270s。
温度控制响应时间较长，一屏不能完全观测到整个响应过程，每增加一屏，实际刻度值要累加6000。
电机转速范围在6转/秒—66转/秒之间，速度过低受阻力影响较大不稳定。
最大转速不超过4300转/分。
即：
给定值（SPEC）范围约在06H-42H之间。
示例程序中给定SPEC＝30H为48转/秒，TS＝l4H，由于8253OUT2接IRQ6中断为1ms，故采样周期＝14H×1＝0.02s如实际刻度值＝900，则实际响应时间（秒）＝（0.02×900）/20＝0.9s。
第二部分计算机机控制技术实验
实验一模/数、数/模转换实验
（1）
1.实验线路原理图：
见图1-1
图1-lA/D、D/A转换实验
（1）线路图
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RW1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。
由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的输入端。
选用8088CPU的地址输入信号IOY0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RW1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，同时这个数码也是D/A变换器的输入数码。
2.A/D、D/A转换程序流程：
（见图1-2）
对应下面的流程，已编好了程序存放在8088的监控中，可用U（反汇编）命令查看。
图1-2A/D转换主程序流程图
3.实验内容及步骤
（1）按图1—1接线。
用“短接块”分别将U1SG单元中的ST插针与＋5V插针短接；U11P单元中的X与＋5V、Z与－5V短接，其它画“●”的线需自行连接。
连接好后，请仔细检查，无误后方可接通电源。
（2）调零
在每一次实验前，都必须进行调零。
操作步骤如下：
打开实验专用软件ATC2007，进入调试窗口，在“〉”提示符下，键入A2000，启动小汇编，然后输入以下语句：
>0000:
2000MOVAL,80
>0000:
2002OUT00,AL
>0000:
2004INT
>0000:
2005
>G=0000:
2000
此时，调试窗口内将显示当前各寄存器的状态（2004，0000，…）。
将万用表拨至毫伏档，测量U21单元中OUT端的电压，调节DAC0832芯片右方的蓝色微调电阻，直至电压显示到0mv为止。
（若调不到绝对0mv，可调节至0.5mv以下的正电压，但切不可为负电压）
（3）将RW1输出调至－5V，在调试窗口执行程序：
〉G＝F000：
1100
观察调试窗口是否显示数码“00”（或者比00稍大也可）。
如若不是，可从以下方面进行检查：
输入是否为-5V；线路是否正确；调零是否准确；程序是否执行。
（4）依次调节RW1电位器，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，同时观察调试窗口显示数码，记下相应的转换值及D/A的输出模拟电压，填入下表1—1。
表中模拟输入电压以实际输入电压为准。
表1-1A/D、D/A实验
（1）结果
模拟输入电压（V）
显示器数码（H）
模拟输出电压（V）
-5
-4
-3
-2
-1
0
+1
+2
+3
+4
+5
实验二模/数、数/模转换实验
（2）
1.实验线路原理图：
见图2-1
图2-1A/D、D/A转换实验
（2）线路图
设置8255为定时方式，OUT2信号为采样脉冲，采样周期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2-2所示信号。
图2-2输入信号
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U21单元采样保持器电路中的OUT1输出信号与A/D变换单元U20的IN6输入信号一致；采样保持器电路的OUT2输出信号与A/D变换单元U20的IN7输入信号一致。
2.程序流程：
见图2-3
图2-3主程序和中断处理程序流程图
3.实验内客与步骤
（1）按图2-1接线。
将信号源单元（U1SG）的信号选择开关S11放到斜坡位置，用短接块将信号源（U1SG）的微型插针S与ST短接（ST应与+5V断开）。
置S12为下档，调节W11和W12，使得IN6、IN7输入波形接近图2-2的要求。
（2）执行程序：
G=F000：
1151。
（3）用示波器观察并记录以下三组波形：
IN6输入与U21单元中的OUTl输出两者对比波形；
IN7输入与U21单元中的OUT2输出两者对比波形；
U21单元中的输出OUT端分时控制输出波形。
实验三数字滤波实验
1.实验原理与线路
（1）原理
①见图3-1
图3-1数字滤波原理图
计算机对含有干扰的正弦信号R（约0.5～1HZ）通过U20采样输入，然后进行数字滤波处理，以保留正弦信号，去除干扰，最后送至U21变成模拟量C输出。
（2）摸拟带有尖脉冲干扰的正弦信号
用RC电路将U1单元的555输出方波（S端）微分，将此微分信号视作干扰，再用U2SIN单元产生的正弦波，两信号迭加，如图3-2。
注意R点波形不要超过±5V，以免数字化溢出。
（3）滤波器的计算
要求设计一个相当于
的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式（注1）
其中，Xk：
输入，Yk输出，
。
上式中a的取值范围：
0.00～0.99。
1-a、a的值要分别保存在2F00H和2F03H地址中，存入方法：
在调试窗口使用E[地址]命令可对指定地址中的内容进行修改，假设a=0.95，这个值要保存在2F03H地址中。
>E2F03↙
>0000:
2F03=CC_95↙
启动相应程序后则会将BCD码“95”转换成二进制小数，再按算式进行定点小数运算。
采样信号由8253得到，8253定时5ms，采样周期T为：
ms
Tk需保存在2F60H地址中，取值范围：
01H～FFH，对应T的范围：
5ms～1275ms。
1－a，a，Tk的存储区见表3-1。
表3-1
变量的值
1-a
a
Tk
存入地址
2F00H
2F03H
2F60H
注1：
理论推导算式为
，实验采用的算式作了近似处理。
（5）线路
接线见图3-2，图中接入1点的信号为正弦波，2点为干扰信号。
图3-2数字滤波线路图
2.实验程序流程：
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