计算机控制技术实验报告.(DOC)

计算机控制技术实验报告实验一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、实验设备PC 机一台，TD-ACS实验系统一套，i386EX 系统板一块。

三、实验原理香农（采样）定理：若对于一个具有有限频谱（max ωω<）的连续信号)(t f 进行采样，当采样频率满足max 2ωω≥s时，则采样函数)(t f *能无失真地恢复到原来的连续信号)(t f 。

max ω为信号的最高频率，s ω为采样频率。

四．实验内容1．采样与保持编写程序，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。

实验线路图如图2-1所示，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。

STR /OE EOC CLOCKIN7AB CD0 ┆D7+5V i386EX CPU24MHzTMROUT1INT3(主8259IRQ7)TMRCLK1WR#CLK2 M/IO# A0XD0┆XD7OUT1/IOY01MHz 分频模数转换单元控制计算机/CS /WR A0OUT1D0┆ D7 /IOY1/IOWIRQ7数模转换单元正弦波OUT图2-1 采样保持线路图控制计算机的“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。

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。

零阶采样保持程序流程图如图2-2所示。

系统初始化主程序变量初始化等待中断还原采样周期变量采样中断服务程序（零阶保持）采样周期到否？读取A/D 采样值，送D/A 输出YN中断返回图2-2 零阶采样保持程序流程图实验步骤：（1）参考流程图2-2编写零阶保持程序，编译、链接。

（2）按照实验线路图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。

（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”。

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

2．信号的还原编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。

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s ω比max 2ω大，如：max 10ωω≥s 。

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。

（1）直线插值法（取max 5ωω≥s ）利用式1.2 -1在点（X0，Y0）和（X1，Y1）之间插入点（X ，Y ）。

)(00X X K Y Y -+=其中：0101X X Y Y K --=X1−X0为采样间隔，Y1−Y0分别为X1和X0采样时刻的AD 采样值。

（2）二次曲线插值法（取max 3ωω>s）：)]()[(12100X X K K X X Y Y -+-+=其中，1201010202201011,X X X X Y Y X X Y Y K X X Y Y K -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----=--= 直线插值与二次曲线插值程序流程图如图2-3所示。

采样中断服务程序（直线插值）采样周期到否？计算插值点并送D/A 输出NY采样周期变量减一D/A 输出前一采样值，计算K1采样周期变更还原采样中断服务程序（二次曲线插值）采样周期到否？计算插值点并送D/A 输出NY采样周期变量减一D/A 输出前一采样值，计算K1、K2采样周期变更还原中断返回中断返回图2-3 直线插值与二次曲线插值程序流程图实验步骤：（1）参考流程图2-3分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。

（2）按照线路图2-1接线，检查无误后，开启设备电源。

调节正弦波单元的调幅、调频 电位器，使正弦波单元输出幅值为3V ，周期1S 的正弦波。

（3）分别装载并运行程序，运行程序前将采样周期变量Tk 加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。

用示波器观察数模转换单元的输出，和零阶保持程序的运行效果进行比较。

由上述结果可以看出：在采样频率Ws =10Wmax 时，用三种方法还原信号，直线插值要好于零阶保持，二次曲线插值好于直线插值。

采用合理的插值算法可以降低信号的失真度，在允许的范围内可以有效地降低对采样频率的要求。

（4）（3）中是在同一采样频率下，比较三种方法还原信号的效果，实验中也可比较一种还原方法在不同采样频率下的效果。

对于零阶保持来说：当采样频率≥信号频率的10倍时，即AH T S T k k 0,1101≤⋅≤信号的还原效果较好。

对于直线插值来说：当采样频率≥信号频率的5倍时，即H T S T k k14,151≤⋅≤信号的还原效果较好。

对于二次曲线插值来说：当采样频率≥信号频率的3倍时。

HT S T k k 21,131≤⋅≤信号的还原效果较好。

五．实验结果采样周期Tk=05H 时的输出波形：采样周期Tk=33H 时的输出波形为：由得到的实验结果可以看出:采样周期 Tk=05H 时，输出波形与原来基本相同；Tk>32H 时输出波形产生失真。

信号还原实验结果：Tk=0AH 时，三种方法还原得到的结果：直线差值的输出波形：二次曲线插值的输出波形：零阶保持输出波形：实验二 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、实验设备PC 机一台，TD-ACS 实验系统一套，i386EX 系统板一块。

三、实验原理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。

控制计算机模数转换数模转换RC图3-1数字滤波方框图（1）一阶惯性滤波： 相当于传函11+S τ的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式： 1)1(-+-=K K K aY X a Y其中，K X 为当前采样时刻的输入，K Y 为当前采样时刻的输出，1-K Y 为前一采样时刻的输出，T 为采样周期，τTa =-1。

（2）四点加权滤波： 四点加权滤波算法公式：)1(41i 3423121∑=---=+++=i K K K K K A X A X A X A X A Y其中，K X 为当前采样时刻的输入，1-K X 为前一采样时刻的输入，1-K Y 为前一采样时刻的输出。

数字滤波程序流程图如图3-2所示。

系统初始化主程序变量初始化等待中断系数转换取A/D 采样值计算YK=(1-a)XK+Z D/A 输出YK 的值采样中断程序（一阶惯性）计算Z=a*YK 取A/D 采样值计算YK=A1*XK+ZD/A 输出YK 的值采样中断程序（四点加权）计算Z=A2*XK_1+A3*XK_2+A4*XK_3中断返回中断返回图3-2 数字滤波程序流程图实验中的参数：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。

四．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。

实验线路图如图3-3所示，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。

STR /OE EOC CLOCK IN7A B CD0 ┆D7+5V i386EX CPU24MHzTMROUT1INT3(主8259IRQ7)TMRCLK1WR#CLK2 M/IO# A0XD0┆XD7OUT1/IOY01MHz 分频模数转换单元控制计算机/CS /WR A0OUT1D0┆ D7 /IOY1/IOWIRQ7数模转换单元S ST +5V GND -正弦波 OUT信号源10K10K10K10K 1uF 47K47KS1NC短路块RC图3-3 数字滤波实验线路图控制计算机的“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。

五、实验步骤1. 参照流程图3-2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. 按实验线路图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 。

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。

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。

六．实验结果一阶惯性滤波输出波形：四点加权滤波输出波形：由实验结果可以得到此实验一阶惯性滤波的效果更好，其更有效的滤去了噪声干扰信号。

实验四积分分离法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-ACS 实验系统一套，i386EX 系统板一块三、 实验原理根据系统偏差的比例（P ）、积分（I ）和微分（D ）进行控制的调节器简称为PID 调节器（也称为PID 控制器），是连续系统中技术成熟、应用最为广泛的一种调节器，其控制规律为：])()(1)([)(⎰++=dtt de T dt t e T t e K t u d i p 在计算机控制系统中，PID 控制规律的实现必须用数值逼近的方法。