计算机控制技术指导书

机电一体化专业机械设计制造及其自动化专业计算机控制技术实验指导书机电教研室机械与材料工程学院目录实验一信号的采样与保持 (1)实验二机械手综合编程控制实验 (5)实验三PID控制算法在MATLAB中的仿真 (9)实验四采样控制系统分析 (13)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-ACC+实验系统一套，i386EX 系统板一块三、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。

四、实验原理1．采样与保持香农(采样)定理：若对于一个具有有限频谱|ω|＜ωmax的连续信号f(t)进行采样，当采样频率满足ωs≥2ωmax时，则采样函数f*(t)能无失真地恢复到原来的连续信号f(t)。

ωmax为信号的最高频率，ωs为采样频率。

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。

图2-1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。

2．信号的还原(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ωs 比2ωmax 大，如：ωs ≥10ωmax 。

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。

直线插值法：(取ωs ≥5ωmax)利用式在点 (X0,Y0)和 (X1,Y1)之间插入点(X,Y)，X1―X0 为采样间隔，Y1―Y0 分别为 X1 和 X0 采样时刻的 AD 采样值。

)(00X X K Y Y -+= 其中：0101X X Y Y K --=二次曲线插值法：(取ωs ≥3ωmax)： )]()[(12100X X K K X X Y Y -+-+=1201010202201011,X X X X Y Y X X Y Y K X X Y Y K -⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛-----=--= (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。

图2-1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。

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)，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。

图2-3五、实验步骤及结果1. 采样与保持(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(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2-4 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 k 14,151≤⋅≤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。

即H T S T k k 21,131≤⋅≤信号的还原效果较好。

实验二 机械手综合编程控制实验一、实验目的1．熟悉STEP 7—Micro/WIN 32编程软件2．上机编制简单的梯形图程序3．进一步掌握编程软件与PLC 的连接和程序的调试方法和步骤4．了解电磁阀、气缸的工作原理5．熟悉STEP 7—Micro/WIN 32编程软件符号表的使用二、实验原理1．电磁阀、气缸右图为一个简单的气路图。

上图中的电磁阀全称为先导式电磁换向阀。

它是得用电磁力的作用推动阀心换向，从而改变气流的流动方向。

从上图可以看出，在电磁阀未通电时高压气体从A流向气缸的左气腔（有杆气腔），气缸处于收缩状态。

当电磁阀通电时A、B的气流流向发生改变，高压气体从B流向气缸的右气腔，气缸处于升长状态。

因此控制电磁阀的通断就可以控制气缸升缩。

三、实验步骤1．预备知识为方便接线，系统只将电磁阀的正极引到了控制台的面板，而负极直接接到了开关电源的负极上。

2．电磁阀与PLC的连接接线图关掉控制台电源，按参考接线图连接好实验导线。

连接PLC电源线。

打开总电源、电磁阀电源。

3．编辑、下载、调试程序按SB1升降气缸下降，下降到位后机械手抓取工件，然后升降气缸复位；再按SB2升降气缸下降，下降到位后机械手放开工件，然后升降气缸复位。

在实际操作中可以先分配I/O表再确定接线图，也可以根据接线图来确定I/O表。

编辑并下载程序。

参考程序：四、实验记录（报告）简述电磁阀的工作原理记录程序调试的过程，调试中出现的问题及解决问题的过程。

整理出运行调试后的程序。

五、注意事项1．请不要在通电的情况下进行接线。

2．在未经老师同意时，请不要移动传感器的位置。

3．请爱护设备。

实验三 PID 控制算法在MATLAB 中的仿真PID 调节器（又叫PID 控制器）：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，它是在连续系统中技术成熟，应用最为广泛的一种调节器。

MATLAB 是MATrix LABoratory （矩阵实验室）的缩写，是又美国MathWorks 公司开发的集数值计算、符号计算和图形可视化三大基本功能于一体的、功能强大、操作简单的语言，是国际公认的优秀数学应用软件之一。

一、实验目的1．了解PID 参数对系统性能的影响 2．学习MATLAB 编程 二、实验设备PC 机一台 三、预备知识传统的PID 调节器的动作规律是：p i ddeu K e K edt K dt=++⎰ 拉氏变换：2d p i ip d K S K S K K K K S S S++++= e ：偏差，输入量与设定值之间的差； u ：控制量K P ：比例增益系数； K I ：积分增益系数； K D ：微分增益系数上表的意义是PID 参数增大时各系统性能指标的变化情况，当然，各参数与性能指标间的关系不是绝对的，知识表示一定范围内的相对关系，在设计和整定PID 参数时，上表只起一个定性的辅助作用。

下面以表为基础，通过一个例子，使读者了解PID 控制的基本功能在MATLAB 下实现的方法。

四、实验步骤例：弹簧-阻尼系统传递函数为：2()1()()X S G S F S MS bS k==++ 其中，1,10/,20/,()1M Kg b N S m k N m F S ==== ，试设计不同的P 、PI 、PD 、PID 控制器对响应的影响。

1．求解未加入校正装置的系统开环阶跃响应 在MATLABEditor/Debugger 下编辑下述代码: clear; num=1; den=[1 10 20]; step(num,den)从图中我们可以看出，系统的响应曲线未产生振荡，属于过阻尼性质，这类曲线一般响应速度都比较慢，系统的上升时间约为1s 左右，过渡过程时间约为 1.5s ，这样的响应速度太慢了，很难满足迅速定位的需要，静态误差达0.95.2．P 校正装置设计从表中我们可以看到增大p K 可以降低静态误差，减小上升时间和过渡过程。

系统的闭环传递函数为：2()10(20)pc p K G S S S K =+++系统的静态误差为：/(20)p p K K +，受实际系统的物理条件和放大器的实际情况限制，一般取几十到几百的量级。

我们选取300p K = 在MATLAB Editor/Debugger 下编辑下述代码: clear; kp=300; num=[kp]; den=[1 10 20+kp]; t=0:0.01:2; step(num,den,t)从图中我们可以得出什么结果？ 3． PD 校正装置的设计在系统中加入一个比例放大器和微分器。

闭环传递函数为：2()(10)(20)d pc d p K S K G S S K S K +=++++ 其中，取p K =300，d K =10在MATLAB Editor/Debugger 下编辑下述代码:clear;kp=300; kd=10; num=[ kd kp]; den=[1 10+kd 20+kp]; t=0:0.01:2; step(num,den,t)分析加入微分器后对系统的影响。