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：0

101X X Y Y K --=

二次曲线插值法：(取ωs ≥3ωmax)： )]()[(12100X X K K X X Y Y -+-+=

1

201010202201011,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 0,110

1≤⋅≤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 14,15

1≤⋅≤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