计控实验

实验二最小拍控制系统

4.1.1 实验目的

1．掌握最小拍有纹波控制系统的设计方法。

2．掌握最小拍无纹波控制系统的设计方法。

4.1.2 实验设备

PC 机一台，TD-ACC + 实验系统一套，i386EX 系统板一块

4.1.3 实验原理及内容

典型的最小拍控制系统如图 4.1-1 所示，其中D(Z)为数字调节器，G(Z)为包括零阶保持

器在内的广义对象的Z 传递函数，Φ(Z)为闭环Z 传递函数，C(Z)为输出信号的Z 传递函数，R(Z)为输入信号的Z 传递函数。

1 ．最小拍有纹波系统设计

图 4.1-2 是一个典型的最小拍控制系统。

2 ．最小拍无纹波系统设计

有纹波系统虽然在采样点上的误差为零，但不能保证采样点之间的误差值也为零，因此

存在纹波现象。无纹波系统设计只要使U(Z)是Z -1 的有限多项式，则可以保证系统输出无纹波。即：

式中P i 、Z i ――分别是G(Z)的极点和零点。

为了使U(Z)为有限多项式，只要Φ(Z)的零点包含G(Z)的全部零点即可，这也是最小拍无纹波设计和有纹波设计的唯一不同点。

如图 4.1-2 所示，针对单位斜波输入，无纹波系统控制算法可设计为：

3. 实验线路图

图 4.1-2 所示的方框图，其硬件电路原理及接线图可设计如下，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，对象需用户在运放单元搭接。

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，“DIN0”表示386EX 的I/O 管脚P1.0，在这里作为输入管脚用来检测信号是否同步。

这里，系统误差信号E 通过模数转换单元“IN7”端输入，控制计算机的定时器作为基准时钟(初始化为10ms)，定时采集“IN7”端的信号，通过采样中断读入信号 E 的数字量，并将采样值进行D(Z)计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。

4. 数字控制器的实现

图 4.1-4 是数字控制器实现的参考程序流程图。

实验参考程序：请参照随机软件中的example 目录中的ACC4-1-1.ASM(有纹波)，

ACC4-1-2.ASM(无纹波)。

在参考程序中，采样周期T=T K ·10ms，T K 的取值范围为01H~FFH，所以T 的范围为10ms~2550ms。例如：当T=1S 时，有

D(Z)算式中的K i 和P i 取值范围为－0.9999～+0.9999，在参考程序中分别用相邻的三个字节存储其BCD 码，例如：K 0 ＝0.5435，K 1 =－0.2 其存储方式为

第一个字节表示符号，00H 表示正数，01H 表示负数。

4.1.4 实验步骤

1. 参考流程图4.1-4 编写程序，检查无误后编译、链接。

2. 按照实验线路图4.1-3 接线。检查无误后开启设备电源。

3．将模拟实验对象进行整定，具体整定方法参见附录一。对象的输入信号选择：当为有纹波设计时，选择方波信号。调节电位器使方波信号的幅值为 2.5V，周期为6S。当为无纹波设计时，选择单位斜波信号，斜波幅值为6S，上升时间为6S。

4．分别将有纹波和无纹波设计方法得到的参数写入程序，分别装载并运行程序，用示波器观察对象的测量点“C”和数模转换单元的“OUT1”端，并记录波形进行分析。注意：实验中有纹波是针对阶跃输入设计，而无纹波是针对斜波输入信号设计，所以实验时要注意

正确的选择信号源。

4.1.5 实验结果及分析

最小拍控制系统的设计方法是简便的，结构也是简单的，设计结果可以得到解析解，便

于计算机实现。但是最小拍设计存在如下一些问题：

(1) 最小拍控制系统对输入形式的适应性差，当系统的输入形式改变，尤其是存在随机

扰动时，系统的性能变坏。

(2) 最小拍控制系统对参数的变化很敏感，在实验过程中，随着外部条件的变化，对象

参数的变化是不可避免的，以及计算机在计算过程中产生的误差，从而使得实际输出可能偏

离期望值。

实验三数字脉冲分配器和步进电机调速控制

步进电机是工业控制中的主要控制元件之一，具有快速启停、精确步进及直接接收数字量的特点。步进电机实际上是一个脉冲/角度转换器，在步进电机控制系统中，脉冲分配器产生周期性的脉冲序列，步进电机每接收到一个脉冲，就沿规定方向走一步。本实验中用程序实现脉冲分配器。

2.1.1 实验目的

1．了解步进电机的工作原理。

2．用程序实现脉冲分配器，并对步进电机进行顺序控制。

2.1.2 实验设备

PC 机一台，TD-ACC + 实验系统一套，i386EX 系统板一块

2.1.3 实验原理

1．本实验使用35BYJ46 型四项八拍电机，电压为DC12V，励磁线圈及励磁顺序如下图。

2．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。

上图中，控制计算机通过程序控制DOUT0 ～DOUT3 (对应386EX 的I/O 管脚P1.4～P1.7)的输出步进电平，并经过驱动电路使步进电机步进。驱动电路采用ULN2803A 达林顿反相驱动器，驱动电流可达500mA，其作用是将控制计算机输出的控制脉冲进行功率放大，产生电机工作所需的激励电流。

参照步进电机的节拍表，DOUT0 ～DOUT3 输出电平和步序的对应表如下所示：

2.1.4 实验步骤

1．编写程序，检查无误后编译、链接。实验程序请参照随机软件中的example 目录中的ACC2-1-1.ASM。

2．按图2.1-2 接线，检查无误后开启设备电源。

3．装载并运行程序，观察电机转速。

4．改变程序中的步间延时，再观察电机转速。

2.1.5实验现象

将其对应输出值分别改为1H,6H,9H,电动机的转速不断加快。