计算机控制系统实验平台讲解

计算机控制系统实验平台

（本文由袁绍强及夏洁撰写）

为完成本科计算机控制系统课实验的教学，北京航空航天大学自动化学院控制实验中心，研制和开发了多种计算机控制系统实验平台。与本科教学有关的实验平台简单介绍如下。

1．微机控制伺服系统

1.1 实验系统及相关设备介绍

微机控制伺服系统是PC机为控制计算机，插入模/数、数/模转换板，控制模拟式小功率随动系统。软件采用Borland C或TC.计算机控制系列实验以此为平台，专门为学习了“计算机控制系统”课程的本科生设计的一组高水平实验。

具体内容包括：

随动系统的部件性能测试；建立数学模型；连续系统离散化；设计模拟及数字控制系统的控制律；闭环调试等。

在计算机实现方面，学习如何将计算机与物理系统相连接；研究引入计算机后产生的问题，如采样、零阶保持器的影响等。

学会用C语言编制A/D、D/A及中断程序并在计算机内实现控制律；训练使用C语言的编程能力等。

通过系列实验，可以使学生学习和掌握有关系统分析与设计，系统仿真及实现等方面内容，熟悉各种硬件及软件环节；同时可以加强学生的实验研究能力及动手建立，安装，调试实际系统的能力，真正掌握计算机控制系统的各种关键技术。设计方法可以采用状态空间法，极点配置方法、最优控制方法等多种控制方法。

1.2 实验设备或相关器件的主要技术指标

IBM PC 系列微机一台(586以上机型)

HD1219 12位A/D D/A接口板一块

XSJ-3 小功率直流随动系统学习机一台

4 1/2 数字多用表一台

DT6234 光电式转速表一台

图1.1 实验电路图

小功率随动系统的元部件共包括执行电机、测速发电机、角位置测量电位计、直流放大器、系统控制台、计算机系统等六个主要部分，其中执行电机和系统控制台构成被控对象，测速发电机和角位置测量电位计分别构成速度反馈（内环）和位置反馈（外环），加上计算机系统和A/D、D/A转换器构成数字式的计算机控制系统。

主要元部件的性能指标：

1) 执行电机

本实验系统选取直流低速力矩电机，产品出厂时给定的技术数据为：

峰值力矩T p：5(-5%)kg.cm

峰值电流I p： 1.8A

峰值电压V p：20V

空载转速n0：500r/min

2) 测速发电机

选用永磁直流测速发电机70CYD-1，它的主要技术数据为：信号输出斜率： 1 V/rad/s

极限转速：400r/min

输出特性线性度：1%

最小负载：23kΩ

静磨擦力矩：300g.cm

3) 角位置测量电位计

选用高精度合成膜电位计：WHJ-2，主要技术数据如下

阻值： 1.5 kΩ

功率：2W

线性度：0.5%

电气角度：330

机械转角: 330无止挡。

4) A/D、D/A板（HD1219）

模出入分芯片采用AD1674

通道数：单端输入16路

输入电压：0～10V，±5V，±10V

输入阻抗：≥ 10MΩ

分辩率：12位

输出编码：原码（单极性信号输入）

偏移码（双极性信号输入）

转换速度：100kHz

转换误差：≤0.1%

A/D起动方式：程序起动，定时起动

A/D工作方式：中断，程序延时

模出部分芯片采用DA1230

通道数：2路

输出电压：0～10V，±5V，±10V

输出阻抗：≤1MΩ

分辩率：12位

建立时间：7μs

定时器/计数器部分。采用8253可编程计数/定时器。

通道数：3路

计数器字长：16位

时钟频率：2MHz

数字量输入输出部分，采用8255，通道数为24路

接口部分,地址分配：占用16个连续I/O端口地址，HD1219板基地址

Base=0310H。

1.3 实验对象计算机闭环控制指标要求

设计要求：

(1)速度回路设计：选择静态增益满足以下要求：

当D/A 输出≤120 mV 时，电机开始转动。

（实际测试，电机起动电压）

当D/A 输出±10 V 时，电机转速为26 rad/s

(2)位置回路设计：在求得上述速度回路传递函数的前提下，利用极点配

置方法求全状态反馈增益KF1 KF2 。假定系统的期望极点满足：

≥ 20 rad/s

ξ≥0.9 ，

n

且要求输入信号小于40 mV时电机应能起动。

给定采样周期T =0.025 s

(3)观测器设计：假定伺服系统的转角θ是可测的，设计降维观测器，并

假定降维观测器的观测误差衰减速率是闭环系数衰减速率的4倍。

(4)根据全状态反馈增益KF1 KF2及降维观测器方程，求控制器方程。

(5)按零点——极点型编排方法，编排控制器方程的实现算法，并选择合

适的比例因子。

1.4 实验目的以及实验要求

通过本实验的训练，应达到下列要求：

1) 学生应了解直流电动机、测速机、电位计、功率放大器等主要部件的工作原理以及使用方法，掌握模拟随动系统动静态参数的设置和调试方法，具有初步排除故障的能力。

2) 了解计算机控制系统输入输出通道的使用方法并具有常规的A/D、D/A板的软件编程及调试能力。

3) 要求学生掌握利用硬件定时器实现中断管理、定时采样的方法并能编制程序实现中断管理。

4) 掌握计算机控制系统的实时应用软件编程方法,具有一定的编程及调试能力。

5) 初步掌握计算机控制系统闭环调试方法,并具有排除故障的能力。

2 单片机实现的伺服系统控制

本系统是由A VR单片机和XSJ-2型小功率直流随动系统学习机配套使用构成计算机控制系统。限于XSJ-2型小功率直流随动系统学习机数量有限，本实验还可以由电子模拟机构成XSJ-2型小功率直流随动系统学习机的数学模型完成实验。

2.1 AVR单片机系统概述

2.1.1 AVR单片机组成和外观

AVR单片机（简称“数字板”），AD、DA接口转换器（简称“模拟板”）和电源等组成。在使用时，模拟板安装在数字板的上面，如图2．1所示。