计算机控制系统机械设计专业指导书.doc

计算机控制系统
实验一、数/模转换
一．实验规定
1、 掌握数/模转换器DAC0832芯片的性能、使用方法及相应的硬件电路。
2、 编写程序控制D/A输出的波形，使其输出周期性的三角波。
二．实验内容及环节
数/模转换器（B2）单元电路图见图1所示。

图1 数/模转换电路图
实验环节：
运营LABACT程序，选择微机控制菜单下的数/模转换实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文献，选用虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。
测孔连线
数/模转换器（B2）单元OUT1→虚拟示波器（B3）输入端CH1（选X1档）。
实验二、模/数转换
一．实验规定
1、了解模/数转换器A/D芯片ADC0809转换性能及编程。
2、编制程序通过0809采样输入电压并转换成数字量值。
二．实验内容及环节
实验用的ADC0809是八位A/D转换器，典型采样时间需100us。编程中应当保证A/D转换的完毕，这可以在程序中插入适当延时代码或监视EOC信号的电平来实现。
模/数转换器（B8）单元电路图见图2所示。
ADC0809的片选在实验机内部已固定为0AxH。
由于0809的A、B、C三脚依次接至A0、A1、A2，所以模拟输入通道IN0～IN7的端口地址为0A0～0A7。其中IN0～IN5有效输入电平为0V～+5V。IN6和IN7为双极性输入接法，有效输入电平为-5V～+5V，IN4~IN7端口有测孔引出，供用户使用。

图2 模/数转换电路图
实验环节：
（1）将信号发生器（B1）的幅度控制电位器中心Y测孔，作为模/数转换器（B8）输入信号：
B1单元中的电位器左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨上（+5V）。
（2）测孔联线：B1（Y）→模/数转换器B8（IN4）（信号输入）。
（3）运营、观测、记录：
运营LABACT程序，选择微机控制菜单下的模/数转换实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后，在虚拟示波器屏幕上显示出即时模/数转换二进制码及其相应的电压值；再次点击开始，将继续转换及显示，满17次后回到原点显示。
屏幕上X轴表达模/数转换的序号，Y轴表达该次模/数转换的结果。每次转换后将在屏幕出现一个“*”，同时在“*”下显示出模/数转换后的二进制码及相应的电压值，所显示的电压值应与输入到模/数转换单元（B8）的输入通道电压相同。每转换满17次后，将自动替代第一次值。
输入通道可由用户自行选择，默认值为IN4。
实验三、采样实验
一．实验规定
了解模拟信号到计算机控制的离散信号的转换—采样过程。
二．实验内容及环节
采样实验框图如图3所示。本实验将通过模/数转换模块以一定的采样周期对B9单元产生的正弦波信号采样，送虚拟示波器显示，观测在不同采样周期下，比较输入及输出的波形（失真限度）。

图3 采样实验框图

实验环节：
（1）将正弦波信号发生器单元（B6）中开关置于‘0.1~1Hz’ 档，输出正弦波为SIN测孔。
（2）函数信号发生器单元（B5）的S1置‘阶跃’档（最顶端），S2置到‘2－60mS’档。
（3）测孔联线
1
正弦波信号输入
B6输出（SIN）→B3（虚拟示波器）CH1（选X1档）
2
采样周期信号
B5输出(S)→B9输入（IRQ7）
（3）运营、观测、记录：
① 先运营LABACT程序，选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”（Alt+W）项，弹出双迹示波器的界面，点击开始，用虚拟示波器观测和调整系统输入信号，调节正弦波信号发生器B6单元的调频和调幅电位器（正弦波的幅度为2V，频率为0.5Hz）。
② 调节函数信号发生器（B5）单元中的调宽电位器使采样周期信号频率达成最大（约78Hz）
③ 再运营LABACT程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择采样实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文献，即可选用本实验配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形
调节函数信号发生器（B5）单元中的调宽电位器，慢慢减少采样周期信号频率，直到虚拟示波器显示的正弦波严重失真，记录下此时的采样周期。

实验四、采样/保持器实验
一．实验规定
1. 了解判断采样/保持控制系统稳定性的充要条件。
2．了解采样周期T对系统的稳定性的影响。
3．掌握控制系统处在临界稳定状态时的采样周期T的计算。
4．观测和分析采样/保持控制系统在不同采样周期T时的瞬态响应曲线。
二．实验内容及环节
本实验用于观测和分析在离散控制系统中采样周期T对系统的稳定性的影响。采样控制系统稳定的充要条件是：系统特性方程的根必须在Z平面的单位圆内，特性方程式的根与采样周期T有关，只要特性根的模均小于1，则系统稳定。
若规定图4所示的闭环采样/保持控制系统实验构成电路特性根的模小于1，
须： 得：采样周期T<0.04S。

图4 闭环采样/保持控制系统实验构成电路
闭环采样系统实验中被控对象由积分环节（A3单元）与惯性环节（A5单元）构成。本实验将函数发生器（B5）单元作为信号发生器， OUT输出施加于被测系统的输入端Ui，观测OUT从0V阶跃+2.5V时，被测系统的在不同的采样周期T时对系统的稳定性的影响
积分环节（A3单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=0.1S，
惯性环节（A5单元）的惯性时间常数 T=R2*C2=0.5S，增益K=R2/R3=5。
实验环节：注：‘S-ST’用‘短路套’短接!
（1）将函数发生器（B5）单元的输出（OUT）作为系统输入R。
将B5单元的S1置‘阶跃’档（最顶端），置S2‘0.2-6S’档。
（2）构造模拟电路：按图4安顿短路套及测孔联线，表如下。
（a）安顿短路套 （b）测孔联线
1
输入信号R
B5（OUT）→A1（H1）
2
运放级联
A1（OUT）→ A2（H1）
3
送调节器输入
A2（OUT）→ B8（IN7）
4
调节器输出
B2（OUT2）→ A3（H1）
5
运放级联
A3（OUT）→ A5（H1）
6
负反馈
A5（OUT）→A2（H2）
7
‘中断请求’线
B5 （S）→B9（IRQ6）

模块号
跨接座号
1
A1
S4，S8
2
A2
S1，S6
3
A3
S3，S10，S11
4
A5
S3，S7，S10
5
B5
‘S-ST’

（3）虚拟示波器（B3）的联接：
示波器输入端
信号输出端
CH1（选X1档）
A5单元的OUT（C）
系统输出
CH2（选X1档）
B5单元的OUT
系统输入
（4）运营、观测、记录：
① 先运营LABACT程序，选择界面的“工具”菜单选中“双迹示波器”（Alt+W）项，弹出双迹示波器的界面，点击开始，用虚拟示波器观测和调整系统输入信号，调节B5单元的调幅电位器使OUT输出电压为2.5V，调节调宽电位器使OUT正输出宽度>6秒。
② 再把A2（OUT）→B8（IN7）及B2（OUT2）→A3（H1）的测孔联线去掉，把A2（OUT）测孔联到A3（H1）测孔，使正弦波发生器B6单元产生的低频正弦信号，频率为1Hz左右，幅度调整成最大，施加于被测系统的输入端r(t)，用虚拟示波器观测系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。
③ 再恢复A2（OUT）→B8（IN7）及B2（OUT2）→A3（H1）的测孔联线，运营LABACT程序，选择微机控制菜单下的采样和保持菜单下选择采样/保持实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始后将自动加载相应源文献，运营实验程序，使用虚拟示波器CH1通道观测A5单元输出OUT（C）的波形。
④ 该实验的显示界面的采样周期T（界面右上角）可由用户点击“停止”键后，在界面上直接修改，改变这些参数后，只要再次点击“开始”键，即可使实验机按照新的控制参数运营。
⑤ 采样周期T设定为10ms 、30ms和 50ms ，使用虚拟示波器CH1通道观测A5单元输出OUT（C）的波。观测相应实验现象。记录波形，并判断其稳定性，在表1中填入给本次的各参数与结果。
表1
采样周期T(ms)
波形
稳定性
10ms

稳定
30ms

衰减振荡
50 ms

振荡
实验练习： 改变积分环节时间常数 （惯性时间常数T=0.2，惯性环节增益K=2，积分时间常数Ti =0.1S）
观测相应实验现象。记录波形，并判断其稳定性，在表4-3-1中填入给本次的各参数与结果。