微机控制技术.docx
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微机控制技术
《计算机控制技术》
实验指导书
孟凡喜编
中国矿业大学
机电工程学院机电工程实验中心
二００七年十月
学生实验守则
一、学生进入实验室必须遵守实验室规章制度，遵守课堂纪律，衣着整洁，保持安静不得迟到早退，并执行实验登记制度，严禁喧哗、吸烟、吃零食和随地吐痰。
如有违犯，指导教师有权停止其实验。
二、实验课前，要认真阅读教材，做好实验预习，根据不同科目要求写出预习报告，明确实验目的、要求和注意事项。
三、实验课上必须专心听讲，服从指导教师的安排和指导，遵守操作规程，认真操作，正确读数，不得草率敷衍，拼凑数据。
四、实验报告必须独自完成，不得互相抄袭。
五、因故缺课学生，可申请一次补做的机会，不补作的，该实验以零分计算，作为总成绩一部分。
六、爱护仪器设备，不准动用与本实验无关仪器设备。
要节约元器件、材料等。
如发生仪器、设备损坏要及时向指导教师报告，属责任事故的，应按有关文件规定赔偿。
七、注意实验安全，遵守安全规定，防止人身和仪器设备事故的发生。
一旦发生事故，要立即向指导教师报告，采取正确应急措施，防止事故扩大，保护人身安全和财产安全。
重大事故要保护好现场，迅速向有关部门报告。
八、实验完毕要做好整理工作，将工具、材料及公用仪器等放回原处，清扫实验场地，切断电源，经指导教师检查合格后方可离开。
机电工程实验中心
二００六年九月修订
使用说明
课程名称
计算机控制技术
课程总学时
32
讲课
28
实验
4
适用专业
机械工程及自动化
测控技术及仪表
前修课程
电子技术基础、计算机基础、
程序设计语言、单片微机原理与接口技术等
实验内容与目录
第一章SST51系统板概述…………………………………………………………1
第二章SST51系统的安装…………………………………………………………2
第三章SST51系统板的硬件操作环境……………………………………………2
第四章联机软件使用说明…………………………………………………………3
实验项目名称
必开
选开
实验学时
页码
实验一积分分离法PID控制
√
2
4
实验二温度闭环控制系统的设计和实现
√
2
8
注：
1．实验前必须编写实验程序。
2．实验报告、程序调试的成绩占课程成绩的10%。
第一部分TD-ACC+教学实验系统介绍
第一章SST51系统板概述
1.1系统简介
随着单片机技术的发展，八位单片机迅速地从功能简单的51单片机向嵌入式、增强型51内核单片机发展。
使用在系统可编程（ISP）技术、在应用可编程技术（IAP）以及内嵌仿真功能的单片机层出不穷。
先进技术的发展使得单片机调试、开发的手段发生了翻天覆地的变化。
“TD-ACC+”教学实验系统，其基本配置就含有一个开放式的模拟实验平台和一组先进的虚拟仪器，可以高水平地支持“8051单片微机控制技术”的实验教学。
为实验教学提供了一块增强型8051控制机系统板、一套业界著名的KeilC51集成开发环境、一个开放式的模拟实验平台、一组先进的虚拟仪器，再结合丰富的实验内容，为用户构建了一个先进的控制实验教学环境，为控制教学提供了全面的解决方案。
下面的内容主要是：
“SST51系统板”介绍以及“增强型8051单片微机控制技术”的实验教程。
1.2SST51系统板的特点
1.取代硬件仿真器的增强型单片机
系统采用具有在系统可编程（ISP）和在应用可编程（IAP）技术的增强型51单片机，单片机中内置仿真程序，完全取代传统的硬件仿真器和编程器。
这种先进的单片机将仿真系统和单片机应用系统合二为一，大大降低了应用开发成本，极大地提高了研制开发效率。
把单片机的仿真开发和应用设计提高到一个崭新的技术领域。
2.先进的单片机调试开发工具
使用业界著名的KeilC51集成开发环境作为实验系统设计、调试、开发的工具。
KeilC51软件提供了多种调试、运行程序的方法，提供单步、断点、全速运行程序，可观察寄存器区、ROM变量区、RAM变量区、Xdata变量。
支持汇编语言和C语言的源语言混合调试。
3.新型控制实验教学内容
计算机控制技术先从过程通道和数据采集处理着手，再开展系统的数字程序控制、数字PID闭环控制、数字调节器直接设计方法的实验研究，随后又引入了智能控制实验和CAN总线实验，使学生对新型的控制算法有所了解、认识。
最后开展了控制系统应用实验，实验对象提供了快速（直流电机）和慢速（温度）两种，便于构成不同的闭环系统，让学生对闭环系统的整体构成有所认识，针对对象不同而选择不同的控制策略或控制参数从而对真实对象进行较好的实时控制。
第二章SST51系统的安装
2.1系统板与TD-ACC+系统实验平台的连接
1．“SST51系统板”与“TD-ACC+”实验系统的连接：
只需将“SST51系统板”扣插在TD-ACC+的模拟实验平台的控制计算机的插槽上就可。
2.以上实验系统与PC微机的连接：
将TD-ACC+实验系统的串口用随机配备的RS-232C通讯电缆和PC机串口相连，完成调试串口的连接；将TD-ACC+实验系统的USB口用随机配备的USB电缆和PC机USB口相连，就可完成虚拟仪器的连接。
2.2系统联机操作软件的安装
随设备提供了联机操作软件，该软件将调试软件（汇编和C语言源语言级调试，在《单片微机原理及接口技术实验》课程中已经使用过）和虚拟仪器界面相结合，可完全满足计算机控制技术实验过程中对信号的测量、分析、记录以及控制程序编写、调试等要求。
第三章SST51系统板的硬件操作环境
由于该实验系统采用组合式结构，即“SST51系统板”加“模拟实验平台”的形式。
系统的部分总线以排针的形式引出，实验时，与实验单元相连可完成相应的实验。
系统引出信号线说明见下表。
控制计算机系统信号线说明
信号线
说明
相关的端口地址
A0～A3
系统地址线低四位（输出）
/IOR、/IOW
I/O读、写信号（输出）
IRQ5
――――――
IRQ6
外部0＃中断请求信号（输入）
IRQ7
外部1＃中断请求信号（输入）
OUT1
P1.7（输出）
/IOY0
I/O接口待扩展信号（输出）
#7FF0H、#7FF1H
/IOY1
#7FF2H、#7FF3H
/IOY2
#7FF4H、#7FF5H
/IOY3
#7FF6H、#7FF7H
/IOY4
#7FF8H、#7FF9H
/IOY5
#7FFAH、#7FFBH
DIN0～DIN3
4位数字量输入信号（输入）
对应P1口的低四位P1.0~P1.3
DOUT0～DOUT3
4位数字量输出信号（输出）
对应P1口的高四位P1.4~P1.7
注：
“/”号表示该信号低电平有效
第四章联机软件使用说明
KeilC51集成开发环境作为实验系统设计、调试、开发的工具。
提供了多种调试、运行程序的方法，提供单步、断点、全速运行程序，可观察寄存器区、ROM变量区、RAM变量区、Xdata变量。
支持汇编语言和C语言的源语言混合调试，在《单片微机原理及接口技术实验》课程中已经使用过汇编语言，C语言的源语言调试与汇编语言调试基本相同。
系统还集成了一组功能强大的数字化虚拟仪器软件，用于自动控制原理和计算机控制实验时对时域曲线的实时测量和分析、频率特性分析、X_Y测量和阻容/电压值测量等。
取代了过去落后的测量方法，为构建现代化的实验室提供了高性价比的实验设备。
第二部分计算机控制技术实验
实验一积分分离法PID控制
一、实验目的
1．了解PID参数对系统性能的影响。
2．学习凑试法整定PID参数。
3．掌握积分分离法PID控制规律。
二、实验设备
PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51系统板一块。
三、实验原理和内容
下图是一个典型的PID闭环控制系统方框图，其硬件电路原理及接线图见
1-e-TS
S
10
（0.3S+1）（0.4s+1）
PID
RE
下页图，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。
用P1.7来模拟1＃定时器的输出，通过“OUT1”排针引出，方波周期＝定时器时常×2，“IRQ7”表示51的外部中断1，用作采样中断，“DIN0”表示51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，并通过采样中断读入信号E的数字量，并进行PID计算，得到相应的控制量，再把控制量送到数模转换单元，由“OUT1”端输出相应的模拟信号，来控制对象系统。
本实验中，采用位置式PID算式，在一般的PID控制中，当有较大的扰动或大幅度改变给定值时，会有较大的误差，以及系统有惯性和滞后，因此在积
分项的作用下，往往会使系统超调变大、过渡时间变长。
为此，可采用积分分离法PID控制算法，即：
当误差e（k）较大时，取消积分作用；当误差e（k）较小时才将积分作用加入。
为了便于实验参数的调整，下面讨论PID参数对系统性能的影响：
（1）增大比例系数KP一般将加快系统的响应，在有静差的情况下有利于减小静差。
但过大的比例系数会使系统有较大的超调，并产生振荡，使系统稳定性变坏。
（2）增大积分时间参数TI有利于消除静差、减小超调、减小振荡，使系统更加稳定，但系统静差的消除将随之减慢。
（3）增大微分时间参数TD有利于加快系统响应，使超调量减小，系统稳定性增加，但系统对扰动的抑制能力减弱，对扰动有较敏感的响应。
采样中断服务程序主程序
求误差主程序
输出控制量
同步信号到否？
是
调PID子程序系统初始化
D/A输出清零
变量初始化
采样周期变量减一
采样周期到否？
采样周期赋初值
采样周期变量赋初值
是
中断返回
PID子程序
主程序
系统初始化
变量初始化
等待中断
计算EK+TD/T*△EK
判积分分离值
YN
KP（EK+TD/T*△EK）
判积分溢出
判控制量溢出
YNYN
取极值
取极值
KP（EK+T/TI*∑EK+TD/T+△EK）
中断返回
积分分离法PID控制实验的程序流程图
在调整参数时，使用凑试法。
对参数实行“先比例，后积分，再微分”步骤。
（1）首先整定比例部分。
将比例系数KP由小变大，并观察相应的系统响应，直到响应曲线超调小、反应快。
如果系统没有静差，或者静差小到允许的范围内，那么只需比例调节器即可。
（2）如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足要求，则须加入积分作用。
整定时首先置积分时间TI为一较大值，并将第一步整定得到的比例系数KP缩小（如80％），然后减小积分时间，使静差得到消除。
如果动态性能（过渡时间短）也满意，则需PI调节器即可。
（3）若动态性能不好，则需加入微分作用。
整定时，使微分时间TD从0变大，并相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直到满意结果。
由于PID三个参数有互补作用，减小一个往往可由几个增大来补偿，因此参数的整定值不唯一，不同的参数组合完全有可能得到同样的效果。
四、实验步骤
1．按照实验电路原理图接线，信号源输出幅值为2V，周期6S的方波。
确定系统的采样周期以及积分分离值。
2．参考流程图编写实验程序，将积分分离值设为最大值7FH（相当于没有引入积分分离）。
检查无误后编译、链接。
3．点击“
”图标，使得系统进入“Start/StopDebugSession”模式。
4．点击“
”图标，运行程序，用示波器分别观测输入端R和输出端C。
5．如果系统性能不满意，点击“
”图标，停止程序运行，按“SST51系统板”上的“复位”键，使得系统退出“Start/StopDebugSession”模式，进入到程序编辑模式，用凑试法修改PID参数，再重复步骤3和4，直到响应曲线满意，并记录响应曲线的超调量和过渡时间。
6．同理，修改积分分离值为20H，记录此时响应曲线的超调量和过渡时间，并和未引入积分分离值时的响应曲线进行比较。
7．将5和6中的较满意的响应曲线分别保存，在画板、PHOTOSHOP中处理后粘贴到WORD中，形成实验报告。
五、实验要求
1．编写实验报告。
2．画出程序流程图，编写程序，并上机调试。
3．通过实验记录数据绘制未引入积分分离与引入积分分离的特性图，分析引入积分分离后，对系统性能的作用。
实验二温度闭环控制系统的设计和实现
一、实验目的
1．了解温度闭环控制系统的构成。
2．掌握PID控制规律，并且用算法实现。
二、实验设备
PC机一台，TD-ACC+实验系统一套，SST51系统板一块。
三、实验原理
温度闭环控制系统实验的系统方框图如下
温度单元
驱动电路
数字PID控制器
所示：
数字给定值
温度电路
温度闭环控制系统实验的系统的硬件电路图设计如下，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好。
用P1.7来模拟1＃定时器的输出，通过“OUT1”排
针引出，方波周期＝定时器时常×2，“DOUT0”表示51的I/O管脚P1.4，输出PWM脉冲经驱动后控制烤箱或温度单元，“IRQ7”表示51外部中断1（采样中断）。
实验中，使用了10K热敏电阻作为测温元件，温度变化，电阻值变换，经转换电路变换成电压信号，由模数转换器进行转换，转换完成产生采样中断，在中断程序中读取数字量，构成反馈量，在参数给定的情况下，经PID运算产生相应的控制量，最后由系统的“DOUT0”端输出PWM脉冲信号，经驱动电路驱动温度单元（温度范围室温～70℃）加热或关断，使温度稳定在给定值。
其中系统定时器定时10ms，一方面作为A/D的定时启动信号，另一方面作为系统的采样基准时钟。
注意：
在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0的状态应保持上次的状态。
如果长时间让温度单元处于全功率加热状态，可能会导致温度单元损坏，所以在停止程序运行时，必须按系统复位键。
温度闭环控制系统实验的参考程序流程图如下：
系统初始化系数转换
取采样值
采样周期到否？
查表得对应温度
N
ADMARK=1？
调用PID子程序
N
赋PWM所需值
ADMARK=0
定时中断服务程序
采样中断服务程序主程序
采样周期到否？
读AD转换结果
Y
采样周期变量清零
放入指定单元
采样周期变量加一
置TKMARK=1
置标志
ADMARK=1
调用PWM发生程
中断返回
中断返回
PWM发生子程序
pwm=2
bb1=bb/2
bb1=0？
标志pwm=1？
Yy
n
dout0=1
n
bb1=0？
pwm=1
aa1=aa/2
标志pwm=2？
yy
dout0=0
nn
返回
四、实验步骤
1．按电路原理图接线，另外，本实验中要观察给定和反馈的跟踪曲线，还需要将数模转换单元接入（只需将此单元的“/CS”片选信号接到控制计算机的“/IOY1”即可完成），由数模转换单元的“OUT1”输出给定值，“OUT2”输出反馈值。
实验中将示波器单元的“CH1”路表笔插至“OUT1”端，“CH2”路表笔插至“OUT2”端，检查无误后开启设备电源。
温度值＝电压值×25.6（℃）。
2．参照流程图，编写实验程序，编译、链接。
3．点击“
”图标，使得系统进入“Start/StopDebugSession”模式。
点击“
”图标，运行程序，打开虚拟仪器界面。
4．若不满意，点击“
”图标，停止程序运行，按“SST51系统板”上的“复位”键，使得系统退出“Start/StopDebugSession”模式，进入到程序编辑模式，根据实验现象改变参数：
积分分离值Iband、比例系数KPP、积分系数KII、微分系数KDD，重新编译链接，重复步骤（3），并记下此时的响应曲线。
五、实验要求
1．编写实验报告。
2．画出程序流程图，编写程序，并上机调试。
3．通过实验记录数据的图形，记录超调和过渡时间，分析其响应特性。
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