计算机控制系统实验指导 实验内容 1 模入通道（A/D）转换实验2 模出通道（D/A）转换实验3 过程通道综合设计实验4 常规控制算法设计实验5 非最少有限拍算法设计实验6 达林算法设计实验7 状态观测器跟踪系统设计实验 1 模入通道（A/D）转换实验1.1 实验目的掌握模入通道的设计方法与采样过程原理，熟悉汇编语言基本程序设计方法调试过程和ADC0809的内部结构原理。 1.2 实验器材单片机仿真器系统一套，直流稳压电源一台，万用表一块，ADC0809一块，74LS02四或非门一块，10kΩ电位计一只，包板一块，导线若干。 1.3 实验内容设计和调试一个能把ADC0809的0通道输入的模拟电压转换成数字量，将转换结果存入内存单元的汇编程序。 1.4 实验步骤（1）按图1正确接线，系统上电。 （2）编写程序，并将汇编程序输入计算机。 （3）给A/D转换器0通道输入电压（0～5V），并作记录。 （3）运行程序，查看记录内存单元相应采样值，看是否与预先算出的转换值一致。 图1 仿真器系统和ADC0809的连接 实验测试表格输入电压(V) 0 1 2 3 4 5  计算值        A/D转换值        误差         1.5 思考和讨论（1）欲将A/D8个输入通道上的模拟输入连续转换成数字量，硬件电路应如何修改？程序应如何编写？ （2）若A/D转换采用中断方式调度硬件和程序应怎样考虑？ （3）分析A/D转换数据为什么与计算结果有误差？ 2 模出通道（D/A）转换实验2.1 实验目的掌握数模转换原理、模出通道（AO）输出特性和汇编语言程序设计方法，熟悉DAC0832的内部结构和原理。 2.2 实验器材 单片机仿真器系统一套，直流稳压电源一台，示波器一台，万用表一块，DAC0832一块，LM339一块，面包板一块，导线若干。 2.3 实验内容 （1）测试DAC0832的数字量输入和模拟量输出的关系。 （2）设计和调试一个产生三角波的程序。 （3）设计和调试一个产生方波的程序。 （4）设计和调试一个产生正弦波的程序。 2.4 实验步骤 （1）将DAC0832的地址选通线、电源线、输出驱动线连接好。 （2）连接好示波器。 （3）实验系统上电，按实验要求依次分别将三角波、锯齿波、方波和正弦波汇编程序输入计算机。 （4）分别运行各程序并用示波器观察输出波形。 图2 模出通道D/A转换电路 2.5 思考和讨论（1）图2中，DAC0832口地址是否有重叠？ （2）上述各输出波形的频率由哪些因素决定？ （3）分析各波形输入数字量与输出波形间的对应关系。 （4）各输出波形为什么是连续的？ （5）分析输出波形失真原因。 3 过程通道综合设计实验3.1实验目的 使学生在课堂教学基础上提高综合应用设计能力，熟悉微机硬件电路规划与设计；初步掌握基本实时控制系统的设计和调试。 3.2实验器材单片机仿真器系统一套，直流稳压电源一台，万用表一块，红、绿、黄发光二极管各4只，100Ω的电阻12个，面包板一块，导线若干。3.3 实验内容设计和调试一个交通灯控制程序。功能如下： （1）A道和B道均有车辆要求通过时，A、B道轮流放行。其中，A道放行50秒，B道放行40秒。 （2）一道有车辆而另一道无车辆（由开关K0和K1控制），交通灯控制系统能立即让有车道放行。 （3）有紧急车辆要求通过时，系统要能禁止普通车辆通过，A、B道均为红灯，紧急车由K2开关模拟，有紧急车时INT0为低电平。 （4）绿灯转换成红灯时，黄灯亮2秒。 3.4实验步骤 （1）按图3进行接线。 （2）根据图3和程序流程图4、图5编写相应的汇编程序。 （3）将程序输入计算机，并进行汇编。 （4）对源程序进行调试，直到满足系统功能要求为止。 图3 交通灯控制系统原理 图4 交通灯控制中断程序流程 图4 交通灯控制程序流程图3 交通灯控制系统原理 4 常规控制算法设计实验4.1 实验目的 在常规控制算法教学基础上，通过对PID及其变形算法的选取，利用Matlabl软件进行仿真实验，加深对该类控制算法的掌握和理解。 4.2 实验内容(1)选择PID及其变形算法，以及Smith预估算法等。 (2)考虑两类对象，即不含大迟延对象和大迟延对象。 (3)作给定值扰动和外部扰动响应实验。 (4）绘制控制输出和对象输出响应曲线。 4.3 实验要求（1）分别给出各系统所选算法类型与对象模型。 （2）说明输入条件和扰动类型。 （3）标明各响应曲线横纵坐标单位量纲。 （4）分析各算法控制效果。 4.4 思考和讨论（1）分析PID算法几种变形的控制效果如何，为什么？ （2）根据实验分析Smith算法的优点是什么，若采用PID算法解决同类问题效果如何？ 5 非最少有限拍算法设计实验5.1 实验目的 掌握离散系统与对象有关和于对象无关的控制器设计方法，加深对离散系统直接数字算法设计中最少拍与非最少拍的理解和掌握，非最少拍设计解决了最少拍算法中存在的局限性等问题。 5.2 实验内容（1）利用Matlabl软件设计一个最少拍控制系统。 （2）利用Matlabl软件设计一个带惯性因子的有限拍控制系统。 （3）对上述两种系统在给定输入情况下做仿真实验。 5.3 实验要求（1）通过仿真分析最少拍控制算法存在的局限性。 （2）针对惯性因子法考虑单位阶跃、单位速度两种典型输入进行仿真。 （3）标明各响应曲线横纵坐标单位量纲。 5.4 思考和讨论（1）最少拍控制算法的局限性主要体现在哪几点。 （2）非最少有限拍控制解决了哪些问题付出了哪些代价? 6 达林算法设计实验6.1 实验目的 掌握达林算法设计离散系统控制器的基本思想和方法，进一步理解最少拍与非最少有限拍设计中存在的局限性。 6.2 实验内容（1）根据给定对象模型，设计达林算法期望闭环传递函数M(z)。 （2）设计达林算法控制器。 （3）利用Matlabl软件仿真。 6.3 实验要求（1）求出消除振铃后的等效控制算法。 （2）分析离散系统稳定性，由仿真进行验证。 （3）标明响应曲线横纵坐标单位量纲。 6.4 思考和讨论（1）达林算法解决了离散系统控制器设计中的哪些问题？ （2）对于一阶或二阶对象达林算法控制器经消振后可等效为什么形式？ 7 状态观测器跟踪系统设计实验7.1 实验目的 掌握基于状态空间描述的离散系统带状态观测器控制器的设计，对于非零输入或常值扰动情况，应考虑系统跟踪问题，进一步加深对所学内容的理解。 7.2 实验内容（1）利用Matlabl软件设计预报观测器。 （2）利用Matlabl软件设计现时观测器。 （3）利用Matlabl软件设计降阶观测器。 （4）利用Matlabl软件设计跟踪系统。 7.3 实验要求（1）给定系统性能指标和要求，确定控制极点和观测器极点。 （2）按照分离性原理分别设计控制规律L和观测器增益矩阵K。 （3）考虑非零输入时零静差要求，设计PI控制器。 7.4 思考和讨论（1）引入状态观测器后系统性能由什么来决定？ （2）观测器极点的配置原则与系统性能间有什么关系？ （3）观测器类型的选取原则是什么？