《计算机控制系统》实验手册.docx
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《计算机控制系统》实验手册
《计算机控制系统》实验手册
上海海事大学电气自动化系施伟锋
上海海事大学电气自动化实验中心 李妮娜
1 《计算机控制系统》实验指导(Matlab版) ……………2
实验一数字PID参数的整定…………………………………3
实验二Smith算法的运用……………………………………5
实验三二阶对象数字控制系统设计…………………………7
实验四达林控制算法的运用…………………………………9
2《计算机控制系统》实验指导(DSP 版)………………11
实验一 实验系统介绍与CCS软件使用入门………………11
实验二数字I/O实验—交通灯实验…………………………26
实验三 PWM输出实验1——直流电机控制实验…………30
3《计算机控制系统》课程设计指导(Matlab版)………33
4《计算机控制系统》课程设计指导(DSP版)…………35
5《计算机控制系统》课程设计报告或小论文格式………40
《计算机控制系统》实验指导
(Matlab版)
一、实验课程教学目的与任务
通过实验设计或计算机仿真设计,使学生了解和掌握数字PID控制算法的特点、了解系统PID参数整定和数字控制系统的直接设计的基本方法,了解不同的控制算法对被控对象的控制特性,加深对计算机控制系统理论的认识,掌握计算机控制系统的整定技术,对系统整体设计有一个初步的了解。
根据各个实验项目,完成实验报告(用实验报告专用纸)。
二、实验要求
学生在熟悉PC机的基础上,熟悉MATLAB软件的操作,熟悉Simulink工具箱的软件编程。
通过编程完成系统的设计与仿真实验,逐步学习控制系统的设计,学习控制系统方案的评估与系统指标评估的方法。
计算机控制系统主要技术指标和要求:
根据被控对象的特性,从自动控制系统的静态和动态质量指标要求出发对调节器进行系统设计,整体上要求系统必须有良好的稳定性、准确性和快速性。
一般要求系统在振荡2~3次左右进入稳定;系统静差小于3%~5%的稳定值(或系统的静态误差足够小);系统超调量小于30%~50%的稳定值;动态过渡过程时间在3~5倍的被控对象时间常数值。
系统整定的一般原则:
将比例度置于交大值,使系统稳定运行。
根据要求,逐渐减小比例度,使系统的衰减比趋向于4:
1或10:
1。
若要改善系统的静态特性,要使系统的静差为零,加入积分环节,积分时间由大向小进行调节。
若要改善系统的动态特性,增加系统的灵敏度,克服被控对象的惯性,可以加入微分环节,微分时间由小到大进行调节。
PID控制的三个特性参数在调节时会产生相互的影响,整定时必需综合考虑。
系统的整定过程是一个反复进行的过程,需反复进行。
实验一数字PID参数的整定
一、实验目的
1)、了解数字PID控制回路的结构。
2)、掌握数字PID控制算法的控制原理。
3)、掌握数字PID控制算法的整定原理。
二、实验设备
1)WINDOWS操作系统和MATLAB软件。
2)PC电脑。
三、实验原理
在过程控制中,广义被控对象采用一阶对象,设计相应的数字控制器,使系统达到稳定,并满足一定的动态和静态指标。
例如:
对象的传递函数为:
按下图进行数字PID控制系统设计,并确定数字PID控制器的参数。
四、实验内容
1)建立闭环数字控制系统。
2)选择PID数字调节器。
3)将PID三参数置于适当值,使系统稳定运行。
4)整定比例度。
5)整定积分时间。
6)整定微分时间。
7)对系统进行控制指标的综合考虑,系统反复调试。
五.实验要求
1.完成编程并检查是否有语法错误。
2.运行程序。
3.对运行的结果进行显示。
4.记录运行的结果。
5.分析正确与错误的原因。
6.用专用的报告纸写出实验报告。
实验二Smith算法的运用
一、实验目的
1)、了解Smith算法控制回路的结构。
2)、掌握Smith算法的控制原理。
3)、掌握Smith控制算法的设计原理。
二、实验设备
1)WINDOWS操作系统和MATLAB软件。
2)PC电脑。
三、实验原理
按下图进行Smith算法控制回路的设计,在过程控制中,广义被控对象采用一阶加纯迟后对象,设计相应的Smith控制器,使系统达到稳定,并满足一定的动态和静态指标。
四、实验内容
1)运行MATLAB文件。
2)运用Simulink按下图进行图形化编程。
3)采用Smith控制方法,在PID控制中(选用PI控制),取kp=40,ki=0.022,假设预测模型精确,阶跃信号输入取100。
4)观测Simulink仿真程序运行的结果。
(仿真结果表明,Smith控制方法具有很好控制效果。
)
5)进行系统整定;当参数适当值时,使系统稳定运行。
6)对系统进行控制指标的综合考虑,系统反复调试。
五.实验要求
1.完成编程并检查是否有语法错误。
2. 运行程序。
3.对运行的结果进行显示。
4. 记录运行的结果。
5.分析正确与错误的原因。
6.用专用的报告纸写出实验报告。
实验三二阶对象数字控制系统设计
一、实验目的
1)、了解二阶对象数字控制回路的结构。
2)、掌握二阶对象数字PID算法的控制原理。
3)、掌握二阶对象数字PID控制算法的设计原理。
二、实验设备
1)WINDOWS操作系统和MATLAB软件。
2)PC电脑。
三、实验原理
按下图二阶对象数字控制回路的设计,在过程控制中,广义被控对象采用二阶对象,设计相应的PID控制控制器,使系统达到稳定,并满足一定的动态和静态指标。
广义被控对象采用的传递函数为:
运用Simulink按下图进行图形化编程。
设计相应的数字控制器,使系统达到稳定,并满足一定的动态和静态指标。
四、实验内容
1)建立闭环数字控制系统。
2)选择PID数字调节器。
3)进行PID三参数整定;当三参数适当值时,使系统稳定运行。
4)整定比例度。
5)整定积分时间。
6)整定微分时间。
7)对系统进行控制指标的综合考虑,系统反复调试。
五.实验要求
1.完成编程并检查是否有语法错误。
2.运行程序。
3.对运行的结果进行显示。
4.记录运行的结果。
5.分析正确与错误的原因。
6.用专用的报告纸写出实验报告。
实验四达林控制算法的运用
一、实验目的
1)、了解达林控制算法的控制回路的结构。
2)、掌握达林控制算法的使用方法。
3)、掌握达林控制算法的编程原理。
二、实验设备
1) WINDOWS操作系统和MATLAB软件。
2) PC电脑。
三、实验原理
达林算法的SIMULINK仿真模型见图。
达林算法适用于一、二阶惯性加纯滞后对象,仿真模型仅对工业控制中常见的一阶惯性加纯滞后对象作仿真。
若要仿真二阶对象,不难在此仿真模型上修改进行。
五、实验内容
1)建立达林控制算法的闭环数字控制系统。
2)假设对象模型
要求闭环系统时间常数
秒,取采样周期T=1秒。
先按对象的参数去设置控制器参数,然后运行仿真模型。
3)若欲缩短调节时间,可将闭环时间常数改为
秒,采样周期仍为T=1秒,再次仿真。
4)观察系统的动态过程,注意控制量的变化情况。
5)观察系统输出都没有纹波出现,说明在纯滞后时间是采样周期的整数倍时,无论闭环系统时间常数
是大于还是小于惯性时间常数,系统输出都是没有纹波的。
倘若纯滞后时间不是采样周期的整数倍时,系统输出将会发生波动。
6)设
秒,采样周期改为T=1.3秒,再次仿真。
若再缩短采样周期,系统的输出波动将更厉害。
7)对系统进行控制指标的综合考虑,系统反复调试。
8)达林算法控制器的S函数程序darlincon.m清单如下:
function[sys,x0,str,ts]=dahlincon(t,x,u,flag,Ttao,T1,K,Tao,T)
globalumaxk1k2 k3ukek_1N
switchflag,
case0, % Initialization
sizes=simsizes;
sizes.NumContStates= 0; sizes.NumDiscStates=0;
sizes.NumOutputs=1; sizes.NumInputs=1;
sizes.DirFeedthrough= 1;sizes.NumSampleTimes=1;
sys=simsizes(sizes); str =[];
ts =[T0];
umax=50; N=floor(Tao/T)
uk=zeros(N+2,1);ek_1=0;k1=exp(-T/Ttao);
k2=exp(-T/T1); k3=(1-k1)/K/(1-k2);
case3,% Outputs
ek=u;
uk
(1)=k3*(ek-k2*ek_1)+k1*uk
(2)+(1-k1)*uk(N+2);
ifuk
(1)>umaxuk(1)=umax; end
ifuk(1)<-umax uk
(1)=-umax; end
ek_1=ek;uk(2:
N+2)=uk(1:
N+1);
sys=[uk
(1)];
case{1,2,4,9}, % Unhandledflags
sys= [];
otherwise %Unexpected flags
error(['Unhandledflag=',num2str(flag)]);
end
程序中的斜体部分就是有关的达林算法实现所用的变量和语句。
五.实验要求
1.完成编程并检查是否有语法错误。
2.运行程序。
3.对运行的结果进行显示。
4.记录运行的结果。
5.分析正确与错误的原因。
6.用专用的报告纸写出实验报告。
ﻫ
《计算机控制系统》实验指导书
(DSP版)
实验一实验系统介绍与CCS软件使用入门
一、实验系统介绍
1、系统概述与实验箱原理框图
SEED-DTK(DSP Teaching Kit)是一套可以满足大学本科、研究生和教师科研工作的综合实验设备。
SEED-DTK是北京合众达电子技术有限责任公司在总结以往产品的基础上,以独特的多DSP结构、强大的DSP主板功能、丰富的外围实验电路、精心设计的实验程序、精湛的产品工艺形成的高性能产品。
我校所购买的SEED-DTK2812实验箱(原理框图如下所示),它由SEED-DEC2812板卡以及SEED-DTK_MBoard构成;其中主控板是我公司生产的SEED-DEC2812,母板是我公司生产的SEED-DTK_MBoard板卡。
此外,该款实验箱还可配置DSK板卡、图像处理卡等多种子卡。
2、实验箱整体配置与特点
2.1实验箱整体配置
SEED-DTK2812实验箱由以下几部分构成:
1.SEED-DEC2812实验箱DSP基本系统
◆高性能DSP:
TMS320F2812,主频150MHz
◆外扩SRAM,最大容量为512K×16位,基本配置为256K×16位
◆512字节的EEPROM+RTC实时时钟
◆16路AD输入
◆4路DA输出
◆12路PWM输出,6路捕捉输入
◆双路URAT接口,接口标准为RS232/RS422/RS485,可配置
◆符合USB2.0标准的高速Host端接口
◆1路CAN总线接口,符合CAN2.0协议
2.SEED-Mboard实验箱人机接口模块
◆处理器为TMS320C5402
◆SRAM:
64K×16-位(可扩展至256K×16位)
◆Flash:
256K×16-位(用于存放二级标准汉字库及驻留实验程序)
◆提供手动复位
◆1路RS232接口
◆4路12位10μS建立时间±10V输出D/A
◆17键薄膜键盘
◆240*128大屏幕液晶显示
◆交通灯演示模块
以上只介绍实验箱所用到资源,如想使用其他资源请参考各个模块的用户手册。
2.2实验箱特点
模块化的产品结构:
SEED-DEC2812
实验箱的DSP基本系统
可替换其它系列的DSP SEED-DECxxxx产品
SEED-Mboard
人机接口模块、处理器为TMS320C5402 DSP
SEED-DTK_PWMDRV
电机驱动模块
实验箱特点:
◆独具匠心设计的双DSP结构,可以完成DSP间的通讯实验
◆各模块丰富的资源,最大化满足实验要求
◆全数字化实验过程,包括高精度信号发生器
◆丰富多彩的实验,可以满足多种专业的教学要求
◆内容详实的实验手册和实验报告
◆公开的底层函数,提供实验可扩展性
精湛的产品设计和加工工艺,体现出的专业产品制造
二、CCS软件使用入门
1、DSP驱动程序的配置
(1) 双击桌面上的SetupCCS 2(2000)。
“Clear”原有的设备驱动程序配置。
(2) 根据DSP的型号选择相应的TI原装驱动程序,根据DSP的型号选择相应的TI驱动程序,本实验箱采用SEED_DEC2812,故选择F2812 XDS510Emulator。
单击ImportaConfigurationFile。
(3) 进入下图所示界面,选择F2812XDS510Emulator后,单击Import后,点击Close命令。
(4)点中F2812XDS510Emulator驱动后,鼠标右键,在弹出的菜单中点击Properties;
(5) 在弹出的对话框中点击▼,添加Auto_generateboarddatafile with extraconfigure
(6) 点击 Browse,弹出一对话框。
(7)在上一步操作中弹出的对话框中,选中CCS中drivers目录下的seedusb2.cfg文件,同时打开;
(8)点击图标next
(9)I/OPort为0x240,点击图标Next;
(10)根据系统CPU的个数选择AddSingle的相应次数,然后点击next。
(11)点击图标Finish
(12)第十三步:
关掉CCSsetup。
(13) 第十四步:
保存设置;
(14)第十五步:
启动CCS;
(15)第十六步:
出现CCS调试界面;
2、CCS使用入门实验
2.1、实验目的:
(1)熟悉CCS集成开发环境,掌握工程的生成方法;
(2)熟悉SEED-DEC2812实验环境;
(3)掌握CCS集成开发环境的调试方法。
2.2、实验内容:
(1)DSP源文件的建立;
(2)DSP程序工程文件的建立;
(3)学习使用CCS集成开发工具的调试工具。
2.3、实验准备:
(1)将DSP仿真器与计算机连接好;
(2)将DSP仿真器的JTAG插头与SEED-DEC2812单元的J1相连接;
(3)启动计算机,当计算机启动后,打开SEED-DTK2812的电源。
观察SEED-DTK_MBoard单元的+5V,+3.3V,+15V,-15V的电源指示灯灯及SEED-DEC2812的电源指示灯D2是否均亮;若有不亮,请断开电源,检查电源。
2.4、实验步骤:
(1)创建源文件
1.双击
图标进入CCS环境。
2.打开CCS选择File →New→SourceFile 命令
3.编写源代码并保存
4.保存源程序名为math.c,选择File→Save
5.创建其他源程序(如.cmd)可重复上述步骤。
(2)创建工程文件
1.打开CCS,点击Project-->New,创建一个新工程,其中工程名及路径可任意指定
弹出如下对话框:
2.在Project中填入工程名,Location中输入工程路径;其余按照默认选项,点击完成即可完成工程创建;
3.点击Project选择addfiles toproject,添加工程所需文件;
4.在弹出的对话框中的下拉菜单中分别选择.c点击打开,即可添加源程序math.c添加到工程中;
5.同样的方法可以添加文件math.cmd、rts.lib到工程中;在下面窗口中可以看到math.c、math.cmd、rts.lib文件已经加到工程文件中。
(3)设置编译与连接选项
1.点击Project选择BuildOpitions;
2.在弹出的对话框中设置相应的编译参数,一般情况下,按默认值就可以;
3.在弹出的对话框中选择连接的参数设置,设置输出文件名(可执行文件与空间分配文件),堆栈的大小以及初始化的方式。
(4)工程编译与调试
1.点击Project→Build all,对工程进行编译,如正确则生成out文件;若是修改程序,可以使用Project→Build命令,进行编译连接,它只对修改部分做编译连接工作。
可节省编译与连接的时间。
编译通过,生成.out文件;
2.点击File→loadprogram,在弹出的对话框中载入debug文件夹下的.out可执行文件;
3.装载完毕;
4.点击debug→GoMain回到C程序的入口;
5.打开File→Workspace →SaveWorkspace保存调试环境,以便下次调试时不需要重新进行设置。
只要File→Workspace→LoadWorkspace即可恢复当前设置。
实验二 数字I/O实验—交通灯实验
一、实验目的:
1.掌握DSP扩展数字I/O口的方法;
2.了解SEED-DEC2812的硬件系统。
二、实验内容:
1.DSP的初始化;
2.TMS320C2812的扩展数字I/O口使用;
3.交通灯实现程序。
三、实验知识背景:
1.DSP系统中数字I/O的实现
DSP系统中一般只有少量的数字I/O资源,而一些控制中经常需要大量的数字量的输入与输出。
因而,在外部扩展I/O资源是非常有必要的。
在扩展I/O资源时一般占用DSP的I/O空间。
其实现方法一般有两种:
其一为采用锁存器像74LS273、74lS373之类的集成电路;另一种是采用CPLD在其内部做锁存逻辑,我们采用的是后者。
F2812A为16-位定点DSP,其外部存储器接口只支持16-位、异步存储器访问,所以SEED-DEC2812上的存储器扩展总线只实现16-位、异步存储器接口,其4 个存储空间CE0~CE3映射到`F2812的Zone2存储空间上,而’F2812的Zone2存储空间的大小只有512K×16-位可以对外部访问。
在此,我们采用分页技术将4个1M×16-位的扩展总线存储空间CE0~CE3映射到’F2812的512K×16-位Zone2存储空间中。
也即将4M×16-位的扩展总线存储空间分为8个512K×16-位的存储空间页,3位页地址由扩展总线页地址寄存器(映射在Zone1空间的0x00,4020,只写)产生,其控制位的定义如下:
D7
D6
D5
D4
D3
D2
D1
D0
保留
保留
保留
保留
保留
PA21
PA20
PA19
PA[21:
20]:
ﻩ页地址高2位,用于选择4个1M×16-位扩展总线存储空间,复位为00
00:
选择扩展总线的CE0空间
01:
选择扩展总线的CE1空间
10:
选择扩展总线的CE2空间
11:
ﻩ选择扩展总线的CE3空间
PA19:
扩展总线存储空间的A19地址线,复位为0
ﻩ外部总线上,需要CE3作为片选信号,所以需要将CE3空间映射到数据空间,才能对交通灯和led灯端口进行操作。
实验箱I/O板映射到SEED-DEC2812模板的CE3空间,接口方式为16-位。
地址映射关系如下:
实验箱I/O板对应的起始地址为:
0x080000(字地址);
TRAFFICLED的偏移地址为:
0x0000;即TRAFFICLED的地址为:
0x080000;
2.数字IO所占的资源:
交通灯控制口地址为:
0x80000(I/O空间);其说明如下:
D11
D10
D09
D08
D07
D06
D05
D04
D03
D02
D01
D00
SR
SY
SG
WR
EG
EY
WY
ER
WG
NR
NY
NG
NG:
方向北的绿灯控制位;
NY:
ﻩ方向北的黄灯控制位;
NR:
ﻩ方向北的红灯控制位;
WG:
ﻩ方向西的绿灯控制位;
ER:
方向东的红灯控制位;
WY:
ﻩ方向西的黄灯控制位;
EY:
方向东的黄灯控制位;
EG:
ﻩ方向东的绿灯控制位;
WR:
ﻩ方向西的红灯控制位;
SG:
方向南的绿灯控制位;
SY:
方向南的黄灯控制位;
SR:
ﻩ方向南的红灯控制位;
当以上各位置“1”时,点亮各控制位所代表的交通灯状态的LED灯。
四、实验程序功能与结构说明:
1.数字IO实验,包含文件:
IO.c:
这是实验的主程序,包含了系统初始化,并完成控制交通灯按照所选择的不同模式输出显示。
DSP28_GlobalVariableDefs.c:
定义各模块的全局变量。
DSP28_SysCtrl.c:
系统初始化函数。
2812.cmd:
声明了系统的存储器配置与程序各段的连接关系。
2812.gel:
系统初始化。
*.h:
各个源文件的头文件。
rts2800.l:
库函数文件。
2.程序流程图
3.实验准备
首先将F:
盘DSP学生实验程序目录下的数字I/O实验-交通灯实验的文件夹拷贝到F:
盘根目录下的以自己名字所命名的文件夹。
(1)将DSP仿真器与计算机连接好;
(2)将DSP仿真器的JTAG插头与SEED-DEC2812单元的J1相连接;
(3)打开SEED-DTK2812的电源。
观察SEED-DTK_MBoard单元的+5V,+3.3V,+15V,-15V的电源指示灯以及SEED-DEC2812的电源指示灯D2是否均亮;若有不亮的,请断开电源,检查电源。
4.实验步骤
(1)打开CCS,进入CCS的操作环境;
(2)装入IO.pjt工程文件,添加2812.gel文件,打开IO.c文件,在草稿纸上编写主程序流程图,并完善主程序;
(3)调试IO.c文件,调试无误后,修改TESTCOMMAND的宏定义即将每一种运行方式所对应宏定义的值直接赋值给TESTCOMMAND,即可改变运行方式;
TESTCOMMAND是交通灯操作控制选项。
可以为1、2、3、4、5这5个数。
1为自动运行;2为夜间模式;3为交通灯东西通;4为交通灯南北通;5为禁行。
(4)装载程序IO.out;
(5)运行,观察。
实验三PWM输出实验1——直流电机控制实验
一、实验目的:
1.了解直流电机驱动的原理;
2.了解PWM对直流电机的驱动原理;
3.了解使用T1PWM_T1CMP控制直流电机的实现过程。
二、实验内容:
1.DSP的初始化;
2.PWM产生的定时中断服务程序。
三、实验知识背景:
1.PWM简介:
TMS320F2812的事件管理器模块有EVA和EVB两个。
每个管理器包括通用定时器(GP)、比较器、PWM单元、捕获单元以及正交编码脉冲电路(QEP)。
EVA和EVB在功能上是完全相同的,只是在模块的外部接口和信号
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- 计算机控制系统 计算机控制 系统 实验 手册