计算机控制技术实验报告
实验一 信号的采样与保持
一、实验目的
1．熟悉信号的采样和保持过程。 2．学习和掌握香农(采样)定理。
3．学习用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。
二、实验设备
PC 机一台，TD-ACS实验系统一套，i386EX 系统板一块。
三、实验原理
香农（采样）定理：若对于一个具有有限频谱（?样，当采样频率满足?s??max）的连续信号f(t)进行采
?2?max时，则采样函数f?(t)能无失真地恢复到原来的连续信号
f(t)。?max为信号的最高频率，?s为采样频率。
四．实验内容
1．采样与保持
编写程序，实现信号通过 A/D 转换器转换成数字量送到控制计算机，计算机再把数字量送到 D/A 转换器输出。
实验线路图如图2-1所示，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，其它线系统已连好。
图2-1 采样保持线路图
控制计算机的“OUT1”表示386EX内部1#定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常，“IRQ7”表示386EX内部主片8259的“7”号中断，用作采样中断。正弦波单元的“OUT”端输出周期性的正弦波信号，通过模数转换单元的“IN7”端输入,系统用定时器作为基准时钟（初始化为10ms），定时采集“IN7”端的信号，转换结束产生采样中断，在中断服务程序中读入转换完的数字量，送到数模转换单元，在“OUT1”端输出相应的模拟信号。由于数模转换器有输出锁存能力，所以它具有零阶保持器的作用。
采样周期T= TK×10ms，TK的范围为01~ FFH，通过修改TK就可以灵活地改变采样周期，后面实验的采样周期设置也是如此。零阶采样保持程序流程图如图2-2所示。
图2-2 零阶采样保持程序流程图
实验步骤：
（1）参考流程图2-2编写零阶保持程序，编译、链接。
（2）按照实验线路图2-1接线，检查无误后开启设备电源。
（3）用示波器的表笔测量正弦波单元的“OUT”端，调节正弦波单元的调幅、调频电位器及拨动开关，使得“OUT”端输出幅值为3V，周期1S的正弦波。
（4）加载程序到控制机中，将采样周期变量“Tk”加入到变量监视中，运行程序，用示波器的另一路表笔观察数模转换单元的输出端“OUT1”。
（5）增大采样周期，当采样周期>0.5S时，即Tk>32H时，运行程序并观测数模转换单元的输出波形应该失真，记录此时的采样周期，验证香农定理。
2．信号的还原
编写程序，分别用直线插值法和二次曲线插值法还原信号。
从香农定理可知，对于信号的采集，只要选择恰当的采样周期，就不会失去信号的主要特征。在实际应用中，一般总是取实际采样频率?s比2?max大，如：?s?10?max。但是如果采用插值法恢复信号，就可以降低对采样频率的要求，香农定理给出了采样频率的下限，但是用不同的插值方法恢复信号需要的采样频率也不相同。
（1）直线插值法（取?s?5?max）利用式1.2 -1在点（X0，Y0）和（X1，Y1）之间插入点（X，Y）。
其中：K?Y1?Y0
X1?X0X1?X0为采样间隔，Y1?Y0分别为X1和X0采样时刻的AD采样值。
（2）二次曲线插值法（取?s?3?max）：Y?Y0?(X?X0)[K1?K2(X?X1)]
其中，K1?Y1?Y0,X1?X0?Y2?Y0Y1?Y0?????X?X?X?X2010?? K2?X2?X1直线插值与二次曲线插值程序流程图如图2-3所示。
采样中断服务程序（直线插值）采样中断服务程序（二次曲线插值）采样周期变量减一采样周期变量减一采样周期到否？NY采样周期到否？NYD/A输出前一采样值，计算K1D/A输出前一采样值，计算K1、K2计算插值点并送D/A输出采样周期变更还原计算插值点并送D/A输出采样周期变更还原中断返回中断返回图2-3 直线插值与二次曲线插值程序流程图
实验步骤：
（1）参考流程图2-3分别编写直线插值和二次曲线插值程序，并编译、链接。 （2）按照线路图2-1接线，检查无误后，开启设备电源。调节正弦波单元的调幅、调频 电位器，使正弦波单元输出幅值为3V，周期1S的正弦波。
（3）分别装载并运行程序，运行程序前将采样周期变量Tk加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察数模转换单元的输出，和零阶保持程序的运行效果进行比较。 由上述结果可以看出：在采样频率Ws =10Wmax时，用三种方法还原信号，直线插值要好于零阶保持，二次曲线插值好于直线插值。采用合理的插值算法可以降低信号的失真度，在允许的范围内可以有效地降低对采样频率的要求。
（4）（3）中是在同一采样频率下，比较三种方法还原信号的效果，实验中也可比较一种还原方法在不同采样频率下的效果。
对于零阶保持来说：当采样频率≥信号频率的10倍时，即Tk?信号的还原效果较好。
对于直线插值来说：当采样频率≥信号频率的5倍时，即Tk号的还原效果较好。
1?1S,10Tk?0AH1??1S,5Tk?14H信
1T??1S,对于二次曲线插值来说：当采样频率≥信号频率的3倍时。k3信号的还原效果较好。
Tk?21H五．实验结果
采样周期Tk=05H时的输出波形： 采样周期Tk=33H时的输出波形为：
由得到的实验结果可以看出:采样周期 Tk=05H时，输出波形与原来基本相同；Tk>32H时输出波形产生失真。 信号还原实验结果：
Tk=0AH时，三种方法还原得到的结果： 直线差值的输出波形： 二次曲线插值的输出波形： 零阶保持输出波形：
实验二 数字滤波
一、实验目的
1．学习和掌握一阶惯性滤波。 2．学习和掌握四点加权滤波。
二、实验设备
PC 机一台，TD-ACS实验系统一套，i386EX 系统板一块。
三、实验原理
一般现场环境比较恶劣，干扰源比较多，消除和抑制干扰的方法主要有模拟滤波和数字滤波两种，由于数字滤波方法成本低、可靠性高、无阻抗匹配、灵活方便等特点被广泛应用。
图3-1数字滤波方框图
（1）一阶惯性滤波： 相当于传函
1的数字滤波器，由一阶差分法可得近似式： ?S?1 其中，XK为当前采样时刻的输入，YK为当前采样时刻的输出，YK?1为前一采样时刻的输出，T为采样周期，1?a?（2）四点加权滤波： 四点加权滤波算法公式：
其中，XK为当前采样时刻的输入，XK?1为前一采样时刻的输入，YK?1为前一采样时刻的输出。
数字滤波程序流程图如图3-2所示。
图3-2 数字滤波程序流程图
T?。
实验中的参数：1－a、a、A1、A2、A3、A4为十进制2位小数（BCD码），取值范围：0.00 ～ 0.99，只须对应存入00～99。程序中将其转换成二进制小数，再按算式进行定点小数运算。
四．实验内容
分别编写一阶惯性滤波程序和四点加权滤波程序，将混合干扰信号的正弦波送到数字滤波器，并用示波器观察经过滤波后的信号。
实验线路图如图3-3所示，图中画“○”的线需用户在实验中自行接好，运放单元需用户自行搭接。
图3-3 数字滤波实验线路图
控制计算机的“OUT1”表示386EX内部1＃定时器的输出端，定时器输出的方波周期＝定时器时常,“IRQ7”表示386EX 内部主片8259的7号中断，用作采样中断。 电路中用RC电路将S端方波微分，再和正弦波单元产生的正弦波叠加。注意R点波形不要超过±5V，以免数字化溢出。计算机对有干扰的正弦信号R通过模数转换器采样输入，然后进行数字滤波处理，去除干扰，最后送至数模转换器变成模拟量C输出。
五、实验步骤
1. 参照流程图3-2分别编写一阶惯性和四点加权程序，检查无误后编译、链接。 2. 按实验线路图3-3接线，检查无误后开启设备电源。调节正弦波使其周期约为2S，调信号源单元使其产生周期为100ms的干扰信号（从“NC”端引出），调节接线图中的两个47K电位器使正弦波幅值为3V，干扰波的幅值为0.5V。
3. 分别装载并运行程序，运行前可将“TK”加入到变量监视中，方便实验中观察和修改。用示波器观察R点和C点，比较滤波前和滤波后的波形。
4. 如果滤波效果不满意，修改参数，再运行程序，观察实验效果。
六．实验结果
一阶惯性滤波输出波形： 四点加权滤波输出波形：
由实验结果可以得到此实验一阶惯性滤波的效果更好，其更有效的滤去了噪声干扰信号。
实验四 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