1、DICE-AT2型 自控原理实验箱用户手册启东计算机总厂有限公司- 1 -目 录第一部分 DICEAT2系统篇-（3）第一章 DICE-AT2 系统概述-（3）一、引言-（3）二、系统构成-（3）三、系统实验项目-（4）第二章 系统的硬件资源-（5）一、系统电源-（5）二、8088_CPU 控制单元配置-（5）三、系统单元电路-（7）第三章 集成操作软件使用说明- (17)一、软件安装- (17)二、进入系统- (17) 三、文件操作- (18)四、汇编程序- (18)五、连接- (19)六、程序装入- (20) 七、运行程序- (22)八、程序存盘- (23)九、调试- (23)十、示波器功
2、能- (30)十一、退出- (32)- 2 -第四章 DICEAT2 系统的操作-（35）一、系统的安装与使用-（35）二、实验中常用的典型环节的实现-（35）三、实验中有关注意事项-（37）四、DICE-AT2 实验仪常见故障的分析及处理-（37）第二部分 自动控制原理实验篇- （39）实验一 典型环节的模拟研究-（39）实验二 典型系统瞬态响应和稳定性-（45）实验三 系统校正-（50）实验四 控制系统的频率特性-（53）实验五 典型非线性环节-（57）实验六 非线性系统一-（63）实验七 非线性系统二-（70）实验八 采样系统分析-（74）实验九 采样控制系统的校正-（78）实验十 状态
3、反馈-（81）第三部分 十六位微机控制技术实验- (86)实验一 模/数、数/模转换实验-（86）实验二 采样与保持-（92）实验三 平滑与数字滤波实验- (97)实验四 积分分离 PID 控制实验-（105）- 3 -实验五 最小拍控制系统-（110）实验六 大林算法-（118）实验七 非线性控制-（124）实验八 多调节器计算机控制-（130）第四部分 控制系统实验篇-(137)实验一 直流电机闭环调速实验-（137）实验二 电烤箱闭环控制实验-（152）实验三 步进电机调速实验-（166）附录一 关于宏汇编程序的使用-(169)附录二 汇编语言与 C 语言混合编程示例-（171）附录三
4、DICE-AT2 线路原理图-（181）附录四 DICE-AT2 系统布局图-（183）- 4 -第一部分 DICEAT2系统篇第一章 DICEAT2 系统概述一、引言“自动控制原理”是自动化、自动控制、电子技术、电气技术、精密仪器等专业教学中的一门重要的专业基础课程。为满足各大专院校的教学需要，我公司精心设计制造了 DICE-AT2 实验系统，它具有很强的开放性能、扩展性能；运算模拟单元的运放有八个，每个运算模拟单元内都有实验所需的电阻、电容等元件，可以通过短路块和导线灵活方便的对系统单元电路进行组合，可以构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统；从运算模拟单元独立出来的可变电阻器组单元档位
5、连续，调节精度高，接线灵活多变，充分满足于自控原理实验教学的要求。利用系统提供的集成操作软件 DICEAT2，通过 PC 示波器功能可实时、清晰的观察控制系统的各项静态、动态特性，方便了对模拟控制系统特性的研究。我们采用微型温度控制单元来代替烤箱进行温度控制实验，加上系统配置的直流电机、步进电机等控制对象，可开设控制系统课程的实验。该系统还可扩展支持如线性系统、最优控制、系统辨识及计算机控制等现代控制理论的模拟实验研究。二、系统构成DICE-AT2 系统由各单元电路、8088_CPU 单元和与 PC 机进行通讯的串口构成，其系统布局见附录三。信号源发生单元电路： U1 信号源 SG 正弦波单元
6、： U2 正弦波 SIN运算模拟单元电路： U3U8反向器单元： U9状态指示灯单元： U10 指示灯 D电位器单元： U11 P单节拍脉冲发生单元： U12 单脉冲 SP非线性用单元电路： U13 NC特殊运算环节单元： U145V 电源发生单元： U15 A驱动单元： U16 DRIVER微型温度控制单元： U17 TC电机单元： U18 MOTOR采样保持器及单稳单元电路： U19 SH模/数转换单元电路： U20 ADC数/模转换单元电路： U21 DAC示波器单元： U22可变电阻器组单元： U238088_CPU 单元： U24RS485 通信单元： U25- 5 -控制信号单元
7、U26三、系统实验项目计算机控制技术实验项目1、A/D，D/A 转换2、采样保待器3、数字滤波4、积分分离式 PID 控制5、最小拍有纹波系统实验6、最小拍无纹波系统实验7、大林算法控制8、非线性控制9、解耦控制10、综合控制实验自动控制原理实验项目1、典型环节的模拟研究2、典型系统瞬态响应和稳定性3、系统校正4、控制系统的频率特性5、典型非线性环节6、非线性系统(一)7、非线性系统(二)8、采样系统分析9、采样控制系统的校正l0、状态反馈(极点配置)控制系统实验项目l、直流电机闭环调速实验2、温度闭环控制实验3、步进电机调速实验以上所有实验的具体内容由本实验指导书有关章节详细提供。- 6 -
8、第二章 DICE-AT2 系统的硬件资源一、系统电源DICE-AT2系统采用本公司所生产的三路高效开关电源作为系统工作和实验的电源，其主要技术指标为:1.输入电压：AC165260V2.输出电压/电流：+5V/2A ， +l2V/0.2A，l2V/0.2A3.输出功率：l5W4.效率:75%5.稳压性能：电压调整率0.2%负载调整率0-5%纹波系数0.5%6.工作环境温度540。二、8088 控制系统资源(一)地址分配情况l.系统内存分配：其中计算机控制技术实验程序被固化在系统程序区：F000：1100：ICBF 。- 7 -2、系统编码（二）BIOS 说明中断号 绝对地址 中断内容 备注00
9、 00H 除数为 0，溢出01 04H 单步（Trap）02 08H NMI 系统发出中断请求03 0CH 程序断点04 10H 算术溢出05-07 18-1FH 保留 用户系统扩展08 20H 8259 实时钟中断- 8 -09 24H0A 28H 用户自定义 8259 硬中断矢量区0B 2CH0C 30H 串行口中断中断号 绝对地址 中断内容 备注0D0E0F34H38H3CH用户自定义 8259硬中断矢量区10 40H 显示器 I/O11-13 44-4FH 保留14 50H 查询方式串行通讯15 54H 保留16 58H 保留17 5CH 保留18-1A 60-6BH 保留1B 6CH
10、 CtrlC 终止程序运行1C-1F 70-7FH 保留20 80H 程序终止21-27 84-9FH 保留28 A0H CtrlS 暂停运行29 A4H CtrlP 连接打印机2A-36 A8-DBH 用户扩展敏感 特殊键处理37-FF DC-3FFH 触发键处理三、系统单元电路1、信号源发生单元电路信号源发生单元电路包括 U1 信号源 SG 单元和 U2 正弦波 SIN 单元。（1） U1 信号源 SG 典型信号发生单元，其原理图见图 2.11- 9 -图 2.11此单元可产生重复的阶跃、斜坡、抛物波三种典型信号，且信号的幅值、频率通过电值器 W11、 W12 可以进行调节。为了使运算放大
11、器为零初始状态并且积分漂移不致累加增多，设置了锁零电路，其原理是各运放所接的反馈阻抗短路，此时 3DJ6 的 D、S 端导通。U1 信号源单元的 S 端为 NE555P 输出端，S 与 ST 短接时有锁零操作（S 端非零时不锁，为零时锁），此时，U1 信号源 单元的 0UT 端可产生三种信号；当 ST 端与 S 端断开，而和+5V 短接时，无锁零操作，OUT 端无信号， S 端只产生方波，文中所提到的短接可用板上现成的短路块短接。值得注意的是，由于锁零操作的存在，所以产生的斜坡、抛物波的运放也锁零，若 NE555P 周期过长或信号幅度过大，斜坡，抛物波曲线后部将变平。（2）U2 SIN 正弦波
12、信号发生单元，见图 2.12图 2.12这个电路产生的正弦波频率、幅值均连续可调，且调幅和调频互不串扰，保证实验中对正弦信号的要求。运放 TL082 用来放大波形幅值。这个电路的频率段由右上角三个电容来确定，通过波段开关来选择频段（分四档：0848ms；12800ms ； 01610s；0530s），通过改变可调电阻对频率进行微调。图中 s1，s2，s3 电位器用于调整正弦波的失真度。S1，S2 电位器分别调整正弦波的正负对称性，而电位器 S3是调整正弦波的斜度。- 10 -2、采样保持器及单稳单元电路，见图 2.2U19 SH单元有两路采样器 LF398，IN 为采样保持器输入，OUT 为输
13、出，输入输出电平范围为l2V，PU 为控制端，用逻辑电平控制，用高电平采样，低电平保持，采样时间约为 l0S。采样保持器用于模拟系统采样，其输出给 A/D 器件时，可以缩小因 A/D器件转换时间（约 l00S）带来的误差。图 2.23.运算模拟单元电路。见图 2.3-1- 11 -该单元把实验所需的电阻、电容一端接在运放的输入端，用短路块可以灵活方便把所需的元件接入运放单元中，具有极高的实验接线效率和实验成功率，同时也保留了原有手动搭接模拟对象的特点，实验者可以自己扩展实验。现在就运放单元举一简单的例子加以说明。传函为 G(S)KRf/R0200K/100K 2（尽量利用板子上电阻）实验步骤：
14、1）输入电阻 l00K：选择 U4 单元的输入电阻 l00K。2）反馈电阻 200K：在该运放单元的 IN 和 0UT 之间选择 200K 的电阻，用短路块将其接入。3）将 U1 SG 单元产生的方波信号加到该运放单元的“1”端，用示波器观察 U4 单元的“OUT ”端输出波形。调整 Rf 或 R0 的阻值，使其放大倍数改变。响应曲线如图 2.3-2 所示。（ Ui 指输入信号，U0 指输出信号）。方波信号的产生：首先将 ST 插针与 S 插针用短路块短接，将 S11 置阶跃档，调W11，使幅值为 2V；将 S12 置 0.2-14S 档，调 W12 使其周期为 4S，以上都是通过示波器- 1
15、2 -观察 OUT 端得到的。同样的道理，若搭接积分环节，用短路块将所需的电容短接，这样就可构成简单的积分环节。对于其它的环节，接法可参照以上说明，在此不再赘述。以上只是介绍此单元，其它运放单元（U3-U8）原理相同，只是输入、反馈电阻的阻值不同（参照附录），用户可以根据自己的需要进行选择使用。从而使实验效果更加理想。U9单元是相加、反相运算单元，主要是实现信号的相加和信号的等幅反相功能。见图 2.3-3。图 2.3-34、特殊运算环节单元该 U14 单元作为运放反馈电路，根据实验的要求可以和运放构成比例、比例积分、比例微分、比例积分微分环节，这些环节的构成只需导线和短路块，接线方便快捷。其原
16、理图见图 2.4图 2.45. 非线性用单元电路，见图 2.5- 13 -图 2.5供死区非线性和间隙非线性模拟电路插接电阻用。6、可变电阻器组单元 U23可变电阻器组单元由 6 个电位器组成，分为 3 组：47K 、220K 、470K，调节精度高，接线灵活方便，易于操作。见图 2.6图 2.67、数/模转换单元电路：见图 2.7图 2.7数模（D/A）转换单元为 U21 DAC，采用 DAC0832 芯片，转换精度为 8 位二进制码。输入数字范围为 00HFFH，对应输出（U21 单元的 OUT 端）为5V4.96V。80H对应于 0V。输入数字量的八位数据线接至 8088CPU 的数据总
17、线上，另外，读线和片选线己接好，其口地址为 00H。8、模/数转换单元电路：见图 2.8模数(A/D)转换单元为 U20 ADC，它采用 ADC0809 芯片，分辨度为 8 位二进制码。模拟输入通道 8 路(IN0 IN7)，通过三端地址码 A、B、C 多路开关可选通 8 路模拟输入的任何一路进行 A/D 交换。其中 INlIN5 的模拟量输入允许范围：0V4.98V，对应数- 14 -字量 00HFFH，2.5V 对应 80H。IN6 和 IN7 两路由于接了上拉电阻，所以模拟量输入允许范围：5V4.96V，对应数字量 00HFFH 。0V 对应 80H。输出八位数据线己接到 8088CPU
18、 中的 8255 端口 A。其它控制线根据实验要求另外连接（A、B、C 、l 、EOC、IN0 IN7）。需要说明的是，在电烤箱的控制实验中，为简化实验接线，IN0 接 500 欧对地电阻， 0809 的 CLOCK 线已接系统时钟 OPCLK，频率为l.l625MHz。图 2.89. 状态指示灯单元 U10，见图 2.9用作实验现象指示用.10. 单节拍脉冲发生单元 U12：见图 2.10- 15 -图 2.1011、电位器单元 U11：见图 2.11图 2.11阶跃信号的产生，就是由单节拍脉冲发生单元的电位器单元组成。具体电路详见实验指导书中实验一的实验内容及步骤。l2、5V 稳压集成电路
19、单元 U15：见图 2.12图 2.12 13、微型温度控制单元 U17：见图 2.13图 2.13由 7805 芯片产生+5V 的稳定电压和一个 20 欧/2W 的电阻构成回路，回路电流比较大使 7805 芯片发热，用热敏电阻测量 7805 芯片的温度可以进行温度闭环控制实验，由于 7805 裸露在外散热迅速，所以实验控制的最佳温度为 5070 度。实验指导书中电烤箱闭环控制实验用此单元代替烤箱可以做温度闭环控制实验实验接线图如下：- 16 - 17 -14、驱动单元 U16驱动单元由 12V 达林顿驱动电路及输出指示灯构成。驱动控制信号输入端 A-D 为高电平有效，当对应达林顿管输出端 A
20、0D0 的高电平被拉低时相应指示灯亮），在公共+12V 端驱动下，可完成对 DC12V 负载的驱动功能（注意：负载不要过大），其原理如图 2.14：图 2.1415、电机调速单元 U18电机调速单元由直流电机和步进电机组成。如图 2.l5直流电机单元（MT1）由 DC12V、l.lW 直流电机、小磁钢、霍尔测速电路及输出构成。本单元用于直流电机闭环调速，贴在直流风扇背面的小磁钢能随风扇一起旋转，每当经过底部霍尔元件上方时，对应霍尔输出由高电平变为低电平，形成一个脉冲，且相应指示灯闪亮。风扇电源输入排针（1，2）可用排线转接在驱动单元输出的+12V 和 A0排针上，控制信号可加在 A 处，反馈信
21、号由霍尔输出排针（ HROUT）引出。（风扇红线1 为正极接+12V，黑线 2 为负极接 A0，最高转速不超过 4300n/min）。步进电机单元（MT2） 型号为 AD35-02M，四项八拍，电压为 12V。图 2.15l6、示波器单元示波器单元由 ADC0809、LM324 芯片、量程选择开关和双路表笔构成。- 18 -本单元替代了计算机控制、自控实验中使用的长余辉型示波器。信号量单元中的运放 LM324 提高了系统输入阻抗，量程衰减开关可对输入信号进行衰减，两路模拟信号经ADC0809 转换后送至系统处理，最后在 PC 机上显示波形。开关 CHl、CH2 对应波形衰减倍数为 5、0.5、
22、1。l7、RS 485 通信单元RS485 接口是一种平衡传输方式的串行接口标准，它的特点为：采用差动发送 / 接收，共模抑制比高、抗干扰能力强；传输速率高，它的最大传输速率可达 10Mb/s（传输 15m），传输信号的摆幅小（ 200mV）；传送距离远（指无 MODEM 的直接传输）；采用双绞线，在不用 MODEM 的情况下，当 100Kb/s 的传输速率时，可传送距离为 1。2公里，若传输速率下降，则传送距离可更远，能实现多点对多点的通信，RS485 允许平衡电缆上连接 32 个发送器/ 接收器对。RS485 标准目前已在许多方面得到应用，尢其是在多点通信系统中，如工业集散分布控制系统，远
23、程数据通信控制系统、商业 POS 收款机和考勤机的联网中用的很多，是一个有发展前途的串行通信接口标准。- 19 -第三章 DICE-AT2 集成操作软件使用说明一、软件的安装DICEAT2 实验系统配合集成操作软件 DiceDebug 可方便地进行各项实验。在我们提供的光盘中找到应用程序“Debug_Setup.exe”，双击该程序图标将会自动安装集成软件，你只需选择安装目录（如果自定义安装目录，请确保目录名不超过 7 个字符），其他过程都是自动完成的。安装完成后会在桌面上自动创建程序的快捷方式“DICE 计算机控制实验软件”，您只需双击该快捷方式即可运行集成软件。安装程序将全部软件拷贝至安装
24、目录。其中还包括计算机控制的所有实验程序及三个综合实验：直流电机调速实验（EXPl.EXE)、烤箱温度控制实验（EXP2.EXE）、步进电机调速实验（EXP3.EXE）的演示程序。该软件可以在 Windows98 及 Windows2K 下运行。 二、进入系统开启 PC 微机及实验平台的电源开关，启动实验系统，双击“DICE 计算机控制实验软件”图标，即可进入集成环境。根据您所使用的通讯端口设置 “选择串口”COM1 或 COM2。图 3.1 集成软件操作界面- 20 -三.、文件操作（File）在图 3.1 所示的操作界面中，选择文件菜单可新建文件或打开已有的文件，进行源文件的编辑操作（图
25、3.2 文件编揖操作界面）。屏幕显示：图 3.2 文件编揖操作界面当打开源文件编辑窗口后（菜单会发生相应的变化），可利用菜单中所提供的功能对源程序进行输入、修改、保存等操作。在对源程序进行修改的过程中，用户应先定义需要修改的程序块，然后可使用“编辑”莱单中的复制（C ）、剪切（T）、粘贴（P）和撤消（U）等功能。当源程序编辑修改完毕后，可将文件进行保存，保存时默认的扩展名“。ASM ”。四、汇编程序（Masm）在图 3.2 所示的界面中，选择“编译”菜单中的“汇编”项，即可对源文件进行汇编，系统自动完成汇编并生成“*.OBJ”文件。并在屏幕上显示错误、警告等汇编信息：- 21 -图 3.3 汇
26、编信息窗口若在汇编过程中出现错误，则错误信息会出现在 图 3.3 汇编信息窗口，用户可对照出错信息，修改程序。五、连接（Link）在图 3.2 所示的操作界面中，选择“编译”菜单中的“连接”项，即可对源文件进行连接，系统自动连接生成“*。EXE”文件。并在屏幕上显示错误、警告等连接信息：- 22 -六、程序装入（Load）程序装入需在调试窗口的界面中进行，在图 3.1 集成软件操作界面 或在图 3.2 所示的文件编揖操作界面中，选择“窗口”“调试”，出现下面的调试窗口：这时菜单栏中会增加几个与程序调试相关的菜单项。选择“装入程序”，出现一个打开文件对话框，到安装目录下，选中刚才连接好的执行文件
27、，点击打开，出现一个地址对话框，点击确定，即可将执行文件装入到系统中由段地址和偏移量指定的位置。如下图所示：- 23 - 24 -七、运行程序进入调试窗口，可以通过“单步运行”菜单项来单步执行程序，- 25 -八、程序存盘选择“程序存盘”可将系统内存中的程序存入磁盘。九.调试（Debug）计算机控制实验调试界面下的主要命令A 启动小汇编程序其格式为：A 段址： 偏移量 即：- 26 -需要说明的是，对输入汇编语句有如下规定：(1) 数字一律是不带 H 后缀的 16 进制数。(2) m类操作一定要在之前标注 W(字) 或 B(字节)，如MOV B2010，AL；MOV W2010，AXB 断点设
28、置在“”提示符下键入 B ，系统就提示：“i：”等待您给出断点地址，回车后，系统继续提示“i1：”。若直接用回车来响应则结束该命令。系统允许设至至多 10个断点，断点的清除方法，只能是通过键入复位开关或重新上电来实现。D 显示一段地址单元中的数据其格式为 D： 段址：起始地址， 尾地址 E 编辑指定地址单元中的数据其格式为：E段址：偏移量 每次只能一字节一字节地显示或修改数据。一旦进入 E 命令状态，就可通过“空格”键来使地址向高地址方向移动，而“-”链则使地址向低地址向移动，亦可直接填入新数据来修改地址单元中的内容。若直接用回车键来响应的话，就退出 E 命令。G 连续运行程序其格为：G 段址
29、：偏移量 GB段址：偏移量 其中 G 格式表示无断点连续运行由段址：偏移量指定入口的程序：而 GB 格式表示带断点连续运行由段址：偏移量指定入口的程序。注：断点是由 B 命令来设置的。I 从 I/O端口读入数据并显示其格式为：II/O 接口地址 - 27 -如：I 0042 显示地址为 0042 接口单元的内容。M 数据块搬移其格式为：M 段址： 源起始址，尾址目标段址： 目标起始址执行该命令可实现整块数据区的搬移。O 数据送存指定 I/O接口地址单元其格式为：O I/O 口地址，数据如：O 0098，10 就完成送 10 到地址为 98 的 I/O 端口上去。R 寄存器显示与修改其格式为：
30、R 寄存器名可显示并修改特定寄存器的内容。如：RAX 就显示 AXXXXX ，此时您键入回车键表示结束 R 命令，若输入四位 16 进制数并回车的话，则就会将该四位数填入到相应的寄存器中并结束 R 命令。T 单步运行指定的程序其格式为：T段址：偏移量 单步运行的程序入口地址由段址：偏移量来指定，每次执行完毕，系统就会显示CS、DS 、IP 、 AX 的内容到显示器上。如 T0000：2000 表示从 0000：2000 地址起单步执行一条命令。U 反汇编程序命令其格式为：U 段址：起始址 ，尾址 或 U系统提供反汇编程序能力，上面第一格式可实现连续显示从某地址到另一高端地址间的代码反汇编，而后
31、一种格式每次只能显示当前行。为使您熟练掌握以上 DEBUG 命令，请按下列步骤进行练习。练习题目：从 3500H 内存单元开始建立 015 共 l6 个数据。（程序先设定 3000H，以便后面修改）程序如下：STACK SEGMENT STACKDW 256 DUP(?)STACK ENDSCODE SEGMENT- 28 -ASSUME CS:CODESTART: MOV DI ,3000H ；设置数据区首址MOV CX ,0010H ；字节数-CXMOV CX ,0000HSAHFH0: MOV DI ,AL ；写入一字节INC DI ；修改地址指针INC AX ；修改数据DAA ；直进制
32、调整LOOP H0 ；未填完转移H1: JMP H1CODE ENDSEND START地址(H) 机器码(H) 助记符 注释2000 BF0030 MOV DI,3000 ；设数据区首址2003 B91000 MOV CX,0010 ；节数CX2006 B80000 MOV AX,00002009 9E SAHF200A 8805 MOV BDI,AL ；写入一字节200C 47 INC DI ；修改地址指针200D 40 INC AX ；修改数据200E 27 DAA ；十进制调整200F E2F9 LOOP 200A ；末填完转移2011 EBFE JMP 2011练习步骤：(l)使用通讯电缆将实验系统串口与 PC 机串口相连。(2)开启系统电源，双击桌面上的快捷方式 ，进入集成操作软件环境。(3)新建源文件，输入上面的程序。进行汇编、连接直至正确无误。打开调试窗口，按默认地址 0000：2000 装入文件。下面给出一些基本调试信息：- 29 -1）用 U命令检查程序的正确性。若需更正或调整程序，可用 A 命令实现。具体操作如下：当发现源程序有输入错误时，可做相应的修改，如修改 2000 句为 MOV DI，3500 的操作如下：（2）程序的运行方式有单步运行、带断点运行及连续运行几种方式。单步运行，按如下操作，可单步运行程序，即
