航空发动机控制实验指导书.doc

航空发动机控制实验指导书（能源与动力学院用）张天宏编南京航空航天大学能源与动力学院2004年7月 目 录引 言1实验一、柱塞泵特性实验2实验二、离心泵特性实验6实验三、分油活门的压力位移特性实验9实验四、数字控制的实现（设计性实验）12附 DOS下定时的信号采集与输出程序exp.c17实验五、被控对象的参数识别22实验六、单回路控制系统参数整定（设计性实验）25附录：自动控制综合教学实验系统使用说明291 实验系统的工作原理292 硬件使用说明313 软件使用说明0引 言1实验总体要求实验是本课程重要的实践性教学环节，是考核本课程学习成绩的一个组成部分。通过实验，要求学生达到：（1）基本掌握典型控制元件及电子控制系统的实验方法；（2）了解实验设备和仪器的基本工作原理，并掌握使用方法；（3）正确进行实验数据的整理，对实验结果进行分析，并独立写出实验报告。2航空发动机控制实验安排分控制元件实验和控制系统实验两部分：（1）控制元件实验 柱塞泵特性实验（可作为容积式泵试验方法的参考材料） 离心泵特性实验 分油活门的压力位移特性实验 数字控制器的实现（设计性实验）（2）控制系统实验 被控对象参数的参数识别 单回路控制系统参数整定（设计性实验） 实验一、柱塞泵特性实验（一） 实验目的1 熟悉柱塞泵（容积泵）特性的实验方法及实验设备和测试仪器；2 通过实验绘制柱塞泵特性曲线，掌握容积式泵特性的一般变化规律；3 通过实验观察柱塞泵供油脉动所引起的压力脉动规律。（二） 实验内容1 测定近似理论供油量特性曲线Q T = f（n）；2 测定实际供油量特性曲线Q=f（n）；3 测定供油量调节特性曲线Q=f（）；4 观察供油脉动引起的压力脉动规律。（三） 实验设备实验设备为10千瓦燃油泵调节器联合实验台，其液压主油路系统原理如图1所示。图1-1 柱塞泵试验设备原理图主油路系统由油箱、增压泵（叶片泵）、安全阀（溢流阀）、试验泵和调压阀等组成。试验泵由直流发电机电动机组经增速齿轮箱驱动。改变电机的激磁电流即可进行无级调速。试验泵进口压力可通过调节增压泵旁路回油量确定。其出口压力由调压阀调节。（四） 试验泵试验泵为涡喷5发动机燃油泵ZB2C。它是点接触斜柱塞式柱塞泵。经改装后可用手动调节斜盘倾角，斜盘调节杆每移动1mm相当于斜盘倾角=18。 试验泵的主要性能和结构参数如下： nmax=3200rpm； a =130.5mm; pin =1.2bar； dz =14mm; pout=99bar； Z =7； Qmax=2940L/h； =15；（五） 测试仪器测试仪器有转速表、压力表、浮子流量计（两只并联，本实验作为观察流量用）、量筒（或称油葫芦，本实验用它计量流量）、秒表和示波器。试验泵的流量用容积法测定，即计量流人量筒（油葫芦）一定容积V的油液所需要的时间t，则流量为 Q=v/t在测量泵的供油量时，应关闭排葫阀门，使换向转阀接通油葫芦。计量完毕后将换向转阀拨向油箱位置，并打开排葫阀门，使油葫芦中的油液排向油箱，以便于进行下一次的流量测定。（六） 实验步骤和方法及数据记录1 开车步骤（1） 打开防火阀门、关浮阀门、增压泵旁路调压阀门；调压阀门打开到最大位置；换向转阀置于接通油箱位置；关闭排葫阀门；旋动圆盘电阻器调至零位。（2） 启动增压阀。（3） 启动直流电机组。待启动完成后（信号灯亮），旋动圆盘电阻器，把试验泵的转速调至试验最低转速。2 作近似理论供油量特性QT=f(n)试验 （1） 把斜盘倾角置于某一固定值（建议取调节杆位置为m=6mm）。调整增压泵旁路调压阀门和试验泵出口调压阀门，使pin=pout(建议取pin=pout=2.5bar) 。（2） 分别测量在某几个转速（取n=750,1000,1500,2000,2500rpm）下的供油总量V和相应的时间t。测量数据记录于下表。 n (rpm)V（L）t（s） m= mm; Pin bar； Pout bar 。 3 作实际供油量特性Q=f（n）试验（1） 仍把试验泵斜盘置于与第一个试验相同的固定值（m=6mm处）。调整调压阀门。使试验泵进出口压力差保持恒定不变(建议取Pin2.5bar；Pout10bar)。（2） 分别测量某几个给定转速（取n=750,1500,2000,2500rpm）下的供油总量V和相应的时间t。测量数据记录于下表。n (rpm)V（L）t（s） m= mm; Pin bar； Pout bar 。 4 作供油调节特性Q=f()试验（1） 仍取Pin2.5bar；Pout10bar；并保持转速n2000rpm不变。（2） 调节斜盘倾角（可取m2，4，6，8，10mm），分别测量每一倾角下的供油总量V和相应的时间t，测量数据记录于下表。m (mm)V（L）t（s） n= rpm ; Pin bar； Pout bar 。 5.观察供油脉动（1） 在试验泵出口接上压力传感器，连接好二次指示仪器（示波器）。（2） 在n2000rpm，m6mm，Pin2.5bar；Pout15bar下观察供油脉动引起的压力脉动波形。（七） 思考题1 当Pin 和不变，当n增大（或减小）时，如何调节试验泵出口测压阀门使PPout Pin保持不变？2 当Pin，及n不变时，要使P增大(或减小)，如何调节泵出口调压阀门？3 若Pin和n不变，当角增大（或减小）时，怎样使P保持不变？4 对于本实验设备系统（图21），在泵前和泵后测量供油量Q值有无区别？为什么？5 Q=f()特性曲线是否通过坐标原点（Q=0,=0）? 实验二、离心泵特性实验（一）实验目的1 掌握离心泵（动力式泵）的试验方法。了解实验设备和所用仪器。2 通过实验绘制离心泵的特性曲线并验证比例定律。（二）实验内容测定n4000rpm和n5000rpm下离心泵的压头特性。（三）实验设备实验设备的系统原理如2所示。图2-1 离心泵试验设备原理图1 主油路系统：由油箱、增压泵（双联叶片泵）、溢流阀、试验泵（VP-4）等组成。试验泵由直流电机经增速齿轮箱传动，电机转速采用可控硅进行无级调节。在齿轮箱和试验泵之间安装有转速/扭矩传感器，可测量扭矩和转速。油液从油箱经阀门（1）和油滤进入叶片泵，增压后输给试验泵VP-4。从试验泵流出的油液经涡轮流量计（二只并联）回油箱。叶片泵进出口间还按装了一个低压旁路溢流阀，用来调整试验泵进口压力。2 滑油系统：用来润滑试验泵和齿轮箱的齿轮。主要由滑油箱、滑油泵和回油泵组成。滑油泵和回油泵装于齿轮箱中，由齿轮箱直接驱动。 （四）试验泵自行设计的气心泵VP-4,叶轮为封闭式，叶片为径向式。试验时使其在离心泵工况下工作。试验泵的主要技术性能： 额定转速n21000rpm； 额定流量Q=20000L/h； 出口压力Pout60bar； 比转速ns46rpm； 工作介质为煤油，=780Kg/m3 。（五）测量仪器压力表，转速传感器及二次仪表（频率计），涡轮流量计及二次仪表（频率计）。实测转速直接从转速表读出，实测流量Q需按流量仪表的读数fv进行换算。对于LW-15涡轮流量计，平均仪表常数K6.8（L/h）/HZ,故 Q=Kfv6.8fv（六）实验步骤及数据记录1 打开实验泵出口调节阀及开关（1）、（3）、（4），并接通电源。2 按电控柜上“油泵启动”按钮启动增压泵，并调节溢流阀使试验泵进口压力（压力表1示值）在 0.51bar范围内。3 按电控柜上“主回路启动”按钮启动直流电机。4 按电控柜上“调速器启动”按钮开启电机调速功能。旋转电控柜上“转速给定旋钮”，调节转速。5 保持n不变，调整调压阀开度，记录不同Q下试验泵的进出口压力Pin（数显压力表1示值）和Pout。（数显压力表2示值），并把试验数据记录于下表。n（rpm）n1=4000n2=5000fv （Hz）70050030020010007005003002001000PoutPin注：Pin（bar）0.1Pin（数显压力表1示值）, Pout(bar)=0.25Pout （数显压力表2示值）6 记录实验数据完毕后旋转电控柜上“转速给定”旋钮，调节转速为0。7 按电控柜上“调速器停止”按钮关闭电机调速功能。8 按电控柜上“主回路停止”按钮关闭直流电机。9 按电控柜上“油泵停止”按钮关闭增压泵。10 关闭电源。（七）实验报告要求学生完成该项实验后，应撰写一份实验报告，报告内容包括：1实验目的和实验手段。2离心泵特性实验的记录结果。3根据记录结果画出离心泵的压力-流量特性曲线。4离心泵实验装置的工作原理，重点说明直流电机调速系统的组成和工作原理。 实验三、分油活门的压力位移特性实验（一）实验目的1熟悉液压放大元件的实验方法及实验设备和仪器；2通过实验测定分油活门式液压放大元件的压力特性。（二）实验内容 测定带旁通节流器的正开口分油活门的压力特性曲线，即x曲线。（三）实验装置实验装置由试验件、夹具及恒压油源等组成，如图3所示。图3-1 分油活门试验装置原理图1试验件：涡喷六发动机ZB-10A调节器中的分油活门，其结构型式为带旁通节流器的非对称正开口四边分油活门。主要结构参数如下：圆形窗口半径 r=1.75mm;窗口数 N2；开口量 U1=U1=0.27mm，U2=U2=0.09mm；旁通节流器孔径 dsds0.78mm2试验件的安装及活门阀芯的位移调整被试分活门安装在试验夹具中。活门芯由丝杆和顶杆定位，通过旋转丝杆即可调整活门芯的位移量。3参数测量及仪器（1）用压力表测量P1、P2、 P3；（2）用百分表测量活门芯位移XV(百分表每小格0.01mm)。4恒压油源恒压油源由油箱、电机、油泵、油滤、溢流阀和调压阀等组成。该油源用定量叶片泵和溢流阀实现恒压供油。叶片泵的主要技术参数为：Np960rpm；Q=100L/min ；Pout63bar。（四）实验方法、步骤及数据记录1起动油源电机，将供油压力调整至PS=10bar。2调整丝杆使活门芯对中，观察压力表，当P1=P2=5bar时，活门芯即处于中位。此时应把百分表指针调整至零位。3旋转丝杆使活门芯左移，分别测量XV为0.04mm、0.12mm、0.16mm、0.20mm时对应的P1和P2的值。测试完毕后，反向旋转丝杆使活门芯重新对中。4旋转丝杆使活门芯右移，测量活门芯位置与左移时相同值对的P1和 P2值。试验数据记录于下表。活门芯位移（mm）左移中位左移P1(bar)P2(bar)_（五）实验报告要求学生完成该项实验后，应撰写一份实验报告，报告内容包括：1 实验目的，实验手段。2 实验结果及X曲线。3 根据实验体会，说明分油活门的放大能力。4 定性分析节流器孔径ds和ds对活门压力特性的影响。实验四、数字控制的实现（设计性实验）（一）实验目的1了解数字控制系统的实现过程；2掌握数字控制算法的编程方法；3理解数字控制的时序分配原理。（二）实验仪器设备1AC1自动控制综合实验仪 一台2数字计算机（配有AD/DA卡） 一台3数字万用表一块（三）数字控制系统和原理被控对象的数学模型如图4-1所示。 图4-1 被控对象的数学模型被控对象是由AC-1自动控制原理模拟学习机实现的，其电路原理如图4-2所示。数字控制系统通过计算机A/D转换器和D/A转换器完成与指令信号和被控对象的信号接口，由数字计算机实现实时数字控制规律，提高控制系统的性能品质，实验用的数字控制系统的原理结构图如图4-3所示。（四）实验内容及方法实验应用软件名为Control。单击桌面上如图所示的“Control”图标，就可以进入实验科目选择界面，单击“发动机控制”按钮，即可进入实验项目选择界面，单击“实验四 数字控制的实现”按钮，即可进入本实验的应用程序界面。可选择如下实验内容：1“模拟通道”进入“模拟通道”选项后，可进行A/D转换器、D/A转换器的特性测试，用直接键入数值的方式可设定D/A转换器0通道或1通道的输出电压值；用数字万用表测量其输出电压值是否正确；同时将某通道输出的电压送入某A/D转换器的输入通道口，即可从屏幕上看到该通道的A/D转换的电压值。一般需对D/A转换器、A/D转换器的零点、满度、线性度进行检查和调整。用鼠标点击“执行”按钮或“暂停”按钮，可使A/D转换器执行或停止采样。用鼠标单击“程序”按钮，可查看D/A转换器、A/D转换器的应用程序（不能改写或保存此文件，仅作学习和参考）。2“定时中断” 进入“定时中断”选项后，可对定时间隔进行设定和测量。可直接输入数值或用鼠标点击、按钮来设定时间间隔，按下“执行”按钮，可用频率计或示波器测定D/A转换器输出波形的周期或频率，检查与设定值是否一致。 用鼠标点中“程序”按钮，可查看定时器的程序（不能改写或保存此文件，仅作学习和参考）。3“闭环控制”在进入“闭环控制”前，应按照数字控制系统原理结构图（图43）和被控对象电路原理图（图42）连接并检查线路，使其连成数字闭环控制系统。进入“闭环控制”选项后，按要求输入相关参数，也可以通过手动调节电位器改变其输入电压，点击“执行”按钮，即可在“闭环控制”界面中的“实时曲线”窗口，观看系统响应曲线。点击“数据保存”按钮即可保存刚显示的曲线，。点击“比例尺”按钮，即可改变实时曲线的坐标。用鼠标单击“程序”按钮，可查看闭环控制算法程序（不能改写或保存此文件，仅作学习和参考）。4.信号采集与输出搭建图4-4所示的运放电路，设计电路的增益，如增益为0.5。根据附录中程序exp.c，设计并完成其中模拟量的输入和数字量输出功能。计算机12位数据采集卡的AD输入范围是-1010v，DA输出范围是-10v+10v。实验要求将首先通过数据采集卡的DA功能输出一模拟电压ur作为图4-4所示电路的输入，然后定时采集该电路输出电压u给计算机。其次，通过键盘的键“”和“”改变ur的大小。如每按一次“”键表示ur增加1伏，每按一次“”键表示ur减小1伏。最后，上述DA输出量ur和AD输入量u的变化过程通过DOS图形界面显示。（五）实验报告要求学生完成该项实验后，应撰写一份实验报告，报告内容包括：1实验目的和实验手段。2“模拟通道”实验，含线路原理和实验结果，实验结果要分别给出DA的数字量、输出的电压值、AD采集的数字量、变换后的电压值。 3“定时中断”实验，含原理和结果。4“闭环控制”实验，含原理和结果，并根据闭环控制程序画出闭环控制流程图。5.“信号采集与输出”实验，画出主程序的流程图，并给出所补充的按键处理、DA和AD的C语言源代码。6实验总结，指出实现数字控制的关键环节。图4-2 被控对象电模拟图图4-3 数字控制系统原理结构框图附 DOS下定时的信号采集与输出程序exp.c#includeStdio.h#include#include#include#include#include#include#include#include#define base 0x230void initdraw();void draw();void initialize (void);void interrupt timeint(void);void interrupt (*p)(void);void init8112pg();void adc();void dac(float da);int time50;float u,uk;float t;FILE *fp;float x,y,xs,ys,xk,yk;float ur;int i,j;void main()int ch,i,j;unsigned int key;fp=fopen(OUT.dat,w); /*打开文件*/ur=6.0;x=45.0;ys=y=yk=380;xs=45.0;xk=45.0;clrscr(); /* 清屏*/initialize();initdraw();dac(0);dac(ur); while(1) if(kbhit() ch=getch(); /实现按ESC退出程序；/实现按“”键（“”键）增加（减改）ur的大小。/实现DA输出。 if(time50)/*每100ms刷新各个数据*/ gotoxy(2,3); printf(ur=%6.2f u=%6.2f,ur,u); if(t=20.0) continue; /*8s后不再执行画图程序*/ draw(); time50=0; for(i=0;i=50); time50=1;a=0; outportb(0x20,0x20); /*写中断结束控制字*/ void initialize(void) /*对8253的设置*/ int T,k,nl,nh; T=1193280*0.05; /*确定采样周期0.02s*/ nh=T/256; nl=T%256; outportb(0x43,0x54); /*计时器选择工作方式3*/ outportb(0x40,nl); outportb(0x40,nh); p=getvect(0x08); /*保存原来中断向量，IR0中断方式08H*/ setvect(0x08,timeint); /*写入中断处理子程序地址*/ outportb(0x21,inportb(0x21)&0xfe); /*开中断屏蔽*/ void initdraw() /*画图程序初始化*/ int i,gdriver,gmode; gdriver=VGA; gmode=VGAHI; i=1; initgraph(&gdriver,&gmode,e:panad_expbgi); gotoxy(10,12); /*设置画图坐标*/ printf(ur=green u=yellow); setcolor(RED); line(50,380,550,380); /*画x坐标*/ gotoxy(70,25); printf(t(s); line(50,380,50,200); /*画y坐标*/ gotoxy(4,12); printf(u); gotoxy(55,25); printf(8); gotoxy(5,40); printf(500); line(545,375,550,380); line(545,385,550,380); line(45,205,50,200); line(55,205,50,200); line(45,320,50,320); while(1) /*对横坐标进行等分*/ i+; line(50*i,375,50*i,385); if(i=9) break; moveto(50.0,380);void draw() /*画图程序*/ xs=xs+5.0; /*画给定位置的曲线*/ x=x+5.0; xk=xk+5.0; setcolor(GREEN); moveto(xk,yk); yk=380-ur/10*120; lineto(xk+5.0,yk); setcolor(YELLOW); /*画实际位置的曲线*/ moveto(x,y); y=380-u/10*120; lineto(x+5.0,y);void init8112pg()outportb(base+11,0x01); /*选择软件触发*/outportb(base+9,0x08); /*电压范围-10V到+10V*/outportb(base+10,0x10); /*选择A/D通道1*/void dac(float da)int data;unsigned char high,low; /*high和low分别为DA输出的高低字节*/if(da10.0)da=10.0;/*设定输出范围为-10v+10v*/if(da-10.0)da=10.0;/将要输出的-10v+10v的电压量ur转换为满足DA输出范围0+10v的量/将上述模拟量转换为数字量进行DA输出。outportb(base+4,low); /*通道1D/A输出低字节*/outportb(base+5,high); /*通道1D/A输出高字节*/ void adc() unsigned char high,low; int ad; outportb(base+10,0x10); /*选择通道0*/ outportb(base+12,0); /*开始ad转换*/ low=inportb(base+4); /*A/D输出低字节*/ high=inportb(base+5); /*A/D输出高字节*/ /将AD采集到的数字量转换为-10v+10v电压量，并将转换结果赋值给u。实验五、被控对象的参数识别（一）实验目的1了解被控对象参数识别的基本过程；2理解参数识别的基本原理；3掌握参数识别的基本方法。（二）实验设备1电动位置/速度伺服机构（转动台体） 一套2AC-1自动控制综合实验仪 一台3数字计算机（配有AD/DA卡） 一台4数字万用表一块（三）实验回路和原理1实验回路一图5-1 实验回路一实验回路一如图5-1所示，其中被控对象的数学模型为 式中， ，秒。2实验回路二图5-2 实验回路二实验回路二如图5-2所示。在该实验回路中，被控对象是电动速度控制系统，计算机产生的激励信号通过计算机的D/A转换器输出，在激励信号的作用下，被控对象产生相应的输出响应信号，经由计算机A/D转换器数据采集并进行数据处理，获得被控对象的参数模型和非参数模型。（四）实验内容及方法1测定电动速度控制系统或给定模型的方波特性。2用“M序列”激励信号输入被控对象，选择合适的激励信号参数进行系统识别。3实验应用软件名为Control。单击桌面上如图所示的“Control”图标，就可以进入实验科目选择界面，单击“发动机控制”按钮，即可进入实验项目选择界面，单击“实验五 被控对象参数识别”按钮，即可进入本实验的应用程序界面。详见自动控制综合教学实验系统使用说明的第三部分的“软件使用方法举例”。根据所选择的信号类型和信号参数，在单击“开始测试”按钮后，被控对象将在选取信号的激励下运转。在点击“开始测试”按钮前，可点击“比例尺”按钮，改变显示图形的坐标。当运行时间结束时，程序可自动停止；也可在程序运行过程中点击“停止测试”按钮，即可停止测试过程。点击“数据保存”按钮，即可保存刚显示的曲线。点击“打印预览”按钮，可对实验过程的数据进行回放，并可选择要打印的曲线。由M序列激励的过程，单击“互相关函数计算”按钮，可获得被控对象的脉冲响应和阶跃响应曲线，单击“阶跃函数计算”按钮，可以获得近似的被控对象参数模型及其“阶跃响应仿真曲线”。（五）实验报告要求学生完成该项实验后，应撰写一份实验报告，报告内容包括：1实验目的和实验手段。2实验原理，包括实验回路和相关电路。 3实验内容，分别给出各种辨识实验中使用的的激励信号及参数、对象的输出响应、数值处理的方法及辨识结果。4实验总结，对实验法建立对象数学模型的方法进行总结。 实验六、单回路控制系统参数整定（设计性实验）（一）实验目的1掌握单回路控制系统参数整定的基本原理；2了解单回路控制系统参数整定的基本过程；3掌握单回路控制系统参数整定的基本方法。（二）实验仪器设备1电动位置/速度伺服机构（转动台体） 一套2AC-1自动控制综合实验仪 一台3数字计算机（配有AD/DA卡） 一台4数字万用表一块（三）实验回路和原理1实验回路一图6-1 实验回路一2实验回路二图6-2 实验回路二单回路闭环控制规律为：（1）比例：，（2）比例微分：， （3）比例积分：, （4）比例积分微分： , （5）超前滞后环节： 在上面的实验回路中，由计算机完成控制规律的实现，与AC-1自动控制原理模拟学习机或实际物理对象构成单回路控制系统。（四）实验要求及方法1要求：根据实验给定系统，通过参数整定，系统指标应达到如下要求： 调节时间（）：0.40.6秒 超调量（）：15 无静差2方法：（1） 首先选择比例调节，取放大倍数K1，了解转速闭环控制系统的基本特征。（2）选择控制规律，调整参数达到给定的系统指标要求。该实验由微机程序控制，应用软件名为“Control”。单击桌面上如图所示的“Control”图标，就可以进入实验科目选择界面，单击“发动机控制”按钮，即可进入实验项目选择界面，单击“实验六 单回路控制系统参数整定”按钮，即可进入软件的使用环境。在应用程序界面中选择“参数整定”项，进入“参数整定”菜单后，可选择：1）选择控制规律（参数整定）：可选项为：比例、比例微分、比例积分、比例积分微分、超前滞后2）参数设置：: 比例控制增益: 积分放大系数: 微分放大系数: 超前滞后补偿增益: 超前时间常数 : 滞后时间常数给定电机转速控制运行时间(以上参数用鼠标点中后直接输入数据)根据所选择的控制规律和控制参数，在点击“开始测试”按钮后，被控对象将在选取的控制规律和控制参数作用下闭环运行，微机屏幕上实时显示控制过程曲线。在点击“开始测试”按钮前，可点击“比例尺”按钮，改变显示图形的坐标。当运行时间结束时，程序可自动停止；也可在程序运行过程中点击“停止测试”按钮，即可停止测试过程。点击“数据保存”按钮，即可保存刚显示的曲线。点击“打印预览”按钮，可对实验过程的数据进行回放，并可选择要打印的曲线。（五）实验报告要求学生完成该项实验后，应撰写一份实验报告，报告内容包括：1实验目的和实验手段。2实验原理，包括实验回路和相关电路。 3实验内容，分别给出各种控制规律的及响应的程序算法，并给出选定的控制参数及相应的控制结果。4实验总结，对几种控制规律的控制效果进行分析比较。附录：自动控制综合教学实验系统使用说明1 实验系统的工作原理1.1 系统组成自动控制综合教学实验系统由主控计算机（PC机）、AC-1自动控制综合实验仪和转动台体三个部分组成，系统的总体结构框图如图F1-1所示。AC-1自动控制综合实验仪转动台体主控计算机（PC机）RS232AD/DADI/DOCTR伺服电机驱动测速电机光电编码器光电开关的信号图F1-1 系统总体结构自动控制综合教学实验系统的照片如图F1-2所示。AC-1自动控制综合实验仪主控计算机转动台体图F1-2 自动控制综合教学实验系统主控计算机是一台普通的PC机（如图F1-2所示），负责整个实验系统的管理，并且与AC-1自动控制综合实验仪构成上、下位机分级控制系统。上位机和实验仪之间通过数据采集卡或RS232串行通信接口进行信息的传递。主控计算机配置了一块多功能数据采集卡，主要用于位置和速度信号的采集以及转台控制信号的传递，能够实现多通道高速信号采集和信号输出功能。同时主控计算机中的上位机软件负责对整个实验系统进行控制，在各种控制功能的基础上完成所有的教学实验。AC-1自动控制综合实验仪（如图F1-3所示）又可称为控制装置或信号接口箱，它是一种基于高级单片机的嵌入式控制器，可以实现对转动台体的直接控制，并提供主控计算机和转动台机之间的接口，具有电机驱动、转速和位置信号的调理、模拟校正和控制、工作模式设定、转速和位置的指示等功能。整个AC-1自动控制综合实验仪由变压器 、主板 、数码显示板 、功率放大板 、电源板 、模拟机及其顶面板 、后端接线板 、前面板及控制箱体等组成。实验仪上的模拟计算机实验仪的面板图F1-3 AC-1自动控制综合实验仪为了提高系统的集成度，在AC-1自动控制综合实验仪的上面板上设计了模拟机面板。模拟机由10个运放和一系列的电阻、电容、二极管等元件组成，可以构建线性电路、典型的非线性环节和各种动态环节。这样可以通过模拟机实现各种动力学模拟系统或实现基于模拟电路的控制器，以扩展该实验系统的功能。转动台体部分是AC-1自动控制综合试验仪的实验对象，由伺服电机驱动惯性负载运动。转动台体提供电机驱动和状态反馈的电路接口。1.2 电动伺服系统的原理电动伺服系统是由单片机或主控计算机实现对转动台体进行速度或位置闭环控制的系统。转动台体部分是电动伺服系统的实验对象，由伺服电机驱动惯性负载运动。在转动台体上依次安装了直流伺服电机、惯性负载转盘、光电探头、直流测速电机、光电编码器等部件，如图F1-4所示。转动台体提供电机驱动和状态反馈的电路接口。其中直流伺服电机是我们的操纵对象，其余为传感器。考虑到转速控制系统中有时采用光电或磁电转速传感器，转盘采用铁磁性材料，在负载转盘的外周加工了等间距的齿牙，在台体上安装了光电探头和磁感探头用于转速的测量。直流伺服电机的额定转速为1500 r/min，额定工作电压为28V。测速电机具有0.025V/r/min的灵敏度。光电编码器具有1200线的分辨率。直流测速电机提供转盘的速度信号，该信号一方面可以提供位置控制时的模拟校正，或模拟速度的闭环控制，另一方面通过单片机的A/D转换或PC机上数据采集卡的A/D转换，用于速度的数字闭环控制。光电编码器用于提供位置信号和高频转速脉冲信号。转速脉冲信号供单片机或数据采集卡的计数器进行转速的测量；光电编码器的增量式编码信号经过4倍频电路和增量计数器电路处理后得到位置信号的数字量，可供单片机或数据采集卡的开关量输入接口读取。编码器测速电机伺服电机惯性负载转盘图F1-4 转动台体2 硬件使用说明2.1 实验仪上的模拟计算机VIIVIIIIII一区V图F2-1 模拟计算机面板模拟机计算机面板如图F2-1所示。在模拟计算机面板上，最下面的两个银色金属圆柱是两个螺母，旋开这两个螺母，就可以打开模拟机的面板了。非专业人员不要打开模拟机的机箱；如确实要打开，请在专业人员的指导下进行，否则可能损坏模拟机的重要部件。下面分区介绍模拟机面板（序号与图F2-1上的标号一致）。2.1.1 I区（多功能数据采集卡信号接口区）I区为多功能数据采集卡信号接口区，如图F2-2所示，该区的各信号说明见表F2-1。图F2-2 I区（多功能数据采集卡信号接口区）表F2-1 I区（多功能数据采集卡信号接口区）信号说明序号代码信号名称输入/出1CLK数据采集卡上的8254芯片的时钟输入输入2GATE数据采集卡上的8254的门控信号输入输入3DO0 DO1 DO2 DO3DO4 DO5 DO6 DO7 数字信号输出通道07输出4DI0 DI1 DI2 DI3DI4 DI5 DI6 DI7 数字信号输入通道07输入5TOUT数据采集卡上的8254输出输出6DA0DA1数/模转换输出通道0数/模转换输出通道1输出7AD0 AD1 AD2 AD3AD4 AD5 AD6 AD7模/数转换输入通道07输入8GND数字地输入/输出9AGND模拟地输入/输出10+15+15V电源输出11-15-15V电源输出12VCC+5V电源输出13-5-5V电源输出2.1.2 II区（电动伺服系统的传感器/驱动信号接口区）表F2-2 II区（电动伺服系统的传感器/驱动信号接口区）信号说明FU:编码盘四倍频正转信号(输出)SET:给定信号(输出)FN:编码盘四倍频转速信号(输出)OSET:外部给定信号(输入)SPDF:速度反馈信号（输入）-POS:位置输出（经过电路调理，输出)FD:编码盘四倍频反转信号，(输出)-SPD:速度输出（经过电路调理）(输出)DXC:光电开关，(输出)VC:驱动电路控制信号，(输出)II区为电动伺服系统的传感器/驱动信号接口区，如图F2-3所示，该区的各信号说明见表F2-2。 图F2-3 II区（电动伺服系统的传感器/驱动信号接口区）2.1.3 III区（电阻电容区）III区为电阻电容区，如图F2-4所示。这是一组自由的电阻和电容，还提供了一个接地点，另外两个是10kW的可变电阻，并且一端接地，例如在自动控制原理试验指导书实验一的图1-6中的二阶系统模拟电路中就需要用到这样的可变电阻。2.1.4 IV区（运算放大器区）IV区为运算放大器区，如图F2-5所示。这是一组运算放大器，从A1到A6，它们的结构非常类似，只有A1与其他五个有一点差别。在运算放大器A1中，左上角有一个上下拨动开关（如图F2-6所示），向下拨表示引入一个为-5V+5V的电压信号，一般用于阶跃给定。如果你需要精确的电压值，请断开与之相连的电路后，用数字电压表（或其他电压表）量取。具体可以参考自动控制原理试验指导书实验5中图5-1的有关部分，需要指出的是：在测量电压时请你一定要断开电路，否则测不准。在图F2-4 F2-8中，元件之间凡是有线直接连接的表示它们是连通的，插点不影响连通性；若想要让连通的元件不在所需的电路中，只需将其短接即可；图F2-4 电阻电容区在每组运算放大器中，左边并列3个100kW欧的电阻，用于多个信号的叠加。如果只需用一个，建议选用最上面的一个。2.1.5 V区（非线性和采样区）V区为非线性区，如图F2-7所示，用于非线性特性和采样系统实验，具体可以参考实验四和实验五。2.1.6 VI区（运算放大器区）VI区为运算放大器区，如图F2-8所示。这是两个运算放大器，它们的结构与IV区的六个运算放大器的功能类似，以A7来说明这个运算放大器的使用，K7是一个双掷开关，向上表示K7接通。图F2-5 IV区（运算放大器区）图F2-6 可调电压输出图2-7 VI区（非线性和采样区）图F2-8 VI区（运算放大器区）2.2 实验仪的工作方式2.2.1 前面板图F2-9 实验仪前面板图实验仪前面板主要用于工作状态的设定，电流、电压的显示，位置清零等，如图F2-9所示。注意：计算机D/ A输出口严禁短路 在打开电源前，一定先要检查DA0和DA1（见图F2-5），确定这两个接口一定没有直接与电源端或地端相连！否则可能将2000多元的增强型多功能数据采集卡（ACL-8112PG）损坏！其原因是：DA口是多功能数据采集卡的输出端，如果直接与地或电源短接，会产生很强的电流，而ACL-8112PG卡的DA只能承受5mA以内的电流，所以在打开电源前，一定先要检查DA0和DA1，以确定这两个接口没有直接与电源端或地端相连！2.2.2 工作状态的设定系统工作的原理框图如图F2-10所示。图中，开关JP1，JP2和JP3与前面板上的按钮对应（见图F2-9），信号POS、SPD、SET、OSET、VC、SPDF与模拟机面板上II区的信号对应（见图F2-3）。允许设定的选项包括：开环/闭环控制方式（JP1）、位置/速度工作方式（JP2）、手动/自动给定方式（JP3）、串口/外部输入方式（JP4），其中，JP1、JP2和JP3是通过面板按钮的操作由单片机控制继电器的触点来实现电路切换。JP4由单片机自动控制继电器的触点来实现切换：当后面板上的串口（见图F2-11）有相应的指令信号输入时，JP4接通到ISET，其它情况接通到OSET。图F2-10中的“外部给定信号”可以来自PC机上数据采集卡的D/A输出信号，也可以来自模拟计算机或信号发生器等其他设备。“手动给定信号”来自前面板的手动电位器。转动实验台角度由码盘测得，用于单片机内