新自控实验指导书(8学时).doc

自 动 控 制 原 理 实 验 指 导 书自动控制原理实验指导书信息科学与工程学院labACT自控/计控原理实验机构成labACT自控/计控原理实验机由以下七个模块组成：1自动控制原理实验模块2计算机控制原理实验模块3信号源模块4控制对象模块5虚拟示波器模块6控制对象输入显示模块7CPU控制模块各模块相互交联关系框图见图A所示：自动控制原理实验模块信号源虚拟示波器计算机控制原理实验模块控制对象模块CPU控制模块 RS232接口上位机控制对象输出显示模块图A 各模块相互交联关系框图自动控制原理实验模块由模拟运算单元及模拟运算扩充库组成，这些模拟运算单元的输入回路和反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。 例如构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例微分环节，PID环节和典型的二阶、三阶系统等。利用本实验机所提供的多种信号源输入到模拟运算单元中去，再使用本实验机提供的虚拟示波器界面可观察和分析各种自动控制、计算机控制原理实验的响应曲线。 计算机控制原理实验模块由模数转换器，数模转换器，8253定时器，8259中断控制器及模拟运算单元组成。在CPU的运算和控制下，可完成数字控制实验。 控制对象模块由温度控制模块，直流电机模块和步进电机模块组成。可实现温度闭环控制实验，直流电机闭环调速实验和步进电机调速实验。CPU控制模块由十六位微机8088及RS232串口通讯芯片等组成。CPU控制模块（ACT88），位于主实验板的下面，经J1插座与主实验板相联。表A 实验区组成A实验区模拟运算单元有六个模拟运算单元，每单元由多组电阻、或电容构成的输入回路、反馈回路和12个运算放大器组成。A1A6模拟运算扩充库包括校正网络库（A7）、整形模块（A8），可调零放大器（A9），放大器（A10）和2个0999.9K的直读式可变电阻、2个电位器及多个电容（A11）。A7A11B实验区手控阶跃信号发生器由手控阶跃发生（0/+5v、-5v/+5v），幅度控制（电位器），非线性输出组成。B1函数发生器含有十种（可选择）波形输出：矩形波、正弦波、斜坡、方波输出，方波/正弦波、矩形波/正弦波同时输出，继电特性、饱和特性、死区特性及间隙特性等非线性输出。B5数模转换器八位数/模转换，输出有0+5v、-5v+5v二个测孔供选择。B2模数转换器八位模/数转换，其中有2个通道为0+5v输入，有2个通道为-5v+5v输入。B7定时器/中断单元有8253定时器中的计数器1、计数器2， 有中断控制器8259中的IRQ5，IRQ6中断输入，固定时钟（1.229MHz）输出。B8采样/保持器采样/保持器LF398，单稳态电路4538B4虚拟示波器2个通道模拟信号输入，输入信号可不衰减输入，也可衰减5倍后输入。B3基准电压单元+Vref（+5.00v），-Vref（-5.00v）B6C实验区步进电机模块步进电机35BY48C1直流电机模块直流电机BY25，直流电压驱动，脉冲测速及电压测速输出。C2温控模块模拟电压加热及脉宽控制加热，热敏电阻测温。C3外设接口模块6路开关量输入和8路开关量输出，TTL电平兼容。1路测温传感器（铂电阻PT100）输入及控制固态继电器输出。C4D实验区显示与功能选择5位8段数码管、四个功能选择按键和16个指示灯。具有独立于实验机的CPU控制模块，提供控制对象输出显示，提供函数发生器（B5）的输出切换控制和输出数据显示。 D1实验一 典型环节的模拟研究一. 实验要求1、了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式。2、观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。二典型环节的方块图及传递函数典型环节名称方 块 图传递函数比例（P）惯性环节（T）积分（I）比例积分（PI）三实验内容及步骤运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可。1）观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图1-1-1所示。A5BA5A图1-1-1 典型比例环节模拟电路实验步骤： 注：S ST不能用“短路套”短接！（1）构造模拟电路：按图1-1-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线1信号输入（Ui）B1（Y）A5（H1）2示波器联接1档A5（OUTB）B3（CH1）3Y测孔B3（CH2）模块号跨接座号1A5S4， S12（电阻R1=100K）（2）检查联线正确后，打开设备开关（3）用信号发生器（B1）的阶跃信号输出 和幅度控制电位器构造输入信号（Ui）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔电压）。（4）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可。按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0+4V阶跃即L9灯亮），观测A5B输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。（5）整理联线、归位短路套并关闭设备开关2）观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图1-1-2所示。A5AA5B图1-1-2 典型惯性环节模拟电路实验步骤： 注：S ST不能用“短路套”短接！（1）构造模拟电路：按图1-1-2安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A5S4，S6、S10 1信号输入（Ui）B1（Y） A5（H1）2示波器联接1档A5（OUTB）B3（CH1）3Y测孔B3（CH2）（2）检查联线正确后，打开设备开关（3）用信号发生器（B1）的阶跃信号输出 和幅度控制电位器构造输入信号（Ui）： B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为4V（调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。（4）运行、观察、记录：运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可。按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0+4V阶跃即L9灯亮），观测A5B输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t），等待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到4V（输出）0.632处，得到与惯性的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T。（5）整理联线、归位短路套并关闭设备开关3）观察积分环节的阶跃响应曲线 典型积分环节模拟电路如图1-1-3所示。A5BA5A图1-1-3 典型积分环节模拟电路实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）构造模拟电路：按图1-1-3安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线1信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A5（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）模块号跨接座号1A5S4，S10（电容C=1uf）2B5S-ST（2）检查联线正确后，打开设备开关（3）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。（注：为了使在积分电容上积分的电荷充分放掉，锁零时间应足够大，即矩形波的零输出宽度时间足够长！ “量程选择”开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒！） 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1V（D1单元右显示）。（4）运行、观察、记录：运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可，等待完整波形出来后，点击停止。移动虚拟示波器横游标到0V处，再移动另一根横游标到V=1V（与输入相等）处，得到与积分的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。 （5）整理联线、归位短路套并关闭设备开关 4）观察比例积分环节的阶跃响应曲线 典型比例积分环节模拟电路如图1-1-4所示.。A5B图1-1-4 典型比例积分环节模拟电路实验步骤：注：S ST用短路套短接！（1）构造模拟电路：按图1-1-4安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A5S4，S8（电容C=1uf）2B5S-ST1信号输入（Ui）B5（OUT）A5（H1）2示波器联接1档A5（OUTB）B3（CH1）3B5（OUT）B3（CH2）（2）检查联线正确后，打开设备开关（3）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时将自动对模拟电路锁零。 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中矩形波（矩形波指示灯亮）。 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度1秒（D1单元左显示）。（注：为了使在积分电容上积分的电荷充分放掉，锁零时间应足够大，即矩形波的零输出宽度时间足够长！ “量程选择”开关置于下档时，其零输出宽度恒保持为2秒！） 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压 = 1V（D1单元右显示）。（4）运行、观察、记录：运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可，等待完整波形出来后，点击停止。移动虚拟示波器横游标到1V（与输入相等）处，再移动另一根横游标到V=K输入电压处，得到与积分曲线的两个交点。 再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。（5）整理联线、归位短路套并关闭设备开关四、预习报告熟悉各典型环节的实验内容和步骤；并计算出各典型环节的传递函数和输出时域函数表达式。五、实验报告（1）用坐标纸画出实验所测量得惯性环节、积分环节和比例积分环节的阶跃响应曲线并在曲线上标出其相应的时间常数。（2）在阶跃输入信号的作用下，a、惯性环节的输出曲线在输入电压Ui0.632处横坐标所对应的时间就是模拟电路时间常数T，解释其理论依据。b、积分环节的输出曲线在U0=Ui处横坐标所对应的时间就是模拟电路时间常数T，解释其理论依据。实验二 二阶系统瞬态响应和稳定性一实验要求1、了解典型二阶系统模拟电路的构成方法及二阶闭环系统的传递函数标准式。2、研究二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频率n、阻尼比对过渡过程的影响。3、掌握欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算。4、观察和分析二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts值，并与理论计算值作对比。二实验内容及步骤本实验用于观察和分析二阶系统瞬态响应和稳定性。开环传递函数： 闭环传递函数标准式： 自然频率（无阻尼振荡频率）： ； 阻尼比： 有二阶闭环系统模拟电路如图2-1-1所示。它由积分环节（A2）和惯性环节（A3）构成。图2-1-1 二阶闭环系统模拟电路图2-1-1的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S 惯性环节（A3单元）的惯性时间常数 T=R2*C2=0.1S惯性环节（A3单元）的惯性比例系数 K=R2/R=100/R该闭环系统在A3单元中改变输入电阻R来调整增益K，R分别设定为70k、40k、10k、4k、2k 。当R=70k， K=1.43 =1.32 1 为过阻尼响应， 当R=40k， K=2.5 =1 为临界阻尼响应， 当R=4k， K=25 =0.316 01过阻尼70K=1临界阻尼40K01过阻尼70K=1临界阻尼40K01欠阻尼10K4K2K（3）画下R=10K的欠阻尼响应曲线，并在曲线上标出超调量MP、峰值时间tP、延时时间td、上升时间tr和调节时间tS所在的位置和大小。 实验三 一阶惯性环节的频率特性曲线一实验要求1、了解开环系统中的对数幅频特性和相频特性、幅相特性的表达式计算。2、掌握对数幅频曲线和相频曲线（伯德图）、幅相曲线（乃奎斯特图）的构造及绘制方法。二实验内容及步骤 本实验用于观察和分析一阶惯性环节的频率特性曲线。频域分析法是应用频率特性研究线性系统的一种经典方法。它以控制系统的频率特性作为数学模型，以伯德图或其他图表作为分析工具，来研究和分析控制系统的动态性能与稳态性能。本实验将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，实验开始后，将按频率特性扫描点设置表规定的频率值，按序自动产生多种频率信号，OUT2输出施加于被测系统的输入端r(t)，然后分别测量被测系统的输出信号的闭环对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。惯性环节的频率特性测试电路见图3-1-1。图3-1-1 惯性环节的频率特性测试电路实验步骤： （1）构造模拟电路：按图3-2-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线模块号跨接座号1A3S2，S7，S92A6S2，S61信号输入B2（OUT2）A3（H1）2运放级联A3（OUT）A6（H1）3相位测量A6（OUT） A8（CIN1）4A8（COUT1） B4（A2）5B4（Q2） B8（IRQ6）6幅值测量A6（OUT） B7（IN4）（2）检查联线正确后，打开设备开关（3）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（4）运行、观察、记录： 运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析实验项目，选择一阶系统，就会弹出频率特性扫描点设置表，在该表中用户可根据自己的需要填入各个扫描点（本实验机选取的频率值f（见图3-1-2），有效值0.395.0HZ，以0.1Hz为分辨率），如需在特性曲线上直接标注某个扫描点的角频率、对数幅频特性L()或相频特性()，则可在该表的扫描点上小框内点击一下（打）。确认后将弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，即可按频率特性扫描点设置表，实现频率特性测试。图3-1-2 频率特性扫描点设置表 测试结束后（约十分钟），可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的对数幅频、相频曲线(伯德图)和幅相曲线(乃奎斯特图)。实验机在测试频率特性结束后，将提示用户用鼠标直接在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点（为了教育上的方便，本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率），实验机将会把鼠标点取的频率点的频率信号送入到被测对象的输入端，然后检测该频率的频率特性。检测完成后在界面上方显示该频率点的f、L、Im、Re相关数据，同时在曲线上打十字标记。 如果增添的频率点足够多，则特性曲线将成为近似光滑的曲线。鼠标在界面上移动时，在界面的左下角将会同步显示鼠标位置所选取的角频率值及幅值或相位值。注：该数据表不能自动更新，只能用关闭后再打开的办法更新。用户用鼠标只能在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点，无法在幅相曲线的界面上点击所需增加的频率点。改变惯性环节时间常数：改变A3惯性环节的电容C2=2u。R1=20K、R2=20K（K=1）重新观测实验结果，界面上方将显示该系统用户点取的频率点的、L、Im、Re、转折频率等相关数据。（5）整理联线、归位短路套并关闭设备开关四、预习报告（1）熟悉实验内容及步骤。（2）写出惯性环节R1=20K， R2=20K ，C=1u的传递函数、对数幅频特性、对数相频特性和幅相特性的表达式，并求出其交接频率。（3）用坐标纸画出惯性环节R1=20K， R2=20K ，C=1u的对数幅频曲线、对数相频曲线(伯德图)和幅相曲线(乃奎斯特图)。五、实验报告用坐标纸画下实验所得曲线即对数幅频曲线、对数相频曲线(伯德图)和幅相曲线(乃奎斯特图) ，并在曲线上标出交接频率和与其相应的纵坐标。实验四 二阶闭环系统的频率特性曲线一实验要求1、了解二阶闭环系统中的对数幅频特性L(w)和相频特性()、幅相特性的表达式计算。2、掌握欠阻尼二阶闭环系统中的自然频率n、阻尼比对谐振频率r、谐振峰值L(r)和带宽b的影响及r、L(r)和b的计算。3、观察和分析曲线中的谐振频率r、谐振峰值L(r)和带宽b，并与理论计算值作对比。二实验内容及步骤本实验用于观察和分析二阶闭环系统的频率特性曲线。令积分时间常数为Ti，惯性时间常数为T，开环增益为K。可得： 自然频率： 阻尼比： （4-1）谐振频率： 谐振峰值： （4-2）频率特性测试电路如图4-1-1所示，其中惯性环节（A3单元）的R用元件库A11中可变电阻取代。（本实验R取4K）图4-1-1 二阶闭环系统频率特性测试电路 注1：根据本实验机的现况，要求构成被测二阶闭环系统的阻尼比必须满足，否则模/数转换器（B7元）将产生削顶。注2：实验机在测试频率特性时，实验开始后，实验机将按设定的频率按序自动产生频率信号进行扫描测试，当被测系统的输出时将停止测试。 实验步骤： （1）构造模拟电路：按图4-1-1安置短路套及测孔联线，表如下。（a）安置短路套 （b）测孔联线1信号输入B2（OUT2） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A2（H1）3运放级联A3（OUT）A6（H1）4负反馈A3（OUT）A1（H2）6相位测量A6（OUT） A8（CIN1）7A8（COUT1） B4（A2）8B4（Q2） B8（IRQ6）9幅值测量A6（OUT） B7（IN4）10跨接元件（4K）元件库A11中可变电阻跨接到A2A（OUTA）和A3（IN）之间模块号跨接座号1A1S4，S82A2S2，S11，S123A3S8，S95A6S2，S6（2）检查联线正确后，打开设备开关（3）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。（4）运行、观察、记录： 将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析实验项目，选择二阶系统，就会弹出频率特性扫描点设置表（见图4-1-2），在该表中用户可根据自己的需要填入各个扫描点频率（本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率），如需在特性曲线上标注显示某个扫描点的角频率、幅频特性L()或相频特性()，则可在该表的扫描点上方小框内点击一下（打）。设置完后，点击确认后将弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，即可按频率特性扫描点设置表规定的频率值，实现频率特性测试。图4-1-2 频率特性扫描点设置表 测试结束后（约十分钟），可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的闭环对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（乃奎斯特图）。 显示该系统用户点取的频率点的、L、Im、Re实验机在测试频率特性结束后，将提示用户用鼠标直接在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点（为了教育上的方便，本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率，例如所选择的信号频率f值为4.19Hz，则被认为4.1 Hz送入到被测对象的输入端），实验机将会把鼠标点取的频率点的频率信号送入到被测对象的输入端，然后检测该频率的频率特性。检测完成后在界面上方显示该频率点的f、L、Im、Re相关数据，同时在曲线上打十字标记。如果增添的频率点足够多，则特性曲线将成为近似光滑的曲线。 鼠标在界面上移动时，在界面的左下角将会同步显示鼠标位置所选取的角频率值及幅值或相位值。注：该数据表不能自动更新，只能用关闭后再打开的办法更新。 谐振频率和谐振峰值的测试：在闭环对数幅频曲线中用鼠标在曲线峰值处点击一下，待检测完成后就可以根据十字标记测得该系统的谐振频率r ，谐振峰值L(r) 。注：用户用鼠标只能在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点，无法在幅相曲线的界面上点击所需增加的频率点。 改变惯性环节开环增益：改变运算模拟单元A3的输入电阻R=2K。Ti=1（C1=2u），T=0.1（C2=1u）（