自动控制原理实验文档1.doc

第一部分 硬件资源介绍EL-AT-型实验系统主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。实验箱面板如图1： 图1 实验箱面板下面主要介绍实验箱的构成：一、 系统电源EL-AT-系统采用高性能开关电源作为系统的工作电源，其主要技术性能指标为：1 输入电压：AC 220V2 输出电压/电流：12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A3 输出功率：22W4 工作环境：540。二、 AD/DA采集卡AD/DA采集卡如图2，其采用ADUC812芯片做为采集芯片，负责采样数据及与上位机的通信，其采样位数为12位，采样率为10K。在卡上有一块32K的RAM62256，用来存储采集后的数据。AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和四路输入（AD1、AD2、AD3、AD4），其输入和输出电压均为5V+5V。图2 AD/DA采集卡另外在AD/DA卡上有一个9针R232串口插座用来连接AD/DA卡和计算机串口，20针的插座用来和控制对象进行通讯。三、 实验箱面板实验箱面板布局如下表： 实验箱面板布局可变电位器试验模块1直流电源AD/DA卡供电电源电阻、电容区AD/DA外扩接口试验模块2试验模块3试验模块4AD/DA外扩接口电阻、电容、电源地区二极管试验模块5试验模块6试验模块7电阻、电容、电源地区实验箱面板主要由以下几部分构成：1 实验模块本实验系统有七组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每个模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。这样通过对这七个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。2 二极管，电阻、电容区这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。3 AD/DA卡模块该区域是固定AD/DA卡，卡上有一个复位按钮，按下一次对AD/DA卡进行一次复位。20针的插座用来和控制对象连接。4 电源模块电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源端子，分别是12V、-12V、+5V、GND，这些端子给外扩模块提供电源。第二部分 软件安装及使用一、软件安装1 将实验系统光盘放入计算机光驱，进入软件安装目录光盘驱动器：自动控制winat。2 启动软件安装程序setup.exe，如下图1： 图1 进入安装界面 图2 选择安装路径3 按照软件提示，一步一步完成安装，如图： 图3 显示安装进程 图4 安装完毕界面4 软件安装完毕后，会在桌面和“开始程序”中自动生成“自动控制实验系统”快捷方式。二、软件启动与使用说明1 软件启动在Windows桌面上或“开始程序”中双击“自动控制实验原理”快捷方式，便可启动软件如图5。图5 软件启动界面2 实验前计算机与实验箱的通讯设置和测试用实验箱自带的串口线将实验箱后面的串口与计算机的串口连接，启动“自动控制实验原理”软件。1）实验前通讯口的设置设置方法：点击系统设置串口设置如图6，在对话框内填入与计算机相连的串口值。 图6 串口设置对话框 2）实验前通讯口的测试 测试方法：接通电源点击系统设置通信串口测试如图7，点击通信串口测试按钮，控制测试区内将出现0255个数据，如图8，如果数据没有或不全，则说明通讯有故障，应检查计算机串口与实验箱的连接。 图7 串口测试窗口 图8 3 软件使用说明本套软件界面共分为四个区域如图9：A. 菜单工具栏区域；B. 实验课题区域；C. 采集结果显示区域；D. 数据测量区域；图9 软件界面分配下面介绍软件的各个区域功能：A. 菜单工具栏。1） 实验课题（ALT+T）在该菜单下选择所做的实验课题项目。鼠标单击实验课题名称即可进入相应的实验。2） 系统设置（ALT+M）串口设置：设置实验中所使用的串口。所设定的串口标号应与计算机实际所使用的一致。通信串口测试：测试实验系统与计算机的通信是否正常。在实验之前必须进行串口通信测试，在确认串口通信正常后才可以进行实验。测试方法是鼠标单击对话框中的通信串口测试按钮，如果通信正常所示的空白区内将有信息返回，如果通信不正常则无返回信息。测试DA信源：这项功能主要测试DA是否有信号输出。鼠标单击该选项出现如图10的对话框。在该对话框中设置要测试的信源（DA1、DA2），信源的类型、频率以及幅值。然后点击测试按钮，用测量工具在实验箱上的DA处测试输出信号，比较测试信号和设定值是否一致，如果一致，说明DA输出正确，否则检查硬件。图10 测试DA信源对话框3） 实验数据（ALT+F）打开数据：打开已经保存的实验数据。选择该菜单选项后出现如图11所示的对话窗口。在该窗口中选择打开文件的路径和文件名，点击确定按钮即可打开一个已保存的实验数据。图11 打开实验数据对话窗口保存数据：保存当前的实验数据。选择该菜单选项可保存当前的实验数据。打印：将实验的结果在打印机上打印输出。鼠标单击该选项后弹出如图12所示的对话窗口。打印数据信息的来源有两种途径。（1） 打印当前内存中的数据；（2） 打印已经保存过的数据； 两种不同的打印方式可以通过对话窗口进行选择。图12 数据打印对话窗口 打印设置：设置打印时的相关信息。鼠标打击将弹出如图13所示的对话窗口。将需要打印的信息填入相应的空白处。填写完成后单击确认按钮保存。保存完成后单击退出按钮退出该对话窗口。图13 打印设置对话窗口4） 查看（ALT+V）课题资料：选择该项将显示自控原理课题的基本资料。其中包括实验所用的基本原理、电路及相应的实验说明。工具栏：切换工具栏的打开与关闭。状态栏：切换状态栏的打开与关闭。5）帮助（ALT+H）该菜单说明本“自动控制原理”软件是哪个版本。B. 实验课题在实验课题区域列出了本实验系统所能完成的实验课题，双击其中的一个课题，将弹出参数设置窗口。具体参数设置请参考实验说明部分。图14 实验课题区域C. 采集结果显示在该区域内主要是显示实验系统通过AD后的结果曲线。纵坐标是幅值轴，单位为(V),范围是：5V+5V, 横坐标是时间轴，单位为（ms）。D. 数据测量数据测量是测量系统响应的测量工具，如图15。鼠标单击单游标或双游标，然后单击测量按钮，即可在显示区显示测量线，测量线可以用鼠标拖动。在拖动的过程中屏幕右下方将动态显示测量的结果。图15 数据测量区域第三部分 实验课题实验一 典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。2. 学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。二、实验仪器1 EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台2 PC计算机一台三、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。 G（S）= -R2/R12. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。 G（S）= - K/（TS+1） K=R2/R1，T=R2C3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。 G（S）=-1/TS T=RC 4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。G（S）= - RCS5. 比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。 G（S）= -K（TS+1） K=R2/R1，T=R1C 6. 比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6。 G（S）=-K（1+1/TS） K=R2/R1，T=R2C四、实验步骤 1.启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。比例环节3.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-1)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。4.在实验课题下拉菜单中选择实验一典型环节及其阶跃响应 。5.鼠标双击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。7.记录波形及数据（由实验报告确定）。惯性环节8.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-2)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。9.实验步骤同47积分环节10.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-3)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。11.实验步骤同47微分环节12.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-4)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。13.实验步骤同47比例+积分环节14.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-6)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。15.实验步骤同4716. 测量系统的阶跃响应曲线，并记入下表。参数阶跃响应曲线 TS（秒） （误差带取5%）理论值实测值R1=R2=100KC=1ufK=1 T=0.1S比例环节惯性环节积分环节微分环节比例+微分环节比例+积分环节R1=100KR2=200KC=1ufK=2 T=1S比例环节惯性环节积分环节微分环节比例+微分环节比例+积分环节五、实验报告1. 由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。2. 将实验中测得的曲线、数据及理论计算值，整理列表。实验二 二阶系统阶跃响应一、实验目的 1研究二阶系统的特征参数如阻尼比z和无阻尼自然频率wn对系统动态性能的影响；定量分析 z 和wn与最大超调量Mp、调节时间tS之间的关系。 2进一步学习实验系统的使用方法。 3学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验仪器3 EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台4 PC计算机一台三、实验原理1模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。2 时域性能指标的测量方法：超调量：1) 启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2) 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。3) 连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。4) 在实验课题下拉菜单中选择实验二二阶系统阶跃响应 。5) 鼠标双击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。6) 利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出超调量： YMAX - Y =100% Y tP与ts:利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到tP与ts。 四、实验内容 典型二阶系统的闭环传递函数为 w2n j（S）= （1） s22zwnsw2n其中 z 和wn对系统的动态品质有决定的影响。图2-1为典型二阶系统的模拟电路，要求测量其阶跃响应： 图2-1 二阶系统模拟电路图电路的结构图如图2-2：图2-2 二阶系统结构图系统闭环传递函数为 （2） 式中 T=RC，K=R2/R1。比较（1）、（2）二式，可得 wn=1/T=1/RC z=K/2=R2/2R1 （3） 由（3）式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。改变RC值可以改变无阻尼自然频率wn。今取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得实验所需的阻尼比。电阻R取100KW，电容C分别取1mf和0.1mf,可得两个无阻尼自然频率wn。五、实验步骤1.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。2.启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。4.在实验课题下拉菜单中选择实验二二阶系统阶跃响应, 鼠标双击该选项弹出实验课题参数窗口。5.取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分别取z=0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分别等于100KW、200KW、400KW。输入阶跃信号，测量不同的z时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量s%和调节时间ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。6.取z=0.5,即取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改变电路中的电容C=0.1mf(注意：二个电容值同时改变)。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量s%和调节时间ts。7.取R=100KW；改变电路中的电容C=1mf,R1=100KW,调节电阻R2=50KW。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录tp和s%的数值。8.测量二阶系统的阶跃响应并记入表中