自动控制原理实验指导书(final).doc

控控制制理理论论仿仿真真与与实实验验 实实验验指指导导书书 徐国凯 杜海英 刘长宏 张涛徐国凯 杜海英 刘长宏 张涛 大连民族学院 机电信息工程学院 实验基本要求实验基本要求 1 每位学生必须按规定完成实验课 因故不能参加实验者 应课前向指导教师 请假 必须经有关领导批准 对所缺实验要在期末考试规定时间内补齐 缺 实验者不得参加期末考试 2 每次实验课前 必须作到预习 弄清实验题目 目的 内容 步骤和操作过 程 及需记录的参数等 认真做好预习报告 在实验前 指导教师要检查预 习结果并接受进行提问 对不写预习报告 又回答不出问题者 不准做实验 3 每次实验课前 学生须提前 5 分钟进入实验室 找好坐位 检查所需实验设 备 做好实验前的准备工作 4 做实验前 了解设备的原理和正确使用方法 在没有弄懂仪器设备的使用方 法前 不得贸然使用 否则因使用不当造成仪器设备损坏的 根据大连民族 学院 仪器设备损坏丢失处理暂行办法 规定进行处理 5 实验室内设备在实验过程中不准任意搬动和调换 非本次实验所用仪器设备 未经指导教师允许不得动用 6 要求每位学生在实验过程中 要具有严谨的学习态度 认真 踏实 一丝不 苟的科学作风 坚持每次实验都要亲自动手 不可 坐车 实验小组内要轮 流接线 操作和记录等工作 无特殊原因 中途不得退出实验 否则本次实 验无效 7 实验中若接线 改接 拆线都必须在切断电源的情况下进行 包括安全电压 线路连接完毕再送电 实验中 特别是设备刚投入运行时 要随时注意仪器 设备的运行情况 如发现有超量程 过热 异味 冒烟 火花等 应立即断 电 并请指导老师检查 处理 8 实验过程中 如出现事故 就马上拉开电源开关 然后找指导教师和实验技 术人员 如实反映事故情况 并分析原因和处理事故 如有损坏仪表和设备 时 应马上提出 按有关规定处理 9 每次实验结束 指导教师要对实验数据和结果进行 要经检查并签字 在教 师确认正确无误后 学生方可拆线 整理好实验台和周围卫生 填写实验登 记簿后方可离开 10 实验课后 每位学生必须按实验指导书的要求 独立完成实验报告 不得抄 2 袭 目目 录录 第一章第一章 THBDC 1THBDC 1 控制理论控制理论 计算机控制技术实验平台简介计算机控制技术实验平台简介 1 第二章第二章 软件安装及使用说明软件安装及使用说明 5 第一节 THBDC 1 上位机软件安装说明 5 第二节 软件使用说明 8 第三节 BODE 软件的使用说明 16 第三章第三章 控制理论仿真与实验控制理论仿真与实验 18 实验一 典型环节的电路模拟与控制软件仿真 19 实验二 线性系统的动态响应 25 实验三 线性系统稳态误差的研究 30 实验四 控制系统的稳定性分析 35 实验五 典型环节和系统频率特性的测量 37 实验六 控制系统串联校正装置的设计 42 实验七 MATLAB 环境下系统建模与仿真 44 实验八 极点可任意配置的系统设计 48 实验九 数字 PID 控制 50 实验十 非线性系统的相平面分析法 56 实验十一 非线性系统的描述函数法 62 实验十二 系统能控性与能观性分析 68 实验十三 状态观测器及其应用 70 实验十四 具有内部模型的状态反馈控制系统 74 实验十五 采样控制系统的混合仿真 78 实验十六 采样控制系统串联校正的混合仿真研究 82 1 第一章第一章 THBDC 1THBDC 1 控制理论控制理论 计算机控制技术实验平台简介计算机控制技术实验平台简介 THBDC 1 型控制理论 计算机控制技术实验平台主要是针对高校 控制理论 及 计算机控制技术 这两门课程而设计的 该实验平台既考虑了学校理论教学的 需要 又考虑了产品的开放性 扩展性 实用性 如产品在信号采集部分并不是采 用价格低廉的单片机系统 而是采用实验室或工业上常用的 USB 数据采集卡 在实 验的设计上除了用运放来模拟各种受控对象的数学模型外 还针对性的设置了温度 加热器 步进电机 直流电机 单容水箱四个实际被控对象 以便通过上位机来实 现对它们输出量的自动控制 在实验电路的设计上 除了完成实验的通用单元外 还增加了非线性单元 和 一些自由布线区 这样可以在受控对象中引入非线性单元或其它电路单元 以增加 算法研究的深度与广度 另外还增加了实验中经常使用到的低频信号发生器 交直 流数字电压表 便于实验室其它地方的使用 一 硬件部分一 硬件部分 1 直流稳压电源 直流稳压电源 直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源 有 5V 0 5A 15V 0 5A 及 24V 1 0A 五路 每路均有短路保护自恢复功能 它们的开关分别由相关的钮子开关 控制 并由相应发光二极管指示 其中 24V 主用于温度控制单元和直流电机单元 实验前 启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关 并根据需要 将 5V 15V 24V 钮子开关拔到 开 的位置 2 低频信号发生器 低频信号发生器 低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成 主要输出有正弦信号 三角波信号 方波信号 斜坡信号和抛物线信号 输出频率 分为 T1 T2 T3 T4 四档 其中正弦信号的频率范围分别为 0 1Hz 3 3Hz 2 5Hz 86 4Hz 49 8Hz 1 7KHz 700Hz 10KHz 三档 Vp p值为 16V 使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到 开 的位置 并根据需要选择合 适的波形及频率的档位 然后调节 频率调节 和 幅度调节 微调电位器 以得 到所需要的频率和幅值 3 锁零按钮 锁零按钮 锁零按钮用于实验前运放单元中电容器的放电 当按下按钮时 通用单元中的 场效应管处于短路状态 电容器放电 让电容器两端的初始电压为 0V 当按钮复位 时 单元中的场效应管处于开路状态 此时可以开始实验 4 阶跃信号发生器阶跃信号发生器 2 阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号 其输出电压范围为 10 10V 正负档连续可调 使用时根据需要可选择正输出或负输出 具体通过 阶跃信号发生器 单元的拔动开关来实现 当按下自锁按钮时 单元的输出端输 出一个可调 选择正输出时 调 RP1 电位器 选择负输出时 调 RP2 电位器 的阶跃 信号 当输出电压为 1V 时 即为单位阶跃信号 实验开始 当按钮复位时 单元的 输出端输出电压为 0V 注 单元的输出电压可通过实验台上的直流数字电压表来进行测量 5 低频频率计低频频率计 低频频率计是由单片机 89C2051 和六位共阴极 LED 数码管设计而成的 具有输 入阻抗大和灵敏度高的优点 其测频范围为 0 1Hz 10 0KHz 低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率 使用时先将 低频频率计的电源钮子开关拔到 开 的位置 然后根据需要将测量钮子开关拔到 外测 此时通过 输入 或 地 输入端输入外来周期信号 或 内测 此时测 量低频函数信号发生器输出信号的频率 另外本单元还有一个复位按钮 以对低频频率计进行复位操作 注 将 内测 外测 开关置于 外测 时 而输入接口没接被测信号时 频率 计有时会显示一定数据的频率 这是由于频率计的输入阻抗大 灵敏度高 从而感 应到一定数值的频率 此现象并不影响内外测频 6 交 交 直流数字电压表直流数字电压表 交 直流数字电压表有三个量程 分别为 200mV 2V 20V 当自锁开关不按下 时 它作直流电压表使用 这时可用于测量直流电压 当自锁开关按下时 作交流 毫伏表使用 它具有频带宽 10Hz 400kHz 精度高 5 和真有效值测量的 特点 即使测量窄脉冲信号 也能测得其精确的有效值 其适用的波峰因数范围可 达到 10 7 通用单元电路 通用单元电路 通用单元电路具体见实验平台所示 通用单元电路 单元 带调零端的运放 单元 反相器单元 和 无源元件单元 这些单元主要由运放 电容 电阻 电 位器和一些自由布线区等组成 通过接线和短路帽的选择 可以模拟各种受控对象 的数学模型 主要用于比例 积分 微分 惯性等电路环节的构造 一般为反向端 输入 其中电阻多为常用阻值 51k 100k 200k 510k 电容多在反馈端 容值为 0 1uF 1uF 10uF 其中通用单元电路二 三 九反向输入端有 0 1uF 电容 通用单 元电路八反向输入端有 4 7uF 电容 可作带微分的环节 以通用单元为例 现在搭建一个积分环节 比例常数为 1s 我们可以选择常用 元件 100k 10uF T 1k 10uF 1s 其中通用单元电路二是满足要求的 把对应 3 100k 和 10uF 的插针使用短路帽连接起来 锁零按钮按下去先对电容放电 然后用二 号导线把正单位阶跃信号输入到积分单元的输入端 积分电路的输出端接入反向器 单元 保证输入 输出方向的一致性 观察输出曲线 其具体电路如下图所示 8 非线性单元 非线性单元 由两个含有非线性元件的电路组成 一个含有双向稳压管 另一个含有两个单 向二极管并且需要外加正负 15 伏直流电源 可研究非线性环节的静态特性和非线性 系统 其中 10k 47k 电位器由电位器组单元提供 例如 47k 电位器 既可由一号导 线连接也可由二号导线连接电位器单元组中的可调电位器两个端点 以连接死区非线性环节为例 输入端与正电源端 输入端与负电源端分别为两 个 10k 可调电位器的固定端 分别用导线连接 正电源所连电位器的可调端与 D1相 连 另一个可调端与 D2相连 然后使用低频函数信号发生器输出 10Hz 16v 的正弦 波 用导线连接到非线性环节的输入端 实验前断开电位器与电路的连线 用万用 表测量 R 的阻值 然后再接入电路中 9 零阶保持器零阶保持器 零阶保持器为实验主面板上 U3 单元 它采用 采样 保持器 组件 LF398 具有将 连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能 其采样频率由外接的方波信号频率 决定 使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可 10 数据采集接口单元数据采集接口单元 数据采集卡采用 THBXD 它可直接插在 IBM PC AT 或与之兼容的计算机内 其采样频率为 350K 有 16 路单端 A D 模拟量输入 转换精度均为 14 位 4 路 D A 模拟量输出 转换精度均为 12 位 16 路开关量输入 16 路开关量输出 接口单元 则放于实验平台内 用于实验平台与 PC 上位机的连接与通讯 数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出 AI AO 与开关量输入输出 DI DO 两 部分 其中列出 AI 有 4 路 AO 有 2 路 DI DO 各 8 路 R C ui R0 R0 uo R C ui R0 R0 uo 4 使用虚拟示波器观察一个模拟信号 可以用导线直接连接到接口中 AD 端 其 其 中中 AD3 和和 AD4 两输入端有跟随器输入 而两输入端有跟随器输入 而 AD1 和和 AD2 通道没有 用户实验时可根通道没有 用户实验时可根 据情况选择使用 但在选择据情况选择使用 但在选择 AD3 和和 AD4 通道时 两个通道必须均有电信号输入 通道时 两个通道必须均有电信号输入 不能有悬空 不能有悬空 若使用采集卡中的信号源 用 DA 输出 即实验中我们通常将信号输 入到 AD1 端 软件内部信号 DA1 输出 11 实物实验单元 实物实验单元 包括温度控制单元 直流电机单元和步进电机单元 主要用于计算机控制技术 实验中 二 上位机软件二 上位机软件 上位机软件集虚拟示波器 VBScript 脚本编程器 函数信号发生器等于一身 其中虚拟示波器用于显示实验波形 并具有图形和数据存储 打印功能 VBScript 脚本编程器则提供了一个开放的编程环境 用户可编写各种算法及控制程序 函数 信号发生器提供了正弦信号 三角波信号 方波信号 斜坡信号和抛物线信号等 详细请查阅第二章 软件安装及使用说明软件安装及使用说明 部分 5 第二章第二章 软件安装及使用说明软件安装及使用说明 第一节第一节 THBDC 1THBDC 1 上位机软件安装说明上位机软件安装说明 一 安装环境一 安装环境 操作系统 Win2000 二 安装步骤二 安装步骤 第一步 安装上位机软件第一步 安装上位机软件 在上位机安装光盘中双击 上位机安装程序 文件夹下的可执行文件 setup exe 开始 THBDC 1 上位机软机 首先出现如图 1 所示的初始化界面 图 1 初始化完成之后自动会出现如图 2 所示的安装界面 图 2 点击图 2 中的 下一步 按钮将出现如图 3 所示的安装界面 图 3 选择好要安装的目录后 点击 下一步 出现如图 4 的安装界面 6 图 4 然后点击 下一步 按钮 开始复制文件 如图 5 图 5 当出现图 6 时 点击 确定 按钮 完成上位机软件的安装 如图 6 所示 图 6 7 第二步 将采集卡与计算机相连第二步 将采集卡与计算机相连 用 37 芯通讯线将 THBXD USB 数据采集卡的 37 芯并行接口与实验台的采集卡 接口相连 在启动实验台的电源后 再用 USB 电缆线将 THBXD USB 数据采集卡的 USB 接口和计算机的 USB 接口相连 上面安装完成后将会在电脑的桌面和开始菜单的程序菜单中创建一个 THBDC 1 应用程序的快捷方式 双击此快捷方式就可运行 THBDC 1 上位机软件 8 第二节第二节 软件使用说明软件使用说明 本上位机程序是与 THBDC 1 型控制理论 计算机控制技术实验台配套的软件 使用本软件前要确认作实验时将 THBXD USB 数据采集卡的 USB 电缆线与计算机相 连 在连接前应保证 THBDC 1 型控制理论 计算机控制技术实验台的电源已打开 每次作实验时都应先打开实验台的电源 再将实验台的 37 芯与采集卡的 37 芯相连 最后才将 USB 电缆线与计算机连接 做完实验后拔下 USB 电缆线 安装本软件后 安装方法请参照上位机软件安装说明 计算机上的开始菜单里的程序组中和桌面 上就会生成 THBDC 1 程序的快捷方式 点击这个快捷方式后就可启动本应用程序 一 一 THBDC 1 软件软件 在桌面上双击快捷方式打开软件界面 THBDC 1 或从开始菜单程序处找到 THBDC 1 单击它 如果 USB 采集卡驱动没有装好或者 usb 线没有连接 启动时都会弹出警告对话 框如下图 用户先点击确定 然后检查驱动安装步骤是否正确及 usb 线的两头是否 连上 检查无误再重新启动 9 如果安装无误 点击 THBDC 1 则会打开登入窗口 如下图 用户先正确填写自己的姓名 学号 填好后点击 确定 注释注释 在登入窗口填写的姓名和学号 会在报告生成器中自动生成相应的姓 名和学号 无法重新改写 所以在做要提交实验报告的的实验时 一定要在登入窗 口中正确填写姓名和学号 以免实验重做 点击 确定 进入如下界面 点击放大上图 图中最上面是各类菜单 其下是工具快捷方式 左边栏是示波 器显示窗口 右面是参数和操作区 下面是状态显示窗口 用户可以通过菜单 工 具快捷按钮 操作区按钮 完成对虚拟示波器的控制 初步了解了软件界面的情况之后 我们就可以开始实验操作了 一 系统一 系统 从菜单的 系统系统 下面找到 开始采集开始采集 界面如下图 状态区 参数与 操作区 菜单 示波器窗口 10 开始采集前如想设置 AD 采用频率等参数 可以在控制区操作 AD 数据缓 存设置 可以在 系统系统 下找到 缓存设置缓存设置 弹出如下对话框 Urb 数据长度数据长度 USB 每次请求包的长度 最小 64 最大 2048 要求必须是 64 的整数倍 默认值是 1024 一般不需要设置 在采用频率很低时 该值可以 调低到 512 256 等合适的值 注意 只有系统停止采集状态时才允许缓存设置 缓存数据长度缓存数据长度 每次送入示波器的数据长度 必须大于等于 Urb 数据长度 最大 819200 要求是偶数 缓存数据长度将影响示波器的数据刷新快慢 即缓存 越长示波器刷新的越慢 反之亦然 默认值是 4096 可以适当设置 信号发生器信号发生器 信号发生器能够产生周期正弦波 方波 三角波 锯齿波 在 产生波形前选择好 信号类型 信号频率 信号幅值 占空比 零电位偏 移量 等参数 然后点击 启动 按钮后就可通过采集卡的 DA1 通道输出波形 频率 在 20HZ 以下 信号发生器窗口如下图 11 Matlab 仿真仿真 在传递函数 G S 后的表达式中填写好传递函数的参数后 可参 照实例函数的样式 选好 仿真模式 有四种模式 X T 仿真 Bode 图仿真 根 轨迹仿真 极坐标仿真 后 点击 执行 后 通过 MATLAB 的后台数据处理 等待 几秒钟后将会在右边的图形框中显现此函数仿真的波形 供用户参考 如下图 注释 注释 用户在用 BodeChart 软件做幅频特性实验时 手动采集拟合后的波形图 可以和 Matlab 访真来对比 Bode 图实验图实验 单击此按钮 可以直接调出做幅频特性的 Bode 图软件 如下 2 图 二 示波器下的按钮功能二 示波器下的按钮功能 12 1 幅值自动 幅值自动 选择 点击一下 同时会出现表示符 表示已经选上 调整示波器窗口始终 随着波形的幅值满屏显示 取消 在选上的基础上在点击下 同时表示符消失 表 示已取消 取消自动调整 同时弹出对话框 设置最大 最小显示幅值 2 时基自动 时基自动 选择 调整示波器窗口始终随着波形的时间满屏显示 取消 取消自动调整 3 暂停显示 暂停显示 选择 暂停显示 取消 取消自动调整 4 波形同步 波形同步 选择 同步显示波形 注要 只有波形模式在 Plot X Plot X1 X2 Plot X1 X2 种模式下有效 其它模式不起作用 取消 取消同步显示 5 波形模式 波形模式 Chart X 单通道采集时 连续左移方式显示波形 同时在工具快捷方式栏 下方中央会显示波形模式 Plot X 单通道采集时 连续一屏一屏从左到有刷新显示波形 此时波形显 示长度就是缓存数据长度 单通道同步显示必须在此模式下 Chart X1 X2 双通道时 分别显示 显示原理同 Chart X Plot X1 X2 双通道时 分别显示 显示原理同 PlotX Chart X1 X2 双通道时 两波形叠加显示 显示原理同 Chart X Plot X1 X2 双通道时 两波形叠加显示 显示原理同 PlotX Plot X1 X2 双通道时 X1 数值为时间轴 X2 为幅值轴 显示原理同 PlotX AmpSpectrum 幅值谱 信号的不同频率的幅度在频率序列上的表示 注 一 个方波信号 如下图 13 PowerSpectrum 功率谱 以 F t 为电压在 1 欧姆电阻上不同频率上 能量消耗的分布 同时快捷工具栏下方中央会显示波形模式 注 接一个方波信号 如下图 6 波形操作 波形操作 XY 轴放大 在此操作模式下 可以任意放大鼠标选定的矩形波形窗口到满 屏 此按钮在工具快捷方式栏也有显示 X 轴放大 在此操作模式下 可以任意放大鼠标选定的时间轴区域波形到 满屏 Y 轴放大 在此操作模式下 可以任意放大鼠标选定的幅值轴区域波形到 满屏 波形抓取 在此抄做模式下 可以抓取当前实验波形 十字跟踪 在此操作模式下 示波器会弹出两跟踪线 用户可以用鼠标拖 动跟踪线到指定的位置 状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置 7 线型线型 点型点型 改变波形的形状 即线型时连线显示 点型时 点式显示 8 波形复位 波形复位 复位放大缩小后的波形到原始状态 9 基准复位 基准复位 复位控制区里的水平 基准按钮到初始状态 10 波形清除 波形清除 清除当前实验波形 使得示波器窗口为空白 以便重新生成实验波形 11 波形复制 波形复制 波形拷贝到粘贴板 三 三 参数与操作区的一些按钮功能参数与操作区的一些按钮功能 通道选择通道选择 选择 AD 采集的通道 通道 1 为 USB 采集卡的 1 通道 通道 14 1 2 为 USB 采集卡的 1 和 2 通道 此时双通道采集 每个通道的实际采样频率为设 置采样频率的一半 采样频率采样频率 设置采集卡的采样频率 注要 单位是 K 即最小为 1000Hz 最 大可以达到 250KHz 采集卡的默认增益系数为 1 分频系数分频系数 波形在 Chart 模式时 可以任意调节采样频率 该原理是等间隔均 匀丢弃数据点 也即相当于降低了采样频率 该功能特点是不需要停止采集 随着 滑动按钮的调节 可以马上看到调节结果 主要用在实验时对象信号频率很低 而 实验又需要显示整个实验波形过程 这时通过滑动按钮可以调到合理的波形 值 1 对应无分频 值 20 对应每缓存长度数据只显示 1 点 窗口长度窗口长度 调节 Chart 模式时的波形历史数据长度 基准平移基准平移 可以逻辑设置幅值的平移增量 双通道采集时可以用来分段显示 波形 基准增益基准增益 可以逻辑设置幅值的比例系数 水平微调水平微调 开始测量之前 如果波形不在零点位置 可以调此微调 使波形 处于零点位置 每一格代表 0 01 调节范围在 0 1 到 0 1 共 0 2 的范围 注注 此水 平微调在窗口最大化时 才会显示出来 四 四 状态区的各栏注释状态区的各栏注释 状态栏第一格为系统运行状况信息栏 第二栏为当前波形实时分析的频率值 注要 双通道时 是指第一通道波形的频率 第三栏第四栏为十字跟踪时 跟 踪线 X1 与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值 第五栏和第六栏为十字跟踪时 跟踪线 X2 与波形相交点的时基坐标值和幅值坐标值 第七栏第八栏为跟踪线 X2 与 跟踪线 X1 的坐标值差 第九栏为 X2 X1 坐标值差的倒数 当 X1X2 刚好对应一个波 形时 该倒数即为该波形的频率 五五 VBScript 函数说明函数说明 1 初始化函数 Initialize arg 调用方法 sub Initialize arg 2 算法运行函数 TakeOneStep arg 调用方法 sub TakeOneStep arg 3 退出函数 Finalize arg 调用方法 sub Finalize arg 4 模拟量输出函数 WriteData voltage channels 调用方法 WriteData 0 1 此函数表明模拟量输出通道DA1 输出 0V 5 模拟量测量函数 ReadData channels 调用方法 ReadData 1 此函数表明模拟量采集通道为AD1 6 数字量输出函数 SetDO sign channels 调用方法 SetDO TURE 1 此函数表明数字量输出DO1 为 1 sign 的状态有 15 TURE 和 FALSE 7 转速测量函数 GetFS 调用方法 GetFS 此函数用于测量第一通道的输入信号频率 六六 脚脚本本编编程程流流程程图图 第三节第三节 BODEBODE 软件的使用说明软件的使用说明 从开始菜单处找到 THBDC 1 结束 Initialize arg TakeOneStep arg 控制算法 循环判断 Finalize arg Y Y 开始 16 打开软件界面 BodeChart 还有一种打开方式是从 THBDC 菜单栏里面 系统 Bode 图实验 打开 正确打开之后 先熟悉各个按钮 如下介绍 一 在文件菜单下 一 在文件菜单下 重新实验重新实验 如果实验效果不好 或者参数设错 可以点击 重新实验 重新开 始 波形打印波形打印 实验完后 要打印此实验结果 可以直接点击 波形打印 THBDC 1 点击此按钮 则将返回 THBDC 软件的登入窗口 退出退出 关闭当前窗口 退出 Bode 图 二 在操作菜单下 二 在操作菜单下 折线生成折线生成 在手动采集下 把所需点采完之后 点击 折线生成 则会把 显示区的点依次连接起来 同时折线生成的快捷方式如下图 曲线拟合曲线拟合 按照所采集到的点 它会尽量的把这些点以光滑的曲线连接起来 波形拷贝波形拷贝 波形拷贝到粘贴板 波形清除波形清除 清除此当前实验波形 以便重新做实验 坐标自动坐标自动 调整幅频特性窗口始终随着波形的幅值满屏显示 波形恢复波形恢复 复位放大缩小后的波形到原始状态 波形测量波形测量 在此操作模式下 示波器会弹出两跟踪线 用户可以用鼠标拖动 跟踪线到指定的位置 状态栏会实时显示跟踪线和波形交叉点的坐标位置 波形抓取波形抓取 在此操作模式下 可以抓取当前实验波形 三 三 状态区的各栏注释状态区的各栏注释 状态栏第一栏为前波形实时分析的输出频率值 第二栏为当前波形测量频率值 第三栏为角频率即幅频特性窗口的横轴 第四栏为幅值比 第五栏为采集进度即用 户在做手动采集实验时可以察看这栏 一般采集的最佳时间在 数据采集 的显示 17 百分比为 70 90 之间 第六栏第七栏为波形测量十字跟踪时 跟踪线 X1 与波形 相交点的时角频率和幅值坐标值 初步了解了软件界面的情况之后 下面进行实验操作 实验前请检查 是否将实验电路的输入端和数据采集的 A D 的第一通道并联 并 且连接到正弦波信号的输出端 1 手动方式步骤如下 手动方式步骤如下 1 点击开始采集 开启硬件数据的采集 2 调节信号源到起始频率 如 0 2Hz 等待到信号源信号稳定后 点击手动单 采 等待 软件即会自动完成该频率点的频率 幅值比分析 并单点显示在波形窗 口上 3 继续增加调节信号源频率 如 0 3Hz 等信号源信号稳定后 点击手动单 采 等待 软件即会自动完成该频率点的频率 幅值比分析 并单点显示在波形窗 口上 4 继续第 2 步骤 一直到关键频率点都完成 5 点击停止采集 结束硬件采集任务 6 点击曲线拟合或者折线连接 完成波特图的幅频特性图 7 保存波形到画图板或者直接打印 即完成实验 18 第三章第三章 控制理论仿真与实验控制理论仿真与实验 控制理论仿真与实验实验说明控制理论仿真与实验实验说明 本实验是自动控制原理的实践教学环节 实验设置为开放性实验 是针对大三 学生专业限选课自动控制原理而设置的实验 针对学生动手能差 实践环节少的弱 点 在每一章节的理论课后 相应安排了与理论相联系实践环节 在实践环节中 使学生加深对理论知识的理解 根据自动控制原理理论课的特点设置为验证性 操 作性及设计性三种 验证性 操作性实验一般为 2 学时 设计性实验一般为 4 学时 实验目的 1 使学生了解典型环节的特性 模拟方法及控制系统分析与校正方法 掌握离 散控制系统组成原理 调试方法 掌握基于状态反馈的控制方案设计及实现方法 2 培养学生理论联系实际的作风 使之对自动控制技术相关理论与计算方法有 较深刻的理解 了解实验的主要过程及基本方法 为今后的学习工作奠定良好的实 验基础 3 对学生进行工程训练 使之掌握利用本课程的知识对简单控制系统的设计 安装 调试与维修的基本方法和能力 4 锻炼学生正确选择与灵活使用相关测量仪器与仪表的能力 针对学生能力参差不齐的特点 在实践教学中安排了一部分选做实验 学生可 根据自己的能力特点及对理论知道的掌握程度 任意选做 开放性实验说明 由于学分制度的改革 学生们大三以后的时间相对不固定 并且在实验过程中可能由于种种原因 往往不能在规定时间内做出实验结果 在开 放实验中 学生可自由选择实验时间 可以自由延长和缩短实验时间 学生还可以 根据自己的兴趣爱好 以实验室设备为依托 自己选择实验内容 也可以根据实验 指导书上选做实验内容安排自己的实验内容 19 实验一实验一 典型环节的电路模拟与控制软件仿真典型环节的电路模拟与控制软件仿真 一 实验类型实验类型 验证性实验 二 实验目的实验目的 1 熟悉并掌握 THBDC 1 型控制理论 计算机控制技术实验平台及上位机软件 的使用方法 2 熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性 掌握典型环节的电路模拟与软件 仿真研究 3 测量各典型环节的阶跃响应曲线 并了解参数变化对其动态特性的影响 三 实验内容 实验内容 1 设计并组建各典型环节的模拟电路 2 测量各典型环节的阶跃响应 用示波器观察其波形 并研究参数变化对其输 出响应的影响 3 在上位机界面上 填入各典型环节数学模型的实际参数 据此完成它们对阶 跃响应的软件仿真 并与模拟电路测试的结果相比较 四 实验原理实验原理 自控系统是由比例 积分 微分 惯性等典型环节按一定的关系连接而成 熟 悉这些环节对阶跃输入的响应 对分析线性系统将是十分有益的 在附录中介绍了典型环节的传递函数 理论的阶跃响应曲线和环节的模拟电路 图 五 实验要求实验要求 1 比例 P 环节 积分 I 环节 比例积分 PI 环节 比例微分 PD 环节及惯性 环节等典型环节的模拟电路联接 并用示波器记录各环节的阶跃响应曲线 2 写出各典型环节的传递函数及方框图 3 根椐测量记录的各典型环节的单位阶跃响应曲线 分析参数变化对其动态特 性的影响 六 实验仪器设备实验仪器设备 1 THBDC 1 型控制理论 计算机控制技术实验平台 2 PC 机 1 台 含上位机软件 USB 数据采集卡 37 针通信线 1 根 16 芯数据 排线 USB 接口线 3 双踪慢扫描示波器 1 台 可选 4 万用表 1 只 七 预习要求预习要求 1 了解实验装置 THBDC 1 型控制理论 计算机控制技术实验平台及上位机 20 软件的使用方法及注意事项 2 了解示波器的使用方法 3 写实验预习报告 并列出实验设备使用清单 画出各典型环节的模拟电路的 接法及其单位阶跃响应曲线形状 八 实验步骤实验步骤 1 熟悉实验台 利用实验台上的各电路单元 构建所设计比例环节 可参考本实 验附录 的模拟电路并连接好实验电路 待检查电路接线无误后 接通实验台的电源 总开关 并开启 5V 15V 直流稳压电源 2 把实验台的输出端接到双踪示波器上 观察并记录其波型 3 把采集卡接口单元的输出端 DA1 输入端 AD2 与电路的输入端 Ui相连 电 路的输出端 Uo则与采集卡接口单元中的输入端 AD1 相连 连接好采集卡接口单元 与 PC 上位机的通信线 待接线完成并检查无误后 操作 THBDC 1 软件 具体 操作步骤如下 1 打开 PC 机 运行软件 THBDC 1 2 运行 系统 通道设置 命令 选择相应的数据采集通道 如双通道 通 道 1 2 然后点击 开始采集 按钮 进行数据采集 3 运行 窗口 虚拟示波器 命令 在左边选择 X t 显示模式 在右边选 择相应的数据显示通道 同时点击相应的 显示 按钮 然后点击 虚拟示波器 左边的 开始 按钮开始采集实验数据 3 运行 窗口 信号发生器 命令 在信号波形类型中选择 周期阶跃信 号 信号幅度为 1V 信号占空比为 100 其它选项的不变 4 改变虚拟示波器的显示量程 S div 或 ms div 及输入波形的放大系数 以便 更清晰地观测波形 一般选择 128ms d 5 点击 虚拟示波器 上的 暂停 及 存储 按钮 保存实验波形 3 参照本实验步骤 1 2 依次构建相应的积分环节 比例积分环节 比例微分 环节 比例积分微分环节及惯性环节 并观察各个环节实验波形及参数 注意 凡是带积分环节的 都需要在实验前按下注意 凡是带积分环节的 都需要在实验前按下 锁零按钮锁零按钮 对电路的积分电对电路的积分电 容放电 实验时再次按下容放电 实验时再次按下 锁零按钮锁零按钮 取消锁零 取消锁零 4 点击 仿真平台 按钮 根据环节的传递函数 在 传递函数 栏中填入该 环节的相关参数 如比例积分环节的传递函数为 则在 传递函数 栏的分子中填入 0 1 1 分母中填入 0 1 0 即可 然 后点击 仿真 按钮 即可观测到该环节的仿真曲线 并可与实验观察到的波形相 比较 S S CSR CSR su su sG i o 1 0 11 01 1 2 21 注意 仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于分母阶数的情况 若分子注意 仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于分母阶数的情况 若分子 阶数大于分母阶数 如含有微分项的传递函数 阶数大于分母阶数 如含有微分项的传递函数 则不能进行仿真实验 否则出错 则不能进行仿真实验 否则出错 5 根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告 九 实验报告要求实验报告要求 1 写出实验目的 实验原理 记录实验的详细过程 2 画出各典型环节的实验电路图及单位阶跃响应 并注明参数 写出各典型环 节的传递函数 3 记录实验的单位阶跃响应曲线 根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线 分 析参数变化对动态特性的影响 十 实验思考题实验思考题 1 用运放模拟典型环节时 其传递函数是在什么假设条件下近似导出的 2 积分环节和惯性环节主要差别是什么 在什么条件下 惯性环节可以近似地 视为积分环节 而又在什么条件下 惯性环节可以近似地视为比例环节 3 在积分环节和惯性环节实验中 如何根据单位阶跃响应曲线的波形 确定积 分环节和惯性环节的时间常数 十一 附录附录 1 比例 P 环节 比例环节的传递函数与方框图分别为 其模拟电路 后级为反相器 和单位阶跃响应曲线分别如图 1 1 所示 其中 这里取 R1 100K R2 200K R0 200K 通过改变电路中 R1 R2 1 2 R R K 的阻值 可改变放大系数 实验台上的参考单元 U10 U5 2 积分 I 环节 积分环节的传递函数与方框图分别为 K su su sG i o Tssu su sG i o1 22 其模拟电路和单位阶跃响应分别如图 1 2 所示 其中 T RC 这里取 C 10uF R 100K R0 200K 通过改变 R C 的值可改变 响应曲线的上升斜率 实验台上的参考单元 U7 U5 3 比例积分 PI 环节 积分环节的传递函数与方框图分别为 其模拟电路和单位阶跃响应分别如图 1 3 所示 其中 T R1C 这里取 C 10uF R1 100K R2 100K R0 200K 通 1 2 R R K 过改变 R2 R1 C 的值可改变比例积分环节的放大系数 K 和积分时间常数 T 实验台上的参考单元 U12 U5 4 比例微分 PD 环节 比例微分环节的传递函数与方框图分别为 1 1 11 21 2 11 2 1 2 CSRR R CSRR R CSR CSR su su sG i o 23 其中 1 1 1 1 2 CSR R R TSKsG CRTRRK112 其模拟电路和单位阶跃响应分别如图 1 4 所示 这里取 C 10uF R1 100K R2 200K R0 200K 通过改变 R2 R1 C 的值可 改变比例微分环节的放大系数 K 和微分时间常数 T 实验台上的参考单元 U10 U5 5 比例积分微分 PID 环节 比例积分微分 PID 环节的传递函数与方框图分别为 其中 ST ST KpsG d i 1 21 2211 CR CRCR Kp 21C RTi 12C RTd SCR SCRSCR 21 1122 1 1 SCR SCRCR CRCR 12 2121 1122 1 当 KP 2 Ti 0 1 Td 0 1 时 S S 1 0 1 0 1 2 24 其模拟电路和单位阶跃响应曲线分别如图 1 5 所示 其中 C1 1uF C2 1uF R1 100K R2 100K R0 200K 通过改变 R2 R1 C1 C2的值可改变比例积分微分环节的放大系数 K 微分时间常数 Td和积 分时间常数 Ti 实验台上的参考单元 U10 U5 6 惯性环节 惯性环节的传递函数与方框图分别为 其模拟电路和单位阶跃响应曲线分别如图 1 6 所示 其中 T R2C 这里取 C 1uF R1 100K R2 100K R0 200K 通过 1 2 R R K 改变 R2 R1 C 的值可改变惯性环节的放大系数 K 和时间常数 T 实验台上的参考单元 U7 U5 1 TS K su su sG i o 25 实验二实验二 线性系统的动态响应线性系统的动态响应 一 实验类型实验类型 验证性实验 二 实验目的实验目的 1 掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法 2 研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定性的影响 三 实验内容 实验内容 1 观测二阶系统的阶跃响应 并测出其超调量和调整时间 2 调节二阶系统的开环增益 K 使系统的阻尼比 测出此时系统的超调 2 1 量和调整时间 3 研究三阶系统的开环增益 K 或一个惯性环节的时间常数 T 的变化对系统动 态性能的影响 4 由实验确定三阶系统稳定的临界 K 值 四 实验原理实验原理 本实验是研究二阶和三阶系统的瞬态响应 为了使二阶系统的研究具有普遍性 意义 通常把它的闭环传递函数写如下的标准形式 式中 系统的阻尼比 系统的无阻尼自然频率 任何的二阶系统都可以化为 n 上述的标准形式 对于不同的系统 它们的 和所包含的内容也是不同的 n 调节系统的开环增益 K 可使系统的阻尼比分别为 0 1 三种 对应于这三种情况下系统的阶跃响应曲线 在实验中都能观测到 它们分别为附录 中的图 2 3 所示 本实验中的三阶系统 其开环传递函数是由两个惯性环节和一个积分环节相串 连组成 由控制理论中的劳斯判据可知 调节系统的开环增益 K 和某一个惯性环节 的时间常数 T 都会导致系统的稳态性能的明显变化 有关二阶和三阶系统相关参数的理论计算和实验系统的模拟电路请参阅附录 五 实验要求 实验要求 1 要求学生熟练掌握二阶系统的标准型 并能理解各动态性能指标的含义及 其对系统性能的影响 2 掌握开环增益的定义及开环增益对系统稳定性的影响 3 掌握时间常数 T 对系统性能的影响 六 实验设备 实验设备 同实验一 2 2 2 2 nn n SSSR SC 26 七 预习要求 预习要求 1 要求学生能够认真阅读实验指导书 完成实验预习报告 2 画出实验电路图 写出系统传递函数 并写出实验步骤及调试过程 八 实验步骤 实验步骤 1 利用实验平台上的通用电路单元 设计 具体可参考本实验附录的图 2 2 一个 由积分环节 积分环节锁零端的使用请参考实验一的相关步骤 和一个惯性环节相 串联组成的二阶闭环系统的模拟电路 待检查电路接线无误后 接通实验平台的电 源总开关 并开启 5V 15V 直流稳压电源 2 把采集卡接口单元的输出端 DA1 输入端 AD2 与电路的输入端相连 电路 的输出端则与采集卡接口单元中的输入端 AD1 相连 连接好采集卡接口单元与 PC 上位机的通信线 待接线完成并检查无误后 在 PC 机上启动 THBDC 1 软件 操作步骤可参考实验一的步骤 2 观察二阶系统模拟电路的阶跃响应特性 并测出其 超调量和调整时间 3 改变二阶系统模拟电路的开环增益 K 改变图 2 2 所示电路中 Rx 的阻值 具 体数值参考本实验附录 观测当阻尼比为不同值时系统的动态性能 4 利用实验平台上通用电路单元 设计 具体可参考本实验附录的图 2 5 一 个由积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路 5 用上位机软件 THBDC 1 观测三阶模拟电路的阶跃响应特性 并测出其超 调量和调整时间 6 改变三阶系统模拟电路的开环增益 K 改变图 2 5 所示电路中 Rx 的阻值 具体数值参考本实验附录 观测增益 K 的变化对系统动态性能和稳定性的影响 7 利用上位机界面提供的软件仿真功能 完成上述两个典型线性定常系统的动 态性能研究 并与实验中观察的波形相比较 8 根据计算机保存的实验参数及波形 完成实验报告 九 实验报告要求实验报告要求 1 写出实验目的 实验原理 记录实验的详细过程 2 根据附录中的图 2 1 和图 2 3 画出二阶和三阶线性定常系统的实验电路图 写出它们的闭环传递函数 并标明电路中的各参数 3 根据测得的系统单位阶跃响应曲线 分析开环增益 K 和时间常数 T 对系统动 态特性及稳定性的影响 十 实验思考题实验思考题 1 如果阶跃输入信号的幅值过大 会在实验中产生什么后果 2 在电路模拟系统中 如何实现负反馈和单位负反馈 3 为什么本实验中二阶及三阶系统对阶跃输入信号的稳态误差都为零 4 三阶系统中 为使系统能稳定工作 开环增益 K 应适量取大还是取小 系统 27 中的小惯性环节和大惯性环节哪个对系统稳定性的影响大 为什么 十一 附录附录 1 典型二阶系统 典型二阶系统的方框图为 图 2 1 二阶系统的方框图 系统开环传递函数为 其中 1 1 STS k sG 2 1 T k k 系统闭环传递函数为 2 2 2 11 2 1 2 1 nn n SS T K S T S T K SW 所以有 21 1 TT k n 11 2 2 1 TK T 系统的模拟电路和不同 时系统的单位阶跃响应曲线分别如图 2 2 图 2 3 所示 其中 a b c 分别对应于二阶系统在欠阻尼 临界阻尼和过阻尼三种情况下的阶跃 响应曲线 图 2 2 二阶系统的模拟电路图 其中 C1 10uF C2 1uF R1 100K R2 100K R0 200K Rx 阻值可调范围为 0 100K a 0 1 图 2 3 不同时二阶系统的单位阶跃响应曲线 28 改变图 2 2 中电位器 Rx 的大小 就能看到系统在不同阻尼比 时的时域响应特 性 其中 Rx 15 8K 时 1 Rx 20K 时 0 1 实验台上的参考单元 U6 U7 U10 U5 2 典型三阶系统 典型三阶系统的方框图和模拟电路分别如图 2 4 图 2 5 所示 图 2 4 三阶系统的方框图 系统开环传递函数为 15 0 11 0 1 1 21 21 SSS KK STSTS K sG 式中 1s T1 0 1S T2 0 5S 其中待定电阻 Rx 21K K K 1 1 K X 2 R 500 K 的单位为 K 改变 Rx的阻值 可改变系统的放大系数 K 图 2 5 三阶系统的模拟电路图 由开环传递函数得到系统的特征方程为 0202012 23 KSSS 由劳斯判据得 0 K12 如 Rx 30K 系统不稳定 29 改变电阻 Rx 的值 可使系统运行在三种不同的状态 图 2 6 中 a b c 所示的 曲线分别描述了系统为不稳定 临界稳定和稳定三种情况 a b c 图 2 6 三阶系统在不同放大系数的单位阶跃响应曲线 实验台上的参考单元 U6 U7 U11 U15 U5 30 实验三实验三 线性系统稳态误差的研究线性系统稳态误差的研究 一 实验类型 实验类型 操作性实验 二 实验目的实验目的 1 了解不同典型输入信号对于同一个系统所产生的稳态误差 2 了解一个典型输入信号对不同类型系统所产生的稳态误差 3 研究系统的开环增益 K 对稳态误差的影响 三 实验内容实验内容 1 观测 0 型二阶系统的单位阶跃和斜坡响应 并测出它们的稳态误差 2 观测 型二阶系统的单位阶跃和斜坡响应 并测出它们的稳态误差 3 观测 型二阶系统的单位斜坡和抛物线响应 并测出它们的稳态误差 四 实验原理实验原理 下图为控制系统的方框图 该系统误差 E S 的表达式为 1 SG SR SE 式中 G S 和 H S 分别为系统前向通道和反馈通道中的传递函数 由上式可知 系统的误差不仅与其结构参数有关 而且也与其输入信号 R S 的大小有关 本实验 就是研究系统的稳态误差与