工业自动化控制实验指导书

1 一 一 组成和使用组成和使用 1 实验箱的供电 实验箱的后方设有带保险丝管 1A 的 220V 单相交流电源三芯插座 另配 有三芯插头电源线一根 箱内设有四只降压变压器 为实验板提供多组低压交 流电源 2 一块大型 435mm 325mm 单面敷铜印刷线路板 正面印有清晰的各部 件及元器件的图形 线条和字符 并焊有实验所需的元器件 该实验板包含着以下各部分内容 1 正面左下方装有电源总开关一只 控制总电源 2 100 多个高可靠的自锁紧式 防转 叠插式插座 它们与固定器件 线路的连接已设计在印刷线路板上 这类锁紧式插件 其插头与插座之间的导电接触面很大 接触电阻极其微 小 接触电阻 0 003 使用寿命 10000 次以上 在插头插入时略加旋转 后 即可获得极大的轴向锁紧力 拔出时 只要沿反方向略加旋转即可轻松地 拔出 无需任何工具便可快捷插拔 同时插头与插头之间可以叠插 从而可形 成一个立体步线空间 使用起来极为方便 3 扫频电源 采用可编程器件ispLSI1032 和单片机 AT89C51 设计而成 可在 15Hz 80KHz 的全程范围内进行扫频输出 提供 11 档扫速 亦可选定点频输出 此外还有频标指示 亦可显示输出频率等 扫频电源的使用见实验指导书附录 4 直流稳压电源 提供一路 15V 和 5V 直流稳压电源 在电源总开关打开的前提下 只要打 开信号源开关 就会有相应的电压输出 5 信号源 本实验箱的信号源包括两部分 阶跃信号发生器和函数信号发生器 阶跃信号发生器 阶跃信号发生器主要为本实验箱提供单位阶跃信号而设 计的 当按下白色按钮时 输出一负的阶跃信号 其幅值约 0 9V 2 45V 之间 可调 2 函数信号发生器 函数信号发生器主要是为本实验箱中所需的超低频信号 而专门设计的 它由单片集成函数信号发生器 ICL8038 及外围电路组合而成 其输出频率范围为 0 25Hz 1 55KHz 输出幅度峰峰值为 0 10VP P 使用时只要开启 函数信号发生器 开关 此信号源即进入工作状态 两个电位器旋钮用于输出信号的 幅度调节 左 和 频率调节 右 将上面一个短路帽放在 1 2 两脚处 输出信号为正弦波 将其置于 3 4 两脚处 则输出信号为三角波 将其置于 4 5 两脚处 则为方波输出 将下面一个短路帽放在 1 2 两脚 即 f1 处 调节右边一个电位器旋 钮 频率调节 则输出信号的频率范围为 0 25Hz 14KHz 将其置于 2 3 两脚 即 f2 处 调节 频率调节 旋钮 则输出信号的频率范围为 2 7Hz 155Hz 将其置于 4 5 脚 即 f3 处 则输出信号的频率范围为 26Hz 1 55KHz 6 频率计 该系统在作频率特性测试实验时 需要用到超低频信号 若用示波器去读 显然很不方便 为了能直观地读出超低频信号的频率 我们采用了一个频率计 它采用单片机编程 能精确 直观地显示小数点后两位 本频率计是由单片机 89C2051 和六位共阴极 LED 数码管设计而成的 测频 范围为 0 1Hz 10KHz 只要开启 函数信号发生器 处开关 频率计即进入待测状态 将频率计处开关 内测 外测 置于 内测 即可测量 函数信号发生器 本身的信号输出频率 将开关置于 外测 则频率计显示由 输入 插口输入 的被测信号的频率 在使用过程中 如遇瞬时强干扰 频率计可能出现死锁 此时只要按一下 复位 RES 键 即可自动恢复正常工作 8 直流数字电压表 直流数字电压表有三个档位 满度为 2V 量程 20V 量程 200V 量程 能完成 对直流电压的准确测量 测量误差不超过 5 9 交流毫伏表 交流毫伏表有三个档位 满度为 200mV 量程 2V 量程 20V 量程 它具有 3 频带较宽 10Hz 400KHz 精度高 不超过 5 数字显示和 真有效值 的 特点 即使测试远离正弦波形状的窄脉冲信号 也能测得精确的有效值大小 其适用的波峰因素范围达到 10 真有效值交流电压表由输入衰减器 阻抗变换器 定值放大器 真有效值 AC DC 转换器 滤波器 A D 转换器和 LED 显示器组成 输入衰减器用来将大于 2V 的信号衰减 定值放大器用来将小于 200mV 的信 号放大 本机 AC DC 转换由一块宽频带 高精度的真有效值转换器完成 它能 将输入的交流信号 不论是正弦波 三角波 方波 锯齿波 甚至窄脉冲波 精确地转换成与其有效值大小等价的直流信号 再经滤波器滤波后加到 A D 转 换器 变成相应的数字信号 最后由 LED 显示出来 10 本实验箱附有充足的长短不一的实验专用连接导线一套 二 二 使用注意事项使用注意事项 1 使用前应先检查各电源是否正常 检查步骤为 1 先关闭实验箱的所有电源开关 然后用随箱的三芯电源线接通实验 箱的 220V 交流电源 2 开启实验箱上的电源总开关 则开关指示灯被点亮 3 用万用表的直流电压档 或直接用面板上的直流数字电压表 测量面 板上的 15V 和 5V 看是否有正确的电压输出 4 开启函数信号发生器开关 则应有信号输出 当频率计打到内测时 应有相应的频率显示 5 开启交流毫伏表 数码管应被点亮 6 开启直流数字电压表 数码管应被点亮 2 接线前务必熟悉实验线路的原理及实验方法 3 实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关 严禁带电接线 接线完 毕 检查无误后 才可进行实验 4 实验自始至终 实验板上要保持整洁 不可随意放置杂物 特别是导电 的工具和多余的导线等 以免发生短路等故障 5 实验完毕 应及时关闭各电源开关 并及时清理实验板面 整理好连接 导线并放置到规定的位置 4 6 实验时需用到外部交流供电的仪器 如示波器等 这些仪器的外壳应妥 为接地 实验一实验一 控制系统典型环节的模拟控制系统典型环节的模拟 一 一 实验目的实验目的 1 熟悉超低频扫描示波器的使用方法 2 掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路 3 测量典型环节的阶跃响应曲线 4 通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响 二 二 实验仪器实验仪器 1 控制理论电子模拟实验箱一台 2 超低频慢扫描示波器一台 3 万用表一只 三 三 实验原理实验原理 以运算放大器为核心元件 由其不同的 R C 输入网络和反馈网络组成的各 种典型环节 如图 1 1 所示 图中 Z1和 Z2为复数阻抗 它们都是由 R C 构成 基于图中 A 点的电位为虚地 略去流入运放的电流 则由图 1 1 得 由上式可求得由下列模拟电 路组成的典型环节的传递函数及 其单位阶跃响应 1 比例环节 比例环节的模拟电路如图 1 2 所示 图 1 1 运放的反馈连接 1 1 2 Z Z u u SG i o 2 410 820 1 2 K K Z Z S G 5 2 1 1 1 R 1 2 1 2 1 2 2 1 2 TS K CSRR R CS R CS R Z Z S G 图 1 2 比例环节 2 惯性环节 取参考值 R1 100K R2 100K C 1uF 图 1 3 惯性环节 3 积分环节 取参考值 R 200K C 1uF 图 1 4 积分环节 4 比例微分环节 PD 其接线图如图及阶跃响应如图 1 5 所示 3 1 1 1 1 2 TS RCS R CS Z Z SG RC T 积分时间常数式中 6 参考值 R1 200K R2 410K C 0 1uF 图 1 5 比例微分环节 5 比例积分环节 其接线图单位阶跃响应如图 1 6 所示 参考值 R1 100K R2 200K C 0 1uF 图 1 6 比例积分环节 四 实验内容与步骤四 实验内容与步骤 1 分别画出比例 惯性 积分 和微分环节的电子电路图 2 按下列各典型环节的传递函数 调节相应的模拟电路的参数 观察并 CR T K 4 1 1 1 1D 1 2 1 1 2 1 1 2 1 2 R R ST K CSR R R CS R CS R R Z Z S G D 其中 CR T K 5 1 1 1 1 1 1 1 22 1 2 2 21 2 11 2 1 2 1 2 1 2 R R ST K CSR R R CSRR R CSR CSR R CS R Z Z S G 式中 7 记录其单位阶跃响应波形 1 比例环节 G1 S 1 和 G2 S 2 2 积分环节 G1 S 1 S 和 G2 S 1 0 5S 3 比例微分环节 G1 S 2 S 和 G2 S 1 2S 4 惯性环节 G1 S 1 S 1 和 G2 S 1 0 5S 1 5 比例积分环节 PI G S 1 1 S 和 G S 2 1 1 2S 五 注意事项五 注意事项 1 输入的单位阶跃信号取自实验箱中的函数信号发生器 2 电子电路中的电阻取千欧 电容为微法 六 实验报告要求六 实验报告要求 1 画出典型环节的实验电路图 并注明相应的参数 2 画出各典型环节的单位阶跃响应波形 并分析参数对响应曲线的影响 3 写出实验心得与体会 七 实验思考题七 实验思考题 1 用运放模拟典型环节时 其传递函数是在哪两个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 在什么条件下 又可以视为比例环节 3 如何根据阶跃响应的波形 确定积分环节和惯性环节的时间常数 实验二实验二 一阶系统的时域响应及参数测定一阶系统的时域响应及参数测定 一 一 实验目的实验目的 1 观察一阶系统在单位阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应 2 根据一阶系统的单位阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数 二 二 实验仪器实验仪器 1 控制理论电子模拟实验箱一台 2 双踪低频慢扫描示波器一台 3 万用表一只 三 三 实验原理实验原理 8 图 2 1 为一阶系统的模拟电路图 由该图可知 io i1 i2 根据上式 画出图 2 2 所示 的方框图 其中 T R0C 由图 图 2 1 一阶系统模拟电路图 2 2 得 图 2 3 为一阶系统的单位阶跃响应曲线 当t T 时 C T 1 e 0 632 这表示当 C t 上升到稳定值的 63 2 时 对应的时间就是一阶系统的时间常数 T 根据这个原理 由图 2 3 可测得一阶 系统的时间常数 T 由上式 1 可知 系统的稳态值为 1 因而该系统的跟踪 阶跃输入的稳态误差 ess 0 这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入 但有稳态误差存在 其误差的大小 为系统的时间常数 T 四 实验内容与步骤四 实验内容与步骤 1 根据图 2 1 所示的模拟电路 调整 R0和 C 的值 使时间常数 T 1S 和 T 0 1S 2 uI t 1V时 观察并记录一阶系统的时间常数 T 分别为 1S和 0 1S时的 单位阶跃响应曲线 并标注时间坐标轴 3 当 uI t t 时 观察并记录一阶系统时间常数 T 为 1S和 0 1S 时的响应曲 线 其中斜坡信号可以通过实验箱中的三角波信号获得 或者把单位阶跃信号 通过一个积分器获得 五 实验报告五 实验报告 1 根据实验 画出一阶系统的时间常数 T 1S时的单位阶跃响应曲线 CS u CS u R u R 1 R u 1 u 0 0 0 0 0 0 i 即 e T 1 O O i 0 1 t 1 1 1 1 1 S 1 1 t t u 1 1 t i i U T SS TS S U S S U TS S U S U 得取拉氏反变换 则系统的输出为即令 图 2 2 一阶系统原理框图 图 2 3 一阶系统单位阶跃响应 9 并由实测的曲线求得时间常数 T 2 观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线 并由图确定跟踪误差 ess 这 一误差值与由终值定理求得的值是否相等 分析产生误差的原因 六 实验思考题六 实验思考题 一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零 而对单位斜坡输入的 稳态误差为 T 2 一阶系统的单位斜坡响应能否由其单位阶跃响应求得 试说明之 实验三实验三 二阶系统的瞬态响应分析二阶系统的瞬态响应分析 一 一 实验目的实验目的 1 熟悉二阶模拟系统的组成 2 研究二阶系统分别工作在 1 0 1 临界 阻尼 1 和欠阻尼 0 625 0 1 图 3 3 0 1 时的阶跃响应曲线 系统处在欠阻尼状态 它的单位阶跃响应表达式为 2 当 K 0 625 时 1 系统 处在临界阻尼状态 它的单位阶 跃响应表达式为 如图 3 4 为二阶系统工作临界阻尼 时的单位响应曲线 图 3 4 1 时的阶跃响应曲线 3 当 K 0 625 时 1 系统工作在过阻尼状态 它的单位阶跃响应曲 线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线 但后者的上升速 1 211 2 21 2 2 21 数为而二阶系统标准传递函 TT KSTS TT K KSTSTT K S U S U i O 2 2 22 2 n n n SS S G 6250 10 50 T 20 T 4 2 1 21 1221 K KS S KTTTTK n n 则若令 得和式对比式 线态下的单位阶跃响应曲为二阶系统在欠阻尼状图式中3 3 1 3 1 sin 1 1 1 2 2 1 2 nd d t o tgttu e n e t no n ttu 1 1 11 度比前者缓慢 三 实验内容与步骤三 实验内容与步骤 1 根据图 3 1 调节相应的参数 使系统的开环传递函数为 2 令 ui t 1V 在示波器上观察不同 K K 10 5 2 0 5 时的单位 阶跃响应的波形 并由实验求得相应的 p tp 和 ts 的值 3 调节开环增益 K 使二阶系统的阻尼比 观察并记录707 0 2 1 此时的单位阶跃响应波形和 p tp 和 ts 的值 4 用实验箱中的三角波或输入为单位正阶跃信号积分器的输出作为二 阶系统的斜坡输入信号 5 观察并记录在不同 K 值时 系统跟踪斜坡信号时的稳态误差 四 实验报告四 实验报告 1 画出二阶系统在不同 K 值 10 5 2 0 5 下的 4 条瞬态响应曲线 并注明时间坐标轴 2 按图3 2 所示的二阶系统 计算K 0 625 K 1 和 K 0 312 三种情况下 和 n值 据此 求得相应的动态性能指标 p tp和 ts 并与实验所得出的结 果作一比较 五 实验思考题五 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 在电子模拟系统中 如何实现负反馈和单位负反馈 3 为什么本实验的模拟系统中要用三只运算放大器 实验四实验四 自动控制系统的动态校正自动控制系统的动态校正 一 一 实验目的实验目的 1 要求学生根据书上习题的要求 自行设计一校正装置 并用本实验箱构 成一模拟系统进行实验校正和实际调试 使学生深刻认识到校正装置在系统中 的重要性 2 掌握工程中常用的二阶系统和三阶系统的工程设计方法 二 二 实验仪器实验仪器 1S2 0 S5 0 K S G 12 1 控制理论电子模拟实验箱一台 2 慢扫描示波器一台 3 万用表一只 三 三 实验原理实验原理 当系统的开环增益满足其稳态性能的要求后 它的动态性能一般都不理想 甚至发生不稳定 为此需在系统中串接一校正装置 既使系统的开环增益不变 又使系统的动态性能满足要求 常用的设计方法有根轨迹法 频率法和工程设计法 本实验要求用工程设 计法对系统进行校正 1 二阶系统 图 4 1 为 二阶系统的标准形式 它的开环传递函数为 1 2 2 2 2 2 n n n n SS SS SG 1 图 4 1 二阶系统的标准形式 图 4 2 所示二阶系统的原理框图 图 4 2 二阶系统的原理框图 图 4 3 二阶系统的模拟电路图 其开环传递函数为 13 2 1 1 1 TSS K TSS K S G 式中 比较式 1 和式 2 得 1 KK 3 n T 21 4 2 2 2 1n n n K 如要求 则 21 n n T 21 22 1 T K nn 2 1 2 22 1 当时 二阶系统标准形式的闭环传递函数为21 把代入上式得 22 2 2 nn n SS ST TWn21 5 1 2 2 1 22 TSST ST 式 5 就是二阶系统的最优闭环传递函数 理论证明 只要二阶系统的闭 环传递函数如式 3 所示的形式 则该系统的阻尼比 1 0 707 对阶跃2 响应的超调量 p 只有 4 3 调整时间 ts为 8Ts 0 05 相位裕量 63 三阶系统 图 4 4 为三阶控制系统的模拟电路图 图 6 5 为其方框图 图 4 4 三阶系统的模拟电路图 14 图 4 5 三阶系统的方框图 Ti R1C1 1 R2C1 Ks R4 R3 Ts R4C2 Tsi R5C3 由图 6 5 求得该系统的开环与闭环传递函数分别为 6 1 1 2 1 STST S K SG ssi s 7 KS KSTSTT S K ST sssissi s 1 1 23 1 其中 由理论证明 当 时 iss TK K s T4 i 2 ss i T TK 8T 三阶系统具有下列理想的性能指标 超调量 p 43 调整时间 ts 18Ts 相位裕量 36 8 此时 式 7 可以改写为 8 1 4 8 8 1 4 2233 STSTST ST ST sss s 显然 上式的性能指标比二阶系统要差 这主要是由三阶系统闭环传 递函数的分子多项式引起的 为此 需在系统的输入端串接一个给定的滤波器 它的传递函数为 9 1 4 1 ST SG s F 于是系统的闭环传递函数为 10 1 4 8 8 1 2233 STSTST ST sss 在阶跃信号作用下 上述三阶