#自控原理实验指导书

1、自动控制原理实验指导书自动控制原理课程组2006年5月 目录 实验一 典型线性环节的暂态特性 1 实验二 二阶系统的阶跃响应 3 实验三 线性系统稳定性研究 5 实验四 线性系统稳态误差的研究 7 实验五控制系统的校正 设计性实验） 9 实验六 典型非线性环节的静态特性 10 实验七 非线性系统的描述函数法 14 实验八 采样控制系统的分析 17 实验九 单闭环温度恒值控制系统 选作实验） 20 实验十 单容水箱液位定值控制系统 选作实验）24/ 21实验一 典型线性环节的暂态特性、实验目的熟悉 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。熟悉各典型环节的传递函数及其特

2、性，掌握典型环节的电路模拟。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。 、实验设备THBDC-1 型控制理论计算机控制技术实验平台；PC机一台 (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；三、实验内容设计并组建各典型环节的模拟电路；测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；四、实验步骤比例 ；当 ui 为 2V 阶跃信号时，用上位机软件观测并记录相应 3. 比例积分 (PI 环节 根据比例积分环节的方框图，选择实验台上的 通用电路单元设计并组建模拟电路，如图所示。 图中后一个单元为反相器，其中 R0=2

3、00K 。 若取比例系数 K=1 、积分时间常数 T=1S 时，电路中T 值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。的参R2=200K 。当 ui 为 2V 阶跃信号时，用上位软件观测并记录相应K 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。另外 R2 还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意值。注：实验操作前必须先熟悉“ THBDC-1 使用说明书”部分。积分 ；T=0.1S 时 ， 电 路 中 的 参 数 取 ：数取： R1=100K ， R2=100K ， C=10uF(K= R 2/ R1=1,T=R 1C=100K 10uF=1 ； 若取比例系数 K=1 、积分时间常数 T=0.1S 时，电路

4、中的参数取： R1=100K ， R 2=100K ， C=1uF(K= R2/ SR1=1,T=R 1C=100K 1uF=0.1S。 通过改变 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。当 ui 为一 2V 阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K 及 T 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。1 / 216. 惯性环节根据惯性环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路，如下图所示。图中后一 若比例系 取： R1=200K ， 1uF=0.2 。若比例系个单元为反相器，其中 R0=200K 。数 K=1 、时间常数 T=0.2S 时，电路中的参数

5、R2=200K ， C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=200K 数 K=1 、时间常数 T=0.02S 时，电路中的参数取：R1=200K，R2=200K，C=0.1uF(K= R 2/ R1=1,T=R 2C=200K 0.1uF=0.02 。通过改变 R2、R1、C 的值可改变惯性环节的放大系数K 和时间常数 T 。当 ui 为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K 及 T 值时的实验曲线，并与理论值进行比较。六、实验报告要求画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。写出各典型环节的传递函数。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。实验二 二阶系

6、统的阶跃响应一、实验目的通过实验了解参数 (阻尼比 、 n (阻尼自然频率 的变化对二阶系统动态性能的影响；掌握二阶系统动态性能的测试方法。二、实验设备同实验一。三、实验内容观测二阶系统的阻尼比分别在 0 1 三种情况下的单位阶跃响应曲线；学习二阶系统阶跃响应的实验测试方法。研究二阶系统的两个特征参数、n 对阶跃响应暂态指标的影响。四、实验原理 二阶系统的典型结构 典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如2-2、如 2-3 所示。图 2-3 二阶系统的模拟电路图 最后一个单元为反相器。 可得其开环传递函数为：KG (s)，其中：S(T1S 1)K k1 ， k1 RX (T1 RXC ，T2 R

7、C T2R/ 21其闭环传递函数为：W(S) S2 11S KT1 T1与式 2-1 相比较，可得五、实验步骤根据图 2-4，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。n值一定时，图 2-4 中取 C=1uF ， R=100K(此时 n 10，Rx 阻值可调范围为 0470K 。系统输入一 单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同 值时的实验曲线。=0.2 ，系统处于欠阻尼状态；=0.707 ，系统处于欠阻尼状态；=1，系统处于临界阻尼状态。=2，系统处于过阻尼状态。值一定时，图 2-4 中取 R=100K ， RX=250K( 此时 =0.2 。系统输入一单位阶跃信号，在

8、下列几种情况 下，用上位软件观测并记录不同 n 值时的实验曲线。2.1 若取 C=10uF 时 ( n 12.2 若取 C=0.1uF 时 ( n 100六、实验报告要求画出对应各给定参数二阶系统的输出波形图，并在波形图上注明参数。根据二阶系统的输出波形图，读出对应每一个参数所对应的超调量、调节时间。 3根据系统的模拟电路图推导系统的传递函数。4根据实验结果分析特征参数变化时对二阶系统的暂态响应的影响。分析对比实测值和理论值，如有误差 分析其原因。实验三 线性系统稳定性研究一、实验目的1. 通过实验，进一步理解线性系统的稳定性仅取决于系统本身的结构和参数，它与外作用及初始条件均无 关的特性；2

9、. 研究系统的开环增益 K 或其它参数的变化对闭环系统稳定性的影响。二、实验设备同实验一。三、实验内容观测三阶系统的开环增益 K 为不同数值时的阶跃响应曲线；/ 21四、实验原理 三阶系统及三阶以上的系统统称为高阶系统。一个高阶系统的瞬态响应是由一阶和二阶系统的瞬态响应组 成。控制系统能投入实际应用必须首先满足稳定的要求。线性系统稳定的充要条件是其特征方程式的根全部位 于 S 平面的左方。应用劳斯判断就可以判别闭环特征方程式的根在S 平面上的具体分布，从而确定系统是否稳本实验是研究一个三阶系统的稳定性与其参数和对系统性能的关系。三阶系统的方框图和模拟电路图 如图 3-1、图 3-2 所示。图

10、3-1图 3-1 的开环传递函数为2K 100G(S)(K (3-1(T1S 1)(T2S 1)(T3S 1) RX式中 K 值可调节 RX 的值来改变。当取 C1=1F，C2=1F， C3=1F，时，三阶系统对应的闭环传递函数特征方程为320.001S3+0.03S2+0.3S+1+2K=0 根据劳斯稳定判据，欲使系统稳定，则应满足：0K4 时，系统处于发散状态。五、实验步骤根据图 3-2 所示的三阶系统的模拟电路图，设计并组建该系统的模拟电路(取 C1= C2= C3=1F。当系统输入一单位阶跃信号时，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同 K 值时的实验曲线。1. 若 K=2 时，系

11、统稳定，此时电路中的 RX 取 50K ；2. 若 K=4 时，系统处于临界状态，此时电路中的RX 取 25K ；若 K=8 时，系统不稳定，此时电路中的 RX 取 12.5K；六、实验报告要求1. 画出三阶系统线性定常系统的实验电路，并写出其闭环传递函数，表明电路中的各参数。2. 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。七、实验思考题1. 为什么本实验中三阶系统对阶跃输入信号的稳态误差不为零？2. 对三阶系统，为使系统能稳定工作，开环增益K 应适量取大还是取实验四 线性系统稳态误差的研究/ 21、实验目的1. 通过本实验，理解系统的跟踪

12、误差与其结构、参数与输入信号的形式、幅值大小之间的关系；2. 研究系统的开环增益 K 对稳态误差的影响。二、实验设备 同实验一。三、实验内容1. 观测 0 型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；2. 观测 I 型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；观测 II 型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡，并实测它们的稳态误差。四、实验原理H(S为其反馈通道的传递函数。图 4-1由图 4-1 求得R(S)E(S)11 G(S)H(S)由上式可知，系统的误差E(S不仅与其结构和参数有关，而且也与输入信号1)R(S的形式和大小有关。如通常控制系统的方框图如图

13、4-1 所示。其中 G(S为系统前向通道的传递函数，果系统稳定，且误差的终值存在，则可用下列的终值定理求取系统的稳态误差：SE(S) 和后级运放的放大倍数 (RX/R1决定的，调节可变电 值的大小。输入 ui 信号用正弦信号或周期性的斜坡信X-Y 显示模式进行观测。号 频率一般均小于饱和型非线性环节模拟电路及其静态特性图中饱和型非线性特性的饱和值 等于稳压管的稳压值积。在实验时若改变前一级运放中电位器的阻值可改变率 k 等于两级运放增益之 放中电位器的阻值则可同时改变 实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低 10Hz )。实验时，用示波器的 X-Y 显示模

14、式进行观测。3. 具有死区特性的非线性环节图 7-3 为死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性。和 k 值的大小。图中后一运放为反相器。图中输入后一级放大倍数的乘积。线性部分斜值的大小，而改变后一级运节的模拟电路及其静态7 / 21特性i0(7-1其中，R1 。当 uiui0 时，二极管 D1uok(ui uio )反之，当 ui ui0 时，二极管 D1或 D2)均不导通，电路的输出电压 uo 为零。显然，该非线性电路的特征参数为 k 和 uio 。只要调节，就能实现改变 k 和uio的大小。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低 一般小于10Hz )

15、。实验时，用示波器的 X-Y 显示模式进行观测。具有间隙特性的非线性环节 间隙特性非线性环节的模拟电路图及静态特性如图 7-4 所示。由图 7-4可知，当 uiE时，二极管 D1和 D2均不导通，电容 C1上没有电压，即 U C 时；3. 6K(M=2 时；5.4K(M=3 时；10K(M=6 左右 时；注：本实验中所采用的正弦波最好用实验台上的“低频函数信号发生器”提供。2. 饱和型非线性环节饱和性环节模拟电路值为 16V ，频率为 10Hz。将前一级运放中的电位器 uo端接在 ui 输入端输入一个低频率的正弦波，正弦值调至 10K (此时 k=1 ，然后在下列几种情况下用示波器的X-Y 显

16、示方式 (ui端接至示波器的第一通道，至示波器的第二通道 测量静态特性 M 和 k 值的大小并记录。2.1 当后一级运放中的电位器值调至约2.2 当后一级运放中的电位器值调至约2.3 当后一级运放中的电位器值调至约2.4 当后一级运放中的电位器值调至约3. 死区特性非线性环节1.8K(M=1 时；3.6K(M=2 时； 5.4K(M=3 时； 10K 时；在 ui 输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的 器的 X-Y 显示方式 (ui 端接至示波器的第一通道 记录。3.1 调节两个可变电位器，3.2 调节两个可变电位器，3.3 调节两个可变电位器， 注：本实验的 E 值也可采用4. 具有间隙特

17、性非线性环节电路，频率为 10Hz 。在下列几种情况下用示波性非线端接至示波器的第二通道 测量静态特性 uio和 k 值的大小并当两个 当两个 当两个R1=2.0K ，R1=2.5K ，R1=3.3K ， 5V。R2=8.0K 时；R2=7.5K 时；R2=6.6K 时；在 ui 输入端输入一个低 器的 X-Y 显示方式 (ui 端接至示波器 记录。4.1 调节两个可变电位器，4.2 调节两个可变电位器，4.3 调节两个可变电位器， 注意因为元件 二极管、 实验结果，故每次实验启动前，当两个当两个当两个电阻等) 需对电容进行短接放电。频率为 10Hz 。在下列几种情况下用示波端接至示波器的第二

18、通道 测量静态特性 uio和 k 值的大小并R1=2.0K ，R1=2.5K ，R1=3.3K ，参数数值的分散性，造成电路不对称，因而引起电容上电荷累积，影响R2=8.0K 时；R2=7.5K 时；R2=6.6K 时；/ 21注：本实验的 E 值也可采用 5V 。六、实验报告要求1. 画出各典型非线性环节的模拟电路图，并选择好相应的参数；根据实验，绘制相应非线性环节的实际静态特性，并与理想情况下的静态特性相比较，分析电路参数对 特性曲线的影响？实验七 非线性系统的描述函数法一、实验目的1. 进一步熟悉非线性控制系统的电路模拟方法；掌握用描述函数法分析非线性控制系统；3通过实验进一步了解非线性

19、系统产生自持振荡的条件和非线性参数对系统性能的影响。二、实验设备同实验一。三、实验内容1. 用描述函数法分析继电器型非线性三阶系统的稳定性，并由实验测量自持振荡的振幅和频率；2. 用描述函数法分析饱和型非线性三阶系统的稳定性，并由实验测量自持振荡的振幅和频率；掌握饱和型非线性系统消除自持振荡的方法。四、实验原理用描述函数法分析非线性系统的内容有：1 判别系统是否稳定；2 如果系统不稳定，试确定自持振荡的频率和幅值。图 8-1 为非线性控制系统的方框图。图中 G(j )为线性系统的频率特性， N 为非线性元件，若令 e X sin t ，则 N 的输出为一非正弦周期性 的函数，用傅氏级数表示为y

20、 A0 A1 sin t B1 cos t A2 sin2 t B2 cos2 t如果非线性元件的特性对坐标原点是奇对称的 (即 A00，且 G(j )具有良好的低通滤波器特性，它能把 y 中各高次项谐波滤去，只剩下一次谐波，即y1 A1 sin t B1 cos t Y1 sin( t 1)式中 Y1A12 B12 ， 1 arctan B1A1于是非线性元件 N 的近似输出 Y1 与输入信号间的关系为：N(X) Y1 1(8-1XN(X 称非线性特性的描述函数，它表示非线性元件输出的一次谐波分量对正弦输入的复数比。Y 1为一次谐波幅值， X 为正弦输入信号的幅值，1 为输出一次谐波分量相对

21、于正弦输入信号的相移。因为描述函数法用于分析非线性控制系统的自持振荡问题，故可令r=0。若在 G( j )的输入端施加一正弦信号 y1 Y1sin t (见图 8-1，则 N(X 的输出为/ 21y G( j ) N ( X )Y1 sin t如果 y=y1，即 1+G( j )N(X)=0G( j )1N(X)(8-2此时即使撤去 Y1 的信号，系统的振荡也能持续进行。因此式(8-2就是系统产生自持振荡的条件，式中N(X) 称描述函数的负倒特性。本实验应用描述函数法分析具有继电器型和饱和型非线性特性的三阶系统。1. 继电器型非线性三阶系统 图 8-2 为继电器型非线性三阶系统的方框图。图 8

22、-2 继电器2. 饱和型型非线性三阶系统的方框图非线性三阶系统饱和型非线性环节的静态特性及其对应的控制系统验步骤器型非线系统根据图 8-2 二阶系统的方框图，在没有加入继电器型非线性环节时，设计图 8-4 没 有继电型非线性环节时的三阶 模拟电路图 在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录 c(t) 输出端的实验响应曲线。图 8-继电型非线性三阶系统的 拟电路图在系统输入端输入一 个单位阶跃信号。在下列几种情况下用上位机虚拟示波器观测系统 c(t) 输出端信号的频率与幅值，并与式 (8-4 与(8-5的理论计算值进行比较。当 47K 可调电位器调节到 1.8K 左右(继电型非线

23、性的特性参数 M=1 时；当 47K 可调电位器调节到 3.6K 左右 (继电型非线性的特性参数 M=2 时；注：当 M=2 时系统输出信号的频率与幅值请实验人员自己参照 M=1 的计算方法进行计算。改变阶跃信号的大小，重复 1.2.1、1.2.2 步骤。此时再用上位机虚拟示波器观测系统c(t )输出端信号的频率与幅值。2. 饱和型非线性三阶系统根据图 8-3 三阶系统的方框图，在没有加入饱和型非线性环节时，设计并组建相应三阶系统的模拟电/ 21路，如图 8-6 所示。号，用上 的实验响应曲线。型非线性在系图 8-6 没有加入饱和 环节时的三阶系统模拟电路图 统输入端输入一个单位阶跃信 位机软

24、件观测并记录 c(t) 输出端2.2在图 8-6的基础上加入饱和型非线性环节后，系统的模拟电路如图 8-7 所示。图 8-7 饱和型非线性三阶系统的模拟电路图利用“实验七”饱和型非线性静态特性的测试方法，将饱和型非线性环节后一级运放中的电位器值调至 1.8K 左右 (特性参数 M=1 ，前一级运放中的电位器值调至 55.6K(特性参数 k=1 ；然后在 r(t)输入端输入一 个单位阶跃信号，用上位机虚拟示波器观测系统c(t) 输出端信号的频率与幅值，并与式 (8-7与(8-7的理论计算值进行比较。改变阶跃信号的大小，再用上位机虚拟示波器观测系统 c(t)输出端信号的频率与幅值。将图 8-7 中

25、第五个运放单元的 100K 电阻更换为 510K 电阻，再用上位机虚拟示波器观测系统 c(t) 输出 端的实验响应曲线。在步骤 2.2.1 的基础上，调节饱和型非线性环节前一级运放中的电位器，用上位机虚拟示波器观测系 统 c(t )输出端的实验响应曲线。当系统自振荡消除时，记下此时电位器的阻值，并计算此时的k 值。另外本实验还可以通过改变 M 的方法观测系统输出端信号的频率与幅值，具体计算方法参考式(8-7 与(8-8。六、实验报告要求1. 观测继电型非线性系统的自持振荡，将由实验测量自振荡的幅值与频率与理论计算值相比较，并分析两 者产生差异的原因。2. 调节系统的开环增益 K ，使饱和非线性

26、系统产生自持振荡，由实验测量其幅值与频率，并与理论计算值 相比较。实验八 采样控制系统的分析一、实验目的2. 熟悉用 LF398 组成的采样控制系统；通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器 ZOH 的原理及其实现方法；观察系统在阶跃作用下的稳态误差。研究开环增益 K 和采样周期 T 的变化对系统动态性能的影响；二、实验设备同实验一三、实验内容1. 利用实验平台设计一个对象为二阶环节的模拟电路，并与采样电路组成一个数 -模混合系统。2. 分别改变系统的开环增益 K 和采样周期 TS，研究它们对系统动态性能及稳态精度的影响。四、实验原理1. 采样定理/ 21图 14-1 为信号的采样与恢复的方框

27、图，图中 x*(t) 。X(t 是 t 的连续信号，经采样开关采样后，变为离散信号图香农采样定理证明要使被采样后的离散信号14-1 连续信号的采样与恢复X*(t能不失真地恢复原有的连续信号X(t ，其充分条件为：S 2 max(14-1式中 S 为采样的角频率，m ax为连续信号的最高角频率。因为S 2，因而式 (14-1 可写为Tmax(14-2T 为采样周期。采样控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均位于 统的动、静态性能均只与采样周期 T 有关。Z 平面上以坐标原点为圆心的单位圆内，且这种系2. 采样控制系统性能的研究 图 14-2 为二阶采样控制系统的方块图。图 14-2 二阶采样控

28、制系统方块图由图 14- 所示系统的开环脉冲传递函数为：G(z) ZS225(01.5Se TS1)1 2 1 1 0.5 0.525(1 Z 1)ZS2(S2 2) 25(1 Z1)ZS12 0S.5 S0.521 TZ25(1 Z 1)Z 20.5Z 0.5Z2 2T (Z 1)2 Z 1 Z e 2T2T 2T 2T12.52T 1 e2TZ (1 e2T 2Te 2T)(Z 1)(Z e 2T )闭环脉冲传递函数为：12.52T 1 e 2TZ (1 e 2T 2Te 2T )C(z)R(z) Z2 (1 e2T)Z e2T 12.52T 1 e2TZ (1 e2T 2Te 2T)12

29、.52T 1 e2TZ (1 e2T 2Te 2T)2 2T 2T 2T 2TZ2 (25T 13.5 11.5e2T)Z e2T (12.52T 11.5e2T 25Te 2T)根据上式可判别该采样控制系统否稳定，并可用迭代法求出该系统的阶跃输出响应。五、实验步骤1. 零阶保持器本实验采用 “采样-保持器 ”组件 LF398 ，它具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能。图 采样 -保持电路。图中MC14538 为单稳态电路，改变输入方波信号的周期，即改变采样周期T。14-3 为3 / 2113 / 21图 14-3 采样保持电路图中方波信号由接好“采样保持实验台的低频信号发生器提供。

30、 电路”的电源。用上位软件的“信号发生器”输出一个频率为 5Hz、幅值为 2V 的正弦信号输入到“采样保持电路”的信号输入端。在下列几种情况下用示波 器观察“采样保持电路”的信号输出端。当方波 （采样产生 信号为 100 Hz 时；当方波 （采样产生 信号为 50 Hz 时；当方波 （采样产生 信号为 10Hz 时；当方波 （采样产生 信号为 5Hz 时。 注：方波的幅值要尽可能大。2. 采样系统的动态性能根据图 14-2 二阶采样控制系统方块图，设计并组建该系统的模拟电路，如图 14-4 所示。图 14-4 采样控制二阶系统模拟电路图图 14-4 积分单元中取 C=1uF ， R=100K（

31、k=10 时，在 r 输入端输入一个单位阶跃信号，在下面几种情况下用上 位机软件观测并记录 c（t 的输出响应曲线，然后分析其性能指标。当采样周期为 0.005S（200Hz 时；当采样周期为 0.05S（20Hz 时；当采样周期为 0.2S（5Hz 时；将图 14-4 中电容与电阻更换为 C=1uF，R=51K（k=1 时，重复步骤 2.1、2.2、 2.3。 注：实验中的采样周期最好小于0.25S（大于 4Hz 。六、实验报告要求1. 按图 14-2 所示的方框图画出相应的模拟电路图；2. 研究采样周期 T 的变化对系统性能的响应。七、实验思考题1. 连续二阶线性定常系统，不论开环增益 K

32、 多大，闭环系统均是稳定的，而为什么离散后的二阶系统在 K 大到某一值或采样时间 TS很小时会产生不稳定？2. 试分析采样周期 T 的变化对系统性能的影响？实验九 单闭环温度恒值控制系统 3PC机 1台（含软件“ THBDC-1 ”三、实验原理1温度驱动部分14 / 21该实验中温度的驱动部分采用了直流 15V 的驱动电源，直流 15V 经过 PWM 调制后加到加热器的两端。PWM 的工作原理：图 9-核心的是美国生产的芯片，1PWM 的控制电路图所示为 SG3525 为 控制电路， SG3525 Silicon General 公司 专用 PWM 控制集成 其内部电路结构及各图 9-2 SG

33、3525 引脚图引脚如图 9-2 所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、 比较器、分频器和保护电路等。调节 Ur的大小，在 A、B 两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开 180 度、占空比可调的矩形波 即 PWM 信号）。2温度测量温度测量端 反馈端）一般为热电式传感器，热电式传感器式利用传感元件的电磁参数随温度的变化的特性 来达到测量的目的。例如将温度转化成为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可达到这些电 参数的变化来表达温度的变化。在各种热电式传感器中，已把温度量转化为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换成为电势的热

34、电 式传感器叫热电偶；将温度转换成为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻，如铜电阻、热敏电阻、Pt 电阻等。铜电阻的主要材料是铜，主要用于精度不高、测量温度范围50 150）不大的的地方。而铂电阻的材料主要是铂，铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件和作为温度标 准。铂电阻与温度的关系在 0 630.74以内为2Rt R01atbt2）式中 Rt温度为 t 时的电阻值；R0 温度为 0时的电阻值；t 任意温度；a、b 为温度系数。该实验系统中使用了 Pt100 作为温度传感 器。5 / 219-3 温度测量及放大电路在实际的温度测量中，常用电桥作为热电阻的测量电路。

35、在如图 9-3 中采用铂电阻作为温度传感器。当温 度升高时，电桥处于不平衡，在 a，b 两端产生与温度相对应的电位差；该电桥为直流电桥。3温度控制系统图 9-4 温度控制系统结构图如图 9-4 所示，由热电阻将温度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较， 所得的差值按照一定的规律 通常为 PID ）运算，然后经数据采集卡输出模拟控制量，供执行器来调节加热器的 电压进而控制其温度。四、实验步骤1实验接线用导线将温度控制单元 24V的“ +”输入端接到直流稳压电源 24V 的“ +”端；用导线将温度控制单元 0 5V的“ +”输入端接到数据采集卡的“ DA1 ”的输出端，同

36、时将温度变送器 的“ +”输出端接到数据采集卡的“ AD1 ”处；打开实验平台的电源总开关。2脚本程序的参数整定及运行启动计算机，在桌面双击图标顺序点击虚拟示波器界面上的THBDC-1 ”，运行实验软件。”按钮和工具栏上的“” 按钮 （脚本编程器 ；2.3 在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中温度控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为 100ms；2.3 点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察温度加热器内温度的变化。2.4 当控制温度稳定在设定值后，再点击脚本编辑

37、器的调试菜单下“停止”，重新配置 变算法的运行步长，等加热器温度冷却后再次启动程序，并观察运行结果。P、I 、 D 的参数或改2.5 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。注：为了更好地观测温度曲线，本实验中可将“分频系数”设置到最大。五、实验报告要求1画出温度控制系统的方框图。2分析 P、I、D 控制参数对温度加热器中温度控制的影响。 六、参考程序dim pv,sv,ei,ex,ey,k,ti,td,q0,q1,q2,op,x,Ts,ux,tv 变量定义 sub Initialize(argWriteData 0 ,1end subsub TakeOneStep (arg 初始化函数

38、 pv = ReadData(1当前温度电压测量值sv=50 设置温度16 / 21k=20ti=5td=0Ts=0.1 采样时间 100msei=(sv-35/30+1.18 -abs(pv 当前偏差 q0=k*(ei-ex 比例项if Ti=0 then q1=0 elseq1=K*Ts*ei/Ti 积分项 end ifq2=k*td*(ei-2*ex+ey /Ts 微分项ey=ex ex=eiop=op+q0+q1+q2 if op=3.5 thenop=3.5end if if op-1.18TTTRACE 温度 =%f,tv 输出温度TTRACE op=%f,opTTRACE ei=

39、%f,eiTTRACE pv =%f,pvWriteData op ,1end subsub Finalize (arg 退出函数WriteData 0 ,1 end sub实验十单容水箱液位定值控制系统 3PC机 1台(含软件“ THBDC-1 ”/ 214 THBDY-1 单容水箱液位控制系统三、实验原理 单容水箱液位定值控制系统的控制对象为一阶单容水箱，主要的实验项目为单容水箱液位定值控制。其执 行机构为微型直流水泵，正常工作电压为 24V 。直流微型水泵控制方式主要有调压控制以及 PWM 控制，在本实验中采用 PWM 控制直流微型水泵的转速 来实现对单容水箱液位的定值控制。 PWM 调

40、制与晶体管功率放大器的工作原理参考实验九的相关部分。控制器 采用了工业过程控制中所采用的最广泛的控制器 PID 控制器。通过计算机模拟 PID 控制规律直接变换得到 的数字 PID 控制器，它是按偏差的比例 （P、积分 （I、微分 （D 组合而成的控制规律。水箱液位定值控制系统一般由电流传感器构成大电流反馈环。在高精度液位控制系统中，电流反馈是必不 可少的重要环节。这里为了方便测量与观察反馈信号，通常把电流反馈信号转化为电压信号：反馈端输出端串 接一个 250 的高精度电阻。本实验电压与液位的关系为：H 液位 =V 反馈 -1） 12.5 单位： mm水箱液位控制系统方框图为：图 10-1 水箱液位控制系统四、实验步骤1实验接线将水箱面板上的“ LT ”与实验台的“ GND ”相连接；水箱面板上的“ LT +”与实验台的“ AD1 ”相 连接。将水箱面板上的“输入”与实验台的“ GND ”相连接；水箱面板上的“输入+”与实验台的“ DA1”相连接。将水箱面板上的“输出”与“水泵电源”连接；水箱面板上的“输出+ ”与“水泵电源 +”连接。打开实验平台的电源总开关。2压力变送器调零 本实验在开始实验前必须对压力变送器调零操作