《自动控制理论》-夏德钤实验指导书

PAGEPAGE15自动控制理论基于LabVIEW的实验指导书第一部分实验要求实验前做好预习。严格按照要求操作实验仪器，用毕恢复原状。实验完成后，由指导教师检查实验记录、验收仪器后，方可离开。实验报告应包括以下内容：实验目的；实验原理图；实验内容、步骤；实验结果（保留实验波形，读取关键参数）；实验结果分析。第二部分实验平台介绍美国国家仪器公司的教学实验室虚拟仪器套件(NIELVIS)可用于动手设计及原型设计，平台集成了12款最常用仪器，包括示波器、数字万用表、函数发生器、波特分析仪等，紧凑的结构是实验室及课堂教学的理想选择。NIELVIS可通过PCI接口与PC连接，实现快速易用的测量采集及显示。作为基于NILabVIEW图形化系统设计软件，NIELVIS能够发挥虚拟仪器技术的灵活性及自定义功能。图1实验系统构成 在实验系统构成图中，1为PC机的主机箱，2为NI公司配置的PXI6251数据采集卡，3为电缆线，4为ELVIS原型板，5为ELVIS工作台。实验操作包含两部分：在ELVIS原型板上完成实验对象的搭建软件平台，用以实现对实验对象输入、输出信号的控制与采集。图2ELVIS工作平台外型第三部分实验实验一二阶系统的阶跃响应实验目的学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法；研究二阶系统的两个参数对暂态性能指标的影响。学会使用LabVIEW软件和ELVIS平台进行实验实验设备ELVIS平台。实验内容典型二阶系统的框图如图1所示：图3二阶系统框图其闭环传递函数为：用图2所示电路可模拟二阶系统。其中4个运算放大器分别构成如下环节：图4用运算放大器构建的二阶系统上式中op1、op2、op6、op9采用模拟运放单元OP07芯片。无阻尼自然振荡角频率、阻尼比与时间常数T、比例系数K满足下列关系：按上图在ELVIS平台上搭建好实验图4，将输入+端连接到VPS区(VariablePowerSupplies)的“supply+”段子上，另一输入端接“地（Ground）”；输出连接到ACH0+，ACH0－端。无阻尼自然振荡角频率保持不变，改变阻尼比，输入单位阶跃信号，运行编写好的实验1程序，观察和记录响应曲线和最大超调量、调整时间的变化。取，使，可得。令，其他参数不变，此时，。令，其他参数不变，此时，。4．将以上三组测量结果列表给出，并和最大超调量、调整时间的理论值相比较。思考题推导图2所示电路的闭环传递函数，并确定、与对应的的关系。实验二典型环节的频率特性实验目的学习频率特性的实验测试方法；掌握根据ELVIS平台绘制伯德图的方法。学会使用LabVIEW软件和ELVIS平台进行实验实验设备ELVIS平台。实验内容惯性环节的频率响应惯性环节的电路如图3所示：图5惯性环节电路根据图5所标参数，可知其传递函数为：由惯性时间常数为T=0.02s，可得转折频率为。信号幅值调至1v左右，频率范围1~100Hz变化，记录、保存系统的BODE图，并与理论曲线进行对比分析。积分环节的频率响应积分环节的电路如图4所示：图6积分环节电路根据图6所标参数，可知其传递函数为：RC为积分时间常数。信号幅值调至0.5v左右，考察的频率范围为8~100Hz。3.信号输入（）及输出（）连接到下列插槽：ACH1++ACH1-—（GND）ACH0++ACH0-—（GND）按上图在ELVIS平台上搭建好实验图，将+同时连接到FGEN，从NIELVIS软前置板（SFP）中选择波特图分析仪。单击运行可得到惯性环节和积分环节的波德图，记录、保存系统的BODE图，并将实验测得的波德图与理论曲线比较。思考题测量环节或系统的频率响应时，输入正弦信号的频率范围应如何选择？频率间隔选多大？时间常数改变对频率特性有何影响？实验三控制系统的校正实验目的研究校正装置对系统动态性能指标的影响；学习校正装置的设计和实现方法。学会使用LabVIEW软件和ELVIS平台进行实验实验设备1、ELVIS平台实验内容典型二阶系统的框图如图实验一中的图2所示，在该系统中加入超前校正装置，使系统的相位裕量≥50o,增益裕量≥10dB,同时保持静态速度误差系数不变。其传递函数为：参考模拟电路图7参考校正环节电路图传递函数校正后的系统方块图校正后的系统模拟电路图 图8校正后系统电路图运算放大器功能op1,op2,op9,op6同实验一（1），op3为超前校正环节。调整Rf=40K，使K=0.4观察实验1中记录的未校正系统接成放大倍数为1的反相放大器时闭环阶跃瞬态响应曲线①，标出MP,ts;[x(t)=I(t)伏]根据要求计算超前网络的参数T,α,Kc,确定相应的Ric,Rfc,R1,R2,Cc值，构成所需要的超前校正装置；按图8在ELVIS平台上搭建好实验图将系统接成校正装置，将输入+端连接到VPS区(VariablePowerSupplies)的“supply+”段子上，另一输入端接“地（Ground）”；输出连接到ACH0+，ACH0－端。运行程序并记录校正后控制系统的阶跃瞬态响应曲线②（记录的幅度坐标和时间坐标应和曲线①相同），标出MP,ts，和曲线①比较。思考题1．．若，能否计算出校正后系统的闭环主导极点及与之对应的？附录ALabVIEW和ELVIS工作环境简介LabVIEW工作环境:用LabVIEW开发的程序一般由一个或多个后缀名为.vi的文件组成，这些文件可被称为VI(VirtualInstrument，虚拟仪器)。所有VI都由前面板、框图及图标和连线板三部分组成。1.前面板前面板是VI的交互式用户界面，外观和功能都类似于传统仪器面板，用户的输入数据通过前面板传递给框图，计算和分析结果也在前面板上以数字、图形、表格等各种不同方式显示出来。前面板上的各种控件根据输入输出功能可分为输入控件和显示控件两类，前者一般用于接受用户输入，包括编辑框、按钮、开关、旋钮等，后者则一般用于显示输出结果，包括图形、显示灯、指示框等。前面板图如图0.1。图0.1前面板图2.程序框图框图是程序代码的图形化表示，可通过选择主菜单项中“窗口→显示程序框图”来在前面板和框图之间切换。框图中含有各种图形化的函数、子VI、变量、常量、结构和连线，从前面板中得到用花输入的数据后，按照所编写的程序以数据流方式进行运算，最后给出结果并反馈给用户。程序框图如图0.2。图0.2程序框图3．连线板连线板则用来定义输入和输出，用户可在界面右上角的VI图标上用鼠标右键点击，选择“显示连线板”，调出当前VI的连线板进行设置。ELVIS的工作环境:ELVIS的操作界面如图0.3。图0.3ELVIS的操作界面1.数字万用表：该常规通用仪器可以执行下列类型信号参数的测量：直流（DC）电压；交流（AC）电压；电流；电阻；电容；电感；二极管测试。操作界面如图0.4。图0.4数字万用表的操作界面示波器该仪器可以提供典型大学实验室中标准台式示波器的功能。操作界面如图0.5。图0.5示波器的操作界面函数发生器该仪器可以让用户选择输出的波形类型（例如，正旋波、方波和三角波）、幅值、频率。操作界面如图0.6。图0.6函数发生器的操作界面可调电源该仪器允许用户利用控制电源输出的正负电压值：电源电压负值范围为－12v～0v；正值范围为0v～+12v。操作界面如图0.7。图0.7可调电源的操作界面波特图分析仪将函数发生器与DAQ设备的模拟输入（AI）功能结合起来，就可以用NIELVIS构建一台波特图分析仪，由此可以设置仪器的频率范围，选择线性或对数刻度。操作界面如图0.8。图0.8伯特图的操作界面产品技术资料OP07管脚及典型电路（见图0.9（A）、（B）所示）及主要特性图0.8（A）OP07管脚图图0.8（B）典型电路主要特性：输入电阻：33M；电压增益：400V/mv；电源电压：土22V(max)；输出电压：土11伏（min）。OP07是一种高精度单片运算放大器，由于其具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。对于OP07芯片引脚功能而言其1和8管脚为偏置平衡（调零端）。附录B基于Labview的自动控制理论实验注意事项实验前的理论计算部分要做完，实验过程中老师会检查这部分预习的工作；每组至少带一本打印的实验指导书。面包板是实验室中用于搭试电路的重要工具，熟练掌握面包板的使用方法是提高实验效率，减少实验故障出现机会的基础之一。面包板的外观和内部结构如图1所示：图0.9面包板连线图OP07是一种高精度单片运算放大器，由于其具有非常低的输入失调电压，所以OP07在很多应用场合不需要额外的调零措施。对于OP07芯片引脚功能而言其1和8管脚为偏置平衡（调零端）。图0.10管脚编号