山东大学《自动控制系统》实验指导书

《自动控制系统》

实险招导

山东大学

目录

实验要

求........................................1

实验一、晶闸管直流调速系统主要单元调

试........4

实验二、验证反馈定理和抑制定

理.................8

实验三、双闭环晶闸管不可逆直流调速系

统.........13

实验四、全数字调速控制系统组态基

础............18

实验五、全数字调速器参数设计及调

试............30

实验六、基于PROFIBUS-DP网络的HMT与调速器、

PLC之间的通讯控制实

验..............42

实验七、触摸屏组态编辑操作基础入

门.............52

实验要求

一、实验预习

预习是实验前的重要准备工作，是保证实验顺利进行的必

要步骤，也是培养学生独立工作能力、提高实验质量与效果的

重要环节。要求做到：

1、实验前应复习有关课程的章节，熟悉有关理论知识。

2、认真阅读实验指导及有关实验装置的介绍，了解实验目

的、内容、要求、方法和系统的工作原理，明确实验过程

中应注意的问题，有些内容可到实验室对照实物预习。

3、画出实验线路，明确接线方式，拟出实验步骤，并预测实

验结果及大致趋势，做到心中有数。

二、伶谈

整个实验过程中必须严肃认真，集中精力，及时做好实验。

1、分工配合、协调工作

每次实验3—4人为一组，分工进行记录、接线、起动操作

调节负载、测量转速及其他物理量等工作，要求在实验过程中

人人动手、协调操作，做到实验内容完整、数据正确。

2、按图接线、力求简明

接线原则是先串联后并联，即由电源开始先连接主要的串

联电路，串联电路接好后再把并联支路逐段并上。主回路与控

制回路应分清，根据电流大小，主回路用粗导线连接，控制回

路用细导线连接，每个接线柱上的接线尽量不超过二根。

3、按照计划、操作测试

按实验步骤、由简到繁逐步进行操作，实验中要严格遵守

操作规程和注意事项，仔细观察实验中的现象，认真做好数据

测试工作，并结合理论分析与预测趋势相比较，判断数据的合

理性。

4、认真负责、完成实验

实验完毕，应将记录数据交教师审阅，经教师认可后才允

许拆

线、整理现场，并做到导线分类整理，仪表、工具物归原处。

三、颤

1、人体不可接触带电线路，接线或拆线都必须在切断电源情

况下进行。学生完成接线允许合闸时，须招呼全组同学引起

注意后方可合上电源，实验中如发生事故，应立即切断电源

开关，并保持线路原状和故障现场，报告和协同教师查清问

题、妥善处理故障后才能继续进行实验。

2、操作开关时应迅速果断、快合、快断，以免产生电弧烧坏

触刀，合闸时应使触刀投入静插座，保持接触良好。

3、除作阶跃起动试验外，系统起动前负载电阻必须放在最大

值，给定电位器必须退回到零位后，才允许合闸起动，并慢

慢增加给定，以免元件和设备过载损坏。

4、实验过程中，若突然发现电网停止供电，须立即切断实验

室

地点的全部电源开关。若在实验中接线偶然脱落，也须很

快

切断电源，只准在切断电源后才可以把导线接回原处。

5、总电源由实验室工作人员负责操作。

四、柳赔

实验完成后，应及时整理实验数据，撰写实验报告。实验

报告一般应包括如下几个环节：

（1）实验题目

（2）实验原理

（3）实验设备

（4）实验内容与步骤

（5）实验结果与分析

（6）问题讨论与建议

具体内容可按照各个实验的具体要求进行。实验报告书

写过程中，要求内容完整、书写工整、公式和作图规范。

实验1晶闸管直流调速系统主要单元调试

一.实验目的

1.熟悉直流调速系统主要单元部件的工作原理及调速系

统对其提出的要求。

2.掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法

二.实验内容

1.控制回路调节器的调试

2.主回路晶闸管整流单元波形观测

三.实验设备及仪器

1.教学实验台主控制屏。

2.NMCL—31A组件

3.NMCL—18组件

4.NMCL—33组件

5.双踪示波器

6.万用表

四.实验方法

1.控制回路调节器的调试

（1）电流调节器（ACR）的调试

按图1・1接线，DZS（零速封锁器）的扭子开关扳向“封锁”。

①调整输出正，负限幅值

“9”、“10”端接可调电容，使调节器为PI调节器，加入一

定的输入电压，调整正，负限幅电位器，使输出正负最大值大

于±6V。

②测定输入输出特性

将反馈网络中的电容短接（“9”、“10”端短接），使调节器

为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的

输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。

③将反馈网络中的电容接入，使调节器为PI调节器，向

调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至

输出限幅值，并画出曲线。

（2）速度调节器（ASR）的调试

按图接线。

①调整输出正、负限幅值

“5”、“6”端接可调电容，使ASR调节器为PI调节器，加

入一定的输入电压（由NMCL—31A的给定提供，以下同），

调整正、负限幅电位器RP1、RP2,使输出正负值等于土5V。

②测定输入输出特性

将反馈网络中的电容短接（“5”、“6”端短接），使ASR调

节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相

应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。

③测定输入输出特性

将反馈网络中的电容接入电路，使ASR调节器为PI调节

器，向调节器输入端逐渐加入正负电压,测出相应的输出电压,

直至输出限幅值，并画出曲线。

2.主回路晶闸管整流单元波形观测

按图1—2接线。

可变电阻RG可选择2个900Q并联。G（给定）直接加至

Ueto合上主电源，调节主控制屏输出电压Uuv、Uvw、Uwu，从

0V调至220V。

（1）移相触发电路脉冲观察，检查晶闸管脉冲是否正常

用双踪示波器观察NMCL—33的双脉冲观察孔，应有双脉冲,

且间隔均匀，幅值相同；观察每个晶闸管的控制极、阴极电压

波形，应有幅值为IV〜2V的双脉冲。

(2)调节Uct,使a在30。〜90。范围内改变，用示波器观察

整流电压⑷寸(t)波形。

验证整流电路工作正常。

2

►

4O7

RP2

-15V

可调电容，位于

NMCL-18的下部

ASR（速度调节器）

RP4RP3

4

+15V

O3

2RP1

2

RP2

-15V

DZS（零速封锁器）

1

s

(NMCL-31A^'

图1-2晶闸管整流单元

五.实验报告

1.简述调速系统调试基本原则。

2.记录双脉冲观察孔脉冲波形，观察其相位关系。

3.观察记录a=30°、90°时，整流电压〃波形

实验二验证反馈定理和抑制定理

一.实验目的

1.熟悉晶闸管实验装置的结构。

2.验证抑制定理并求解出抑制比。

3.通过改变负载验证反馈定理的正确性。

4.学习反馈控制系统的调试技术。

二.预习要求

1.了解速度调节器在比例工作与比例一积分工作时的输

入一输出特性。

2.弄清不可逆单闭环直流调速系统的工作原理。

三.实验设备及仪表

1.教学实验台主控制屏。

2.NMCL—31A组件

3.NMCL—33组件

4.NMEL—03组件

5.NMCL—18组件

6.电机导轨及测速发电机、直流发电机M01

7.直流电动机M03

8.双踪示波器

9.万用表

四.注意事项

1.直流电动机工作前，必须先加上直流激磁。

2.接入ASR构成转速负反馈时，为了防止振荡，可预先

把ASR的RP3电位器逆时针旋到底，使调节器放大倍数最小,

同时，ASR的“5”、“6”端接入可调电容（预置7^F）。

3.测取静特性时，须注意主电路电流不许超过电机的额

定值（lA）o

4.三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

5.系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机。

6.改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”

红色按钮，同时使系统的给定为零。

7.双踪示波器的两个探头地线通过示波器外壳短接，故

在使用时、必须使两探头的地线同电位（只用一根地线即可）,

以免造成短路事故。

五.实验内容

实验线路如图2-1和图2-2

图2-1单闭环直流调速系统主电路

1.求取调速系统在无转速负反馈时的开环工作机械特性。

a.断开ASR的"3”至Uci的连接线，G（给定）直接加至

Uct,且Ug调至零，直流电机励磁电源开关闭合。

b.合上主控制屏的绿色按钮开关，调节三相调压器的输

出，使Uuv、Uvw、Uwu=200Vo

c.调节给定电压Ug,使直流电机空载转速刖=1500转/分,

调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载的范围内测取

7〜8点，读取整流装置输出电压U”输出电流id以及被测电

动机转速n。

数据记录在下表中：

id(A)

Ud(V)

n(r/min)

3.带转速负反馈有静差工作的系统静特性

a.断开G（给定）和U以的连接线，ASR的输出接至Um

把ASR的“5”、“6”点短接。

b.合上主控制屏的绿色按钮开关，调节Uuv，Uvw，Uwu

为200伏。

c.调节给定电压Ug使被测电动机空载转速no=15OO转/

分，调节ASR的调节电容以及反馈电位器RP3,使电机稳定

运行。

调节直流发电机负载电阻，在空载至额定负载范围内测取

7〜8点，读取Ud、id、no

id(A)

Ud(V)

n(r/min)

FBS（速度变换器）可调电容，位于

NMCLT8的下部

TG1

2

牙嘛冲移相控制

Uct

Ug

「脉冲放大控制

Ubifl组绷晶闸管

NMCL-33

DZS（零速封锁器）

封锁

NMCL-31A

图2・2单闭环直流调速系统控制电路

4.测取调速系统在带转速负反馈时的无静差闭环工作的

静特性

a.断开ASR的“5”、“6”短接线，“5”、“6”端接可调电容,

可预置RF,使ASR成为PI（比例一积分）调节器。

b.调节给定电压Ug,使电机空载转速no=1500转/分。在

额定至空载范围内测取7〜8个点。

id(A)

Ud(V)

n(r/min)

六.实验报告

1.绘制实验所得静特性，并进行分析、比较。

2.求出当负载电阻改变时（即改变时），闭环系统的抑

制比，并得出结论。

3.比较开环和闭环系统，验证反馈定理。比较有静差和

无静差系统，得出P调节器和PI调节器特性。

实验三双闭环晶闸管不可逆直流调速系统

一.实验目的

1.了解双闭环不可逆直流调速系统的原理，组成及各主要

单元部件的原理。

2.掌握双闭环不可逆直流调速系统的调试步骤，方法及参

数的整定。

3.在突加给定的条件下：观察n=f(t),Id=f(t)的起动波形。

二.实验内容

1.机械特性的测定。

2.闭环控制特性的测定。

3.观察，记录系统动态波形。

三.实验系统组成及工作原理

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统由电流和转速两个调节

器综合调节，由于调速系统调节的主要量为转速，故转速环作

为主环放在外面，电流环作为付环放在里面，这样可抑制电网

电压波动对转速的影响，

系统工作时，先给电动机加励磁，改变给定电压的大小即

可方便地改变电机的转速。ASR,ACR均有限幅环节，ASR的

输出作为ACR的给定，利用ASR的输出限幅可达到限制起动

电流的目的,ACR的输出作为移相触发电路的控制电压，利用

ACR的输出限幅可达到限制amin和Bmin的R的。

当加入给定Ug后，ASR即饱和输出，使电动机以限定的

最大起动电流加速起动，直到电机转速达到给定转速(即

Ug=Ufn),并出现超调后，ASR退出饱和，最后稳定运行在略

低于给定转速的数值上。

四.实验设备及仪器

1.教学实验台主控制屏。

2.NMCL—31A组件

3.NMCL—33组件

4.NMEL—03组件

5.NMCL—18组件

6.电机导轨及测速发电机、直流发电机M01

7.直流电动机M03

8.双踪示波器

9.万用表

五.注意事项

1.三相主电源连线时需注意，不可换错相序。

2.系统开环连接时，不允许突加给定信号Ug起动电机

3.改变接线时，必须先按下主控制屏总电源开关的“断开”

红色按钮，同时使系统的给定为零。

4.进行闭环调试时，若电机转速达最高速且不可调，注意

转速反馈的极性是否接错。

5.双踪示波器（自备）的两个探头地线通过示波器外壳短

接，故在使用时，必须使两探头的地线同电位（只用一根地线

即可），以免造成短路事故。

六.实验方法

双闭环晶闸管不可逆直流调速系统的主电路及控制电路见

图3・1和3-2

将ASR,ACR均接成PI调节器接入系统，形成双闭环不可

逆系统。

ASR的调试：（a）反馈电位器RP3逆时针旋到底，使放

大倍数最小；

（2"5"、"6”端接入可调电容，预置5-7出7；

（c）调节RP1、RP2使输出限幅为±5V。

系统动态波形的观察

用数字示波器记录动态波形。观察，记录下面动态波形：

突加给定起动时，电动机电枢电流波形和转速波形。

（注：电动机电枢电流波形的观察可通过ACR的第“1”端

转速波形的观察可通过ASR的第"1”端）

七.实验报告

分析由数字示波器记录下来的动态波形。

图3-1双闭环晶闸管不可逆直流调速系统主电路

NMCL-33可调电容，位于

NMCL-18的下部

FBS（速度变换器）

3

RPO流调节器）

O41112

RP4

ASR（转速调节器）

+15V

RPI

43

+154

RP1

RP2

-15V

脉冲放大控制

DZJ（零速封锁速）脉冲移

1Ubif（l组象晶闸管）

K封锁

NMCL-33

图3-2双闭环晶闸管不可逆直流调速系统控制电路

实验4全数字调速控制系统组

态基础

一'实验目的

1、熟悉全数字直流调速器的结构及网络传动控制系统（实验台）

的实际组成。

2、了解OP1S操作控制面板的使用方法。

3、熟悉软件系统组态方法及常用参数的设置、修改和调读。

二、操作控制面板（OP1S）按键功能

操作面板（0P1S）（如图1T所示）不是一个随机所带操作面板（可选

件），主要可用于对调速器进行参数设置和显示。参数及参数值和说

明有德语、英语、法语、西班牙语和意大利语的文字显示。选择功能

码P050=l为英语。

图1-1操作面板功能说明

在0P1S背面有一个9针SUB-D插头，通过该插头可与电源接通

并与连接的调速器

进行通讯（如图1-2所示）。

图1-2

NOTE:在端子控制状态下，OPIS上的开机键和关机键不起作用。

三、OP1S显示屏显示设置及主要参数功能

1>OP1S显示屏显示设置

OP1S操作控制面板可以将我们需要显示的5个参数同时显示在4

行显示屏内。在4行显示屏内显示的这5个参数由参数代码为

U049（2049）的功能码来规定，U049功能码有5个可变地址，这5个

可变地址与4行显示屏之间的位置关系如图1-3所示。

(iOOl)i(i002)|(P786)6.0%0.0V00

(i003)#25.00%

(i004)*25.00%

(i005)Torquedirec.1

图1-3图1-4

出厂时的默认值如图1-4所示，它们分别代表的功能是：

i001:第1行左边二电枢电流额定值的百分数（功能码是：r019）

i002:第1行中右部=实际电枢电压值（功能码是：r038）

i003:第2行（实际值），仅只读参数=速度调节器的实际反馈值的百分数

（功能码是：r025）

i004:第3行（设定值户速度调节器的实际给定值的百分数（功能码是:

r028）

i005:第4行=运行状态显示（功能码是：r059）

注意：第1行右上角为总线地址，该地址由参数码P786来设置。

2、主要功能码参数表（1）

参数号功能参数号功能

rOOO运行显示P450-用脉冲编码器的位置

P453检测

rOOl一般只读参数P455-连接器选择开关

-P050P458

P051-访问权等级P460-电动电位计

r059P473

U0490P1S运行显示参数设定P480-振荡

P485

P067-SIMOREGDCP490-“电动机接口”的定义

P079MASTER功率部分定P498

义

P080-整流器控制设定值P500-转矩层输入的配置

P096P503

P100-电动机的定义P509-速度限幅调节器

P139P515

P140-脉冲编码器定义，使用脉P520-摩擦补偿

P148冲编码器作为速度检测P530

P150-电枢电流闭环控制，自动P540-转动惯量补偿（接入

P165换向部分，电枢触发单元P546dv/dt）

P169-电流限幅，转矩限幅P550-速度调节器（速度调节

P191P567器详细参数见P200・

P236）

P200-速度调节器（速度调节器P580-励磁反向

P236其他参数P550~P567）P583

P250-励磁电流闭环控制，励磁P590-信号的输入量

P265触发单元P597

P272-EMF闭环控制P600-闭环控制的配置

P284P646

P295-斜坡函数发生器P648-控制字，状态字

P319P691

P320-给定值处理P692-进一步的配置方法

P323P698

P351.监控功能和限幅的设定P700-模拟量输入（主实际

P364值P746值，主给定值，可选输

入）

P370-限幅值监控的设定值P749-模拟量输出

P399P769

P401-可设置的固定值P770-开关量输出

P416P778

P421-固定控制位P780-基本整流器上串行接

P428P819口的配置

P430-数字给定输入（固定给定P820-监控功能的解除

P445值，点动和爬行给定）P821

四、6RA70全数字直流调速器接线原理图

♦♦

急停主电路主精励磁电源开关年内主电路电源开关

按钮送电按钮

__m

KM1」

KMIKM1

控制①主电路电压表

励磁

源

电

源

电

入

输

入

输鬻即J

交流侧S③主电路电流表

模拟输入给定

电枢电流

电枢

电枢A+3电压QA-

II

II

I

0--4-----

图1-5

注意：除旋转编码器外虚线表示待接导线

五、实验内容

1、将转速给定、转速反馈、电机转速、速度调节器的输出

和转矩限幅器的输出等参数显示在0P1的初始界面中

操作步骤与0P1显示

序

操作步骤0P1显示备注

号

1合上励磁电源开关此时运行指示灯“run”彳

0.0%0.0V00

一合上主回路电源空开闪烁

#0.00%

一按动主回路送电按钮*0.00%

经过大约30秒后0P1显o7.0:term37/wait

示结果见“0P1显示”项

slaveCUDSlaveCUD:设置主控板

*FreeaccessFreeaccess:自由设置

2按一下「键Upread

Upread:上传

DownLoad

DownLoad:下载

P051

0PO51：设置参数读、写1

3按一下「键

性

Keyparameter

P051

0

4按一下「键

Keyparameter

P05I

输入：■、・40

5PO51=40：开锁

Keyparameter

P051

按一下1键40

6开锁状态参数保存

Keyparameter

修改OP1S初始画面显示

U049.001此时用“2”代替"U”£

输入:・・■、

19母。

7

OP1Soper.disp.U049：初始画面显示参4

■1stlineleft

设定。

U049.001

按一下P,键（修改19

8OP1Soper.disp.

第1变址显示参数）1stlineleft

U049.001

19

按一下p键

9OP1Soper.disp.

1stlineleft

U049.001

26在OP1S的第一行左边显5

10输入：2、6OP1Soper.disp.

速度调节器的给定值

1stlineleft

U049.00I

26

11按一下P，键OP1Soper.disp.

1stlineleft

U049.001

26

12按一下「键OP1Soper.disp.

1stlineleft

U049.002

38

按一下△链

13OP1Soper.disp

1stlineright

U049.002

38

14按一下「键OP1Soper.disp.

1stlineright

U049.002

25在OP1S的第一行右边显5

15输入：2、5

OP1Soper.disp.速度调节器的反馈值

1stlineright

U049.002

25

16按一下「键OP1Soper.disp.

1stlineright

U049.002

25

17按一下键OP1Soper.disp.

1stlineright

U049.003

25

按一下△键

18Oplsoper.disp.

2ndline

U049.003

25

按一下P，键

19Oplsoper.disp.

2ndline

U049.003此时用“2”代替“n”£

输入：

2024母。

20

2024Oplsoper.disp.在OP1S的第二行显示电木

2ndline

实际转速值

U049.003

2024

按一下P键

21Oplsoper.disp.

2ndline

U049.003

2024

按一下—2键

22Oplsoper.disp.

2ndline

U049.004

28

按…卜△键

23Oplsoper.disp.

3rdline

U049.004

28

按一下P键

24Oplsoper.disp.

3rdline

U049.004

在OP1S的第三行显示电木

18

输入：1、8回路晶闸管整流装置的触）

25Oplsoper.disp.

3rdline角。

U049.004

18

按一下「键

26Oplsoper.disp.

3rdline

U049.004

18

按一下P

27键Oplsoper.disp.

3rdline

U049.005

59

按一下△

28aOplsoper.disp.

4thline

U049.005

59

按一卜P

29建Oplsoper.disp.

4thline

U049.005

43在第四行显示转矩卜

30输入：4、3

Oplsoper.disp.幅器的输出

4thline

U049.005

43

按一下P

31键Oplsoper.disp.

4thline

0.00%0.00%oo

#Omin1

输入：°0

32、、。*119.8°返回初始画面

400V

先按调速器使能按调整“模拟输入给定”的大小（转速从-500〜+500：

33钮，后按调速器启动按观察0P1S操作面板显示屏的变化情况，计算转速反馈;

钮。数a的大小。（速度调节器给定值10V=100%）

34结束实验：先按调速器使能按钮，后按调速器启动按钮。

2、将默认控制系统图1组态成图2所示控制系统

[GU3][G12--G130]Ramp-Ramp-functionSetpoint

functiongeneratorgeneratorlimiting

setpoint

limiting[G136][G136]

[G135]

图1控制系统默认组态

SetpointlimitingSetpointlimiting

ramp-functiongeneratorspeedcontroller

SetpointAdditional

processingsetpointAdditional

Additionalg

beforer-fsetpointspeed

setpointgeneratorcontrollerlimiting

[G110-G126]

P433.£SetpointP644.P634.

+10V01

SetpointKOll

模拟输入给定—OO-O

processing__]processingK206

-10V

[GU3][G12^-G13O]Ramp­Ramp-functionSetpoint

functiongeneratorgeneratorlimiting

setpoint

limiting(G136][G136]

[G135]

Armature1U11V11W1

TorquelimitscurrentlimitsQQQ

AdditionalX3.4

Actualvalue

setpointIlliX3.1

speedAdditionalAdditionalarmaturecurrent

controllertaquesetpointcurrentsetpointcontroller

X3.2.)

P625.Speed

controller皿X3.T

P60".P60LP601.1

K1"O030501

KOOOOKOUSCurrentK0125KO102

cx>|setpointArmature

KOUSK0134generationgatingunit

|P626.][G151.G152]TorqueCurrent[G162][G163]

limitinglimiting