自控原理实验指导书.docx

自控原理实验指导书.docx

《自控原理实验指导书.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《自控原理实验指导书.docx（12页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

自控原理实验指导书

自动控制原理

实验指导书

自动化实验室

（2013.10）

目录

实验的基本要求1

关于实验箱的说明和注意事项2

软件使用说明4

实验一典型环节及其阶跃响应1

实验二二阶系统阶跃响应3

实验三控制系统的稳定性分析5

实验四系统频率特性测量7

实验五连续系统串联校正9

实验的基本要求

1、实验前必须做好准备，预习实验指导书，复习有关原理，并写好预习报告（即实验报告的“实验目的”、“实验线路及简要原理”、“实验数据及现象记录”三项）

2、实验中发生事故，应立即切断电源，保持现场，并向指导教师报告事故情况。

3、实验完毕应先将实验数据与现象记录交指导教师审阅签字后，方可拆线，并整理设备清理现场才可离开。

4、及时完成实验报告，在预习报告的基础上再加上“数据分析与现象讨论”（包括心得体会）

实验技能的培养和实验手段的掌握是理工学生的基本训练，通过实验锻炼养成严谨的科学态度和结合实际学习分析问题的方法。

关于实验箱的说明和注意事项

自动控制理论实验所使用的设备由计算机、串行数据通道接口板、实验平台及运放电路板组成。

其中计算机在实验中起控制信号产生、输出、测量、人机界面、显示实验波形、打印图形图像的作用。

实验平台配以运放电路板接插阻容元件，可以用来模拟多种特性的被控对象。

串行数据通道接口板插于实验平台上，它起模拟信号与数字信号的转换作用，可以用计算机控制产生不同的信号（阶跃、三角、正弦等）。

CCT3S系统连接方法见下图。

运放电路板

随机配备的SAC-ACT软件包设计了自控理论的十个实验，所有的自动控制理论实验都是在这套装置上进行的。

一、关于串行数据通道接口卡

接口板上扩充了计算机内不具备的一些典型芯片的接口电路，主要包括1组A/D转换接口ADC0809、2组D/A转换接口DAC0832，串行接口芯片MAX232，接口时钟74LS163，译码器74LS138等。

安装时，将实验平台断电后，将接口卡固定于实验平台上。

D/A转换信号DA0和DA1由接口板上的两个插孔引出，其余信号如A/D转换信号IN0~IN3由实验平台的信号引出孔引出。

串行数据通道接口卡上有两个短路子J1、J2，如果做自控实验，则插上两个短路子J1、J2，如果做86实验，则拔掉两个短路子J1、J2。

D/A操作（DAC0832）：

在自控理论实验中DA0和DA1通常与模拟系统输入端相连接，其输出信号作为模拟系统的信号源。

D/A输出时，进行I/0口写操作即可。

D/A输出的电压范围为0~5V（86实验）或-2.5v~2.5v（自控实验），对应数据为00H~FFH。

A/D操作（ADC0809）：

启动某一A/D通道只需对相应口地址进行写操作即可，启动后，查询EOC状态或延时等待。

A/D转换结束后，计算机即可通过串行口读取单片机寄存器数据得到转换数据。

二、关于自动控制实验平台

CCT3S实验平台由以下各个单元电路构成：

1.电源

实验平台内置开关电源。

开关电源提供+5V/2.5A、+12V/1A、-5V/0.3A、-12V/0.3A。

当220V的50Hz交流电接通后，实验平台上电源和传感器等检测电路中+5V、-5V、+12V、-12V的引线插孔处均带电，供实验与开发使用。

串行数据通道接口卡的电源是通过实验平台上POWER附近的跨线引入的。

2.十六位二进制输入装置

实验平台上有16只自锁式按钮开关K0—K15，配有与之相应的16个发光二极管指示灯和16个引线插孔。

开关按下时，相应发光二极管亮，插孔输出高电平；开关抬起时，相应插孔输出为低电平，指示灯灭。

3.十六位二进制指示器

实验平台上有16只发光二极管及相应驱动电路，与之对应的D0—D15共16条引线插孔为正逻辑信号输入端，该输入端为高电平时，发光二极管亮。

4.交流信号源

实验平台上提供一个频率和幅度可调的正弦波交流信号源，FSA为频率调整旋钮，DGA为幅度调整旋钮。

频率调节范围：

1KHz—10KHz；幅度调节范围：

0—5V（有效值）

5.模拟功率驱动器

实验平台上有一个NPN型和一个PNP型的典型晶体管放大电路，Vs+和Vs-为正、负地电源电压的引线插孔，可进行信号放大，功率放大和信号跟随。

出厂时，NPN管为9013，PNP为9012。

6.运算模拟单元电路

实验平台上有10个检测、放大、运算电路。

芯片采用LM324。

工作电源已接±12V，当R1、R2、R3、R4电阻的引线插孔插入不同电阻或电容时，可进行单、双端检测信号的放大和处理及运算。

7.阻容器件部分

此单元包括所有实验中所用不同阻值的电阻、电容、稳压管。

8.电位计部分

实验平台上提供了1K、10K、500K、1M共4个电位器。

9.集成电路插座

实验平台上提供了一个DIP14插座和一个DIP16插座

三、安全使用注意事项

为有效、安全地使用实验箱，请遵守以下规定。

1.您在将实验箱盖打开后，请用箱体两边的支撑脚将箱盖撑住，避免在进行试验过程中箱盖突然下落将您的手砸伤或损坏仪器设备。

2.禁止将平台上开关电源输出长时间短接。

3.禁止将交流源（~15v）短接，这样将会烧毁实验箱内的交流变压器，并引起火灾。

4.禁止将-5V、-12V连接到指示灯引线插孔输入端。

5.实验中尽量用短线连接，尤其两极放大器、功放电路更要注意。

6.在将导线从引线插孔中拔出时，应捏住导线根部，左右旋转松动后再拔出。

7.在进行炉温控制实验时，应避免炉温超过70℃长时间运等，政治路线则将降低炉体使用寿命；而且还要小心以免将手烫伤。

8.电机调速实验中应避免直流电机长时间高速旋转。

9.实验中大部分实验设备如数据通道接口板、数据通讯线、实验平台、直流电机扩展板、温控炉扩展板等设备都是精密装置，实验中务必注意正确使用和妥加爱护。

软件使用说明

SAC—ACT软件包是为自动控制原理实验开发的，共包含了十一个实验窗口，提供了良好的人机界面，在实验过程中操作者可通过选择菜单命令而完成一系列的功能，下面详细介绍其使用方法：

1.运行“自动控制原理”，即弹出对话窗口。

2.单击“系统设置”选择串口及打印机。

3.单击“实验选择”，弹出一实验题目清单，单击要做的实验题目，弹出此实验对话框。

4.参数设置：

在命令菜单中，选择“参数设置”命令，则进入参数显示窗口。

（1）采样周期设置：

选中周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER键确认输入完成，单位为ms。

（2）设定电压设置：

选中“电压”项，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入设定电压，按ENTER键确认输入完成，输入范围为0~2.5v。

（3）采样点数设置：

选中点数项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER键确认输入完成。

（4）曲线放大倍数设置：

在“曲线放大”的下拉框内的数字为原曲线放大倍数。

如：

选择“1”则与原曲线的比例是1:

1的关系。

（顺便提一下，再“打印图象”时，应是在曲线放大设置为“1”时打印。

）

此外，某些实验中还有一些与实验相关的参数，设置方法相同。

5、运行观测

在命令菜单中选择“运行观测”命令，计算机给出控制信号，并对系统输出进行采样，在波形显示窗口显示系统输出的波形，按ESC键则中止运行。

6、打印图象

在命令菜单中选择“打印图象”命令，则将波形显示窗口的图象输出到打印机上。

7、帮助

在命令菜单中选择“帮助主题”命令，屏幕将显示出本实验的接线图，实验者可按图接线，若实验有多个接线图，可接Page和Pagedown键翻页。

8、退出实验

选择“退出实验”命令或直接单击关闭窗口，即可退出该实验，返回到主界面菜单，若要退回到WINDOWS系统，再单击“退出实验”或“关闭窗口”。

9、“运行观测”曲线说明：

运行过程中，“红色”曲线代表从D/A口输出给模拟电路的信号状态，其它颜色曲线代表从模拟电路输入到A/D的信号状态。

实验一典型环节及其阶跃响应

一、实验目的

1、学习构成典型环节的模拟电路。

2、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。

3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。

二、实验内容

各典型环节的模拟电路及结构图如下：

图1-1-1比例环节电路图

图1-2-1惯性环节电路图

-K

-K/（TS+1）

图1-1-2比例环节结构图

2--2惯性环节结构图

减小漂移电阻

图1-4-1微分环节电路图

图1-3-1积分环节电路图

-TS

-1／TS

图1-4-2微分环节结构图

图1-3-2积分环节结构图

-K（TS+1）

图1-5-2比例微分环节结构图

图1-5-1比例微分环节电路图

比例环节的结构图中：

K=R2/R1

惯性环节的结构图中：

K=R2/R1，T=R2×C

积分环节的结构图中：

T=R1×C

微分环节的结构图中：

T=R2×C

比例微分环节的结构图中：

K=R3/R2，T=（R1+R2）C

三、实验步聚

1、将输入端ui与数据通道接口板上的DAO连接、输出端uo与实验平台信号引出区的INO孔连接。

（若无特别声明，其它实验中涉及运放电路板及ui及uo均按此连线，不再赘述）。

2、启动计算机，运行“系统设置”菜单，选择串口。

（若无特别声明，其它实验中均同此，不再赘述。

如不选择，则设为默认值，选择COM1通讯端口）

3、打开“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“典型环节及其阶跃响应”实验。

4、选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。

5、选择“运行观测”命令，观察阶跃响应曲线，改变模拟电路参数后，再重新观察阶跃响应曲线的变化。

6、为了更好的观察曲线，再“参数设置”命令中，设置“曲线放大”倍数，“运行观测”。

7、记录波形及数据（保存结果、打印图象）。

8、连接其它模拟电路，重复步骤3、4、5、6

注：

打印图像只有在曲线放大为“1”时打印（其它实验相同）

四、实验报告

1、画出惯性环节、积分环节、比例微分环节的电路图和所记录的响应曲线。

2、由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与值比较。

实验二二阶系统阶跃响应

一、实验目的

1、研究二阶系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率ω对系统动态性能的影响。

2、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。

二、实验内容

图2-1

1/TS

1/TS

β

图2-2

1、二阶系统模拟电路图示于图2-1

2、二阶系统结构图见图2—2

3、二阶系统闭环传递函数为：

其中T=RC，β=R2／R1

典型二阶系统的闭环传递函数为：

比较以上两式，可得：

由上式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比ζ。

今取R1=100K，R2=0~500K（R2由电位器调节），可得实验所需的阻尼比。

电阻R取100K，电容C分别取1μf和0.1μf，可得两个无阻尼自然频率ωn。

三、实验步聚

1、将图2-1所示模拟电路接好，输入端和输出端分别接DAO和INO。

2、启动计算机，运行“自动控制原理系统”，打开“实验选择”菜单，选择“二阶系统阶跃响应”。

3、选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。

4、取ωn=10rad/s，即令R=100K，C=1μf；分别取ζ=0.25、0.5、0.7、1.0、2.0，即取R1=100K，R2分别等于0K、50K、100K、140K、200K、400K。

选择“运行观测”命令，分别测量系统阶跃响应，并记录最大超调量σp%和调节时间ts的数值。

5、为了更好的观察曲线，再“参数设置”命令中，设置“曲线放大”倍数，“运行观测”。

6、取ζ=0.5，即R1=R2=100K；ωn=100rad/s，即取R=100K，C=0.1μf。

注意：

两电容同时改变，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量σp%和调节时间ts。

7、取R=100K，C=1μf，R1=100K，R2=50K，测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录调节时间ts和最大超调量σp%的数值。

8、记录波形及数据。

（保存结果、打印图象）

注：

采样点数超过400时，则计算机将自动计算σp%和ts的值，并将结果显示在屏幕上。

三、实验报告

1、画出二阶系数的模拟电路图，并求参数ζ、ωn的表达式。

2、把不同ζ和ωn条件下测量的σp%和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。

3、根据实验步聚画出系统响应曲线，再由ts和σp%计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。

实验三控制系统的稳定性分析

一、实验目的

1、观察系统的不稳定现象。

2、研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。

二、实验电路图

1、系统模拟电路图和系统结构图见下面图3—1和图3—2。

图3--1

K1

1/（TS+1）

1/（0.1S+1）

10/S

图3--2

其开环传递函数和闭环传递函数分别为：

式中K1=R3／R2,R2=100K,R3=0～500K；

T=RC，R=100K，C=1μF或C=0.1μF两种情况。

三、实验步聚

1、连接运放电路板的电源线（±12V，GND），并将图形所示模拟电路连好，输入端和输出端分别接DA0、IN0。

2、启动计算机，运行“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“控制系统的稳定性分析”。

3、选择“参数设置”命令，设置采样周期、采样点数和设定电压。

4、输入信号电压设置为1V，C=1μf，改变电位器值，使R3从0→500K渐次变化，此时相应放大倍数K=0→100。

观察输出波形，找出系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值。

再把电位器电阻值由大至小变化，即R3=500K→0，找出系统输出产生等幅振荡时相应的R3及K值。

5、使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况，电容C由1μ变成0.1μ，观察系统稳定性的变化。

6、记录波形及数据。

（保存结果、打印图象）

四、实验报告

1、画出模拟电路图。

2、画出系统增幅或减幅振荡的波形图。

3、计算系统的临界放大系数，并与实验中测得的临界放大系数相比较。

实验四系统频率特性测量

一、实验目的

1、加深了解系统频率特性的物理概念。

2、掌握系统频率特性的测量方法。

二、实验内容

1、模拟电路图及其结构图分别示图4—1和图4—2。

图4--1

图4--2

2、系统传递函数

取R=200kΩ，则K1=2，

得系统传递函数为：

若输入信号ui（t）=Uisinωt，则在稳态时，其输出信号为uo（t）=Uosin（ωt+Φ）。

改变输入信号角频率ω值，便可测得二组Uo/Ui和Φ随ω变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。

三、实验步聚

1、连接运放电路板的电源线（±12V，GND），并将图4—1所示模拟电路接好，输入端和输出端分别接DAO和INO。

2、启动计算机，运行“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“系统频率特性测量”。

3、选择“参数设置”命令，设置角频率。

4、选择“运行观测”命令，测试输出信号，并在波形显示窗口显示输出波形及其幅值和相位差。

5、分别取ω=1，3，5，7，10，15，20，30，40，50，重复第4步。

实验中ω的值可在0.1~80之间任意选择。

调节同步值参数，以使输出波形达到最佳。

6、“运行观测”一组任选的ω值之后，即可选择“波特图”命令，将实验中所测试的各频率点的频率响应在波特图上描绘出来。

“运行观测”的频率点越多，画出的“波特图”越连贯。

注：

输入正弦波幅度为0~1.25V。

四、实验报告

1、画出被测系统的模拟电路图，计算其传递函数，根据传递函数绘制波特图。

2、与实测得到的波特图对比，分析测量误差。

实验五连续系统串联校正

一、实验目的

1、研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。

2、熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。

二、系统模拟电路图及传递函数

1、串联超前校正：

系统模拟电路图示于图5—1，图中开关K断开对应未校正情况，接通对应超前校正情况。

系统结构图示于图5—2。

图5--1

Gc（S）

图5--2

图中开关K断开时：

Gc（S）=Gc1（S）=2

开关K闭合时：

2、串联滞后校正。

模拟电路图示于图5—3，开关K断开对应未校正状态，接通对应滞后校正情况。

系统结构图示于图5—4。

图中K断开时：

Gc（S）=Gc1（S）=5

K闭合时：

图5--3

1/（0.05S+1）

图5--4

图5--5

1/（0.01S+1）

图5--6

3、串联滞后——超前校正：

模拟电路示于图5—5，双刀开关断开对应未校正状态，接通对应应滞后—超前校正。

系统结构图示于图5—6。

图中开关K断开时：

Gc（S）=Gc1（S）=5

开关K闭合时：

Gc（S）=Gc2（S）=

四、实验步聚

1、启动计算机，运行“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“连续系统串联校正”。

2、将超前校正的模拟电路连接好，并关K放在断开位置。

3、选择“参数设置”命令，设置标定电压、采样周期和采样点数。

4、选择“运行观测”命令，观察曲线，并记录超调量σp%和调节时间ts。

5、接通开关K，重复步骤4。

比较开关K接通和断开的响应曲线有何差别。

6、滞后校正和滞后—超前校正的步骤与此类似，只需将模拟电路连接好即可。

五、实验报告

1、画出所做实验的模拟电路图，系统结构图。

2、给出校正前后的σp%和ts。

3、分析串联超前校正、滞后校正、串联滞后—超前校正对系统性能的影响。