自控原理实验指导书.docx

1、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，

2、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、

3、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IN0IN3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

4、，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05V（86实验）或-2.5v2.5v（自控实验），对应数据为00HFFH。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

5、. 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K0K15，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

6、动电路，与之对应的D0D15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

7、、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

8、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SACACT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

9、，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EN

10、TER键确认输入完成，输入范围为02.5v。(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

11、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Page down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

12、、 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-1TS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 = R2C积分环节的结

13、构图中： T = R1C微分环节的结构图中： T = R2C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

14、，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和无阻尼自然频率对系统动态性能的影响。2

15、、 学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验内容图2-11/TS1/TS图2-21、二阶系统模拟电路图示于图2-12、二阶系统结构图见图223、 二阶系统闭环传递函数为：其中 T=RC， =R2R1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。今取R1=100K，R2=0500K（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1f和0.1f，可得两个无阻尼自然频率n。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

16、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n = 10 rad/s，即令R=100K，C=1f；分别取= 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 p% 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=0.5，即R1=R2=100K；n=100 rad/s，即取R=100K，C=0.1f 。注意：两电容同时改变，测量

17、系统阶跃响应，并记录最大超调量 p% 和调节时间ts。7、 取R=100K，C=1f，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 p%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 p% 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、n的表达式。2、 把不同和n条件下测量的 p% 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 p% 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

18、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31和图32。图3-1K11/(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=R3R2 , R2=100 K , R3=0500K ；T=RC， R=100K， C=1F或C=0.1F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

19、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=1f，改变电位器值，使R3从0500K渐次变化，此时相应放大倍数K=0100 。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=500K0，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1变成0. 1，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

20、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41和图42。图4-1图4-22、系统传递函数取R=200k，则K1=2，得系统传递函数为：若输入信号ui(t)=Ui sint，则在稳态时，其输出信号为uo(t)=Uo sin(t+)。改变输入信号角频率值，便可测得二组Uo/Ui和随变化的数值，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41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

21、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=1，3，5，7，10，15，20，30，40，50，重复第4步。实验中的值可在0.180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01.25 V。四、实验报告1、画出被测系统的模拟电路图，计算其

22、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51，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52。图5-1Gc (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53，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54。图中 K断开时：Gc(S) = Gc1(S) = 5

23、K闭合时：图5-31/(0.05S+1)图5-4图5-51/(0.01S+1)图5-63、串联滞后超前校正：模拟电路示于图55，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56。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 p% 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 p% 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。