自動控制原理實驗指導(dǎo)書(修改)

1、自動控制原理實驗指導(dǎo)書目 錄tdn-acs系統(tǒng)介紹.1實驗準備.3實驗一 典型環(huán)節(jié)的實驗研究.5實驗二 典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性9實驗三 系統(tǒng)校正.13實驗四 控制系統(tǒng)的頻率特性17實驗五 典型非線性環(huán)節(jié)21tdn-acs系統(tǒng)介紹自動控制原理是自動化、自動控制、電子技術(shù)、電氣技術(shù)、精密儀器等專業(yè)教學(xué)中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。tn-acs自動控制原理/計算機控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)通過對系統(tǒng)單元電路的靈活組態(tài)，可構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)，從而支持了自控原理的實驗教學(xué)，還支持以微機為控制平臺的計算機控制技術(shù)實驗教學(xué)，做到一機多用。利用系統(tǒng)提供的集成操作軟件，通過pc示波器功能可實時、清

2、晰的觀察控制系統(tǒng)的各項靜、動態(tài)特性，方便了對模擬控制系統(tǒng)特性的研究。利用系統(tǒng)配置的電機等控制對象，可開設(shè)控制系統(tǒng)課程的實驗。該系統(tǒng)還可擴展支持線性系統(tǒng)、最優(yōu)控制、系統(tǒng)辨識及計算機控制等現(xiàn)代控制理論的模擬實驗研究。一、系統(tǒng)構(gòu)成tdn-acs系統(tǒng)由如下各單元電路構(gòu)成。信號源發(fā)生單元電路 ul sg& ul5 sin采樣保持器及單穩(wěn)單元電路 u2 sh運算模擬單元電路 u3u8非線性用單元電路 u9 nc數(shù)/模轉(zhuǎn)換單元電路 u10 dac模/數(shù)轉(zhuǎn)換單元電路 u12 adc狀態(tài)指示燈單元 u11 d單節(jié)拍脈沖發(fā)生單元 u13 sp電位器單元 u14 p-5v電源發(fā)生單元 u16 a信號測量單元 u19

3、 sc驅(qū)動單元 u17 driver電機單元 u18 motor高效開關(guān)電源8088cpu板和pc機進行通訊的串口。二、使用注意事項1、對于搭接被控對象時，輸入和反饋回路中的電阻應(yīng)盡可能利用實驗板上的電位器來實現(xiàn)。2、實驗用的導(dǎo)線，導(dǎo)線頭不應(yīng)拔得太長，以防短路。做完實驗后，應(yīng)將導(dǎo)線及元器件裝入箱蓋上的袋子中，千萬不要散亂地放在機箱中，以免下次做實驗引起短路。3、對tdn-acs系統(tǒng)來說，因為安裝了高效開關(guān)電源，它們的重新開啟和上一次斷開之間的時間應(yīng)大于30秒，因此不要過于頻繁的開啟電源。4、實驗時，經(jīng)檢查線路已經(jīng)正確搭接后再上電開始實驗，布線時嚴禁帶電進行操作。實驗準備1、 使運放處于工作狀態(tài)

4、將信號源單元(u1，sg)的st端(插針)與+5v端(插針)用短路塊短接，使模擬電路中的場效應(yīng)管(3dj6)夾斷，這時運放處于工作狀態(tài)。2、階躍信號的產(chǎn)生階躍信號產(chǎn)生的電路由單脈沖單元(u13 sp)及電位器單元(u14，p)組成。具體線路形成步驟如下：在ul3 sp單元中，將hl與+5v插針用“短路塊”短接，h2插針用排線接至ul4 p單元的x插針;在ul4 p單元中，將z插針和gnd插針用“短路塊”短接，最后由插座的y端輸出信號。3、 方波信號的產(chǎn)生采用u1 sg單元產(chǎn)生周期性方波信號（重復(fù)的階躍波信號），u1單元的st的插針與s插針用“短路塊”短接，s11波段開關(guān)置于“階躍信號”檔，“o

5、ut”端的輸出電壓即為階躍信號電壓，信號周期由波段開關(guān)s12和電位器w11調(diào)節(jié)，信號幅值由電位器w12調(diào)節(jié)。以信號幅值小、信號周期較長比較適宜。采用該單元還能產(chǎn)生重復(fù)的斜坡、拋物波信號，只要將s11波段開關(guān)置于相應(yīng)位置即可。4、 正弦波信號的產(chǎn)生正弦波信號由u15 sin正弦波信號發(fā)生單元產(chǎn)生，該單元產(chǎn)生的正弦波信號頻率范圍0.2hz400hz，幅值在5v范圍內(nèi)。5、運算模擬單元電路的結(jié)構(gòu)運算模擬單元電路為u3u8，它們的區(qū)別在于輸入電阻大小不同。1）u3u5的結(jié)構(gòu)2）u6u8的結(jié)構(gòu) 在實驗中根據(jù)需要選擇運算模擬單元電路。實驗一 典型環(huán)節(jié)的實驗研究一、 實驗?zāi)康?、 了解tdn-acs自動控制

6、原理/計算機控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)的基本組成，和各個模塊的作用。2、 利用tdn-acs的信號源模塊產(chǎn)生各種信號波形。3、 了解各典型環(huán)節(jié)的模擬電路以及輸入響應(yīng)。4、 長余輝雙蹤示波器的使用。5、 觀察各典型環(huán)節(jié)的輸入響應(yīng)及pid環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線。二、 實驗設(shè)備1、 長余輝雙蹤示波器2、 tdn-acs自動控制原理/計算機控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)3、 配套的電阻、電容、導(dǎo)線等三、 實驗原理 通過構(gòu)成各種典型環(huán)節(jié)，用示波器觀察其輸入響應(yīng)。各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖如下：1、 比例（p）2、 積分（i）3、 比例積分（pi）4、 比例微分（pd）5、 慣性環(huán)節(jié)（t）6、 比例積分微分（pid）四、實驗步驟:1

7、、 按各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好(pid先不接)。例如構(gòu)成比例時可先用萬用表測量u6的“1”和“in”端，調(diào)節(jié)與之相對應(yīng)的47k電位器w62，使萬用表顯示為10k。調(diào)整反饋電阻使rf為20k，方法是使用萬用表測量“2”和“in”端，調(diào)節(jié)w61，使萬用表顯示為20k，然后用一根單股導(dǎo)線將“2”端與“out”端連接起來，構(gòu)成20k的反饋電阻。同樣的方法連接下一級電路即可。 2、將模擬電路輸入端(ui)與階躍信號的輸出端相聯(lián)接;模擬電路的輸出端(u0)接至示波器。 3、用示波器觀測輸出端的實際響應(yīng)曲線u(t)，且將結(jié)果記下。改變比例參數(shù)，重新觀測結(jié)果。4、將輸入信號改變?yōu)榉讲ɑ蛘哒也ǎ^察輸出

8、結(jié)果。5、同理得出積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的實際響應(yīng)曲線，比較它們的理想曲線和實際響應(yīng)曲線。6、觀察pid環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線。參照pid模擬電路圖，將pid環(huán)節(jié)搭接好，將周期性方波信號加到pid環(huán)節(jié)的輸入端(ui)，用示波器觀測pid輸出端(u0)，改變電路參數(shù)，重新觀察并記錄。五、實驗記錄 將各典型環(huán)節(jié)的輸入響應(yīng)曲線記錄，并與理想響應(yīng)曲線相比較。實驗二 典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性一、 實驗?zāi)康挠^察典型系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性。二、 實驗設(shè)備1、 長余輝雙蹤示波器2、 tdn-acs自動控制原理/計算機控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)3、 配套的電阻、電容、導(dǎo)線等三、 實驗原理 1、下圖是典型二階系統(tǒng)原

9、理方塊圖，其中t0=1s，t1=0.1s，k1分別為10、5、2.5、1。2、開環(huán)傳遞函數(shù)：3、閉環(huán)傳遞函數(shù)：4、下表列出有關(guān)二階系統(tǒng)在三種情況(欠阻尼，臨界阻尼，過阻尼)下的具體參數(shù)達式，以便計算理論值。至于推導(dǎo)過程請參照有關(guān)原理書。k1/5、實驗電路圖 四、實驗步驟1、 準備。將“信號源單元” (u1 sg)的st插針和+5v插針用“短路塊”短接，使運算放大器反饋網(wǎng)絡(luò)上的場效應(yīng)管3dj6夾斷。2、 按實驗?zāi)M圖接線，r=l0k。3、 用示波器觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)c(t),并記錄超調(diào)量mp和峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間ts，并記錄。4、 分別按r=20k；40k；l00k改變系統(tǒng)開環(huán)增益，觀察相應(yīng)的階

10、躍響應(yīng)c(t)，測量并記錄性能指標(biāo)mp,tp和ts及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并將測量值和計算值(實驗前必須按公式計算出)進行比較。五、實驗記錄及數(shù)據(jù)處理按照下表格式記錄并整理實驗數(shù)據(jù)。rkc(tp)c()mp(%)tp(s)ts(s)階躍響應(yīng)曲線在表中，實驗前必須按照公式計算出mp、tp、ts的計算值，實驗后將測量值填入表中。表中，r的單位為k，k的單位為1/s，n的單位為1/s。實驗三 系統(tǒng)校正一、 實驗?zāi)康?、 設(shè)計串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)滿足要求的性能指標(biāo)。2、 測量未校準的系統(tǒng)和校準后的系統(tǒng)的性能指標(biāo)。二、 實驗設(shè)備1、 長余輝雙蹤示波器2、 tdn-acs自動控制原理/計算機控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)3

11、、 配套的電阻、電容、導(dǎo)線等三、實驗原理1、原系統(tǒng)的原理方塊圖，見下圖1。由閉環(huán)傳函：要求設(shè)計串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)滿足下述性能指標(biāo)：由理論推導(dǎo)(可參照有關(guān)自控原理書)得，校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為：所以校正后的方塊圖如圖2所示，圖2 校正后系統(tǒng)的方塊圖2、原系統(tǒng)及校正后的模擬電路圖見圖3及圖4圖3 未校正系統(tǒng)的模擬電路圖圖4 校正后系統(tǒng)模擬電路四、實驗步驟準備：將“信號源單元”(u1 sg)的st插針和+5v插針用“短路塊”短接。1、測量未校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)。1）按圖3接線。 2）加入階躍電壓，觀察階躍響應(yīng)曲線，并測出超調(diào)量mp和調(diào)節(jié)時間ts，將曲線及參數(shù)記錄下來。 2、測量校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)。 1

12、）按圖4接線。 2）加入階躍電壓，觀察階躍響應(yīng)曲線，并測出超調(diào)量mp以及調(diào)節(jié)時間ts?？词欠襁_到期望值，若未達到，請仔細檢查接線(包括阻容值)。 (3)具體參教及響應(yīng)曲線請參照表3-1。表3-1mp(%)tp(s)響應(yīng)曲線未校正0.64校正后0.20.8實驗四 控制系統(tǒng)的頻率特性一、 實驗?zāi)康膽?yīng)用頻率特性測試儀測量系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性。二、 實驗設(shè)備1、 長余輝雙蹤示波器2、 tdn-acs自動控制原理/計算機控制原理教學(xué)實驗系統(tǒng)3、 配套的電阻、電容、導(dǎo)線等三、實驗原理1、原系統(tǒng)的原理方塊圖，見下圖1。圖1被測系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的頻率特性，是一個復(fù)變量?？梢员硎境梢越穷l率為參數(shù)的幅值和

13、相角：本實驗應(yīng)用頻率特性測試儀測量系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性。圖1所示系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為：采用對數(shù)幅頻特性和相頻特性表示，則上式表示為： 將頻率特性測試儀內(nèi)信號發(fā)生器產(chǎn)生的超低頻正弦信號的頻率從低到高變化，并施加于被測系統(tǒng)的輸入端r(t)，然后分別測量相應(yīng)的反饋信號b(t)和誤差信號e(t)的對數(shù)幅值和相位。頻率特性測試儀測試數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)器運算后在顯示器中顯示。 根據(jù)式3和式4分別計算出各個頻率下的開環(huán)對數(shù)幅值和相位，在半對數(shù)座標(biāo)紙上作出實驗曲線：開環(huán)對數(shù)幅頻曲線和相頻曲線。 根據(jù)實驗開環(huán)對數(shù)幅頻曲線畫出開環(huán)對數(shù)幅頻曲線的漸近線，再根據(jù)漸近線的斜率和轉(zhuǎn)角頻確定頻率特性(或傳遞函數(shù))。所確定的頻率特性

14、(或傳遞函數(shù))的正確性可以由測量的相頻曲線來檢驗，對最小相位系統(tǒng)而言，實際測量所得的相頻曲線必須與由確定的頻率特性(或傳遞函數(shù))所畫出的理論相頻曲線在一定程度上相符。如果測量所得的相位在高頻(相對于轉(zhuǎn)角頻率)時不等于-90(q-p)式中p和q分別表示傳遞函數(shù)分子和分母的階次，那么，頻率特性(或傳遞函數(shù))必定是一個非最小相位系統(tǒng)的頻率特性。 四、實驗步驟1、準備：將信號源單元(u1 sg)的st插針和+5v插針用“短路塊”短接。2、被測系統(tǒng)的模擬電路圖，見圖2圖2被測系統(tǒng)3、測量系統(tǒng)的開環(huán)對數(shù)幅頻曲線和相頻曲線。 1）將頻率測試儀中的信號發(fā)生器的頻率調(diào)節(jié)為0.lkhz，(正弦波)，幅值調(diào)節(jié)至適當(dāng)

15、值，并施加至被測系統(tǒng)的輸入端。 2）用示波器觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)波形，避免系統(tǒng)進入非線性狀態(tài)。 3）測量系統(tǒng)誤差信號e(t)的幅值(對數(shù)幅值，單位為分貝，和相位(度)，并記錄測量結(jié)果。 (4)測量反饋信號b(t)的幅值(分貝)和相位(度)。增大輸入正弦信號的頻率，直至300hz，分別重復(fù)上述步驟。五、 實驗數(shù)據(jù)處理按照表1的格式記錄并處理實驗數(shù)據(jù)輸入ui(t)的頻率誤差信號反饋信號開環(huán)頻率特性幅值對數(shù)幅值相位幅值對數(shù)幅值相位對數(shù)幅值相位100hz10v2000.3-10.5-45-30-45 實驗中，由于傳函是經(jīng)拉氏變換推導(dǎo)出的，而拉氏變換是一種線性積分運算，因此它適用于線性定常系統(tǒng)，所以必須用示波

16、器觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)波形，避免系統(tǒng)進入非線性狀態(tài)。根據(jù)實驗測量得的數(shù)據(jù)，按照圖3的形式畫出開環(huán)對數(shù)幅頻曲線和相頻曲線。圖3 開環(huán)對數(shù)幅頻曲線和相頻曲線根據(jù)曲線，求出系統(tǒng)的傳函： 實驗中，系統(tǒng)輸入正弦信號的幅值不能太大，否則反饋幅值更大，不易讀出，同理，太小也不易讀出。實驗五 典型非線性環(huán)節(jié)一、 實驗?zāi)康?、 以運算放大器為基本元件，在輸入端和反饋網(wǎng)絡(luò)中設(shè)置相應(yīng)元件(穩(wěn)壓管、二極管、電阻和電容)組成各種典型非線性的模擬電路。2、 掌握繼電、飽和、死區(qū)、間隙特性的模擬電路的搭接，研究非線性環(huán)節(jié)的特性參數(shù)和實際輸入特性。二、 實驗設(shè)備1、 長余輝雙蹤示波器2、 tdn-acs自動控制原理/計算機控制原理

17、教學(xué)實驗系統(tǒng)3、 配套的電阻、電容、導(dǎo)線等三、實驗原理1、 繼電特性，見圖1圖1繼電特性模擬電路理想繼電特性如圖2（a）所示。圖中m值等于雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值。圖2(a) 理想繼電特性 圖2（b） 理想飽和特性2、 飽和特性圖3 飽和特性模擬電路理想飽和特性圖中特性飽和值等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，斜率k等于前一級反饋電阻值與輸人電阻值之比，即：k=rf/r3、死區(qū)特性死區(qū)特性模擬電路圖見圖4。圖4 死區(qū)特性模擬電路k死區(qū)特性如圖5（a）所示。圖5（a） 死區(qū)特性 圖5（b） 間隙特性圖中特性的斜率k為k=rf/r0，死區(qū),式中r2的單位k，且r2=r1，(實際還應(yīng)考慮二極管的壓降值)4、間隙特性間隙特性的模擬電路圖見圖6間隙特性如圖5（b）所示。圖中空間特性的寬度(oa)為：，式中r2的單位為k，（r2=r1），特性斜率tg為： 根據(jù)上面的式子可知道，改變r2和r1可改變空回特性的寬度;改變（）或（）可調(diào)節(jié)特性斜率tg。圖6 間隙特性模擬電路四、實驗步驟1、 準備1)選擇模擬電路中未標(biāo)值元件的型號、規(guī)格。 2)將信號源(u1 sg)單元的st插針和+5v插針用“短路塊”短接2、 按圖1接線，圖1中的(a)和(b)之間的虛線處用導(dǎo)線連接好；(圖5-1(a)中，+5v與z之間，以及-5v與x之間用短路塊短