自動(dòng)化自控原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的時(shí)域響應(yīng)一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康模? 通過實(shí)驗(yàn)熟悉并掌握實(shí)驗(yàn)裝置和上位機(jī)軟件的使用方法。2 熟悉各種典型環(huán)節(jié)的理想階躍響應(yīng)曲線和實(shí)際階躍曲線。對(duì)比差異、分析原因。3 了解參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)階躍特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容 1比例(P)環(huán)節(jié)的方塊圖、傳遞函數(shù)、模擬電路比例環(huán)節(jié)的方塊圖，如圖1.1.1： 圖1.1.1其傳遞函數(shù)為： 模擬電路：如圖1.1.2所示，于是，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0100k，R1200k或100k。 圖1.1.22積分(I)環(huán)節(jié)的方塊圖、傳遞函數(shù)、模擬電路積分環(huán)節(jié)的方塊圖,如圖1.2.1：圖1.2.1其傳遞函數(shù)為： 模擬電路：如圖1.2.2所示，于是，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R

2、0100k， C1uF或2uF。圖1.2.23比例積分(PI)環(huán)節(jié)的方塊圖、傳遞函數(shù)、模擬電路比例積分環(huán)節(jié)的方塊圖，如圖1.3.1 圖1.3.1其傳遞函數(shù)為：模擬電路：如圖1.3.2所示，于是， 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0R1200k， C1uF或2uF。 圖1.3.2 4比例微分(PD)環(huán)節(jié)的方塊圖、傳遞函數(shù)、模擬電路比例微分環(huán)節(jié)的方塊圖，如圖1.4.1圖1.4.1其傳遞函數(shù)為：模擬電路：如圖1.4.2所示。取，則有，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0R2100k，R1100k或200k， R310k，C1uF。 圖1.4.2 5慣性環(huán)節(jié)的方塊圖、傳遞函數(shù)、模擬電路慣性環(huán)節(jié)的方塊圖,如圖1.5.1圖1.

3、5.1其傳遞函數(shù)為：模擬電路：如圖1.5.2所示，其中，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0R1200k， C1uF或2uF。圖1.5.26比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的方塊圖、傳遞函數(shù)、模擬電路比例積分微分環(huán)節(jié)的方塊圖，如圖1.6.1：圖1.6.1其傳遞函數(shù)為：模擬電路：如圖1.6.2。取，則有，實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0100k，R1100k或200k，R2R310k，C1C21uF。 圖1.6.2三、實(shí)驗(yàn)步驟 1. 按比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好，檢查無誤后開啟設(shè)備電源。2. 將信號(hào)源單元的“ST”端插針與“S”端插針用“短路塊”短接。由于每個(gè)運(yùn)放單 元均設(shè)置了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管，所以運(yùn)放具有鎖零功能。將開關(guān)分別設(shè)在“

4、方波”檔和“500ms12s”檔，調(diào)節(jié)調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得“OUT”端輸出的方波幅值為1V，周期為10s左右。 3. 將2中的方波信號(hào)加至環(huán)節(jié)的輸入端Ui，用示波器的“CH1”和“CH2”表筆分別監(jiān) 測(cè)模擬電路的輸入U(xiǎn)i端和輸出U0端，觀測(cè)輸出端的實(shí)際響應(yīng)曲線U0(t)，記錄實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果。4. 改變幾組參數(shù)，重新觀測(cè)結(jié)果。 5. 用同樣的方法分別搭接積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)和比例 積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖。觀測(cè)這些環(huán)節(jié)對(duì)階躍信號(hào)的實(shí)際響應(yīng)曲線，分別記錄實(shí)驗(yàn)波形及結(jié)果。實(shí)驗(yàn)二 典型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;1學(xué)習(xí)和掌握動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試方法,以及對(duì)

5、象的三種阻尼比下的響應(yīng)曲線。2研究典型系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。 二、實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容 1典型二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（1）結(jié)構(gòu)框圖（如圖2.1.1）：     圖2.1.1  （2）對(duì)應(yīng)的模擬電路圖（如圖2.1.2）： 圖2.1.2(3).理論分析：系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：(4)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：先算出臨界阻尼、欠阻尼、過阻尼時(shí)電阻R的理論值，再將理論值應(yīng)用于模擬電路中，觀察二階系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性，應(yīng)與理論分析基本吻合。在此實(shí)驗(yàn)中（圖2.1.2），其閉環(huán)傳遞函數(shù)為、， 其中自然振蕩角頻率： 阻尼比：2典型三

6、階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(1) 結(jié)構(gòu)框圖（如圖2.1.3）：  圖2.1.3(2) 模擬電路圖（如圖2.1.4）：                             圖2.1.4(3) 理論分析： 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：其中 系統(tǒng)的特征方程為: (4) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)前由Routh判斷得Routh行列式為： 為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，第一列

7、各值應(yīng)為正數(shù)，所以有：  得：三、實(shí)驗(yàn)步驟 1將信號(hào)源單元的“ST”端插針與“S”端插針用“短路塊”短接。由于每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)置了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管，所以運(yùn)放具有鎖零功能。將開關(guān)分別設(shè)在“方波”檔和“500ms12s”檔，調(diào)節(jié)調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得“OUT”端輸出的方波幅值為1V，周期為10s左右。 2. 典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試 (1) 按模擬電路圖2.1.2接線，將1中的方波信號(hào)接至輸入端，取R = 10K。 (2) 用示波器觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線C(t)，測(cè)量并記錄超調(diào)MP、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間tS。 (3) 分別按R = 50K；160K；200K；改變系統(tǒng)開環(huán)增益，觀察響應(yīng)曲線

8、C(t)，測(cè)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(cè)量值和計(jì)算值進(jìn)行比較 (實(shí)驗(yàn)前必須按公式計(jì)算出)。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1中，表中已填入了一組參考測(cè)量值，供參照。 3典型三階系統(tǒng)的性能 (1) 按2.1.4接線，將1中的方波信號(hào)接至輸入端，取R = 30K。 (2) 觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，并記錄波形。 (3) 減小開環(huán)增益 (R = 41.7K；100K)，觀察響應(yīng)曲線，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表2中，表中已填入了一組參考測(cè)量值，供參照。  表1其中：  表2 實(shí)驗(yàn)三 線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;1學(xué)習(xí)和掌握波特圖的繪制方法及由波特圖來確定

9、系統(tǒng)開環(huán)傳涵。2學(xué)習(xí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量系統(tǒng)的波特圖。 二、實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容本實(shí)驗(yàn)利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的頻率特性測(cè)試虛擬儀器對(duì)一階慣性環(huán)節(jié)及二階閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行測(cè)試，畫出對(duì)象波特圖。（一）、一階慣性環(huán)節(jié)頻率特性1實(shí)驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.1.1：圖3.1.12模擬電路圖如圖3.1.2：實(shí)驗(yàn)參數(shù)取R0R1100k， C1uF。圖3.1.2開環(huán)傳函為： （二）、二階系統(tǒng)閉環(huán)頻率特性1實(shí)驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)框圖如圖3.2.1：圖3.2.12模擬電路圖如圖3.2.2：圖3.2.2開環(huán)傳函為： 閉環(huán)傳函為： 得轉(zhuǎn)折頻率 阻尼比 0.5。三、實(shí)驗(yàn)步驟:此次實(shí)驗(yàn)，采用直接測(cè)量方法測(cè)量對(duì)象的閉環(huán)波特圖及間接測(cè)量方法測(cè)

10、量對(duì)象的開環(huán)波特圖。將信號(hào)源單元的“ST”插針分別與“S”插針和“+5V”插針斷開，運(yùn)放的鎖零控制端“ST”此時(shí)接至示波器單元的“SL”插針處，鎖零端受“SL”來控制。實(shí)驗(yàn)過程中“SL”信號(hào)由虛擬儀器自動(dòng)給出。1實(shí)驗(yàn)接線：按模擬電路圖圖3.2.1、3.2.2接線，檢查無誤后方可開啟設(shè)備電源。2直接測(cè)量方法 (測(cè)對(duì)象的閉環(huán)波特圖)(1) 將示波器單元的“SIN”接至圖3.2.1、3.2.2中的信號(hào)輸入端，“CH1”路表筆插至圖3.2.1、3.2.2中的4運(yùn)放的輸出端。(2) 打開集成軟件中的頻率特性測(cè)量界面的“參數(shù)設(shè)置”窗口，根據(jù)需要設(shè)置好幾組正弦波信號(hào)的角頻率和幅值，選擇測(cè)量方式為“直接”測(cè)量

11、，每組參數(shù)應(yīng)選擇合適的波形比例系數(shù)，具體如下圖所示:(3) 確認(rèn)設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)后，點(diǎn)擊“發(fā)送”按鈕，發(fā)送一組參數(shù)，待測(cè)試完畢，顯示時(shí)域波形，此時(shí)需要用戶自行移動(dòng)游標(biāo)，將兩路游標(biāo)同時(shí)放置在兩路信號(hào)的相鄰的波峰 (波谷) 處，或零點(diǎn)處，來確定兩路信號(hào)的相位移。兩路信號(hào)的幅值系統(tǒng)將自動(dòng)讀出。重復(fù)操作(3)，直到所有參數(shù)測(cè)量完畢。(4) 待所有參數(shù)測(cè)量完畢后，打開波特圖窗口，觀察所測(cè)得的波特圖。該圖由若干點(diǎn)構(gòu)成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組參數(shù)下的測(cè)量結(jié)果。圖3.3.1一階慣性環(huán)節(jié)波特圖二階系統(tǒng)波特圖點(diǎn)擊極坐標(biāo)圖按鈕，可以得到對(duì)象的閉環(huán)極坐標(biāo)如下：一階慣性環(huán)節(jié)極坐標(biāo)圖波二階系統(tǒng)極坐標(biāo)圖(5)

12、 根據(jù)所測(cè)圖形可適當(dāng)修改正弦波信號(hào)的角頻率和幅值重新測(cè)量，達(dá)到滿意的效果。3間接測(cè)量方法：(測(cè)對(duì)象的開環(huán)波特圖)將示波器的“CH1”接至3運(yùn)放的輸出端，“CH2”接至1運(yùn)放的輸出端。按直接測(cè)量的參數(shù)將參數(shù)設(shè)置好，將測(cè)量方式改為間接測(cè)量。此時(shí)相位差是指反饋信號(hào)和誤差信號(hào)的相位差，應(yīng)將兩根游標(biāo)放在反饋和誤差信號(hào)上。測(cè)得對(duì)象的開環(huán)波特圖如下：點(diǎn)擊極坐標(biāo)圖按鈕，可以得到對(duì)象的開環(huán)極坐標(biāo)如下：4注意：(1) 測(cè)量過程中要去除運(yùn)放本身的反相的作用，即保持兩路測(cè)量點(diǎn)的相位關(guān)系與運(yùn)放無關(guān)，所以在測(cè)量過程中可能要適當(dāng)加入反相器，濾除由運(yùn)放所導(dǎo)致的相位問題。(2) 測(cè)量過程中，可能會(huì)由于所測(cè)信號(hào)幅值衰減太大，信號(hào)

13、很難讀出，須放大，若放大的比例系數(shù)不合適，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。所以要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整誤差或反饋比例系數(shù)。實(shí)驗(yàn)四 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?#160;1熟悉串聯(lián)校正裝置對(duì)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的影響。2掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)調(diào)試技術(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容1.原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及性能指標(biāo)結(jié)構(gòu)框圖如圖4.1.1：圖4.1.1模擬電路圖如圖4.1.2： 圖4.1.2     由圖可知系統(tǒng)開環(huán)傳函：系統(tǒng)閉環(huán)傳函：系統(tǒng)的特征參量：n 6.32, 0.158系統(tǒng)的性能指標(biāo)：Mp60，ts4s，靜態(tài)誤差系數(shù)Kv20 (1/s)2期望校正后系

14、統(tǒng)的性能指標(biāo)要求采用串聯(lián)校正的方法，使系統(tǒng)滿足下述性能指標(biāo)：Mp25，tS1s，靜態(tài)誤差系數(shù)Kv20 (1/s)3. 校正后的結(jié)構(gòu)框圖及性能指標(biāo)串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的傳函為：加校正環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖為如圖4.2.1： 圖4.2.1模擬電路圖如圖4.2.2： 圖4.2.2三、實(shí)驗(yàn)步驟:1. 將信號(hào)源單元的“ST”端插針與“S”端插針用“短路塊”短接。由于每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)置了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管，所以運(yùn)放具有鎖零功能。將開關(guān)分別設(shè)在“方波”檔和“500ms12s”檔，調(diào)節(jié)調(diào)幅和調(diào)頻電位器，使得“OUT”端輸出的方波幅值為1V，周期為10s左右。2測(cè)量原系統(tǒng)的性能指標(biāo)。(1) 按圖1接線。將1中的方波信號(hào)加至輸入

15、端。(2) 用示波器“CH1”和“CH2”表筆測(cè)量輸入端和輸出端，計(jì)算響應(yīng)曲線的超調(diào)量MP和調(diào)節(jié)時(shí)間tS。3. 測(cè)量校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)。(1) 按圖2接線。將1中的方波信號(hào)加至輸入端。(2) 用示波器“CH1”和“CH2”表筆測(cè)量輸入端和輸出端。計(jì)算響應(yīng)曲線的超調(diào)量MP和調(diào)節(jié)時(shí)間tS，是否達(dá)到期望值，若未達(dá)到，請(qǐng)仔細(xì)檢查接線 (包括阻容值)。 四、實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象分析:下面列出未校正和校正后系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：實(shí)驗(yàn)五 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性 二階非線性系統(tǒng)相平面法一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解并掌握典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性。2了解并掌握典型非線性環(huán)節(jié)的電路模擬研究方法。3學(xué)習(xí)用相平面法分析非線性系統(tǒng)。4熟悉研究非

16、線性系統(tǒng)的電路模擬研究方法。二實(shí)驗(yàn)原理及內(nèi)容1完成繼電型非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬研究。(1) 模擬電路圖如圖5.1.1圖5.1.1圖中雙向穩(wěn)壓二極管在實(shí)驗(yàn)裝置中由兩只單向的5.1V的穩(wěn)壓二極管負(fù)極對(duì)接而成。(2) 將輸入、輸出電壓在X_Y坐標(biāo)上的實(shí)際測(cè)量曲線與理論響應(yīng)曲線做對(duì)比并予以分析如圖5.1.2。圖中M值等于雙向穩(wěn)壓管的穩(wěn)定值。圖5.1.22完成飽和型非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬研究。(1) 模擬電路圖：將圖5.1.1中的 (b) 部分用圖5.2.1代替。 圖5.2.1(2) 輸入、輸出電壓在X_Y坐標(biāo)上的實(shí)際測(cè)量曲線與理論響應(yīng)曲線對(duì)比及分析如圖5.2.2。 圖5.2.2理想飽和特性圖中

17、特性飽和值等于穩(wěn)壓管的穩(wěn)壓值，斜率K等于前一級(jí)反饋電阻值與輸入電阻之比，即： K = R1/R3用相平面法分析繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。(1) 結(jié)構(gòu)框圖如圖5.3.1：圖5.3.1(2) 模擬電路如圖5.3.2: 圖5.3.24用相平面法分析飽和型非線性系統(tǒng)的階躍響應(yīng)和穩(wěn)態(tài)誤差。(1) 結(jié)構(gòu)框圖如圖5.4.1：圖5.4.1(2) 模擬電路如圖5.4.2:圖5.4.25.測(cè)量方法從圖5.3.2和圖5.4.2中可以看出，1 運(yùn)算放大器的輸出是 e，4運(yùn)算放大器的輸出是 ，所以7運(yùn)算放大器的輸出為。因此將1 運(yùn)算放大器的輸出接至示波器單元的“CH1”(X軸)輸入端，而將4運(yùn)算放大器的輸出

18、接至示波器單元的“CH2”(Y軸)輸入端，這樣打開集成軟件中的“X_Y窗口”，開始測(cè)量，就可獲得e相平面上的相軌跡曲線。三、實(shí)驗(yàn)步驟:1準(zhǔn)備：將信號(hào)源單元的“ST”插針和“5V”插針用“短路塊”短接。2實(shí)驗(yàn)步驟(1) 按圖5.1.2接線，圖中的 (a) 和 (b) 之間的虛線處用導(dǎo)線連接好 (a中的5V與Z、5V與X之間分別用短路塊短接)。(2) 將“CH1”和“CH2”路表筆分別接至模擬電路中的輸入端 (Ui) 和輸出端 (Uo)，打開集成軟件中的X_Y測(cè)量窗口，開始測(cè)量。(3) 調(diào)節(jié)電位器，改變輸入電壓Ui，觀測(cè)并記錄Uo Ui圖形。(4) 按圖5.2.1接線，輸入電壓電路采用圖5.1.1中的辦法，重復(fù)上述步驟 (2) (3) 觀察并記錄各典型非線性環(huán)節(jié)的輸入電壓和輸出電壓的對(duì)應(yīng)關(guān)系。(5) 注意：實(shí)驗(yàn)前應(yīng)對(duì)電容進(jìn)行放電操作，方法是先將此環(huán)節(jié)和其它環(huán)節(jié)及信號(hào)源斷開，然后將電容兩端分別短接即可。3準(zhǔn)備：將信號(hào)源單元的“ST”端 (插針) 與“5V”端 (插針) 用“短路塊”短接，使模擬電路中的場(chǎng)效應(yīng)管夾斷 (每個(gè)運(yùn)放單元均設(shè)置了鎖零場(chǎng)效應(yīng)管)，這時(shí)運(yùn)放處于無鎖零控制的工作狀態(tài)。4階躍信號(hào)的產(chǎn)生：電路可采用圖5