雙容水箱液位控制_北京工業(yè)大學(xué)

1、自動(dòng)控制系統(tǒng)課程設(shè)計(jì) 雙容水箱系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)與試驗(yàn)課程設(shè)計(jì)與報(bào)告成 員： 專 業(yè)： 自動(dòng)化 任課教師： 于建均 完成日期： 2015年6月20日 目 錄1、緒論32、課程設(shè)計(jì)任務(wù)43、被控對(duì)象的模型及分析44、系統(tǒng)控制方案論證65、控制結(jié)構(gòu)與控制器設(shè)計(jì)步驟76、實(shí)驗(yàn)過(guò)程論述87、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析118、總結(jié)129、附錄13緒論雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見的工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)液位系統(tǒng) ，在實(shí)際生產(chǎn)中 ，雙容水箱控制系統(tǒng)在石油、化工環(huán)保水處理冶金等行業(yè)尤為常見。通過(guò)液位的檢測(cè)與控制從而調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料的平衡，以便保證生產(chǎn)過(guò)程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。 經(jīng)過(guò)比較和篩選，串級(jí)控制系統(tǒng)PID控制無(wú)論是從操作性

2、、經(jīng)濟(jì)性還是從系統(tǒng)的控制效果均有比較突出的特性，因此采用串級(jí)控制系統(tǒng)PID控制對(duì)雙容水箱液位控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)控制。論文以THBDC-1型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)為基礎(chǔ)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，利用MATLAB的曲線擬合的方法分別仿真出系統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應(yīng)曲線。對(duì)曲線進(jìn)行處理求出各水箱的參數(shù)，用所求出的參數(shù)列寫出水箱的傳遞函數(shù)。采用復(fù)雜控制系統(tǒng)中的串級(jí)控制系統(tǒng)列寫出系統(tǒng)框圖，根據(jù)串級(jí)控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定的方法整定出主控制器和副控制器的P、I、D的數(shù)值，從而滿足控制系統(tǒng)對(duì)各項(xiàng)性能的要求。一、課程設(shè)計(jì)任務(wù)一、課程設(shè)計(jì)目的（1）掌握自動(dòng)控制系統(tǒng)的分析與控制器設(shè)計(jì)方法。（2）掌握基于MATLA

3、B的系統(tǒng)仿真方法（3）掌握基于實(shí)驗(yàn)方法確定系統(tǒng)模型參數(shù)的方法(4) 掌握基于物理對(duì)象的控制系統(tǒng)的調(diào)試方法（5）培養(yǎng)編制技術(shù)總結(jié)報(bào)告的能力。2、被控對(duì)象: 雙容水箱系統(tǒng)3、 性能指標(biāo)要求衰減率4:110:1,超調(diào)量Mp10%，調(diào)節(jié)時(shí)間Ts45s，穩(wěn)態(tài)誤差二、被控對(duì)象的模型及分析1雙容水箱的數(shù)學(xué)模型雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖如下圖所示： 圖2-3 雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖設(shè)流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度H2為輸出量，根據(jù)物料動(dòng)態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過(guò)程中的時(shí)延，其傳遞函數(shù)為式中 K=R4，T1=R2C1，T2=R4C2，R2、R4分別為閥V3和V4的液阻，C1 和C2分別為左水箱和右

4、水箱的容量系數(shù)。式中的K、T1和T2可由實(shí)驗(yàn)求得的階躍響應(yīng)曲線求出。具體的做法是在下圖所示的階躍響應(yīng)曲線上取：1）、h2（t）穩(wěn)態(tài)值的漸近線h2()；圖2-4 階躍響應(yīng)曲線2）、h2（t）|t=t1=0.4 h2()時(shí)曲線上的點(diǎn)A和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t1；3）、h2（t）|t=t2=0.8 h2()時(shí)曲線上的點(diǎn)B和對(duì)應(yīng)的時(shí)間t2。然后，利用下面的近似公式計(jì)算式1-6中的參數(shù)K、T1和T2。其中： 對(duì)于式（1-6）所示的二階過(guò)程，0.32t1/t20.46。當(dāng)t1/t2=0.32時(shí) ，為一階環(huán)節(jié)；當(dāng)t1/t2=0.46時(shí)，過(guò)程的傳遞函數(shù)G(S)=K/(TS+1)2（此時(shí)T1=T2=T=(t1+t2)/2

5、*2.18 ）過(guò)曲線的拐點(diǎn)做一條切線，它與橫軸交于A點(diǎn)，OA即為滯后時(shí)間常數(shù)。實(shí)際測(cè)得的階躍響應(yīng)曲線2、 雙容水箱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的分析雙容水箱系統(tǒng)的等效傳函是個(gè)二階慣性環(huán)節(jié)，從圖上可以看出水箱系統(tǒng)的滯后包括兩個(gè)部分，一部分是由于傳輸延時(shí)造成的純滯后，另一部分是有水箱自身的容量滯后。由于系統(tǒng)是二階慣性環(huán)節(jié)，所以開環(huán)曲線呈“s”型。三、系統(tǒng)控制方案論證1、選用的控制方法：PID控制方法2、 控制方法簡(jiǎn)介PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡(jiǎn)單的控制方式。其控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)成比例關(guān)系，能較快克服擾動(dòng)，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來(lái)。但當(dāng)僅有比例控制時(shí)系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（

6、2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的積分成正比關(guān)系。對(duì)一個(gè)自動(dòng)控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項(xiàng)”積分項(xiàng)對(duì)誤差的累積取決于時(shí)間的積分，隨著時(shí)間的增加，積分項(xiàng)會(huì)越大。這樣，即便誤差很小，積分項(xiàng)也會(huì)隨著時(shí)間的增加而加大，它推動(dòng)控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。但是過(guò)大的積分速度會(huì)降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出現(xiàn)發(fā)散的振蕩過(guò)程。比例+積分(PI)控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無(wú)穩(wěn)態(tài)誤差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號(hào)的微分（即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動(dòng)控制

7、系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過(guò)程中可能會(huì)出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制誤差的作用，其變化總是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的變化“超前”，即在誤差接近零時(shí)，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。四、控制結(jié)構(gòu)與控制器設(shè)計(jì)步驟1、控制結(jié)構(gòu)：PID控制系統(tǒng)+r(t) 比例P積分I微分D被控對(duì)象PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r(t)與實(shí)際值y(t)構(gòu)成控制偏差： 式（4.1）控制規(guī)律為： 式（4.2）或以傳遞函數(shù)形式表示： 式（4.3）KP:比例系數(shù) TI:積分時(shí)間常數(shù) TD:微分時(shí)間常數(shù)。2、控制器的設(shè)計(jì)：經(jīng)驗(yàn)湊試法整定方法：采用實(shí)驗(yàn)湊試法：它是通

8、過(guò)閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，然后根據(jù)各參數(shù)對(duì)系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定PID控制參數(shù)。整定步驟：實(shí)驗(yàn)湊試法的整定步驟為先比例，再積分，最后微分。a)整定比例控制 ：將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小的響應(yīng)曲線。b)整定積分環(huán)節(jié)：若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入積分控制。c） 可以先將選擇的比例系數(shù)減小為原來(lái)的5080，再將積分時(shí)間置一個(gè)較大值，觀測(cè)響應(yīng)曲線。然后減小積分時(shí)間，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào)整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。d）整定微分環(huán)節(jié)：經(jīng)過(guò)積分整定，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動(dòng)

9、態(tài)過(guò)程不能令人滿意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成PID控制?？上戎梦⒎謺r(shí)間TD=0，逐漸加大TD，同時(shí)相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時(shí)間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。最終PID結(jié)構(gòu)及參數(shù)：五、實(shí)驗(yàn)過(guò)程論述 在課設(shè)的開始階段，我們先熟悉了一下實(shí)驗(yàn)所用到的儀器及軟件，并對(duì)實(shí)驗(yàn)過(guò)程和目的進(jìn)行了一番學(xué)習(xí)及了解。接下來(lái)我們便進(jìn)入到了對(duì)單/雙容水箱的特性測(cè)試，也就是對(duì)變送器的調(diào)試，由于主副回路變送器的滑變總是自動(dòng)跳數(shù)，所以導(dǎo)致我們組花了很長(zhǎng)的時(shí)間去確定零點(diǎn)電壓及線性關(guān)系。最后主副回路零點(diǎn)電壓基本分別穩(wěn)定在了1.04v和1.1v。然后便是對(duì)水箱數(shù)學(xué)模型的建立以及控制結(jié)構(gòu)與控制器的設(shè)計(jì)與仿真。（也就是我

10、前面所陳述的傳函的測(cè)試與建立，以及我們組所選擇的串級(jí)控制系統(tǒng)和PID整定方法）此階段我們組完成的還算比較順利，雖然不能保證所得傳函一定百分百準(zhǔn)確，但PID參數(shù)的調(diào)試及仿真結(jié)果還算比較令人滿意。 最后便進(jìn)入到了實(shí)時(shí)控制階段。當(dāng)我們天真的以為仿真調(diào)參過(guò)后已經(jīng)接近成功的時(shí)候，實(shí)時(shí)控制的結(jié)果告訴我們，理想和現(xiàn)實(shí)果然還有一定的差距。當(dāng)我們搭好模型并采用我們仿真所調(diào)試的參數(shù)進(jìn)行測(cè)試后驚奇并失望的發(fā)現(xiàn)，不僅響應(yīng)曲線不對(duì)，連液位都無(wú)法穩(wěn)定。一陣挫敗感過(guò)后，實(shí)驗(yàn)依然得繼續(xù)，我們便進(jìn)入了新一輪的調(diào)參活動(dòng)中，最終我們確定的方案是副回路用比例控制，主回路用比例積分控制。當(dāng)我們隨意給定系統(tǒng)幾個(gè)液位值并加入各種形式擾動(dòng)后

11、，系統(tǒng)依然能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，雖然調(diào)節(jié)時(shí)間略 長(zhǎng)，但其它性能指標(biāo)要求已基本滿足。至此實(shí)驗(yàn)基本告以段落。實(shí)時(shí)控制結(jié)構(gòu)圖 ：實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)中的添加部分：在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，PID環(huán)節(jié)后面加了一個(gè)1.8V的偏置電壓，原因是調(diào)節(jié)閥在接收到1.8V電壓時(shí)才會(huì)做出出水的響應(yīng)，加了1.8v的好處是在后面計(jì)算流量與電壓中可以直接對(duì)輸出的水量與電壓做一個(gè)接近于線性的比例關(guān)系，這個(gè)關(guān)系就是后面接的那個(gè)1.17的放大環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)實(shí)現(xiàn)了流量與電壓的直接對(duì)應(yīng)關(guān)系。最后面我又加了一個(gè)-1.15V的直流偏置電壓，此環(huán)節(jié)是為了在水位高度為零的時(shí)候，電壓輸出正好為0V，在原始調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)中，我們按照要求，設(shè)定的為1V，在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中，由于其他人改變了

12、調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)電阻，以及其他的干擾因素，都使得0高度水位時(shí)輸出的電壓為1.15V，在這里減去這個(gè)電壓，是的最終輸出高度與電壓的比例關(guān)系，正好為1:10，方便觀察及計(jì)算。另外，在計(jì)算PID環(huán)節(jié)，其中積分環(huán)節(jié)，我加入了一個(gè)+-0.5V的限位，這使得積分環(huán)節(jié)被限制在了一個(gè)小的范圍內(nèi)，使得在PID響應(yīng)過(guò)程更加迅速準(zhǔn)確，相當(dāng)于把原有積分環(huán)節(jié)修改成了在某一區(qū)間內(nèi)的積分環(huán)節(jié)，這一點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)性能有較大的提高。1 系統(tǒng)階躍響應(yīng)【PID環(huán)節(jié)加入限位的前后對(duì)比】加入前:Ts明顯超過(guò)150s，加入后可見Ts為130s左右，滿足實(shí)驗(yàn)要求技術(shù)指標(biāo)： Mp=9%10% Ts=130s Ess=02 給定10cm 330s突加給

13、定7cm 可見不僅超調(diào)很小而且高度改正迅速，并能實(shí)現(xiàn)無(wú)差技術(shù)指標(biāo)： Mp= 5% Ts=140s加擾動(dòng)后： Mp= 7.3% Ts=140s3、給定10cm 180s時(shí)突然加大閥門調(diào)價(jià)干擾， 33s突然加大放水閥門，400s時(shí)給定為9cm 300s有一個(gè)小的拐點(diǎn)，原因是閥門開度實(shí)在太大，使得水位回升太慢，因此稍微調(diào)小一點(diǎn)點(diǎn)放水的閥門，因此出現(xiàn)了一個(gè)小拐點(diǎn)，對(duì)于實(shí)驗(yàn)來(lái)說(shuō)沒有影響?？梢钥闯觯{(diào)進(jìn)不超過(guò)10%，并且加干擾后系統(tǒng)響應(yīng)迅速無(wú)靜差。3、 加水干擾測(cè)試120s突然加大放水閥門，320s突然向水箱中加入300ml水 原有系統(tǒng)超調(diào)不超過(guò)8%，在突然放水時(shí)相應(yīng)迅速，快速實(shí)現(xiàn)無(wú)差，在后面突然加水環(huán)

14、節(jié)，更是響應(yīng)十分迅速，超調(diào)接近9%，并能夠快速實(shí)現(xiàn)無(wú)差。 六、實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果：從圖中可以看出，在我們隨意給定7cm和9cm以及加入適當(dāng)擾動(dòng)后，系統(tǒng)依然能恢復(fù)穩(wěn)定并保證無(wú)靜差且響應(yīng)曲線較好，但由于更正系統(tǒng)參數(shù)后時(shí)間緊迫使得在選擇PID參數(shù)時(shí)不夠精確，導(dǎo)致調(diào)節(jié)時(shí)間雖然滿足要求，但是調(diào)節(jié)時(shí)間較長(zhǎng)。分析：縱觀我們組整個(gè)實(shí)驗(yàn)過(guò)程以及最后響應(yīng)曲線的呈現(xiàn)，我總結(jié)出以下幾個(gè)問題：（1）仿真的階躍響應(yīng)曲線與實(shí)際曲線之間存在一定的差別。仿真處于理想狀態(tài)，而實(shí)際是不可能處于理想狀態(tài)的，系統(tǒng)受到了個(gè)個(gè)方面的干擾，其次，我組在計(jì)算系統(tǒng)參數(shù)的時(shí)候采用了大量的近似計(jì)算，所以這也有可能造成了仿真與實(shí)際系統(tǒng)之間的誤差。

15、 （2）實(shí)際液位與示波器顯示的差別這個(gè)問題是我們組在進(jìn)行實(shí)時(shí)控制時(shí)遇到的。這一點(diǎn)十分惱人，因?yàn)橛泻芏嘟M人一起做實(shí)驗(yàn)，不同組別有不同的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)閥的開度也總會(huì)改變，因此其比例很難掌握，不過(guò)在姐家來(lái)的階段中，我們找到了更好的方法，就是在PID環(huán)節(jié)之后加的1.17倍的比例，原因之前已經(jīng)論述。（3）系統(tǒng)調(diào)節(jié)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)雖然P I D三部分各有各自的特點(diǎn)，但在調(diào)節(jié)過(guò)程中他們的作用畢竟還是相互的， 正所謂牽一發(fā)而動(dòng)全身。調(diào)節(jié)時(shí)間被限定在150s，雖然都滿足實(shí)驗(yàn)要求，但是我發(fā)現(xiàn)在積分環(huán)節(jié)加入+0.5V的限位以后有較大改觀，原因之前已經(jīng)論述。（4）流量與高度的關(guān)系雖然我們實(shí)際控制的量為流量不是高度，而實(shí)驗(yàn)最終目的

16、是為了實(shí)現(xiàn)控制高度，但是我們找到了一個(gè)關(guān)系，使得流量和高度有了對(duì)應(yīng)關(guān)系，就是先加入1.8V的偏置，后面在添加一個(gè)1.15V的比例關(guān)系，即可實(shí)現(xiàn)，原因之前已經(jīng)論述。七、總結(jié)本次雙容水箱控制實(shí)驗(yàn)收獲頗豐。這次實(shí)驗(yàn)讓我們有了一次將理論與實(shí)踐相結(jié)合的機(jī)會(huì)。雖然相關(guān)的知識(shí)在理論課上都有涉及，但到了實(shí)際應(yīng)用中又是另一回事兒。從參數(shù)的測(cè)量，系統(tǒng)控制方法的選擇，控制器的設(shè)計(jì)以及最后在實(shí)物上進(jìn)行測(cè)試，讓我們對(duì)工業(yè)控制的過(guò)程有了更清晰的了解。 在實(shí)際調(diào)試過(guò)程中遇到的參數(shù)調(diào)節(jié)問題，是我們收獲最大的部分，其中為了達(dá)到目的而不停地嘗試修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，添加有效調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，都是的我們收獲很大。 其次，這次課設(shè)讓我們更加熟悉了仿

17、真軟件MATLAB的使用以及“實(shí)時(shí)控制”這個(gè)我們以前完全沒有接觸過(guò)的東西。同時(shí)，這次試驗(yàn)也讓我們對(duì)自控及過(guò)控書上的知識(shí)進(jìn)行了復(fù)習(xí)以及應(yīng)用。 其中這次課設(shè)對(duì)我們組而言也應(yīng)吸取一些經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn)。比如我們的實(shí)時(shí)控制一直出不來(lái)，直到周五下午才在老師的幫助下發(fā)現(xiàn)，原來(lái)我們所用的萬(wàn)用表一直是壞的，導(dǎo)致我們要在三個(gè)小時(shí)之內(nèi)重新調(diào)零調(diào)參測(cè)曲線，可見一個(gè)小小的疏忽不僅浪費(fèi)了時(shí)間還對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的質(zhì)量產(chǎn)生了一定的影響。還好比較幸運(yùn)的是我們基本順利的完成了此次課設(shè)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果也較為滿意。最后特別感謝老師的指導(dǎo)以及其它組同學(xué)在忙碌之余對(duì)我們組伸出的橄欖枝，我們以后會(huì)再接再厲，多參加一些這樣的實(shí)習(xí)，提高自己的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，為以后工

18、作打下堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。 7、附錄附件1：THBDC-1型控制理論計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)硬件的組成及使用一、直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源主要用于給實(shí)驗(yàn)平臺(tái)提供電源。有5V/0.5A、15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保護(hù)自恢復(fù)功能。它們的開關(guān)分別由相應(yīng)的鈕子開關(guān)控制，并由相應(yīng)發(fā)光二極管指示。其中+24V主用于溫度控制單元和直流電機(jī)單元。實(shí)驗(yàn)前，啟動(dòng)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)左側(cè)的空氣開關(guān)和實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的電源總開關(guān)。并根據(jù)需要將5V、15V、+24V鈕子開關(guān)拔到“開”的位置。實(shí)驗(yàn)時(shí)，通過(guò)2號(hào)連接導(dǎo)線將直流電壓接到需要的位置。二、低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器及鎖零按鈕低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號(hào)發(fā)生器專用芯片及

19、外圍電路組合而成，主要輸出有正弦波信號(hào)、三角波信號(hào)、方波信號(hào)、斜波信號(hào)和拋物波信號(hào)。輸出頻率分為T1、T2、T3、T4四檔。其中正弦信號(hào)的頻率范圍分別為0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz、49.8Hz1.7kHz、700Hz10kHz三檔，Vp-p值為16V。使用時(shí)先將信號(hào)發(fā)生器單元的鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，并根據(jù)需要選擇合適的波形及頻率的檔位，然后調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”微調(diào)電位器，以得到所需要的頻率和幅值，并通過(guò)2號(hào)連接導(dǎo)線將其接到需要的位置。另外本單元還有一個(gè)鎖零按鈕，用于實(shí)驗(yàn)前運(yùn)放單元中電容器的放電。當(dāng)按下按鈕時(shí)，通用單元中的場(chǎng)效應(yīng)管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電容器

20、兩端的初始電壓為0V；當(dāng)按鈕復(fù)位時(shí)，單元中的場(chǎng)效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，此時(shí)可以開始實(shí)驗(yàn)。三、階躍信號(hào)發(fā)生器階躍信號(hào)發(fā)生器主要提供實(shí)驗(yàn)時(shí)的階躍給定信號(hào)，其輸出電壓范圍為-5+5V，正負(fù)檔連續(xù)可調(diào)。使用時(shí)根據(jù)需要可選擇正輸出或負(fù)輸出，具體通過(guò)“階躍信號(hào)發(fā)生器”單元的拔動(dòng)開關(guān)來(lái)實(shí)現(xiàn)。當(dāng)按下自鎖按鈕時(shí)，單元的輸出端輸出一個(gè)連續(xù)可調(diào)(選擇正輸出時(shí)，調(diào)RP1電位器；選擇負(fù)輸出時(shí)，調(diào)RP2電位器)的階躍信號(hào)(當(dāng)輸出電壓為1V時(shí)，即為單位階躍信號(hào))，實(shí)驗(yàn)開始；當(dāng)按鈕復(fù)位時(shí)，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：?jiǎn)卧妮敵鲭妷嚎赏ㄟ^(guò)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的直流數(shù)字電壓表來(lái)進(jìn)行測(cè)量。 四、低頻頻率計(jì)低頻頻率計(jì)是由單片機(jī)89C2051和六

21、位共陰極LED數(shù)碼管設(shè)計(jì)而成的，具有輸入阻抗大和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。其測(cè)頻范圍為：0.1Hz10.0kHz。低頻頻率計(jì)主要用來(lái)測(cè)量函數(shù)信號(hào)發(fā)生器或外來(lái)周期信號(hào)的頻率。使用時(shí)先將低頻頻率計(jì)的電源鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，然后根據(jù)需要將測(cè)量鈕子開關(guān)拔到“外測(cè)”(此時(shí)通過(guò)“輸入”或“地”輸入端輸入外來(lái)周期信號(hào))或“內(nèi)測(cè)”(此時(shí)測(cè)量低頻函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸出信號(hào)的頻率)。另外本單元還有一個(gè)復(fù)位按鈕，以對(duì)低頻頻率計(jì)進(jìn)行復(fù)位操作。注：將“內(nèi)測(cè)/外測(cè)”開關(guān)置于“外測(cè)”時(shí)，而輸入接口沒接被測(cè)信號(hào)時(shí)，頻率計(jì)有時(shí)會(huì)顯示一定數(shù)據(jù)的頻率，這是由于頻率計(jì)的輸入阻抗大，靈敏度高，從而感應(yīng)到一定數(shù)值的頻率。此現(xiàn)象并不影響內(nèi)外測(cè)頻。

22、五、交/直流數(shù)字電壓表交/直流數(shù)字電壓表有三個(gè)量程，分別為200mV、2V、20V。當(dāng)自鎖開關(guān)不按下時(shí)，它作直流電壓表使用，這時(shí)可用于測(cè)量直流電壓；當(dāng)自鎖開關(guān)按下時(shí)，作交流毫伏表使用，它具有頻帶寬（10Hz400kHz）、精度高（5）和真有效值測(cè)量的特點(diǎn)，即使測(cè)量窄脈沖信號(hào)，也能測(cè)得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達(dá)到10。六、通用單元電路通用單元電路具體見實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的U1、U2、U4U18單元。這些單元主要由運(yùn)放、電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過(guò)接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。其中U1為能控性與能觀性單元，U2為無(wú)源器件單元，U4為電壓轉(zhuǎn)換單元，U5為非

23、線性單元，U6為反相器單元。U7U18為通用運(yùn)放單元，主要用于比例、積分、微分、慣性等電路環(huán)節(jié)的構(gòu)造。七、零階保持器零階保持器為實(shí)驗(yàn)主面板上U3單元。它采用“采樣-保持器”組件LF398，具有將連續(xù)信號(hào)離散后的零階保持器輸出信號(hào)的功能，其采樣頻率由外接的方波信號(hào)頻率決定。使用時(shí)只要接入外部的方波信號(hào)及輸入信號(hào)即可。八、數(shù)據(jù)采集接口單元數(shù)據(jù)采集卡采用研華PCI1711卡，它可直接插在IBM-PC/AT 或與之兼容的計(jì)算機(jī)內(nèi)，其采樣頻率為350k；有16路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度均為14位；4路D/A模擬量輸出，轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出。接口單元?jiǎng)t放于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)內(nèi)

24、，用于實(shí)驗(yàn)平臺(tái)與PC上位機(jī)的連接與通訊。數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出(AI/AO)與開關(guān)量輸入輸出(DI/DO)兩部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。上位機(jī)軟件安裝及使用說(shuō)明一、上位機(jī)控制工程1運(yùn)行環(huán)境項(xiàng)目描述CPUP4(2.2G)以上內(nèi)存512M以上硬盤不限操作系統(tǒng)最好WinXP顯示設(shè)備17寸顯卡要求64M以上用戶名不能使用中文2上位機(jī)程序適用于MATLAB6.5版本MATLAB控制產(chǎn)品集支持控制設(shè)計(jì)過(guò)程的每一個(gè)環(huán)節(jié)，可以用于不同的領(lǐng)域，如過(guò)程仿真與控制、汽車、航空航天、計(jì)算機(jī)和通訊等領(lǐng)域。使用MATLAB高級(jí)編程語(yǔ)言，能使控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和分析更加方便，編程者只需

25、花很短的時(shí)間就可以開發(fā)出控制算法復(fù)雜、繪圖功能強(qiáng)大的程序，以實(shí)現(xiàn)對(duì)數(shù)據(jù)、方程和結(jié)果的顯示。注：實(shí)驗(yàn)程序處于運(yùn)行狀態(tài)時(shí)，不能強(qiáng)制對(duì)界面進(jìn)行最小化操作，否則將出現(xiàn)錯(cuò)誤。二、上位機(jī)軟件的使用說(shuō)明1、仿真部分使用說(shuō)明1.1 雙擊任何一個(gè)模塊，都可以修改其參數(shù)。仿真過(guò)程中，只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容，修改仿真窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動(dòng)，如有改動(dòng)，關(guān)閉窗口時(shí)，不要選擇存盤。1.2 當(dāng)達(dá)到仿真結(jié)束時(shí)間，而示波器不能完整地顯示仿真波形時(shí)，可通過(guò)同時(shí)修改仿真參數(shù)和示波器參數(shù)實(shí)現(xiàn)。仿真參數(shù)的修改方法：按住Ctrl+E鍵，在彈出的窗口中修改Stop time的值。示波器參數(shù)的修改方法：在打開的示波器窗口中

26、點(diǎn)擊Parameters圖標(biāo)，在彈出的窗口中修改Time range的參數(shù)。修改完成后，示波器的Time range值必須大于或等于仿真參數(shù)的Stop time值。1.3 示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過(guò)右擊示波器窗口，選擇Axes Properties項(xiàng)，在彈出的窗口中修改Y-min和 Y-max的值。1.4 每次參數(shù)更新后，需點(diǎn)擊Start Simulation圖標(biāo)進(jìn)行仿真，這樣才能看到新的結(jié)果（“典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量”仿真除外）。2、實(shí)驗(yàn)部分使用說(shuō)明2.1 雙擊任何一個(gè)模塊，都可以修改其參數(shù)。實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，只需按照實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書的內(nèi)容，修改實(shí)驗(yàn)窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動(dòng)，如

27、有改動(dòng)，關(guān)閉窗口時(shí)，不要選擇存盤。2.2 示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過(guò)右擊示波器窗口，選擇Axes Properties項(xiàng)，在彈出的窗口中修改Y-min和 Y-max的值。2.3 實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，有時(shí)會(huì)彈出一個(gè)提示為“Incomplete message in communication buffer”的窗口，這是由MATLAB R2007a以下的版本存在bug而引起，此時(shí)只需關(guān)閉彈出窗口，再次點(diǎn)擊Conect to targer圖標(biāo)即可繼續(xù)實(shí)驗(yàn)。2.4 基于simulink的仿真屬于偽實(shí)時(shí)仿真，其仿真時(shí)間并不與實(shí)際時(shí)間同步，而與機(jī)器執(zhí)行速度和模型復(fù)雜度有關(guān)。在完成實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)時(shí)，界面中所顯示的時(shí)間約為實(shí)際時(shí)間的兩倍。3、實(shí)時(shí)控制實(shí)驗(yàn)軟件初始化MATLAB軟件提供了一個(gè)實(shí)時(shí)開發(fā)環(huán)境，可用于實(shí)時(shí)系統(tǒng)仿真和產(chǎn)品的快速原型化，這一點(diǎn)是通過(guò)特殊應(yīng)用工具箱Real-Time Wor