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文檔簡介
1、EL-DS- 型電氣控制系統(tǒng)綜合實驗臺自動控制原理實驗指南北京精儀達盛科技有限公司2005年5月實驗注意事項實驗注意事項(一)“綜合實驗臺” 及其掛箱初次使用或較長時間未用時,實驗前務必對“實驗臺”及其掛箱進行全面檢查和單元環(huán)節(jié)調(diào)試。(二)實驗前,務必設置系統(tǒng)工作狀態(tài),并按下表正確選擇主變壓器二次側相電壓,認真檢查各開關和旋鈕的位置以及實驗接線是否正確,經(jīng)教師審核、檢查無誤后方可開始實驗。主變壓器二次側抽頭輸出電壓及其適用范圍轉換開關SC位號123二次電壓(線相) 90V52V 220127V 380220V適 用 范 圍110V直流電動機可逆調(diào)速220V直流電動機可逆調(diào)速、線電壓220V鼠籠
2、式電機變頻調(diào)速與調(diào)壓調(diào)速。線電壓380V鼠籠式電機變頻調(diào)速、調(diào)壓調(diào)速及繞線是電機的串級調(diào)速。(三)出現(xiàn)任何異常,務必立即切除實驗系統(tǒng)總電源(或按急停按鈕 )。(四)為防止調(diào)速系統(tǒng)的振蕩,在接入調(diào)節(jié)器時必須先將RC環(huán)節(jié)設定為1:1的比例狀態(tài),實驗時按需改變RC值,直至滿足要求。(五)本實驗臺“過流”信號取自“三相電流檢測及變換(DD04)”單元。因此,在所有交、直流實驗電路中都已接入(DD04)單元,但應經(jīng)常檢查,確保過流保護單元工作正常。(六)無“電流閉環(huán)” 又無“電流截止負反饋” 的系統(tǒng),務必采用“積分給定”輸出,否則不可階躍起動,給定需從0V緩慢起調(diào)。(七)“閉環(huán)系統(tǒng)”主控開啟前,務必確保
3、負反饋極性和接線正確、各個調(diào)節(jié)器性能良好、“限幅值”正確無誤。(八)實驗前,先將負載給定調(diào)為0(發(fā)電機負載則將負載變阻器斷開或置于阻值最大),實驗中按需調(diào)節(jié)負載給定,逐步增大負載,直至所要求的負載電流。且不能長時間使電機工作在超額定狀態(tài)。(九)“電流開環(huán)”的交流調(diào)速系統(tǒng),給定以積分輸出(Un*2 )給出。(十)“雙蹤示波器”測試雙線波形,嚴防因示波器“雙表筆”共地而引起系統(tǒng)短路。(十一)本“實驗注意事項” ,適用于采用本實驗臺的所有實驗。任何改接線,首先斷開電源;一旦有異常,迅速按急停開關,切斷電源!69 ELDS 型電氣控制綜合實驗系統(tǒng) 自動控制原理使用說明北京精儀達盛科技有限公司E-mai
4、l:welcome前言前 言自動控制原理是自動化、自動控制、電子電氣技術等專業(yè)教學中的一門重要專業(yè)基礎課程。它可以處理時變、非線性以及多輸入、多輸出等復雜的控制系統(tǒng)等問題,通過對單元電路的靈活組合,可構造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)??梢允箤W生集中精力研究系統(tǒng)電路和系統(tǒng)特性。本系統(tǒng)采用AD/DA卡通過RS232串口與計算機連接實現(xiàn)信號源信號的輸出和系統(tǒng)響應信號的采集,采集后信號通過計算機顯示屏顯示,省去了外接信號源和示波器測量響應信號的麻煩。自動控制實驗掛箱支持自動控制理論課的所有實驗,通過本實驗掛箱可使學生進一步了解和掌握自動控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的分析方法和設計方法,學習和掌
5、握系統(tǒng)模擬電路的構成和測試技術,提高應用計算機的能力及水平。本書分為兩章,第一章為系統(tǒng)集成操作軟件,主要介紹系統(tǒng)軟件的安裝,操作以及計算機和實驗箱的通訊設置。第二章為實驗系統(tǒng)部分,主要介紹各個實驗的電路組成,實驗原理和實驗步驟。另外,在附錄部分有部分實驗的說明和參考結果。目錄目 錄實驗注意事項. 1前言.2第一章 軟件安裝及使用.1第二章 實驗系統(tǒng)部分8 實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應9 實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應.14 實驗三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析19 實驗四 系統(tǒng)頻率特性測量.22 實驗五 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正.26 實驗六 數(shù)字PID控制31 實驗七 狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器.35 實驗八 解耦控制
6、.38 實驗九 采樣實驗.42 實驗十 非線性實驗.45 實驗十一 相軌跡實驗49附錄一 實驗說明及參考答案.51附錄二 AD/DA卡調(diào)試說明70第一章軟件安裝及使用第一章 軟件安裝及使用一、軟件安裝1 將實驗儀器自帶的光盤放入計算機光驅,進入軟件安裝目錄光盤驅動器:自動控制winat。2 啟動軟件安裝程序setup.exe,如下圖1: 圖1 進入安裝界面 圖2 選擇安裝路徑3 按照軟件提示,一步一步完成安裝,如圖: 圖3 顯示安裝進程 圖4 安裝完畢界面4 軟件安裝完畢后,會在桌面和“開始程序”中自動生成“自動控制實驗系統(tǒng)”快捷方式。二、軟件啟動與使用說明1 軟件啟動在Windows桌面上或
7、“開始程序”中雙擊“自動控制實驗原理”快捷方式,便可啟動軟件如圖5。圖5 軟件啟動界面2 實驗前計算機與實驗箱的通訊設置和測試用實驗箱自帶的串口線將實驗箱后面的串口與計算機的串口連接,啟動“自動控制實驗原理”軟件。1)實驗前通訊口的設置設置方法:點擊系統(tǒng)設置串口設置如圖6,在對話框內(nèi)填入與計算機相連的串口值。圖6 串口設置對話框 2)實驗前通訊口的測試 圖7 串口測試窗口測試方法:接通電源點擊系統(tǒng)設置通信串口測試如圖7,點擊通信串口測試按鈕,控制測試區(qū)內(nèi)將出現(xiàn)0255個數(shù)據(jù),如圖8,如果數(shù)據(jù)沒有或不全,則說明通訊有故障,應檢查計算機串口與實驗箱的連接。3 軟件使用說明本套軟件界面共分為四個區(qū)域
8、如圖9:A. 菜單工具欄區(qū)域;B. 實驗課題區(qū)域;C. 采集結果顯示區(qū)域;D. 數(shù)據(jù)測量區(qū)域;圖9 軟件界面分配下面介紹軟件的各個區(qū)域功能:A. 菜單工具欄。1) 實驗課題(ALT+T)在該菜單下選擇所做的實驗課題項目。鼠標單擊實驗課題名稱即可進入相應的實驗。2)系統(tǒng)設置(ALT+M)串口設置:設置實驗中所使用的串口。所設定的串口標號應與計算機實際所使用的一致。通信串口測試:測試實驗系統(tǒng)與計算機的通信是否正常。在實驗之前必須進行串口通信測試,在確認串口通信正常后才可以進行實驗。測試方法是鼠標單擊對話框中的通信串口測試按鈕,如果通信正常所示的空白區(qū)內(nèi)將有信息返回,如果通信不正常則無返回信息。測試
9、DA信源:這項功能主要測試DA是否有信號輸出。鼠標單擊該選項出現(xiàn)如圖10的對話框。在該對話框中設置要測試的信源(DA1、DA2),信源的類型、頻率以及幅值。然后點擊測試按鈕,用測量工具在實驗箱上的DA處測試輸出信號,比較測試信號和設定值是否一致,如果一致,說明DA輸出正確,否則檢查硬件。圖10 測試DA信源對話框3)實驗數(shù)據(jù)(ALT+F)打開數(shù)據(jù):打開已經(jīng)保存的實驗數(shù)據(jù)。選擇該菜單選項后出現(xiàn)如圖11所示的對話窗口。在該窗口中選擇打開文件的路徑和文件名,點擊確定按鈕即可打開一個已保存的實驗數(shù)據(jù)。圖11 打開實驗數(shù)據(jù)對話窗口保存數(shù)據(jù):保存當前的實驗數(shù)據(jù)。選擇該菜單選項后出現(xiàn)如圖12所示的對話窗口。
10、在該窗口中選擇保存文件的路徑和文件名,點擊確定按鈕即可保存當前的實驗數(shù)據(jù)。打印:將實驗的結果在打印機上打印輸出。鼠標單擊該選項后彈出如圖13所示的對話窗口。打印數(shù)據(jù)信息的來源有兩種途徑。(1)打印當前內(nèi)存中的數(shù)據(jù);(2)打印已經(jīng)保存過的數(shù)據(jù); 兩種不同的打印方式可以通過對話窗口進行選擇。圖13 數(shù)據(jù)打印對話窗口打印設置:設置打印時的相關信息。鼠標打擊將彈出如圖14所示的對話窗口。將需要打印的信息填入相應的空白處。填寫完成后單擊確認按鈕保存。保存完成后單擊退出按鈕退出該對話窗口。圖14 打印設置對話窗口4)查看(ALT+V)課題資料:選擇該項將顯示自控原理課題的基本資料。其中包括實驗所用的基本原
11、理、電路及相應的實驗說明。工具欄:切換工具欄的打開與關閉。狀態(tài)欄:切換狀態(tài)欄的打開與關閉。5)幫助(ALT+H)該菜單說明本“自動控制原理”軟件是哪個版本。B. 實驗課題在實驗課題區(qū)域列出了本實驗系統(tǒng)所能完成的實驗課題,雙擊其中的一個課題,將彈出參數(shù)設置窗口。具體參數(shù)設置請參考實驗說明部分。圖15 實驗課題區(qū)域C. 采集結果顯示在該區(qū)域內(nèi)主要是顯示實驗系統(tǒng)通過AD后的結果曲線。縱坐標是幅值軸,單位為(V),范圍是:5V+5V, 橫坐標是時間軸,單位為(ms)。D. 數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)測量是測量系統(tǒng)響應的測量工具如圖16,鼠標單擊單游標或雙游標,然后單擊測量按鈕,即可在顯示區(qū)顯示測量線,測量線可以用鼠
12、標拖動。在拖動的過程中屏幕右下方將動態(tài)顯示測量的結果。圖16 數(shù)據(jù)測量區(qū)域第二章實驗系統(tǒng)部分第二章 實驗系統(tǒng)部分本套實驗系統(tǒng)一共提供了十一個典型實驗:典型環(huán)節(jié)及其階躍響應、二階系統(tǒng)階躍響應、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)頻率特性測量、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正、數(shù)字PID控制、狀態(tài)反饋及狀態(tài)觀測器實驗、解耦控制實驗、采樣系統(tǒng)實驗、非線性實驗、相軌跡觀測實驗。除了我們公司配套的這十一個實驗外,各高校可自己靈活地組合各種形式的實驗系統(tǒng),以滿足教學的要求。第二章實驗系統(tǒng)部分實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應一、實驗目的1. 掌握控制模擬實驗的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系統(tǒng)時域性能指標的
13、測量方法。二、實驗儀器1 自動控制原理掛箱(DSC02)2 PC計算機一臺三、實驗原理1.模擬實驗的基本原理:控制系統(tǒng)模擬實驗采用復合網(wǎng)絡法來模擬各種典型環(huán)節(jié),即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡和反饋網(wǎng)絡模擬各種典型環(huán)節(jié),然后按照給定系統(tǒng)的結構圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來,便得到了相應的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端,并利用計算機等測量儀器,測量系統(tǒng)的輸出,便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及性能指標。若改變系統(tǒng)的參數(shù),還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2 時域性能指標的測量方法:超調(diào)量%:1) 啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。2) 測試計算機與實驗箱的通信是否正常,
14、通信正常繼續(xù)。如通信不正常查 找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。3) 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4) 在實驗課題下拉菜單中選擇實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應 。5) 鼠標單擊實驗課題彈出實驗課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設置窗口中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。6) 利用軟件上的游標測量響應曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值,帶入下式算出超調(diào)量: TP與TS:利用軟件的游標測量水平方向上從零到達最大值與從零到達95%穩(wěn)態(tài)值所需的時間值,便可得到TP與TS。 四、實驗內(nèi)容構
15、成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路,并測量其階躍響應:1. 比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-1。 1 G(S)= -R2/R2. 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-2。 G(S)= - K/TS+1 K=R2/R1,T=R2C3. 積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-3。 G(S)=1/TS T=RC 4. 微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-4。 G(S)= - RCS 5. 例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-5(未標明的C=0.01uf)。 G(S)= -K(TS+1) K=R2/R1,T=R2C 6.比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-6。 G(S)=K(1+1/TS)
16、K=R2/R1,T=R2C五、實驗步驟 1.啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。2.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常后繼續(xù)以下實驗。比例環(huán)節(jié)3.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-1)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4.在實驗課題下拉菜單中選擇實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應 。5.鼠標單擊實驗課題彈出實驗課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設置窗口中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。6.觀測計算機屏幕顯示出的響應曲線。7.記錄波形及數(shù)據(jù)(由實驗報告確定)。慣性環(huán)節(jié)8.連接被測
17、量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-2)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。9.實驗步驟同47積分環(huán)節(jié)10.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-3)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。11.實驗步驟同47微分環(huán)節(jié)12.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-4)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。13.實驗步驟同47比例+積分環(huán)節(jié)16.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-6)
18、。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。17.實驗步驟同4718. 測量系統(tǒng)的階躍響應曲線,并記入于表11。六、實驗報告1. 由階躍響應曲線計算出慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),并與由電路計算的結果相比較。2. 將, 沒vvVbnbc 戶籍科戶籍科戶籍科片刻。七、預習要求1.閱讀實驗原理部分,掌握時域性能指標的測量方法。3. 分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。表11實驗數(shù)據(jù)參數(shù)階躍響應曲線Ts(秒)理論值實測值R1=R2=100KC=1ufK=1T=0.1S比例環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)比例+微分環(huán)節(jié)比例+積分環(huán)節(jié)R
19、1=100KR2=200KC=1ufK=2T=0.2S比例環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)比例+微分環(huán)節(jié)比例+積分環(huán)節(jié)第二章實驗系統(tǒng)部分實驗二二階系統(tǒng)階躍響應實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應一、實驗目的1.研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù),阻尼比z和無阻尼自然頻率wn對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。定量分析 z 和wn與最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間tS之間的關系。2.進一步學習實驗系統(tǒng)的使用方法3.學會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應曲線確定傳遞函數(shù)。二、實驗儀器1.自動控制原理掛箱(DSC02)2.PC計算機一臺三、實驗原理1.模擬實驗的基本原理:控制系統(tǒng)模擬實驗采用復合網(wǎng)絡法來模擬各種典型環(huán)節(jié),即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡和反饋網(wǎng)絡模擬各
20、種典型環(huán)節(jié),然后按照給定系統(tǒng)的結構圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來,便得到了相應的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端,并利用計算機等測量儀器,測量系統(tǒng)的輸出,便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及性能指標。若改變系統(tǒng)的參數(shù),還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。3 域性能指標的測量方法:超調(diào)量%:1) 啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。2) 測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查 找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。3) 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸 出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后
21、接通電源。4) 在實驗課題下拉菜單中選擇實驗二二階系統(tǒng)階躍響應 。5) 鼠標單擊實驗課題彈出實驗課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設置窗口中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。6) 利用軟件上的游標測量響應曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值,帶入下式算出超調(diào)量:TP與TP:利用軟件的游標測量水平方向上從零到達最大值與從零到達95%穩(wěn)態(tài)值所需的時間值,便可得到TP與TP。 四、實驗內(nèi)容 典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 圖2-1 二階系統(tǒng)模擬電路圖 (1)其中 z 和wn對系統(tǒng)的動態(tài)品質有決定的影響。構成圖2-1典型二階系統(tǒng)的模擬電路,并測量其階躍響應:圖2-2 二階系統(tǒng)結構圖 電路的結構圖如圖2-
22、2:系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 (2)式中 T=RC,K=R2/R1。比較(1)、(2)二式,可得 wn=1/T=1/RC z=K/2=R2/2R1 (3) 由(3)式可知,改變比值R2/R1,可以改變二階系統(tǒng)的阻尼比。改變RC值可以改變無阻尼自然頻率wn。今取R1=200K,R2=100KW和200KW,可得實驗所需的阻尼比。電阻R取100KW,電容C分別取1mf和0.1mf,可得兩個無阻尼自然頻率wn。五、實驗步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制
23、實驗系統(tǒng) 運行軟件。3.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。4.在實驗課題下拉菜單中選擇實驗二二階系統(tǒng)階躍響應, 鼠標單擊該選項彈出實驗課題參數(shù)窗口。5.取wn=10rad/s, 即令R=100KW,C=1mf;分別取z=0.5、1、2,即取R1=100KW,R2分別等于100KW、200KW、400KW。輸入階躍信號,測量不同的z時系統(tǒng)的階躍響應,并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間Ts的數(shù)值和響應動態(tài)曲線,并與理論值比較。6.取z=0.5。即電阻R2取R1=R2=100KW;wn=100rad/s, 即取R=100KW,
24、改變電路中的電容C=0.1mf(注意:二個電容值同時改變)。輸入階躍信號測量系統(tǒng)階躍響應,并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量p和調(diào)節(jié)時間Tn。7.取R=100KW;改變電路中的電容C=1mf,R1=100KW,調(diào)節(jié)電阻R2=50KW。輸入階躍信號測量系統(tǒng)階躍響應,記錄響應曲線,特別要記錄Tp和sp的數(shù)值。8.測量二階系統(tǒng)的階躍響應并記入表中: 實驗結果參數(shù)%tp(ms)ts(ms)階躍響應曲線R =100KC =1fn=10rad/sR1=100KR2=0K=0R1=100KR2=50K=0.25R1=100KR2=100K=0.5R1=50KR2=200K=1R1=100KC1=C2=0.1fn=
25、100rad/sR1= 100KR2=100K=0.5R1=50KR2=200K=1六、實驗報告1.畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖,討論典型二階系統(tǒng)性能指標與,n的關系。2.把不同z和wn條件下測量的Mp和ts值列表,根據(jù)測量結果得出相應結論。3.畫出系統(tǒng)響應曲線,再由ts和Mp計算出傳遞函數(shù),并與由模擬電路計算的傳遞函數(shù)相比較。七、預習要求1. 閱讀實驗原理部分,掌握時域性能指標的測量方法。2. 按實驗中二階系統(tǒng)的給定參數(shù),計算出不同、n下的性能指標的理論值。第二章實驗系統(tǒng)部分實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實驗三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析一、實驗目的 1.觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2.研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常
26、數(shù)對穩(wěn)定性的影響。二、實驗儀器1.自動控制原理掛箱(DSC02)2.PC計算機一臺三、實驗內(nèi)容 系統(tǒng)模擬電路圖如圖3-1 圖3-1 系統(tǒng)模擬電路圖其開環(huán)傳遞函數(shù)為: G(s)=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K1=R3/R2,R2=100KW,R3=0100K;T=RC,R=100KW,C=1mf或C=0.1mf兩種情況。四、實驗步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。3.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常
27、繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。4.在實驗課題下拉菜單中選擇實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析, 鼠標單擊該選項彈出實驗課題參數(shù)窗口。其中設置輸入信源電壓U1=1V,點擊確認觀察波形。5.取R3的值為50KW,100KW,200KW,此時相應的K=5,10,20。觀察不同R3值時顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形(既U2的波形),找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時相應的R3及K值。再把電阻R3由大至小變化,即R3=200kW,100kW,50kW,觀察不同R3值時顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形, 找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩變化的R3及K值,并觀察U2的輸出波形。6.在步驟5條件下,使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài),即工作在
28、等幅振蕩情況。改變電路中的電容C由1mf變成0.1mf,重復實驗步驟4觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。7.將實驗結果添入下表中:參數(shù)系統(tǒng)響應曲線C=1ufR3=10KK=5R3=20KK=10R3=40KK=20C=0.1ufR3=10KK=5R3=20KK=10R3=40KK=20五、實驗報告1.畫出步驟5的模擬電路圖。 2.畫出系統(tǒng)增幅或減幅振的波形圖。 3.計算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù),并與步驟5中測得的臨界放大系數(shù)相比較。六、預習要求1 分析實驗系統(tǒng)電路,掌握其工作原理。2 理論計算系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩、增幅振蕩、減幅振蕩的條件。第二章實驗系統(tǒng)部分實驗四系統(tǒng)頻率特性測量實驗四 系統(tǒng)頻率特性測量一、實驗目的
29、1.加深了解系統(tǒng)及元件頻率特性的物理概念。 2.掌握系統(tǒng)及元件頻率特性的測量方法。3.掌握利用“李沙育圖形法”測量系統(tǒng)頻率特性的方法。二、實驗儀器1.自動控制原理掛箱(DSC02)2.PC計算機一臺3.雙蹤示波器一臺三、實驗原理頻率特性的測量方法:(1) 將正弦信號發(fā)生器、被測系統(tǒng)和示波器按圖4-1連接起來。將示波器X和Y軸的輸入選擇開關,均打在“DC”輸入狀態(tài),并調(diào)整X和Y軸的位移,使光點處于熒光屏上的坐標原點上。 被測系統(tǒng) DA1AD/DA卡 AD1 AD/DA卡 圖4-1 頻率特性測量電路(2)選定信號發(fā)生器的頻率,調(diào)節(jié)其輸出衰減,使被測系統(tǒng)在避免飽和的情況下,輸出幅度盡可能大。然后調(diào)節(jié)
30、示波器的X和Y軸輸入幅值選擇開關,使在所取信號幅度下的圖像盡可能達到滿刻度。(3)根據(jù)熒光屏上的刻度及輸入幅值選擇開關指示的伏/格數(shù),算出2Xm、2Yn 及2ym,并進一步計算幅值比和相位差。為讀數(shù)方便,可將示波器X軸輸入X-Y開關打在工作狀態(tài),使光點在熒光屏上只作垂直運動,此時可方便地讀出2ym。同理,也可方便地讀出2Xm。四、實驗內(nèi)容1 模擬電路圖及系統(tǒng)結構圖分別如圖4-2和圖4-3。圖4-2 系統(tǒng)模擬電路圖圖 4-3 系統(tǒng)結構圖2.系統(tǒng)傳遞函數(shù) 取R3=100kW,則系統(tǒng)傳遞函數(shù)為若輸入信號U1(t)=U1sinwt,則在穩(wěn)態(tài)時,其輸出信號為U2(t)=U2sin(wt+Y)改變輸入信號
31、角頻率w值,便可測得二組U2/U1和Y隨w變化的數(shù)值,這個變化規(guī)律就是系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。五、實驗步驟1. 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2. 啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。3. 測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。測頻率圖4. 選中 實驗課題系統(tǒng)頻率特性測量手動方式 菜單項,鼠標單擊將彈出參數(shù)設置窗口。參數(shù)設置完成后點確認等待觀察波形,如圖44所示。 圖44 手動方式測量波特圖測波特圖5
32、.在測量波特圖的過程中首先應選擇 實驗課題系統(tǒng)頻率特性測量自動方式數(shù)據(jù)采集 采集信息。如圖45所示圖45 數(shù)據(jù)采集6.待數(shù)據(jù)采樣結束后點擊 實驗課題系統(tǒng)頻率特性測量自動方式波特圖觀測 即可以在顯示區(qū)內(nèi)顯示出所測量的波特圖。測奈氏圖7.在測量波特圖的過程中首先應選擇 實驗課題系統(tǒng)頻率特性測量自動方式數(shù)據(jù)采集 采集信息。8.待數(shù)據(jù)采樣結束后點擊 實驗課題系統(tǒng)頻率特性測量自動方式奈氏圖觀測 即可以在顯示區(qū)內(nèi)顯示出所測量的奈氏圖。 9.按下表所列頻率,測量各點頻率特性的實測值并計算相應的理論值。F(Hz)(rad/s)理論值實測值L()()2Xm2yo2ymL()()李沙育圖形六、實驗報告1. 畫出被
33、測系統(tǒng)的結構和模擬電路圖。2. 畫出被測系統(tǒng)的開環(huán)L ()曲線與()曲線。3. 整理表中的實驗數(shù)據(jù),并算出理論值和實測值。4. 討論李沙育圖形法測量頻率特性的精度。七、預習要求1. 閱讀實驗原理部分,掌握李沙育圖形法的基本原理及頻率特性的測量方法。2. 畫出被測系統(tǒng)的開環(huán) L ()曲線與()曲線。3. 按表中給出格式選擇幾個頻率點,算出各點頻率特性的理論值。第二章實驗系統(tǒng)部分實驗五連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗五 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實驗目的1. 加深理解串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能的校正作用。2. 對給定系統(tǒng)進行串聯(lián)校正設計,并通過模擬實驗檢驗設計的正確性。二、實驗儀器1自動控制原理掛箱(DSC02)2
34、.PC計算機一臺三、實驗內(nèi)容 1.串聯(lián)超前校正(1)系統(tǒng)模擬電路圖如圖5-1,圖中開關S斷開對應未校情況,接通對應超前校正。圖5-1 超前校正電路圖 (2)系統(tǒng)結構圖如圖5-2圖5-2 超前校正系統(tǒng)結構圖圖中 Gc1(s)=2 2.串聯(lián)滯后校正(1) 模擬電路如圖5-3,開關s斷開對應未校狀態(tài),接通對應滯后校正。圖5-3 滯后校正模擬電路圖(2)系統(tǒng)結構圖如圖5-4所示 圖5-4 滯后系統(tǒng)結構圖圖中 Gc1(s)=10 3.串聯(lián)超前滯后校正圖5-5 超前滯后校正模擬電路圖(1)、模擬電路圖如圖5-5,雙刀開關斷開對應未校狀態(tài),接通對應超前滯后校正。 (2)系統(tǒng)結構圖示如圖5-6。圖5-6超前滯
35、后校正系統(tǒng)結構圖圖中 Gc1(s)=6 四、實驗步驟1.啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。2.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。超前校正3.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-1)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4.開關s放在斷開位置。5.選中 實驗課題 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正超前校正 菜單項,鼠標單擊將彈出參數(shù)設置窗口。系統(tǒng)加入階躍信號。參數(shù)設置完成后鼠標單擊確認測量系統(tǒng)階躍響應,并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。 表5-1 超前校
36、正系統(tǒng)前后波形圖及參數(shù)對比超前校正系統(tǒng)指標校正前校正后階躍響應曲線%Tp(s)Ts(s)6.開關s接通,重復步驟5,將兩次所測的波形進行比較。并將測量結果記入下表5-1中:滯后校正7.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-3)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。8.開關s放在斷開位置。9.選中 實驗課題 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正滯后校正 菜單項,鼠標單擊將彈出參數(shù)設置窗口。系統(tǒng)加入階躍信號。參數(shù)設置完成后鼠標單擊確認測量系統(tǒng)階躍響應,并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。10.開關s接通,重復步驟9,將兩次所測的波形進行比較。并將測
37、量結果錄入表5-2中: 表5-2 滯后校正系統(tǒng)前后波形圖及參數(shù)對比滯后校正系統(tǒng)指標校正前校正后階躍響應曲線%Tp(s)Ts(s)超前-滯后校正11.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-5)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。12.開關s放在斷開位置。13.選中 實驗課題 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正超前滯后校正 菜單項,鼠標單擊將彈出參數(shù)設置窗口。系統(tǒng)加入階躍信號。參數(shù)設置完成后鼠標單擊確認測量系統(tǒng)階躍響應,并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。14.開關s接通,重復步驟13,將兩次所測的波形進行比較。并將測量結果記入表5-3中: 表
38、5-3 超前-滯后校正系統(tǒng)前后波形圖及參數(shù)對比超前-滯后校正系統(tǒng)指標校正前校正后階躍響應曲線%Tp(s)Ts(s)五、實驗報告1.計算串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù) Gc(s)和校正網(wǎng)絡參數(shù)。2.畫出校正后系統(tǒng)的對數(shù)坐示圖,并求出校正后系統(tǒng)的c及。3.比較校正前后系統(tǒng)的階躍響應曲線及性能指標,說明校正裝置的作用。六、預習要求1.閱讀實驗二的實驗報告,明確校正前系統(tǒng)的c及。2.計算串聯(lián)超前校正裝置的傳遞函數(shù) Gc(s)和校正網(wǎng)絡參數(shù),并求出校正后系統(tǒng)的c及。第二章實驗系統(tǒng)部分實驗六數(shù)字PID控制實驗六 數(shù)字PID控制一、實驗目的 1.研究PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響。 2.研究采樣周期
39、T對系統(tǒng)特性的影響。 3.研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。二、實驗儀器1.自動控制原理掛箱(DSC02)2.PC計算機一臺三、實驗內(nèi)容 1.系統(tǒng)結構圖如6-1圖。圖6-1 系統(tǒng)結構圖圖中 Gc(s)=Kp(1+Ki/s+Kds) Gh(s)=(1e-TS)/s Gp1(s)=5/(0.5s+1)(0.1s+1) Gp2(s)=1/(s(0.1s+1) 2.開環(huán)系統(tǒng)(被控制對象)的模擬電路圖如圖6-2和圖6-3,其中圖6-2對應GP1(s),圖6-3對應Gp2(s)。 圖6-2 開環(huán)系統(tǒng)結構圖1 圖6-3開環(huán)系統(tǒng)結構圖2 3.被控對象GP1(s)為“0型”系統(tǒng),采用PI控制或PID控制,可使系統(tǒng)變
40、為“I型”系統(tǒng),被控對象Gp2(s)為“I型”系統(tǒng),采用PI控制或PID控制可使系統(tǒng)變成“II型”系統(tǒng)。4.當r(t)=1(t)時(實際是方波),研究其過渡過程。5.PI調(diào)節(jié)器及PID調(diào)節(jié)器的增益 Gc(s)=Kp(1+K1/s) =KpK1(1/k1)s+1) /s =K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=(1/K1)不難看出PI調(diào)結器的增益K=KpKi,因此在改變Ki時,同時改變了閉環(huán)增益K,如果不想改變K,則應相應改變Kp。采用PID調(diào)節(jié)器相同。 6.“型”系統(tǒng)要注意穩(wěn)定性。對于Gp2(s),若采用PI調(diào)節(jié)器控制,其開環(huán)傳遞函數(shù)為 G(s)=Gc(s)Gp2(s) =K(Ti
41、s+1)/s1/s(0.1s+1)為使用環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定,應滿足Ti0.1,即K110 7.PID遞推算法 如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號為e(t),其輸送信號為u(t),則離散的遞推算法如下:u(k)=u(k-1)+q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)其中 q0=Kp(1+KiT+(Kd/T) q1=Kp(1+(2Kd) q2=Kp(Kd/T)T-采樣周期四、實驗步驟 1.啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。2.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。3.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖6-2)。電路的輸入U1接
42、A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4.在實驗課題下拉菜單中選擇實驗六數(shù)字PID控制, 鼠標單擊實驗課題將彈出實驗課題參數(shù)設置窗口。5.輸入?yún)?shù)Kp, Ki, Kd(參考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1)。6.參數(shù)設置完成點擊確認后觀察響應曲線。若不滿意,改變Kp, Ki, Kd的數(shù)值和與其相對應的性能指標sp、ts的數(shù)值。7.取滿意的Kp,Ki,Kd值,觀查有無穩(wěn)態(tài)誤差。8.斷開電源,連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖6-3)。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤
43、后接通電源。9.重復4-7步驟。10.計算Kp,Ki,Kd取不同的數(shù)值時對應的sp、ts的數(shù)值,測量系統(tǒng)的階躍響應曲線及時域性能指標,記入表中:實驗結果參數(shù)%tp階躍響應曲線KpKiKd五、實驗報告 1.畫出所做實驗的模擬電路圖。2.當被控對象為Gp1(s時)取過渡過程為最滿意時的Kp, Ki, Kd,畫出校正后的Bode圖,查出相穩(wěn)定裕量g和穿越頻率wc。3.總結一種有效的選擇Kp, Ki, Kd方法,以最快的速度獲得滿意的參數(shù)。六、預習要求1.熟悉PID控制器系統(tǒng)的組成。2.熟悉PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。第二章實驗系統(tǒng)部分實驗七狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器實驗七、狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器一
44、、實驗目的1.掌握狀態(tài)反饋極點配置的設計方法。2.研究不同極點配置對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。3.掌握全維觀測器的構成及設計方法。4.研究觀測器在狀態(tài)反饋極點配置中的應用。二、實驗儀器1.自動控制原理掛箱(DSC02)2.PC計算機一臺三、實驗內(nèi)容1.被控對象模擬電路圖如圖7-1。圖7-1 被控對象模擬電路2.系統(tǒng)數(shù)學模型 (1)被控對象傳遞函數(shù)為 (2)被控對象狀態(tài)方程 X=Ax+Bu Y=Cx式中 C=100 03.帶有狀態(tài)觀測器的狀況反饋系統(tǒng)方框圖示于圖7-2。圖7-2 系統(tǒng)方框圖圖中 G=eAT H=0Tj(t)dtB j(t)=eAt K 12維狀態(tài)反饋系統(tǒng)矩陣,由計算機算出。 L 21維
45、觀測器的反饋矩陣,由計算機算出。Kr 為使y(t)跟蹤r(t)乘的比例系數(shù),它由計算機自動地遞推算出。4.希望的系數(shù)極點(參考值):S1,S2=-7.35j7.5,它對應在Z平面上應為Z1,Z2=0.712j0.225.觀測器極點參考值:Z1,Z2=0.1j0四、實驗步驟 1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。 2.啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。3.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。階躍響應4.選
46、擇 實驗課題狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器階躍響應 菜單項。5.鼠標單擊階躍相應菜單將彈出實驗課題參數(shù)設置窗口。參數(shù)設置完成后點擊確認等待觀察波形。跟蹤響應6.實驗步驟5完成后選擇 實驗課題狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器跟蹤響應 菜單項。鼠標單擊該選項將彈出參數(shù)設置窗口。參數(shù)設置完畢后點擊確認等待觀察波形。7.修改實驗參數(shù)設置窗口中所用的參數(shù)值,觀察波形的變化。8.將實驗內(nèi)容中的參考值的實測階躍響應曲線及性能指標記入下表中:K1 K2階躍響應曲線y(t)tp%ts0.712 0.22 0.1 0 五、實驗報告1.畫出上述兩個狀態(tài)反饋系統(tǒng)的結構圖和模擬線路圖。2.計算這兩個狀態(tài)反饋系統(tǒng)的狀態(tài)反饋陣K及相應的性能指標
47、:tp、% 和tp,并與實側值進行比較,檢驗狀態(tài)反饋極點配置是否達到了設計要求。3.畫出全維觀測器和降維觀測器狀態(tài)反饋極點配置的結構圖和模擬線路圖,畫出這兩個系統(tǒng)的實測階躍響應曲線及實測性能指標 tp、% 和ts。六、預習要求1.閱讀實驗內(nèi)容。2.推導實驗系統(tǒng)中的全維觀測器方程。3.計算兩個狀態(tài)反饋系統(tǒng)的狀態(tài)反饋陣K以及相應的性能指標:tp、ts 和%。第二章實驗系統(tǒng)部分實驗八解耦控制實驗實驗八 解耦控制實驗一、實驗目的1.掌握解耦控制的基本原理和實現(xiàn)方法。2.學習利用模擬實驗分析研究解耦控制的基本方法。二、實驗儀器1.自動控制原理掛箱(DSC02)2.PC計算機一臺三、實驗內(nèi)容1.解藕前原系統(tǒng)結構圖如圖8-1所示,其被控對象為互相耦合的雙輸入雙輸出系統(tǒng),U1(t)和U2(t)為控制量,Y1(t)和Y2(t)為輸出量。圖8-1 原系統(tǒng)結構圖圖8-2 原系統(tǒng)模擬電路圖2 解藕前原系統(tǒng)的模擬電路和結構圖如圖8-2和圖8-3。圖8-3 原系統(tǒng)結構圖3.開環(huán)解耦
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