（IE工業(yè)工程）自控理論實驗實驗指導書(LABVIEW標配)

（IE工業(yè)工程）自控理論實驗實驗指導書(LABVIEW 概 實驗 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研 實驗 典型系統動態(tài)性能和穩(wěn)定性分 實驗 典型環(huán)節(jié)（或系統）的頻率特性 實驗 線性系統串聯校 實驗 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特 實驗 非線性系統相平面 實驗 非線性系統描述函數 實驗 極點配置全狀態(tài)反饋控 實驗 采樣控制系統動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析的混合仿真研 實驗 采樣控制系統串聯校正的混合仿真研 實驗 直流電機轉速控制實 實驗 溫度控制實 實驗 水箱液位控制實 概 安裝指南及系統要 功能使用說 使用實 教學實驗需要進行靈活組合，構成各種典型環(huán)節(jié)與系統。此外，ACCT-01APC（含實驗系統上位機軟件、ACCC-IUSB2.0USBPCACCC-IACCC-IACCT-01AACCT-02——電機轉速與溫度控制、ACCT-033U3U5～U7U8～U1615(1)U5、U6U5，U6，U7U6U7驗時通常用作反號器。U9～U16典型環(huán)節(jié)（或系統）U9～U16G（運放構成環(huán)節(jié)中不含電容或輸入信號為正弦波時G15VU3G1；PCO2GU3G2。鎖零主要用于對電容充電后需要放電的場合，一般不需要鎖零。ai,bjbm

mn（PD）環(huán)節(jié)的軟件仿真實驗時就會遇到此問題，因為此時W

ω<200/sec，5ms。本采集設備的上位機軟件，A/DD/A8A/D，2D/A8A/D出或同時輸入。I1、I2A/D，I3、I4A/D，I5、I6A/DI7、I8A/DA/D，I1、I3、I5、I7A/DA/DD/A實驗 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研測試信號對運放鎖零的要求。在輸入階躍信號時，除比例環(huán)節(jié)運放可不鎖零（G15V）也可鎖UiU3D/AO1，UoU3A/DI1，將運放的GU3G1，U3USB2.0A/DI1D/AO1D/AO1A/D③進入實驗模式后，先對顯示模式進行設置：選擇“X-t“T/DIV”1s/1HZ“測試信號”為“周期階躍信號，選擇“占空比”為50%，選擇“T/DIV”為“1000ms， “3V，“0外，對其它環(huán)節(jié)和系統都必須考慮環(huán)節(jié)或系統的時間常數，如仍選擇“輸入波形占空比”為50%，1.1.11.1.21.1.3KR1R0＝100k，R1＝200k，R=10kUo圖圖積分(I)1.2.11.2.21.2.3所示，于是TR0＝100k，C＝1uF，R=10kUoRo圖 1.3.11.3.21.3.3KR1，TR0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k

UOK(11.4.11.4.2（PD1

R

＝1K，C＝10uF，R=10k

Uo圖RRRR圖對應理想的和實際的比例微分(PD)1.4.3a1.4.3b圖

圖PD

（供軟件仿真參考 UO

1.5.11.5.21.5.3K□R1,TRCR＝200k，R＝200k，C＝1uF，R=10k 圖Uo圖

圖

示。其模擬電路是近似的（PID，取R□□RRPID KR1,TRC,TR1R2CR＝200k，R＝100k，R＝10k，R＝1k，C 01

＝10uF，R=10k

R

CR RR

o

圖對應理想的和實際的比例積分微分(PID)1.6.3a1.6.3bPID

R

（供軟件仿真參考 實驗 典型系統動態(tài)性能和穩(wěn)定性分2.1.12.1.2，設計并連接由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成的二階閉環(huán)系統的模擬電路（73，這里不再贅述。T2.1.1G)□

圖□W)□ ，其中，

□n

圖究不同參數特征下的時域響應。2.1.3a，2.1.3b，2.1.3cc

圖2.2.1 TTG)□

R圖該系統開環(huán)傳遞函數為H)□

,K500Rx，,RxK系統穩(wěn) 系統臨界穩(wěn) 系統不穩(wěn) KRxRx220KRxK2K，2.2.3a、2.2.3b2.2.3cccc圖

cc圖實驗 典型環(huán)節(jié)（或系統）的頻率特性測學習和掌握測量典型環(huán)節(jié)（或系統）一階慣性環(huán)節(jié)串聯”的模擬電路（U9+U11。UiU3D/AO1O2，UoU3A/DI1O1)A/DI2(USBO1④完成實驗設置后，點擊“下載數據”按鈕，將設置的測試信號發(fā)送到數據采集系統。然后點擊實驗界面右下角的“Start”按鈕來啟動頻率特性測試。測試程序將會從低頻率計算到高頻，界面右下角有個測試進度條，它將顯示測試的進度。最后測試出來頻率特性的Bode Plot、Plot將在相應的圖形控件中顯示出來,在同一界面中我們可以同時看到頻率特性的兩種顯示模式:一種是伯德圖“BodePlot，它包括幅頻特性和相頻特性；另一種模式就是乃奎斯特圖Plot，又稱極坐標圖。2參考附錄的提示，根據測得的頻率特性曲線（或數據）6．對于)□

3.1。取s□代入，得□

□T□

□□

RR實驗用一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數為)□uF，1.5.2

R0=200

，R1＝200

G)□

□□

2□□

K□ （3—

RR其 □ T2

2□

（3—

（3—□2□按式（3—1（3—2）和（3—3）K、T、ξ，T、ξ□2□□2□0.01u□2□0.01u100kR0.1u200k R H)□3.2.2注意：此時橫軸□采用了以10實驗 線性系統串聯校4.1.2，U9、U11、U15U82。U9、U14、U11、U15U82。圖0.514.1.14.1.2 500kR)R圖 1□□□) 式中n

507.07

□□□□□

0.6363%

s

4□□KVIKv=

超調量Mp）s

25

s

1

□n□□□

1/s，25 )□

)□

（T )□□

W)□□

251□

2 s□□ □2□25綜合考慮校正后的要求，取T=0.05s,此時

□n□

1/s,0.45D)□

4.4.4R1＝390＝4.7uF

，R2＝R3＝200

RR)R 圖cc圖cc 4.4.4實驗 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特M，MO1I1～I8（CH1D/AO1A/DI2，USBLabVIEW（LabVIEW（式為“X-t015（示模式顯示非線性靜特性，也可以按照需要選擇任一種顯示模式，如“X-T模式”或者是“X-Y模“5V“1HZ/1S“10V“1HZ/1SKM，KMS4U5RfK，KRfU5R1（＝R2）的阻Δ，ΔR1S4U5CfK，KCfU5R1（＝R2）的阻Δ，ΔR15.1.2 圖M。當阻值減小時，MX-t5.2.2

X-t5.3.2K

死區(qū)DR2′15)=0.5R(v)RkWR＝R（ RRf-

圖X-t5.4.2圖中間隙特性的寬度DR2′15)=0.5R(v),（實際死區(qū)還要考慮二極管的壓降值斜率aCi

CRRC-

圖實驗 非線性系統相平面入作測試信號，觀測和記錄系統在（e&）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統的階躍響O1U3A/DI1，X2(&）U3A/DI2，1A/DI1X2A/DI2Y1D/AO1X(AD1)選擇“-1”(Y(AD2)也選擇“-1”(即反相)?！?.4HZ/2.5S“050%，示，直至周期過程反應結束，實驗也自動結束，如設置合理就可以在主界面中間得到系統（e&）躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統在（e&）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統的階2,6.2.16.2.2電路。可利用周期階躍信號測試該非線性系統（e&）的相軌跡和階躍響應，具體測試方法請參1，這里不再贅述。號，觀測和記錄系統在（e&）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統的階躍響應和穩(wěn)態(tài)誤U86.1.10.516.1.2

圖 X RRX2RX++

圖

6.1.1（T＝0.5，K&=)&=-

則（6－1）++

觀察X1e，X2即為&，取X1－X2坐標下，即為相軌跡（－&，進行坐標倒相變換可得（e&）坐標。6.2.1圖0.516.2.2 XX RRXRX 6.2.2，X1e，X2&。?。璛1－X2X-Y坐標，以階躍輸入為測試信號，即可獲得系統在（e&）相平面上的相軌跡。該系統在（e&）&=

式中ks（6.2.1s＝0.1，增加反饋電阻現象6.3.1

圖0.51圖6.3.26.3.1++&+M=+&-M=

6.3.3圖 X RRX2RX實驗 非線性系統描述函數1，用描述函數法分析繼電型非線性三階系統，求取極限環(huán)振蕩的振蕩環(huán)頻率特性(Neguist7.1.17.1.2，U9、U6、U13、U11、U15U8，利用階躍輸入作為測試信號，觀測和記錄系統在（e&）e(t)的階躍響應。并從觀測結果中獲取極限環(huán)振蕩的振幅和周期。測取系統在（e&）相平面上的相軌跡e(t)7.1.2X1eX3&X1I1?！盭X3I2?！盰2，用描述函數法分析飽和型非線性三階系統，求取極限環(huán)振蕩的振蕩環(huán)頻率特性(Neguist7.2.17.2.2，U9、U7、U13、U11、U15U8，利用階躍輸入作為測試信號，觀測和記錄系統在（e&）e(t)的階躍響應。并從觀測結果中獲取極限環(huán)振蕩的振幅和周期。測取系統在（e&）相平面上的相軌跡e(t)7.2.2X1eX3&X3I1?！盭X1I2＃”Y7.2.2，R1R3，0.511 圖7.1.17.1.2 X RR R10uXRX3R□性部分的傳遞函數為G(s)。則為了用描述函數法分析上述繼電

示系統的

軌跡和

7.1.3所示。從

Im

；并由

□

□ a

4M 7.1.2R1R3，只能縮小極限環(huán)振蕩的振幅，而不能消除振蕩。7.2.10.510.21圖 10u X3R圖 MMMM□M□□□ 圖7.2.3給出圖7.2.1所示系統的非線性環(huán)節(jié)的 圖跡和系統線性部分7.2.3（7.2.2R1、R3，可實驗 極點配置全狀態(tài)反饋控23，23， 0.051

x1，x2S(A,B,C)，& X?-20& X ?è 0 故

(2)

□□期望的性能指標為：超調量Mp□ ，峰值時間p￡

選擇□ p

選擇n

于是可以得到理想極點為 p1=－7.07＋j7.07，p2=

（3）

s2

k)s

2□□□□

于是可計算 □1

8.1.3Rx1，Rx218

，33

8.1.4，8.1.5 0.051

(1)8.2.1 +2+5圖

W

1□)

10s8.2.2圖8.2.3&?0 0

?0其 A=?0- 2÷B=?0

C□ ?

-5

3，故狀態(tài)完全可控考慮系統要求后，選擇理想極點 S1＝－9，S2＝－2＋j2，S3＝－2－j2，由此可得理想

□□□□□ 令其與理想的閉環(huán)特征方程一致，可以得到全狀態(tài)反饋系數1.2+5+2圖RRR圖8.2.38.2.6 1（1）9.1.19.1.2，U11，U3D/AO1（9.1.2c(t)端）相連。再將運放的鎖零端“G”U115V”相連。注意，實驗中運放沒O1Ui?！?00Hz/5ms④完成實驗類別設置，然后設置“測試信號設置”框內的參數項，設置“信號幅值”為（根據實驗曲線調整大小，設置“采樣時間”為“200Hz/5ms“采樣開關T”為“1 ms，選擇“采樣控制系統混合仿真研究，此時數字控制器是一比例放大器，可先設置Kp=1。1msT，1T，T1對以上實驗結果進行分析研究，完成實驗報告0.51

圖11uRR1 圖(+1)

9.2.21u1u)RR圖9.2.11□

)□W)□□

T

2□□□□T

□□

2□□□□T

□□

□實驗 采樣控制系統串聯校正的混合仿真研（4）R0）U3A/DI1（對應圖10.2.2）相連。再將運放的鎖零端“G”U115V”USBO1Ui?！?00Hz/5ms④完成實驗類別設置，然后設置“測試信號設置”框內的參數項，設置“信號幅值”為“200Hz/5msmsa=b=1,用于獲得不加串聯校正時的對比結果。1msa=0.05,b=0.5,1得到它的連續(xù)傳遞函數；（4）10.1.1(2)圖

10.2.2

4

對

bS+1

，用一階差分近似離散化，以

U)D)=

(+2))RR微機運算，包括測試信號產生，比較器，校正控制器D(z)，圖 ]，閉環(huán)脈沖傳遞函數為W)=9

1+TGc(sab的功能。實驗 直流電機轉速控制實ACCC-I1.11.3V～15V。經PID運算后的控制量作為驅動單元輸入信號，經過功率放大后驅動電機運轉。150Hz/V。根據設計要求改變輸出電壓反饋系數□1.2ACCT-01AR0=R1=R2=100K□，R3=100K□，R4=2M□，R5=10K□，C1=1□F，Rf/Ri=1G－15V。RRC1RC1RRUURRUgRR1PIDACCT-（IN＋功率轉換的輸出接到直流電機的電樞兩端（內部已經連接回路中接一個反饋系數可調節(jié)的反相器。調節(jié)反饋系數□=Rf/Ri，Uo。4．PID對系統性能的影響重新調節(jié)PID參數。RRRC1RUgRRRUU UURR2.2實驗 溫度控制實ACCC-IUU2.11.3V～15V。DC0～10V。2.2ACCT-01AR0=R1=R2=100K□，R3=100K□，R4=2M□，R5=1K□，C1=1□F，Rf/Ri=2G－15V。ACCT-01ABU1PIDKd=0，R4PIUinU0器。調節(jié)反饋系數□=Rf/Ri，Uo。ACCT-01APIDPID實驗 水箱液位控制實ACCC-IUU3.11.3V～15V。250mm5V。3.2ACCT-01AR0=R1=R2=200K□，R3=100K□，R4=2M□，R5=10K□，C1=1□F，Rf/Ri=1C1RUgR圖 水箱液位控制系統接ACCT-01A“OFF”G－15V。ACCT-01AU1調節(jié)反饋系數□=Rf/Ri，Uo。PIDACCT-03第一 概序。本軟件必須與自動控制控制理論實驗設備（實驗裝置）USB2.0圖 自動控制理論時域及非線性特性分析主界LabVIEW1.2LabVIEW1.31.21.38（2）2實驗二典型系統動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析（或系統）的頻率特性測量實驗四線性系統串聯校正實驗六非線性系統相平面法實驗七非線性系統描述函數法實驗十采樣控制系統串聯校正的混合仿真研究LabVIEWLabVIEWbmp第二 安裝指南及系統要USB2.0USB2.0PCUSBSETUP.EXE,將安裝文件安裝到默認路徑,安裝完上位機界面程序后,我們操作系統：Windows98CeleronCPU1GHzCeleronCPU1.7GHzPC128Mbytes256M硬盤可使用空間300MbytesCDROM（安裝程序用800X600VGA1024X768LabVIEW7.0MicrosoftWord第三章PCUSB,PCUSBUSB,PCWindowsUSB（PHILIPSisp1581ScannerKIT）：3.2顯示模式模塊如圖（1.11.21.3）1.X-tX-t（1.1）所示顯示界面，橫坐標時間軸的量程設置，縱坐標幅值范圍為-10V～10V。X-t模式可以用用于相平面軌跡顯示時，橫軸為系統偏差，3.4.1X-T/X-Y3.4.2對數幅頻特性3.4.1極坐標圖量程設置1.0.1Hz/10s,10S2.0.2Hz/5s,5S3.100Hz/10ms,