（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(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分 實驗 典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）的頻率特性 實驗 線性系統(tǒng)串聯(lián)校 實驗 典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特 實驗 非線性系統(tǒng)相平面 實驗 非線性系統(tǒng)描述函數(shù) 實驗 極點配置全狀態(tài)反饋控 實驗 采樣控制系統(tǒng)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(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研 實驗 直流電機轉(zhuǎn)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(tǒng)要 功能使用說 使用實 教學實驗需要進行靈活組合，構(gòu)成各種典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)。此外，ACCT-01APC（含實驗系統(tǒng)上位機軟件、ACCC-IUSB2.0USBPCACCC-IACCC-IACCT-01AACCT-02——電機轉(zhuǎn)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(tǒng)）U9～U16G（運放構(gòu)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(shè)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(shè)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(tǒng)都必須考慮環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的時間常數(shù)，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(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分2.1.12.1.2，設(shè)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(tǒng)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(shù)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(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為H)□

,K500Rx，,RxK系統(tǒng)穩(wěn) 系統(tǒng)臨界穩(wěn) 系統(tǒng)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(tǒng)）的頻率特性測學習和掌握測量典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）一階慣性環(huán)節(jié)串聯(lián)”的模擬電路（U9+U11。UiU3D/AO1O2，UoU3A/DI1O1)A/DI2(USBO1④完成實驗設(shè)置后，點擊“下載數(shù)據(jù)”按鈕，將設(shè)置的測試信號發(fā)送到數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。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?qū)牡皖l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(jù)測得的頻率特性曲線（或數(shù)據(jù)）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(shù)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(tǒng)串聯(lián)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(diào)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?！?V“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(tǒng)相平面入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（e&）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)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(jié)束，實驗也自動結(jié)束，如設(shè)置合理就可以在主界面中間得到系統(tǒng)（e&）躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（e&）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階2,6.2.16.2.2電路?？衫弥芷陔A躍信號測試該非線性系統(tǒng)（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(tǒng)在（e&）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)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(tǒng)在（e&）相平面上的相軌跡。該系統(tǒng)在（e&）&=

式中ks（6.2.1s＝0.1，增加反饋電阻現(xiàn)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(tǒng)描述函數(shù)1，用描述函數(shù)法分析繼電型非線性三階系統(tǒng)，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(tǒng)在（e&）e(t)的階躍響應。并從觀測結(jié)果中獲取極限環(huán)振蕩的振幅和周期。測取系統(tǒng)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(shù)法分析飽和型非線性三階系統(tǒng)，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(tǒng)在（e&）e(t)的階躍響應。并從觀測結(jié)果中獲取極限環(huán)振蕩的振幅和周期。測取系統(tǒng)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(shù)為G(s)。則為了用描述函數(shù)法分析上述繼電

示系統(tǒng)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(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)的 圖跡和系統(tǒng)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(diào)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(tǒng)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(shù)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(shè)置，然后設(shè)置“測試信號設(shè)置”框內(nèi)的參數(shù)項，設(shè)置“信號幅值”為（根據(jù)實驗曲線調(diào)整大小，設(shè)置“采樣時間”為“200Hz/5ms“采樣開關(guān)T”為“1 ms，選擇“采樣控制系統(tǒng)混合仿真研究，此時數(shù)字控制器是一比例放大器，可先設(shè)置Kp=1。1msT，1T，T1對以上實驗結(jié)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(tǒng)串聯(lián)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(shè)置，然后設(shè)置“測試信號設(shè)置”框內(nèi)的參數(shù)項，設(shè)置“信號幅值”為“200Hz/5msmsa=b=1,用于獲得不加串聯(lián)校正時的對比結(jié)果。1msa=0.05,b=0.5,1得到它的連續(xù)傳遞函數(shù)；（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(chǎn)生，比較器，校正控制器D(z)，圖 ]，閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為W)=9

1+TGc(sab的功能。實驗 直流電機轉(zhuǎn)速控制實ACCC-I1.11.3V～15V。經(jīng)PID運算后的控制量作為驅(qū)動單元輸入信號，經(jīng)過功率放大后驅(qū)動電機運轉(zhuǎn)。150Hz/V。根據(jù)設(shè)計要求改變輸出電壓反饋系數(shù)□1.2ACCT-01AR0=R1=R2=100K□，R3=100K□，R4=2M□，R5=10K□，C1=1□F，Rf/Ri=1G－15V。RRC1RC1RRUURRUgRR1PIDACCT-（IN＋功率轉(zhuǎn)換的輸出接到直流電機的電樞兩端（內(nèi)部已經(jīng)連接回路中接一個反饋系數(shù)可調(diào)節(jié)的反相器。調(diào)節(jié)反饋系數(shù)□=Rf/Ri，Uo。4．PID對系統(tǒng)性能的影響重新調(diào)節(jié)PID參數(shù)。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(diào)節(jié)反饋系數(shù)□=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(tǒng)接ACCT-01A“OFF”G－15V。ACCT-01AU1調(diào)節(jié)反饋系數(shù)□=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(shè)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(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析（或系統(tǒng)）的頻率特性測量實驗四線性系統(tǒng)串聯(lián)校正實驗六非線性系統(tǒng)相平面法實驗七非線性系統(tǒng)描述函數(shù)法實驗十采樣控制系統(tǒng)串聯(lián)校正的混合仿真研究LabVIEWLabVIEWbmp第二 安裝指南及系統(tǒng)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(tǒng)：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(shè)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(tǒng)偏差，3.4.1X-T/X-Y3.4.2對數(shù)幅頻特性3.4.1極坐標圖量程設(shè)置1.0.1Hz/10s,10S2.0.2Hz/5s,5S3.100Hz/10ms,