自动控制原理实验指导书(修改)

自动控制原理实验指导书张毅 李学勤 编著重庆邮电学院 自动化学院目 录TDN-ACS系统介绍.1实验准备.3实验一 典型环节的实验研究.5实验二 典型系统瞬态响应和稳定性9实验三 系统校正.13实验四 控制系统的频率特性17实验五 典型非线性环节2125TDN-ACS系统介绍自动控制原理是自动化、自动控制、电子技术、电气技术、精密仪器等专业教学中的一门重要专业基础课程。TN-ACS自动控制原理/计算机控制原理教学实验系统通过对系统单元电路的灵活组态，可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统，从而支持了自控原理的实验教学，还支持以微机为控制平台的计算机控制技术实验教学，做到一机多用。利用系统提供的集成操作软件，通过PC示波器功能可实时、清晰的观察控制系统的各项静、动态特性，方便了对模拟控制系统特性的研究。利用系统配置的电机等控制对象，可开设控制系统课程的实验。该系统还可扩展支持线性系统、最优控制、系统辨识及计算机控制等现代控制理论的模拟实验研究。一、系统构成TDN-ACS系统由如下各单元电路构成。信号源发生单元电路 Ul SG& Ul5 SIN采样保持器及单稳单元电路 U2 SH运算模拟单元电路 U3U8非线性用单元电路 U9 NC数/模转换单元电路 U10 DAC模/数转换单元电路 U12 ADC状态指示灯单元 U11 D单节拍脉冲发生单元 U13 SP电位器单元 U14 P-5v电源发生单元 U16 A信号测量单元 U19 SC驱动单元 U17 DRIVER电机单元 U18 MOTOR高效开关电源8088CPU板和PC机进行通讯的串口。二、使用注意事项1、对于搭接被控对象时，输入和反馈回路中的电阻应尽可能利用实验板上的电位器来实现。2、实验用的导线，导线头不应拔得太长，以防短路。做完实验后，应将导线及元器件装入箱盖上的袋子中，千万不要散乱地放在机箱中，以免下次做实验引起短路。3、对TDN-ACS系统来说，因为安装了高效开关电源，它们的重新开启和上一次断开之间的时间应大于30秒，因此不要过于频繁的开启电源。4、实验时，经检查线路已经正确搭接后再上电开始实验，布线时严禁带电进行操作。实验准备1、 使运放处于工作状态将信号源单元(U1，SG)的ST端(插针)与+5V端(插针)用短路块短接，使模拟电路中的场效应管(3DJ6)夹断，这时运放处于工作状态。2、阶跃信号的产生阶跃信号产生的电路由单脉冲单元(U13 SP)及电位器单元(U14，P)组成。具体线路形成步骤如下：在Ul3 SP单元中，将Hl与+5V插针用“短路块”短接，H2插针用排线接至Ul4 P单元的X插针;在Ul4 P单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。3、 方波信号的产生采用U1 SG单元产生周期性方波信号（重复的阶跃波信号），U1单元的ST的插针与S插针用“短路块”短接，S11波段开关置于“阶跃信号”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12和电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜。采用该单元还能产生重复的斜坡、抛物波信号，只要将S11波段开关置于相应位置即可。4、 正弦波信号的产生正弦波信号由U15 SIN正弦波信号发生单元产生，该单元产生的正弦波信号频率范围0.2Hz400Hz，幅值在5V范围内。5、运算模拟单元电路的结构运算模拟单元电路为U3U8，它们的区别在于输入电阻大小不同。1）U3U5的结构2）U6U8的结构 在实验中根据需要选择运算模拟单元电路。实验一 典型环节的实验研究一、 实验目的1、 了解TDN-ACS自动控制原理/计算机控制原理教学实验系统的基本组成，和各个模块的作用。2、 利用TDN-ACS的信号源模块产生各种信号波形。3、 了解各典型环节的模拟电路以及输入响应。4、 长余辉双踪示波器的使用。5、 观察各典型环节的输入响应及PID环节的响应曲线。二、 实验设备1、 长余辉双踪示波器2、 TDN-ACS自动控制原理/计算机控制原理教学实验系统3、 配套的电阻、电容、导线等三、 实验原理 通过构成各种典型环节，用示波器观察其输入响应。各典型环节的模拟电路图如下：1、 比例（P）2、 积分（I）3、 比例积分（PI）4、 比例微分（PD）5、 惯性环节（T）6、 比例积分微分（PID）四、实验步骤:1、 按各典型环节的模拟电路图将线接好(PID先不接)。例如构成比例时可先用万用表测量U6的“1”和“IN”端，调节与之相对应的47K电位器W62，使万用表显示为10K。调整反馈电阻使Rf为20K，方法是使用万用表测量“2”和“IN”端，调节W61，使万用表显示为20K，然后用一根单股导线将“2”端与“OUT”端连接起来，构成20K的反馈电阻。同样的方法连接下一级电路即可。 2、将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端相联接;模拟电路的输出端(U0)接至示波器。 3、用示波器观测输出端的实际响应曲线U(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。4、将输入信号改变为方波或者正弦波，观察输出结果。5、同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，比较它们的理想曲线和实际响应曲线。6、观察PID环节的响应曲线。参照PID模拟电路图，将PID环节搭接好，将周期性方波信号加到PID环节的输入端(Ui)，用示波器观测PID输出端(U0)，改变电路参数，重新观察并记录。五、实验记录 将各典型环节的输入响应曲线记录，并与理想响应曲线相比较。实验二 典型系统瞬态响应和稳定性一、 实验目的观察典型系统的瞬态响应和稳定性。二、 实验设备1、 长余辉双踪示波器2、 TDN-ACS自动控制原理/计算机控制原理教学实验系统3、 配套的电阻、电容、导线等三、 实验原理 1、下图是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1S，T1=0.1S，K1分别为10、5、2.5、1。2、开环传递函数：3、闭环传递函数：4、下表列出有关二阶系统在三种情况(欠阻尼，临界阻尼，过阻尼)下的具体参数达式，以便计算理论值。至于推导过程请参照有关原理书。K1/5、实验电路图 四、实验步骤1、 准备。将“信号源单元” (U1 SG)的ST插针和+5V插针用“短路块”短接，使运算放大器反馈网络上的场效应管3DJ6夹断。2、 按实验模拟图接线，R=l0K。3、 用示波器观察系统阶跃响应C(t),并记录超调量MP和峰值时间tP和调节时间tS，并记录。4、 分别按R=20k；40K；l00K改变系统开环增益，观察相应的阶跃响应C(t)，测量并记录性能指标MP,tP和tS及系统的稳定性。并将测量值和计算值(实验前必须按公式计算出)进行比较。五、实验记录及数据处理按照下表格式记录并整理实验数据。RKC(tp)C()Mp(%)tp(S)ts(S)阶跃响应曲线在表中，实验前必须按照公式计算出Mp、tp、ts的计算值，实验后将测量值填入表中。表中，R的单位为K，K的单位为1/S，n的单位为1/S。实验三 系统校正一、 实验目的1、 设计串联校正装置，使系统满足要求的性能指标。2、 测量未校准的系统和校准后的系统的性能指标。二、 实验设备1、 长余辉双踪示波器2、 TDN-ACS自动控制原理/计算机控制原理教学实验系统3、 配套的电阻、电容、导线等三、实验原理1、原系统的原理方块图，见下图1。由闭环传函：要求设计串联校正装置，使系统满足下述性能指标：由理论推导(可参照有关自控原理书)得，校正网络的传递函数为：所以校正后的方块图如图2所示，图2 校正后系统的方块图2、原系统及校正后的模拟电路图见图3及图4图3 未校正系统的模拟电路图图4 校正后系统模拟电路四、实验步骤准备：将“信号源单元”(U1 SG)的ST插针和+5v插针用“短路块”短接。1、测量未校正系统的性能指标。1）按图3接线。 2）加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量MP和调节时间ts，将曲线及参数记录下来。 2、测量校正系统的性能指标。 1）按图4接线。 2）加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量MP以及调节时间tS。看是否达到期望值，若未达到，请仔细检查接线(包括阻容值)。 (3)具体参教及响应曲线请参照表3-1。表3-1Mp(%)tp(S)响应曲线未校正0.64校正后0.20.8实验四 控制系统的频率特性一、 实验目的应用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特性。二、 实验设备1、 长余辉双踪示波器2、 TDN-ACS自动控制原理/计算机控制原理教学实验系统3、 配套的电阻、电容、导线等三、实验原理1、原系统的原理方块图，见下图1。图1被测系统方块图系统(或环节)的频率特性，是一个复变量。可以表示成以角频率为参数的幅值和相角：本实验应用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特性。图1所示系统的开环频率特性为：采用对数幅频特性和相频特性表示，则上式表示为： 将频率特性测试仪内信号发生器产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化，并施加于被测系统的输入端r(t)，然后分别测量相应的反馈信号b(t)和误差信号e(t)的对数幅值和相位。频率特性测试仪测试数据经相关器运算后在显示器中显示。 根据式3和式4分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，在半对数座标纸上作出实验曲线：开环对数幅频曲线和相频曲线。 根据实验开环对数幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再根据渐近线的斜率和转角频确定频率特性(或传递函数)。所确定的频率特性(或传递函数)的正确性可以由测量的相频曲线来检验，对最小相位系统而言，实际测量所得的相频曲线必须与由确定的频率特性(或传递函数)所画出的理论相频曲线在一定程度上相符。如果测量所得的相位在高频(相对于转角频率)时不等于-90(q-p)式中p和q分别表示传递函数分子和分母的阶次，那么，频率特性(或传递函数)必定是一个非最小相位系统的频率特性。 四、实验步骤1、准备：将信号源单元(U1 SG)的ST插针和+5v插针用“短路块”短接。2、被测系统的模拟电路图，见图2图2被测系统3、测量系统的开环对数幅频曲线和相频曲线。 1）将频率测试仪中的信号发生器的频率调节为0.lKHz，(正弦波)，幅值调节至适当值，并施加至被测系统的输入端。 2）用示波器观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。 3）测量系统误差信号e(t)的幅值(对数幅值，单位为分贝，和相位(度)，并记录测量结果。 (4)测量反馈信号b(t)的幅值(分贝)和相位(度)。增大输入正弦信号的频率，直至300HZ，分别重复上述步骤。五、 实验数据处理按照表1的格式记录并处理实验数据输入Ui(t)的频率误差信号反馈信号开环频率特性幅值对数幅值相位幅值对数幅值相位对数幅值相位100HZ10V2000.3-10.5-45-30-45 实验中，由于传函是经拉氏变换推导出的，而拉氏变换是一种线性积分运算，因此它适用于线性定常系统，所以必须用示波器观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。根据实验测量得的数据，按照图3的形式画出开环对数幅频曲线和相频曲线。图3 开环对数幅频曲线和相频曲线根据曲线，求出系统的传函： 实验中，系统输入正弦信号的幅值不能太大，否则反馈幅值更大，不易读出，同理，太小也不易读出。实验五 典型非线性环节一、 实验目的1、 以运算放大器为基本元件，在输入端和反馈网络中设置相应元件(稳压管、二极管、电阻和电容)组成各种典型非线性的模拟电路。2、 掌握继电、饱和、死区、间隙特性的模拟电路的搭接，研究非线性环节的特性参数和实际输入特性。二、 实验设备1、 长余辉双踪示波器2、 TDN-ACS自动控制原理/计算机控制原理教学实验系统3、 配套的电阻、电容、导线等三、实验原理1、 继电特性，见图1图1继电特性模拟电路理想继电特性如图2（A）所示。图中M值等于双向稳压管的稳压值。图2(A) 理想继电特性 图2（B） 理想饱和特性2、 饱和特性图3 饱和特性模拟电路理想饱和特性图中特性饱和值等于稳压管的稳压值，斜率k等于前一级反馈电阻值与输人电阻值之比，即：k=Rf/R3、死区特性死区特性模拟电路图见图4。图4 死区特性模拟电路k死区特性如图5（A）所示。图5（A） 死区特性 图5（B） 间隙特性图中特性的斜率k为k=Rf/R0，死区,式中R2的单位K，且R2=R1，(实际还应考虑二极管的压降值)4、间隙特性间隙特性的模拟电路图见图6间隙特性如图5（B）所示。图中空间特性的宽度(OA)为：，式中R2的单位为K，（R2=R1），特性斜率tg为： 根据上面的式子可知道，改变R2和R1可改变空回特性的宽度;改变（）或（）可调节特性斜率tg。图6 间隙特性模拟电路四、实验步骤1、 准备1)选择模拟电路中未标值元件的型号、规格。 2)将信号源(U1 SG)单元的ST插针和+5v插针用“短路块”短接2、 按图1接线，图1中的(a)和(b)之间的虚线处用导线连接好；(图5-1(a)中，+5v与Z之间，以及-5v与X之间用短路块短接)3、 模拟电路中的输入端(Ui)和输出端(U0)分别接至示波器的X轴和Y轴的输入端。4、 调节输入电压，观测并记录示波器上的U0Ui波形；5、 分别按图3、4、6接线，输入电压电路采用图5-1(a)，重复上述步骤(2-3)。6、 备注：图4、6非线性模拟电路请应用“非线性用单元U9 NC”。 U9 NC单元的INA之间和INB之间插入所选择的电阻。 五、实验记录及处理典型非线性环节的特性参数及它们的实际输出特性按照表1的格式进行记录。表1典型非线性环节特性参数输出特性继电型饱和型（Rf=R0=10k）死区（R1=R2=10K）间隙（R1=R2=10K）