武大电气自控实验指导书节选看图王.docx
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武大电气自控实验指导书节选看图王
《自 动 控 制 原 理》
实 验 指 导 书
<节选>
武汉大学电气工程学院
自动控制原理教学小组编
2017 年 9 月
由于参加实验的同学较多,为方便大家实验,特申明实验要求:
1、 为确保教学质量,请各班学习委员合理沟通与安排,每次实验不能超过 40 人,2
人一组。
2、 各位同学请按安排好的时间参加实验,时间无法错开的同学最好与其他同学调换,
调换需要有对应的同学,不允许自己随意参加。
3、 请同学们带纸质《实验指导书》参加实验,提前预习实验内容。
4、 到达实验地点(11 教 11602 室)后,请同学们签到,不允许代签。
在提交实验报告
时必须注明所在组别和小组成员(每组 2 名同学),否则成绩无效。
5、 没有三次签到记录,提交实验报告的同学一律不登记成绩。
6、 实验报告需要在 10 月 20 号以前提交纸质版本。
7、 实验报告应包括实验接线图,注明实验参数和传递函数,给出实验曲线,分析实验
结果,回答实验思考题,每个实验具体要求详见《实验指导书》。
8、 实验时遵照老师要求,爱护实验设备,保持安静整洁,不在实验室进餐,吃零食、
闲聊,不乱扔垃圾,垃圾入篓。
9、 请各位同学杜绝雷同及抄袭,否则以学术不端处理。
实验课安排:
第一次实验课内容:
实验一、实验二
第二次实验课内容:
实验五、实验六
第三次实验课内容:
实验七
1
目录
第一部分实验系统概述 ....................................................................................................................1
第一章硬件的组成及使用.........................................................................................................2
第二章上位机软件的使用.........................................................................................................4
第二部分实验指导 ............................................................................................................................8
实验一典型环节的电路模拟.....................................................................................................9
实验二二阶系统的瞬态响应...................................................................................................17
实验五典型环节和系统频率特性的测量...............................................................................20
实验六线性定常系统的串联校正...........................................................................................26
实验七单闭环直流调速系统...................................................................................................33
附录:
实验报告封面 ..........................................................................................................................38
2
第一部分实验系统概述
《自控原理》实验系统采用浙江天煌教仪公司生产的“THKKL-B 型模块化自控原理实验
系统”。
该实验系统具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、操作快捷、维护简单等优点。
该实验系统具备平台化。
它提供了一个基础实验平台,包括实验模块接口、各种信号源和
阻容器件等资源;具备开放性和扩展性,能容纳更多的实验项目。
该实验系统具备模块化。
由于实验模块接口的标准化,能很方便的增加实验模块。
该实验系统由实验平台、实验模块、独立的实验对象和上位机软件组成。
实验平台主要由
直流稳压电源、阶跃信号发生器、低频函数信号发生器、低频频率计、交/直流数字电压表、电
阻测量单元、电位器组、实验模块接口等组成。
实验模块包括基础实验模块、微控制器模块、
实物对象模块和数据采集模块。
数据采集模块,采用 USB2.0 接口,有 4 路单端 A/D 模拟量输入,转换精度为 12 位;
2 路 D/A 模拟量输出,转换精度为 12 位;上位机软件使用 Labview 编写,集成了虚拟示波
器、信号发生器、Bode 图、Nyquist 图等多种功能。
在实验设计上,控制理论既有模拟部分的实验,又有离散部分实验;既有经典控制理论实
验,又有现代控制理论实验;计算机控制系统除了常规的实验外,还增加了当前工业上应用广
泛、效果卓著的模糊控制、神经元控制、二次型最优控制等实验。
1
第一章硬件的组成及使用
自控实验系统由实验平台、实验模块、数据采集卡组成。
一、实验平台
1. 直流稳压电源
直流稳压电源主要用于控制各实验模块的电源开关。
有±5V/0.5A、±15V/0.5A 及
+24V/2.0A,它们的开关分别由相应的钮子开关控制,并由发光二极管指示。
实验前,启动实
验平台的电源总开关。
并根据需要将±5V、±15V、+24V 钮子开关拔到“开”的位置。
2. 直流可调恒流源
输出范围 0~20mA,使用时把钮子开关拨到开,通过旋钮调节输出信号的大小。
3. 阶跃信号发生器
阶跃信号发生器Ⅰ:
可分别输出 0.5V、1V、2V、3V、4V、5V 的电压信号。
使用时先选择
电压档位;当按下自锁按钮时,输出端输出阶跃信号,当弹起自锁按钮时,输出端输出电压为
0V。
阶跃信号发生器Ⅱ:
其输出电压范围约为-5V~+5V,正负档连续可调。
使用时根据需要可
选择正输出或负输出,通过该单元的钮子开关选择。
当按下自锁按钮时,输出端输出一个可调
的阶跃信号(当输出电压为 1V 时,即为单位阶跃信号);当弹起自锁按钮时,输出端输出电压
为 0V。
4. 低频函数信号发生器
输出正弦波、方波、三角波、斜坡、抛物波五种波形,输出频率范围 0.1Hz~10kHz,幅
值为 0~15VP-P 连续可调。
5. 低频频率计
低频频率计是由单片机 89C2051 和六位共阴极 LED 数码管设计而成的,具有输入阻抗大
和灵敏度高的优点。
其测频范围为:
0.1Hz~9.999kHz。
低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。
使用时先将低频频率计
的电源钮子开关拔到“开”的位置,然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过
“输入”和“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出
信号的频率)。
另外本单元还有一个复位按钮,以对低频频率计进行复位操作。
注:
将“内测/外测”开关置于“外测”时,而输入接口没接被测信号时,频率计有时会
显示一定数据的频率,这是由于频率计的输入阻抗大,灵敏度高,从而感应到一定数值的频率。
此现象并不影响内外测频。
6.交/直流数字电压表
交/直流数字电压表有三个量程,分别为 200mV、2V、20V。
通过交直流选择按键选择交流
或直流测量功能。
交流毫伏表具有频带宽(10Hz~400kHz)、精度高(1kHz 时:
±5‰)和真
有效值测量的特点,即使测量窄脉冲信号,也能测得其精确的有效值,其适用的波峰因数范围
可达到 10。
二、实验模块
实验模块包括基础实验模块、微控制器模块、实物对象模块。
1. 基础实验模块
2
基础实验模块用于组建实验所需的模拟电路,实验模块是结合实验项目而设计的,实验时
要选择相应的实验模块插到实验平台上再进行实验;每个实验所用实验模块具体依实验中所
述。
实验模块上包含运放、电阻、电容、电位器等器件;有 5 个插脚,提供实验模块所需的
±5V、±15V、 GND 等电源信号。
实验模块上有“锁零单元”,用于对模拟电路中的积分环节的电容放电。
锁零单元有“手
动”和“自动”两种控制方式。
手动时,当锁零按钮按下后,锁零电路导通对积分电容放电,
当锁零按钮弹起后,锁零电路断开并可以开始实验。
自动时,通过外接控制信号到“UI”端可
以控制锁零电路锁零;本设备每个实验中,使用数据采集卡的“D03”作为自动锁零信号的输
出端,实验时用一根 2 号导线连接数据采集卡的 D03 和实验模块锁零单元的 UI,就可以实
现使用上位机软件中的“锁零”按钮控制模拟电路的锁零。
2. 微控制器模块
主要用于计算机控制实验部分。
主要由单片机(AT89S52)、AD 采集芯片(AD7366,四路
12 位,电压范围:
-10V~+10V)和 DA 输出芯片(LTC1446,两路 12 位,电压范围:
-10V~
+10V)三部分组成。
3. 实物对象模块
包括直流电机控制模块、步进电机控制模块和温度控制模块。
使用方法详见具体实验。
三、数据采集卡
数据采集卡的“AO1、AO2”,是单端模拟量输出端口,能输出正弦波、方波、斜波、抛物
波等四种波形,频率范围为 0.1HZ~50Hz,幅度为 0~18VP-P 可调。
数据采集卡的“AI1、AI2、AI3、AI4”,是单端模拟量输入端口,采样速率为 9kb/s,转
换精度 12bit,输入范围为-10V~+10V。
数据采集卡的“C”是计数器端口(32bit);“D01~D12”是可编程 I/O 口(与 CMOS、
TTL 电平兼容)。
注意事项:
1.每次连接线路前要关闭电源总开关。
2.按照实验指导书连接好线路后,仔细检查线路是否连接正确、电源有无接反。
如确认无
误后方可接通电源开始实验。
3
第二章上位机软件的使用
1.打开桌面上的的“自控原理软件”,选择“THKKL-B 型”数据采集卡,进入实验目录界
面。
实验包含三类实验项目:
控制理论实验、计算机控制实验和对象实验。
2.点击实验项目后进入相应的实验界面,如点击“典型环节的电路模拟”显示如下:
4
3.点击“实验电路”和“程序分解”可分别看到相关的实验电路和程序模块,如下图所示。
4.在“实验测试面板”中,点击以下功能按钮可以完成相应操作
(1)点击“开始”,开始采集数据。
(2)点击“锁零”,数据采集卡的 DO3 输出锁零信号(用于实验模块的自动锁零);注意,
点击“开始”后“锁零”按钮才起作用;在停止实验之前,请使锁零按钮处于解锁状态。
(3)点击“报告”,自动生成实验报告。
(4)点击“保存”,保存实验结果的图像。
(5)点击“打印”,打印整个实验界面。
(6)点击“主页”,返回实验目录界面。
(7)点击“输出”,数据采集卡的 AO1 输出设定的电压值。
注意,点击“开始”后“输
出”按钮才起作用;在停止实验之前,请关闭输出按钮。
“
线性定常系统的稳态误差实验面板中, 波形选择”框中,选择波形即可输出相应的信号(点
5
击“开始”后选择波形才有输出;在停止实验之前,请选择波形为无)。
5.在“实验窗口”中,实验结果显示方式有:
曲线显示、游标显示和采集信号显示,如下
图所示。
注意:
上图中的所示的“输入信号”“输出信号”是针对实验电路或实物对象而言;“输入
信号”即实验电路的输入信号,“输出信号”即实验电路的输出信号。
上图中,点击“”和“”,可以分别更改曲线的属性,右键
点击“曲线可见”可以使曲线显示或不显示。
对于 X、Y 轴的显示范围,可以任意更改其最大值和最小值以方便观测实验曲线。
如图中
X 轴的显示范围为 0~1000,界面中只能显示 10 秒之内的曲线,若想要显示更长时间内的曲
线,可以更改 X 轴的最大值;若想要放大显示某段时间的曲线可以更改 0 和 10 的值;Y 轴
的显示范围同样可以修改。
拖动游标 0 和游标 1,在图中可以实时显示游标的坐标值,实时显示两游标在 X 轴方向
的△t 和在 Y 轴方向的。
在图中,鼠标右键点击“”和“”可以更改
游标的属性。
(点击鼠标右键,选择置于中间,游标会自动跳到当前示波器界面的中间位置)。
6
6.在实验测试面板中,参数设定界面如下图:
在图中,点击“采集通道”,可以更改数据采集的通道;点击“采集长度”和“采集频率”,
可以更改其参数(默认已设置好,不建议更改)。
“校零”:
开始测量时,如果波形不在零点位置,可以在调零输入框中输入相应的值使波形
处于零点位置。
7.在实验测试面板中,通道显示界面如下图,图中可以看到实验中用到的输入、输出通道。
““
8.控制理论实验部分的“典型环节和系统频率特性的测量”实验;在此实验界面的“仿真”
面板中,可进行电路的 Bode 图和 Nyquis 图的仿真。
Numerator”栏填写分子系数,Denominator”
栏填写分母系数;从左到右依次是常数、1 次、2 次和 3 次的系数。
7
8
第二部分实验指导
实验一典型环节的电路模拟
一、实验目的
1.熟悉 THKKL-B 型模块化自控原理实验系统及“自控原理软件”的使用;
2.熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟;
3.测量各典型环节的阶跃响应曲线,并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备
1.THKKL-B 型模块化自控原理实验系统实验平台,实验模块 CT01;
2.PC 机一台(含上位机软件);
3.USB 接口线。
三、实验内容
1.设计并组建各典型环节的模拟电路;
2.测量各典型环节的阶跃响应,并研究参数变化对其输出响应的影响。
四、实验原理
自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节
的结构及其对阶跃输入的响应,将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成,其原理框图如图 1-1 所示。
图中 Z1 和
Z2 表示由 R、C 构成的复数阻抗。
图 1-1 典型环节的原理框图
1. 比例(P)环节
比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
它的传递函数与
方框图分别为:
G(S) =
U O (S)
U i (S)
= K
当 Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号,且比例系数为 K 时的响应曲线如图 1-2 所示。
图 1-2 比例环节的响应曲线
2.积分(I)环节
积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为:
9
G(s) =
U O (S)
U i (S)
=
1
Ts
设 Ui(S)为一单位阶跃信号,当积分系数为 T 时的响应曲线如图 1-3 所示。
图 1-3 积分环节的响应曲线
3.比例积分(PI)环节
比例积分环节的传递函数与方框图分别为:
G(s) =
UO (S)
Ui (S)
=
R2CS +1
R1CS
=
R2
R1
+
1
R1CS
=
R2
R1
(1+
1
R2CS
)
其中 T=R2C,K=R2/R1
设 Ui(S)为一单位阶跃信号,图 1-4 示出了比例系数(K)为 1、积分系数为 T 时的 PI 输出响
应曲线。
图 1-4 比例积分环节的响应曲线
4.比例微分(PD)环节
比例微分环节的传递函数与方框图分别为:
G(s) = K(1 + TS ) =
R2
R1
(1 + R1CS)
其中 K = R2 / R1,T = R1C
设 Ui(S)为一单位阶跃信号,图 1-5 示出了比例系数(K)为 2、微分系数为 T 时 PD 的输出响
应曲线。
图 1-5 比例微分环节的响应曲线
10
5.比例积分微分(PID)环节
比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为:
G(s) = Kp +
1
TI S
+ TD S
R C + R2C2
其中 Kp =11
R1C2
, TI = R1C2 ,TD = R2C1
=
(R2C2S + 1)(R1C1S + 1)
R1C2S
=
R2C2 + R1C1
R1C2
+
1 + R2C1S
R1C2S
设 Ui(S)为一单位阶跃信号,图 1-6 示出了比例系数(K)为 1、微分系数为 TD、积分系数为
TI 时 PID 的输出。
图 1-6 PID 环节的响应曲线
6.惯性环节
惯性环节的传递函数与方框图分别为:
G(s) =
U O (S)
U i (S)
=
K
TS + 1
当 Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号,且放大系数(K)为 1、时间常数为 T 时响应曲线如
图 1-7 所示。
图 1-7 惯性环节的响应曲线
五、实验步骤
1.比例(P)环节
根据比例环节的方框图,电路图,用 CT01 实验模块组建相应的模拟电路,如图 1-8 所示。
图 1-8 比例环节的模拟电路
图中后一个单元为反相器,其中 R0=200k。
11
C=10uF 时
C=1uF 时
数据采集卡的 AO1
CT01 的 P1
数据采集卡的 AO1
CT01 的 P1
CT01 的 P2
CT01 的 P6
CT01 的 P3
CT01 的 P6
CT01 的 P7
数据采集卡的 AI1
CT01 的 P7
数据采集卡的 AI1
数据采集卡的 GND
CT01 的 GND
数据采集卡的 GND
CT01 的 GND
数据采集卡的 DO3(自动锁
零时连接,手动不连接)
CT01 的 UI
数据采集卡的 DO3 自动(自
动锁零时连接,手动不连接)
CT01 的 UI
R2=100k 时
R2=200k 时
数据采集卡的 AO1
CT01 的 P1
数据采集卡的 AO1
CT01 的 P1
CT01 的 P5
CT01 的 P6
CT01 的 P4
CT01 的 P6
CT01 的 P7
数据采集卡的 AI1
CT01 的 P7
数据采集卡的 AI1
数据采集卡的 GND
CT01 的 GND
数据采集卡的 GND
CT01 的 GND
若比例系数 K=1 时,电路中的参数取:
R1=100k,R2=100k。
若比例系数 K=2 时,电路中的参数取:
R1=100k,R2=200k。
接线表如下:
打开上位机软件的“典型环节的电路模拟”界面。
实验时,在“电压设定”框中输入电压值,点击“开始”按钮,点击“输出”按钮;在虚
拟示波器界面中观察实验波形;点击“停止”按钮;完成实验。
(以下不含锁零单元的电路操
作方法相同)
当 ui 为一单位阶跃信号时,用上位机软件观测并记录相应 K 值时的实验曲线,并与理论值
进行比较。
另外 R2 还可使用可变电位器,以实现比例系数为任意的设定值。
注:
为了更好的观测实验曲线,实验时可适当调节软件上的时间轴刻度,以下实验相同。
2.积分(I)环节
根据积分环节的方框图,用 CT01 实验模块组建相应的模拟电路,如图 1-9 所示。
图 1-9 积分环节的模拟电路
图中后一个单元为反相器,其中 R0=200k。
若积分时间常数 T=1s 时,电路中的参数取:
R=100k,C=10uF(T=RC=100k×10uF=1s);
若积分时间常数 T=0.1s 时,电路中的参数取:
R=100k,C=1uF(T=RC=100k×1uF=0.1s);
接线表如下:
(
注:
由于实验电路中有积分环节,实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。
以
下含锁零单元的电路操作方法相同)
12
锁零单元有“手动”和“自动”两种控制方式。
同学们任选一种即可,推荐手动方式。
自动时,通过外接控制信号到“UI”端可以控制锁零电路锁零;实验中,使用数据采集卡
的“D03”作为自动锁零信号的输出端,实验时用一根 2 号导线连接数据采集卡的 D03 和实
验模块锁零单元的 UI,就可以实现使用上位机软件中的“锁零”按钮控制模拟电路的锁零。
“自动”时的实验操作如下:
把模块底部的手自动钮子开关拨到自动;
在“电压设定”框中输入电压值;
点击“开始”按钮;
点击软件界面上的“解锁”按钮
点击“输出”按钮,在虚拟示波器界面中观察实验波形;
点击“停止”按钮;完成实验。
(实验完成后及时锁零,对积分电容放电,点击软件界面上
的“锁零”按钮)
手动时,当锁零按钮按下后,锁零电路导通对积分电容放电,当锁零按钮弹起后,锁零电
路断开并可以开始实验。
“手动”时的实验操作如下:
把模块底部的手自动钮子开关拨到手动;
在“电压设定”框中输入电压值;
点击“开始”按钮;
按下硬件模块上的红色“解锁”按钮,使其弹起;
点击“输出”按钮,在虚拟示波器界面中观察实验波形;
点击“停止”按钮;完成实验。
(实验完成后及时锁零,对积分电容放电,按下硬件模块上
的红色“解锁”按钮,使其压下。
)
当 ui 为单位阶跃信号时,用上位机软件观测并记录相应 T 值时的输出响应曲线,并与理论
值进行比较。
3.比例积分(PI)环节
根据比例积分环节的方框图,用 CT01 实验模块组建相应的模拟电路,如图 1-10 所示。
图 1-10 比例积分环节的模拟电路
图中后一个单元为反相器,其中 R0=200k。
RR,
若取比例系数 K=1、积分时间常数 T=1s 时,电路中的参数取:
1=100k, 2=100k C=10uF(K=
13
C=10uF 时
C=1uF 时
数据采集卡的 AO1
CT01 的 P8
数据采集卡的 AO1
CT01 的 P8
CT01 的 P9
CT01 的 P11
CT01 的 P10
CT01 的 P11
CT01 的 P12
CT01 的 P15
CT01 的 P12
CT01 的 P15
CT01 的 P16
数据采集卡的 AI1
CT01 的 P16
数据采集卡的 AI1
数据采集卡的 GND
CT01 的 GND
数据采集卡的 GND
CT01 的 GND
数据采集卡的 DO3(自动锁
零时连接,手动不连接)
C
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