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自控理论实验实验指导书(LABVIEW)最新


目录
一.自动控制理论实验指导
1.概述........................................................1 2.实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究.....................5 3.实验二 典型系统动态性能和稳定性分析.......................12 4.实验三 典型环节(或

系统)的频率特性测量...................16 5.实验四 线性系统串联校正...................................21 6.实验五 7.实验六 8.实验七 9.实验八 10.实验九 11.实验十 典型非线性环节的静态特性...........................26 非线性系统相平面法.................................31 非线性系统描述函数法...............................37 极点配置全状态反馈控制.............................42 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究....49 采样控制系统串联校正的混合仿真研究................53

二.自动控制理论对象实验指导
1.实验一 直流电机转速控制实验...............................57 2.实验二 温度控制实验.......................................60 3.实验三 水箱液位控制实验...................................62

三.自动控制理论软件说明
1.概 述......................................................64 2.安装指南及系统要求.........................................67 3.功能使用说明...............................................69 4.使用实例...................................................79

自动控制理论实验指导

概述
一.实验系统功能特点
1.系统可以按教学需要组合,满足“自动控制原理”课程初级与高级实验的需要。只 配备 ACT-I 实验箱,则实验时另需配备示波器,且只能完成部分基本实验。要完成与软件 仿真、混合仿真有关的实验必须配备上位机(包含相应软件)及 USB2.0 通讯线。 2.ACT-I 实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性与高阶电模拟单元, 可根据教学实验需要进行灵活组合,构成各种典型环节与系统。此外,ACT-I 实验箱内还 可含有数据处理单元,用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。 3.配备 PC 微机作操作台时,将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。系统提供 界面友好、功能丰富的上位机软件。PC 微机在实验中,除了满足软件仿真需要外,又可成 为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。 4.系统的硬件、软件设计,充分考虑了开放型、研究型实验的需要。除了指导书所提 供的 10 个实验外,还可自行设计实验。

二.系统构成
实验系统由上位 PC 微机(含实验系统上位机软件) 、ACT-I 实验箱、USB2.0 通讯线等 组成。ACT-I 实验箱内装有以 C8051F060 芯片(含数据处理系统软件)为核心构成的数据 处理卡,通过 USB 口与 PC 微机连接。

1.实验箱 ACT-I 简介
ACT-I 控制理论实验箱主要由电源部分 U1 单元、信号源部分 U2 单元、与 PC 机进行 通讯的数据处理 U3 单元、 元器件单元 U4、非线性单元 U5~U7 以及模拟电路单元 U8~ U16 等共 16 个单元组成,详见附图。 (1) 电源单元 U1 包括电源开关、保险丝、+5V、-5V、+15V、-15V、0V 以及 1.3V~15V 可调电压 的输出,它们提供了实验箱所需的所有工作电源。 (2) 信号源单元 U2 可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦 信号,并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。 该单元面板上配置的拨键 S1 和 S2 用于周期阶跃、斜坡、抛物线信号的频率段选择, 可有以下 4 种状态: ①S1 和 S2 均下拨——输出信号周期的调节范围为 2~60ms;
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自动控制理论实验指导
②S1 上拨、S2 下拨——输出信号周期的调节范围为 0.2~6s; ③S1 下拨、S2 上拨——输出信号周期的调节范围为 20~600ms; ④S1 和 S2 均上拨——输出信号周期的调节范围为 0.16~7s; 另有电位器 RP1 用于以上频率微调。 电位器 RP2、RP3 和 RP4 依次分别用于周期阶跃、斜坡与抛物线信号的幅值调节。在上 述 S1 和 S2 的 4 种状态下,阶跃信号的幅值调节范围均为 0~14V;除第三种状态外,其余 3 种状态的斜坡信号和抛物线信号的幅值调节范围均为 0~15V;在第三种状态时,斜坡信 号的幅值调节范围为 0~10V,抛物线信号的幅值调节范围为 0~2.5V。 信号单元面板上的拨键 S3 用于正弦信号的频率段的选择:当 S3 上拨时输出频率范围 为 140Hz~14KHz;当 S3 下拨时输出频率范围为 2~160Hz。电位器 RP5 和 RP6 分别用于正 弦信号的频率微调和幅值调节,其幅值调节范围为 0-14V。 (3) 数据处理单元 U3 内含以 C8051F060 为核心组成的数据处理卡(含软件) ,通过 USB 口与上位 PC 进行通 讯。内部包含八路 A/D 采集输入通道和两路 D/A 输出通道。与上位机一起使用时,可同时 使用其中两个输入和两个输出通道。结合上位机软件,用以实现虚拟示波器、测试信号发 生器以及数字控制器功能。 (4) 元器件单元 U4 单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器,另提供插接电路供放置自己选定大小的 元器件。 (5) 非线性环节单元 U5、U6 和 U7 U5,U6,U7 分别用于构成不同的典型非线性环节。 单元 U5 可通过拨键 S4 选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路。 单元 U6 为具有继电特性的非线性环节模拟电路。 单元 U7 为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。 (6) 模拟电路单元 U8~U16 U8~U16 为由运算放大器与电阻,电容等器件组成的模拟电路单元。其中 U8 为倒相 电路,实验时通常用作反号器。U9~U16 的每个单元内,都有用场效应管组成的锁零电路 和运放调零电位器。 2.系统上位机软件的功能与使用方法,详见《ACT-I 自动控制理论实验上位机程序使 用说明书》 。

三.自动控制理论实验系统实验内容
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自动控制理论实验指导
1. 典型环节的电路模拟与软件仿真研究; 2. 典型系统动态性能和稳定性分析; 3. 典型环节(或系统)的频率特性测量; 4. 线性系统串联校正; 5. 典型非线性环节的静态特性; 6. 非线性系统相平面法; 7. 非线性系统描述函数法; 8. 极点配置线性系统全状态反馈控制; 9. 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究; 10.采样控制系统串联校正的混合仿真研究。 要完成上列全部实验,必须配备上位计算机。

四.实验注意事项
1.实验前 U9~U16 单元内的运放需要调零。 2.运算放大器边上的锁零点 G 接线要正确。不需要锁零时(运放构成环节中不含电 容或输入信号为正弦波时) ,必须把 G 与-15V 相连;在需要锁零时,必须与其输入信号同 步的锁零信号相连。 如在采用 PC 产生的经 D/A 通道输出的信号 O1 作为该环节或系统的输 入时,运放的锁零信号 G 应连 U3 单元的 G1(对应 O1) ;类似地,如采用 PC 产生的信号 O2 作输入,则锁零信号 G 应连 U3 单元的 G2(对应 O2) 。锁零主要用于对电容充电后需 要放电的场合,一般不需要锁零。 3.在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时,要特别注意,实验箱上的运放都是反 相输入的,因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑,必要时接 入反号器。 4. 作频率特性实验和采样控制实验时, 必须注意只用到其中 1 路 A/D 输入和 1 路 D/A 输出,具体采用“I1~I8”中哪一个通道,决定于控制箱上的实际连线。 5.上位机软件提供线性系统软件仿真功能。在作软件仿真时,无论是一个环节、或是 几个环节组成的被控对象、或是闭环系统,在利用上位机界面作实验时,都必须将开环或 闭环的传递函数都转化成下面形式,以便填入参数 ai, bj

bm s m ? bm?1s m?1 ? ... ? b1s ? b0 W ( s) ? an s n ? an ?1s n?1 ? ... ? a1s ? a0
其中 n ? 10 , m ? n 。 如出现 m ? n 的情况,软件仿真就会出错,必须设法避免。如实验一,在作理想比例

-

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自动控制理论实验指导
微分 (PD) 环节的软件仿真实验时就会遇到此问题, 因为此时 W (s) ? K (1 ? Ts) ? K ? KTs 可见该 W(s)分子中 s 的阶高于分母的,直接填入参数仿真,即出现“非法操作”的提示。 具体避免方法请参阅该实验附录。 6.受数据处理单元 U3 的数据处理速率限制,作频率特性实验和采样控制实验时,在 上位机界面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和采样控制频率的选择。对于频率特 性实验,应满足ω<200/sec,以免引起过大误差。类似地,对于采样控制实验,采样控制 周期应不小于 5 ms。 7.本采集设备的上位机软件,A/D 和 D/A 输出部分,需要注意的一些事项。本数据采 集系统有 8 路 A/D 输入,2 路 D/A 输出,对于 8 路 A/D 输入将其分为四组,因为一般我们 用到两路同时输出或同时输入。I1、I2 为一组 A/D 输入,I3、I4 为一组 A/D 输入,I5、I6 为一组 A/D 输入,I7、I8 为一组 A/D 输入。在这四组 A/D 输入中,I1、I3、I5、I7 为每组 A/D 输入中的第一路,I2、I4、I6、I8 为每组 A/D 输入中的第二路。这个在实验三中,做 频率特性实验要求比较严格,在每个实验当中,我们可以随意选择任一组 A/D 输入,和任 一路 D/A 输出。

-

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自动控制理论实验指导

实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究
一.实验目的
1.通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。 2.通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性,掌握电路模拟和软件仿真研究方 法。

二.实验内容
1.设计各种典型环节的模拟电路。 2.完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试,并研究参数变化对典型环节阶跃特性 的影响。 3.在上位机界面上,填入各个环节的实际(非理想)传递函数参数,完成典型环节阶 跃特性的软件仿真研究,并与电路模拟研究的结果作比较。

三.实验步骤
1.熟悉实验箱,利用实验箱上的模拟电路单元,参考本实验附录设计并连接各种典型 环节(包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节)的模拟电路。 注意实验接线前必须先将实验箱上电,以对运放仔细调零。然后断电,再接线。接线时要 注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号时,除比例环节运放可 不锁零(G 可接-15V)也可锁零外,其余环节都需要考虑运放锁零。 2.利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试,并研究参数变化对典型环 节阶跃特性的影响。 无上位机时,利用实验箱上的信号源单元 U2 所输出的周期阶跃信号作为环节输入,即 连接箱上 U2 的“阶跃”与环节的输入端(例如对比例环节即图 1.1.2 的 Ui) ,同时连接 U2 的“锁零(G) ”与运放的锁零 G。然后用示波器观测该环节的输入与输出(例如对比例环 节即测试图 1.1.2 的 Ui 和 Uo) 。注意调节 U2 的周期阶跃信号的“频率”电位器 RP5 与“幅 值”电位器 RP2,以保证观测到完整的阶跃响应过程。 有上位机时,必须在熟悉上位机界面操作的基础上,充分利用上位机提供的虚拟示波 器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能,接线方式将 不同于上述无上位机情况。仍以比例环节为例,此时将 Ui 连到实验箱 U3 单元的 O1(D/A 通道的输出端) ,将 Uo 连到实验箱 U3 单元的 I1(A/D 通道的输入端) ,将运放的锁零 G 连 到实验箱 U3 单元的 G1(与 O1 同步) ,并连好 U3 单元至上位机的 USB2.0 通信线。接线完
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自动控制理论实验指导
成,经检查无误,再给实验箱上电后,启动上位机程序,进入主界面。界面上的操作步骤 如下: ①按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择” 选择任一组任一路 A/D 输入作为 环节的输出,选择任一路 D/A 作为环节的输入.不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将 不同;将另一输出通道直接送倒输入通道(显示示波器信号源发出的输入波形)。 ②硬件接线完毕后,检查 USB 口通讯连线和实验箱电源后,运行上位机软件程序,如果 有问题请求指导教师帮助。 ③进入实验模式后, 先对显示模式进行设置: 选择 “X-t 模式” ; 选择 “T/DIV” 为 1s/1HZ。 ④完成上述实验设置,然后设置实验参数,在界面的右边可以设置系统测试信号参数, 选择“测试信号”为“周期阶跃信号” ,选择“占空比”为 50%,选择“T/DIV”为“1000ms” , 选择“幅值”为“3V” ,可以根据实验需要调整幅值,以得到较好的实验曲线,将“偏移” 设为“0” 。以上除必须选择“周期阶跃信号”外,其余的选择都不是唯一的。要特别注意, 除单个比例环节外,对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数,如仍选择“输 入波形占空比”为 50%,那么“T/DIV”至少是环节或系统中最大时间常数的 6~8 倍。这 样,实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。 ⑤以上设置完成后,按 LabVIEW 上位机软件中的“RUN”运行图标来运行实验程序,然 后点击右边的“Start”按钮来启动实验,动态波形得到显示,直至周期响应过程结束,如 上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应” 。 ⑥利用 LabVIEW 软件中的图形显示控件中光标“Cursor”功能(详见软件使用说明书) 观测实验结果;改变实验箱上环节参数,重复⑤的操作;如发现实验参数设置不当,看不 到“阶跃响应”全过程,可重复④、⑤的操作。 ⑦按实验报告需要,将图形结果保存为位图文件,操作方法参阅软件使用说明书。 3.分析实验结果,完成实验报告。

四.附录
1.比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例环节的传递函数为:
U O (s) ?K U i (s) R1 , R0

其方块图、 模拟电路和阶跃响应, 分别如图 1.1.1、 图 1.1.2 和图 1.1.3 所示, 于是 K ? 实验参数取 R0=100k,R1=200k,R=10k。
uo t

Ui s

K
图1.1.1

Uo s

0
6

t
图1.1.3

-

自动控制理论实验指导

R1

R R
+ +

ui

R0
+ +

uo

P
图1.1.2

-

7

自动控制理论实验指导

uo t

Ui s

Ts
图1.2.1
0 图1.2.3

1

Uo s

t

C

R R
+ +

ui

R0
+ +

uo

I
图1.2.2
2.积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 积分环节的传递函数为:
U O (s) 1 ? U i (s) Ts

其方块图、 模拟电路和阶跃响应, 分别如图 1.2.1、 图 1.2.2 和图 1.2.3 所示, 于是 T ? R0C , 实验参数取 R0=200k,C=1uF,R=10k。 3.比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例积分环节的传递函数为:

Ui s

K
1

Uo s

uo t

Ts
图1.3.1
UO 1 ?K? Ui Ts

0 图1.3.3

t

其方块图、模拟电路和阶跃响应,分别如图 1.3.1、图 1.3.2 和图 1.3.3 所示,于是
K? R1 , T ? R0C R0
8

-

自动控制理论实验指导
实验参数取 R0=200k,R1=200k,C=1uF,R=10k。

R1

C R
-

R

ui

R0
+ + + +

uo

PI
图1.3.2
4.比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例微分环节的传递函数为:
UO ? K (1 ? Ts) Ui

其方块图和模拟电路分别如图 1.4.1、图 1.4.2 所示。其模拟电路是近似的(即实际 PD 环节) ,取 R1, R2 ?? R3 ,则有 K ?
R1 ? R2 RR , T ? 1 2 C ,实验参数取 R0=10k,R1=10k, R0 R1 ? R2

R2=10k,R3=1K,C=10uF,R=10k。 对应理想的和实际的比例微分(PD)环节的阶跃响应分别如图 1.4.3a、图 1.4.3b 所示。

Ui s

K

Ts
1
图1.4.1

Uo s

R1 C R3

R2 R R
+ +

ui

R0
+ +

uo

PD
图1.4.2
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自动控制理论实验指导

uo t

uo t

0 图1.4.3a

t

0 图1.4.3b

t

实际 PD 环节的传递函数为:

U o ( s ) R1 ? R2 ? U i (s) R0

? ? R1 R2Cs ?1 ? ? ? ( R1 ? R2 )( R3Cs ? 1) ? (供软件仿真参考) ( R R ? R2 R3 ? R3 R1 )Cs ? ( R1 ? R2 ) ? 1 2 R0 R3Cs ? R0
UO K ? U i Ts ? 1

5.惯性环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 惯性环节的传递函数为:

uo t

Ui s

K Ts+1
图1.5.1

Uo s

0
C R1

t
图1.5.3 R

ui

R0
+ +

R

+ +

uo

PI
图1.5.2
其方块图、模拟电路和阶跃响应,分别如图 1.5.1、图 1.5.2 和图 1.5.3 所示,其中
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自动控制理论实验指导
K? R1 , T ? R1C ,实验参数取 R0=200k,R1=200k,C=1uF,R=10k。 R0

6.比例积分微分(PID)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例积分微分环节的传递函数为:
U O (s) 1 ? KP ? ?T d s U i (s) Ti s

其方块图和模拟电路分别如图 1.6.1、图 1.6.2 所示。其模拟电路是近似的(即实际 PID 环节) ,取 R1 ??R 2 ?? R3 ,将近似上述理想 PID 环节有 K P ?
R1 RR , Ti ? R0C1, Td ? 1 2 C2 , 实验参 R0 R0

T ds
Ui s

KP
1 T is
图1.6.1

Uo s

数取 R0=200k,R1=100k,R2=10k,R3=1k, C1=1uF,C2=10uF,R=10k。 对应理想的和实际的比例积分微分(PID) 环节的阶跃响应分别如图 1.6.3 a、图 1.6.3 b 所示。 实际 PID 环节的传递函数为:

U o ( s) R1 ? R2 1 R C ( R C s ? 1) (供软件仿真参考) ? ? ? 2 2 1 1 U i ( s) R0 R0C1s R0C1 ( R3C2 s ? 1)

C

R1 C R3

R2 R R
+ +

ui

R0
+ +

uo

PID
uo t
图1.6.2

uo t

0 图1.6.3a
-

t

0 图1.6.3b
11

t

自动控制理论实验指导

实验二
一.实验目的

典型系统动态性能和稳定性分析

1.学习和掌握动态性能指标的测试方法。 2.研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。

二.实验内容
1.观测二阶系统的阶跃响应,测出其超调量和调节时间,并研究其参数变化对动态性 能和稳定性的影响。 2.观测三阶系统的阶跃响应,测出其超调量和调节时间,并研究其参数变化对动态性 能和稳定性的影响。

三.实验步骤
1.熟悉实验箱,利用实验箱上的模拟电路单元,参考本实验附录中的图 2.1.1 和图 2.1.2,设计并连接由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶闭环系统的模拟电路(如 用 U9、U15、U11 和 U8 连成) 。注意实验接线前必须对运放仔细调零。接线时要注意对运 放锁零的要求。 2.利用实验设备观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性,并测出其超调量和调节时间。 3.改变该二阶系统模拟电路的参数,观测参数对系统动态性能的影响。 4.利用实验箱上的模拟电路单元,参考本实验附录中的图 2.2.1 和图 2.2.2,设计 并连接由一个积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路(如用 U9、U15、 U11、U10 和 U8 连成) 。 5.利用实验设备观测该三阶系统模拟电路的阶跃特性,并测出其超调量和调节时间。 6.改变该三阶系统模拟电路的参数,观测参数对系统稳定性与动态指标的影响。 7.分析实验结果,完成实验报告。 注意:以上实验步骤中的 2、3 与 5、6 的具体操作方法,请参阅“实验一”的实验步 骤 2;实验步骤 7 的具体操作方法,请参阅“实验一”的实验步骤 3,这里不再赘述。

四.附录
1.典型二阶系统 典型二阶系统的方块结构图如图 2.1.1 所示:
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自动控制理论实验指导
其开环传递函数为 G(s) ?
K K ,K ? 1 , s(T1s ? 1)1 To
2 ?n K1 1 To ,其中, ?n ? ,? ? 2 2 T1To 2 K1T1 s ? 2?? n s ? ?n

其闭环传递函数为 W (s) ? 取二阶系统的 模拟电路如图 2.1.2 所示: 该系统的阶跃 响 应 如 图 2.1.3 所 示:Rx 接 U4 单元

R(s)

E(s)

1 T 0s

K T s+1

C(s)

图2.1.1
200k 1u C

r(t) 200k
200k

+ +

R0
-

C Rx R1
+ -

1u

R R
+ +

200k
+

100k

+ +

c(t)

图2.1.2

c t

c t

c t

0 图2.1.3a

t

0 图2.1.3b

t

0 图2.1.3c

t

的 220K 电位器,改变元件参数 Rx 大小,研究不同参数特征下的时域响应。2.1.3a,2.1.3b, 2.1.3c 分别对应二阶系统在欠阻尼,临界阻尼,过阻尼三种情况下的阶跃响应曲线: 2.典型三阶系统 典型三阶系统的方块结构图如图 2.2.1 所示:
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自动控制理论实验指导

R(s)

E(s)

1 T 0s

K T s+1

K T s+1

C(s)

图2.2.1
其开环传递函数为 G(s) ? 2.2.2 所示:
K KK ,其中 K ? 1 2 ,取三阶系统的模拟电路如图 s(T1s ? 1)(T2 s ? 1) To

200k 10u 1u 100k
+ + -

r(t) 200k
200k

-

1u 500k

100k
+

+

100k

+ + -

Rx
+

+

c(t)

R R

图2.2.2
K , K ? 500 / Rx ,,Rx 的单位为 K?。 s(0.1s ? 1)(0.5s ? 1)

该系统开环传递函数为 G(s)H (s) ?
3 2

系统特征方程为 s ? 12s ? 20s ? 20K ? 0 ,根据劳斯判据得到: 系统稳定 系统临界稳定 系统不稳定 0<K<12 K=12 K>12

根据 K 求取 Rx。这里的 Rx 可利用模拟电路单元的 220K 电位器,改变 Rx 即可改变 K2,从而改变 K,得到三种不同情况下的实验结果。 该系统的阶跃响应如图 2.2.3 a、2.2.3b 和 2.2.3c 所示,它们分别对应系统处于不稳定、 临界稳定和稳定的三种情况。
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自动控制理论实验指导

c t

c t

0 图2.2.3a

t

0 图2.2.3b

t

c t

0 图2.2.3c

t

-

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自动控制理论实验指导

实验三
一.实验目的

典型环节(或系统)的频率特性测量

1.学习和掌握测量典型环节(或系统)频率特性曲线的方法和技能。 2.学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。

二.实验内容
1.用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。 2.用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。 3.根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。 4.用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性,并与实 验所得结果比较。

三.实验步骤
1.熟悉实验箱上的信号源,掌握改变正弦波信号幅值和频率的方法。利用实验箱上的 模拟电路单元, 参考本实验附录设计并连接 “一阶惯性环节” 模拟电路 (如用 U9+U8 连成) 或“两个一阶惯性环节串联”的模拟电路(如用 U9+U11 连成) 。 2.利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。 无上位机时,利用实验箱上的信号源单元 U2 所输出的正弦波信号作为环节输入,即连 接箱上 U2 的“正弦波”与环节的输入端(例如对一阶惯性环节即图 1.5.2 的 Ui) 。然后用 示波器观测该环节的输入与输出(例如对一阶惯性环节即测试图 1.5.2 的 Ui 和 Uo) 。注意 调节 U2 的正弦波信号的“频率”电位器 RP5 与“幅值”电位器 RP6,测取不同频率时环节 输出的增益和相移(测相移可用“李沙育”图形) ,从而画出环节的频率特性。 有上位机时,必须在熟悉上位机界面操作的基础上,充分利用上位机提供的虚拟示波 器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能,接线方式将 不同于上述无上位机情况。仍以一阶惯性环节为例,此时将 Ui 连到实验箱 U3 单元的 O1 或 O2(D/A 通道的输出端,这个是通过上位机选择其中的一路输出) ,将 Uo 连到实验箱 U3 单元的 I1(A/D 通道的输入端) ,然后再将你选择的 D/A 输出通道测试信号 O1(如果选择的 是 O1)连接到这组 A/D 输入的另一采集输入端 I2,然后连接设备与上位机的 USB 通信线。 接线完成,经检查无误,再给实验箱上电后,启动上位机程序,进入主界面。界面上的操 作步骤如下: ①选择任一 D/A 输出通道,如“O1” ,将其作为环节输入,接到环节输入 Ui 端,再将其
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自动控制理论实验指导
作为原始测试信号接到 A/D 输入的 I2(便于观看虚拟示波器发出的原始信号) ,将环节的 输出端 Uo 接到 A/D 输入通道 I1。 ②完成上面的硬件接线后,检查 USB 连线和实验箱电源,然后打开 LabVIEW 软件上位 机界面程序。 ③进入实验界面后,先对频率特性的测试信号进行设置: “幅值”为 5(可以根据实验 结果波形来调整) , “测试信号”为正弦波。 ④完成实验设置,先点击 LabVIEW 运行按钮“RUN”运行界面程序,按照上面的步骤③ 设置好信号后,点击“下载数据”按钮,将设置的测试信号发送到数据采集系统。然后点 击实验界面右下角的“Start”按钮来启动频率特性测试。测试程序将会从低频率计算到高 频,界面右下角有个测试进度条,它将显示测试的进度。最后测试出来频率特性的 Bode Plot、Nyquist Plot 将在相应的图形控件中显示出来,在同一界面中我们可以同时看到频 率特性的两种显示模式:一种是伯德图“Bode Plot”,它包括幅频特性和相频特性;另一 种模式就是乃奎斯特图“Nyquist Plot”,又称极坐标图。 ⑤按实验报告需要,将图形结果保存为位图文件,操作方法参阅软件使用说明书 3.利用实验设备完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。具体操作方法参阅步骤 2。 4.参考附录的提示,根据测得的频率特性曲线(或数据)求取各自的传递函数。 6.分析实验结果,完成实验报告。

四.附录
1.实验用一阶惯性环节传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线:
对于 G(s) ?
K 的一阶惯性环节,其幅相频 Ts ? 1

Im

率特性曲线是一个半圆,见图 3.1。 取 s ? j? 代入,得
G( j? ) ? K ? r(? )e j? (? ) j? T ? 1

在实验所得特性曲线上, 从半园的直径 r (0) , 可得到环节的放大倍数 K, K= r (0) 。 在特性曲线 上 取 一 点 ?k , 可 以 确定 环节 的 时 间常 数 T ,
T ?? tg? (?k )

0

Re

图3.1

?k



-

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自动控制理论实验指导
实验用一阶惯性环节传递函数为 G(s) ? C=0.1uF,其模拟电路设计参阅图 1.5.2。
1 , 其中参数为 R0=200 K ? , R1=200 K ? , 0.2s ? 1

2.实验用典型二阶系统开环传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲 线:
对于由两个惯性环节组成的二阶系统,其开环传递函数为
G(s) ? K K ? (T1s ? 1)(T2 s ? 1) T 2 s 2 ? 2?Ts ? 1 K ? r(? )e j? (?) ? T ? ? j2?T? ? 1
2 2

(? ? 1)

令上式中 s ? j? ,可以得到对应的频率特性
G( j? ) ?

Im

二阶系统开环传递函数的幅相频率特性 曲线,如图 3.2.1 所示。 根据上述幅相频率特性表达式,有
K ? r(0)

(3—1)
r(0) 1 tg2?k

0

Re

r(?k ) ?

2?T?k 1 ?

2 1 1 ? T 2?k ? 其中 tg?k 2?T?

图3.2.1

故有 T 2 ?
2T? ?

1
2 ?k

?

2?T ?ktg?k

(3—2) (3—3)

r(0)

?k r(?k ) 1 ?

1 tg2?k

如已测得二阶环节的幅相频率特性,则 r (0) 、? k 、?k 和 r (?k ) 均可从实验曲线得到, 于是可按式(3—1) 、 (3—2)和(3—3)计算 K、T、ξ ,并可根据计算所得 T、ξ T1 和 T2
T1 ? T (? ? ? 2 ? 1 T2 ? T (? ? ? 2 ? 1

求取

0.01u 100k

C R1
200k R

0.1u C 200k R
+ +

r(t)

R0
100k
+ +

c(t)

实验用典型二阶系统开环 传递函数为:

图3.2.2
18

自动控制理论实验指导

G(s)H (s) ?

1 1 ? 2 (0.2s ? 1)(0.1s ? 1) 0.02s ? 0.3s ? 1

其电路设计参阅图 3.2.2。

3.对数幅频特性和对数相频特性
上述幅相频率特性也可表达为对数幅频特性和对数相频特性,图 3.3.1 和图 3.3.2 分别 给出上述一阶惯性环节和二阶环节的对数幅频特性和对数相频特性:

图 3.3.1

-

19

自动控制理论实验指导

图 3.3.2 注意:此时横轴?采用了以 10 为底的对数坐标,纵轴则分别以分贝和度为单位。

-

20

自动控制理论实验指导

实验四
一.实验目的

线性系统串联校正

1.熟悉串联校正装置对线性系统稳定性和动态特性的影响。 2.掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术。

二.实验内容
1.观测未校正系统的稳定性和动态特性。
2.按动态特性要求设计串联校正装置。 3.观测加串联校正装置后系统的稳定性和动态特性,并观测校正装置参数改变对系统 性能的影响。 4.对线性系统串联校正进行计算机仿真研究,并对电路模拟与数字仿真结果进行比较 研究。

三.实验步骤
1.利用实验设备,设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路,完成该系统的 稳定性和动态特性观测。提示: ①设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路,可参阅本实验附录的图 4.1.1 和图 4.1.2,利用实验箱上的 U9、U11、U15 和 U8 单元连成。 ②通过对该系统阶跃响应的观察,来完成对其稳定性和动态特性的研究,如何利用实 验设备观测阶跃特性的具体操作方法,可参阅实验一的实验步骤 2。 2.参阅本实验的附录,按校正目标要求设计串联校正装置传递函数和模拟电路。 3.利用实验设备,设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路,完成该系 统的稳定性和动态特性观测。提示: ①设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路,可参阅本实验附录的图 4.4.4,利用实验箱上的 U9、U14、U11、U15 和 U8 单元连成 ②通过对该系统阶跃响应的观察,来完成对其稳定性和动态特性的研究,如何利用实 验设备观测阶跃特性的具体操作方法,可参阅“实验一”的实验步骤 2。 4.改变串联校正装置的参数,对加校正后的二阶闭环系统进行调试,使其性能指标满 足预定要求。提示: 5.分析实验结果,完成实验报告。

-

21

自动控制理论实验指导

四.附录
1.方块图和模拟电路
实验用未加校正二阶闭环 系统的方块图和模拟电路, 分别 如图 4.1.1 和图 4.1.2 所示:

R(s)

E(s)

1
0.2s

5 0.5s+1

C(s)

图4.1.1
200k 1u 500k

C R1
200k R

r(t)

200k 200k

+ +

1u
-

C R
-

R

R0
100k
+ +

+ +

+ +

c(t)

图4.1.2

其开环传递函数为: G ( s ) ? 其闭环传递函数为:
W (S ) ?

5 25 ? 0.2S (0.5S ? 1) s(0.5s ? 1)

2 ?n G( s ) 50 ? 2 ? 2 2 1 ? G(s) s ? 2s ? 50 s ? 2??n s ? ?n

式中

?n ? 50 ? 7.07 , ? ? 1 ?n ? 0.141 ,
1?? 2

故未加校正时系统超调量为

M p ? e???
调节时间为

? 0.63 ? 63% ,

ts ?

4

?? n

? 4 s,

静态速度误差系数 KV 等于该 I 型系统的开环增益
Kv ? 25 1/s,

2.串联校正的目标
要求加串联校正装置后系统满足以下性能指标: (1)超调量 M p ? 25% (2)调节时间(过渡过程时间) ts ? 1 s
22

自动控制理论实验指导
(3)校正后系统开环增益(静态速度误差系数) Kv ? 25 1/s

3.串联校正装置的时域设计
从对超调量要求可以得到 M p ? e 由
??? 1?? 2

? 25 % ,于是有 ? ? 0.4 。

ts ?

4

?? n

? 1 s 可以得到 ? n ?

4

?



因为要求 Kv ? 25 1/s,故令校正后开环传递函数仍包含一个积分环节,且放大系数 为 25。 设串联校正装置的传递函数为 D(s),则加串联校正后系统的开环传递函数为

D( s)G( s) ? D( s)
采用相消法,令 D ( s ) ? 开环传递函数

25 s(0.5s ? 1)
0.5s ? 1 (其中 T 为待确定参数) ,可以得到加串联校正后的 Ts ? 1

D( s)G ( s) ?

0.5s ? 1 25 25 ? ? Ts ? 1 s(0.5s ? 1) s(Ts ? 1)

这样,加校正后系统的闭环传递函数为

W ( s) ?

D(s)G(s) 25 T ? 1 ? D(s)G(s) s 2 ? 1 s ? 25 T T

对校正后二阶系统进行分析,可以得 到
2 ?n ? 25 T

2??n ? 1 T
综合考虑校正后的要求, 取 T=0.05s , 此时 它们 ?n ? 22.36 1/s, ? ? 0.45 ,

都能满足校正目标要求。最后得到校正 环节的传递函数为

D( s ) ?

0.5s ? 1 0.05s ? 1

从串联校正装置的传递函数可以设 计其模拟电路。有关电路设计与校正效 果请参见后面的频域设计。
23

图 4.4.1

图 4.4.2

自动控制理论实验指导
4.串联校正装置的频域设计 根据对校正后系统的要求,可以得到期望的系统开环传递函数的对数频率特性,见图 4.4.1。 根据未加校正系统的开环传递函数,可画出其相应的对数频率特性,如图 4.4.2 所示。 从期望的系统开环传递函数的对数幅频特性,减去未加校正系统开环传递函数的对数 幅频特性,可以得到串联校正装置的对数幅频特性,见图 4.4.3。 从串联校正装置的对数幅频特性,可 以得到它的传递函数:

Gc ( S ) ?

0.5S ? 1 0.05S ? 1

从串联校正装置的传递函数可以设计 其模拟电路。图 4.4.4 给出已加入串联校 正装置的系统模拟电路。 在图 4.4.4 中,串联校正装置电路的 参数可取 R1=390 K ? , R2=R3=200 K ? , R4=10 K ? ,C=4.7uF。 校正前后系统的阶跃响应曲线如图 4.4.5、4.4.6 所示: 图 4.4.3

R2
200k

R3
1u 500k 100k

C R4 R1
+ +

r(t)

200k 200k

+ +

1u 200k
+ +

+ +

c(t)

图4.4.4

-

24

自动控制理论实验指导

c t

c t

0 图4.4.5

t

0 图4.4.6

t

(2)传递函数法 期望的系统开环传递函数除以未加校正二阶闭环系统开环传递函数,可以得到串联校 正装置的传递函数。 同样地,可从串联校正装置的传递函数设计其模拟电路,如图 4.4.4 所示。

-

25

自动控制理论实验指导

实验五
一.实验目的

典型非线性环节的静态特性

1.了解并掌握典型非线性环节的静态特性。 2.了解并掌握典型非线性环节的电路模拟研究方法。

二.实验内容
1.完成继电型非线性环节静特性的电路模拟研究。 2.完成饱和型非线性环节静特性的电路模拟研究。 3.完成具有死区特性的非线性环节静特性的电路模拟研究。 4.完成具有间隙特性的非线性环节静特性的电路模拟研究。

三.实验步骤
1.利用实验设备,设计并连接继电型非线性环节的模拟电路,完成该环节的静态特性
测试;并改变参数,观测参数对静态特性的影响。 参阅本实验附录 1,从图 5.1.1 和图 5.1.2 可知,利用实验箱上的单元 U6 即可获得实 验所需继电型非线性环节的模拟电路。单元电路中双向稳压管的稳压值为 5.1V,改变 U6 中的电位器的电阻接入值,即可改变继电特性参数 M,M 随阻值减小而减小。 可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性,下面分两种情况说明测试方 法。 无上位机时,利用实验箱上的信号源单元 U2 所输出的正弦信号(或周期斜坡信号)作 为环节输入,即连接箱上 U2 的“正弦波”与环节的输入端(对应图 5.1.2 的 Ui) 。然后用 示波器观测该环节的输入与输出(对应图 5.1.2 的 Ui 和 Uo) 。注意调节 U2 的正弦波信号 “频率”电位器 RP5 与“幅值”电位器 RP6,以保证观测到完整的波形。 有上位机时,必须在熟悉上位机界面操作的基础上,充分利用上位机提供的虚拟示波 器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能,接线方式将 不同于上述无上位机情况。此时将 Ui 连到实验箱 U3 单元的 O1(D/A 通道的输出端)和 I1 (A/D 通道的输入端) ,将 Uo 连到实验箱 U3 单元的 I2(A/D 通道的输入端) ,并连好 U3 单 元至上位机的 USB2.0 通信线。接线完成,经检查无误,再给实验箱上电后,启动上位机程 序,进入主界面。界面上的操作步骤如下: ①按通道接线情况: 选择任一路 A/D 输入作为环节的输出,选择任一路 D/A 作为环节的 输入.不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同;将另一输出通道直接送倒输入通道
26

自动控制理论实验指导
(显示示波器信号源发出的输入波形)。 ②硬件接线完毕后,检查 USB 口通讯连线和实验箱电源后,运行上位机软件程序,如果 有问题请求指导教师帮助。 ③进入 LabVIEW 实验界面后,先对显示进行设置:选择显示模式(在 LabVIEW 图形控 件的右边) ,可先选择“X-t 模式”,或选择“X-Y 模式” ,或同时显示两种模式.在两种不 同显示方式下都观察一下非线性的特性;选择“T/DIV 量程” (在实验界面的右边框里)为 1HZ/1S。在选择显示模式为“X-t 模式”时。 ④进行实验设置,先选择“测试信号”为正弦波,然后设置信号的幅值 5(不是唯一 的,可根据实验曲线调整大小) , “测试信号”也可以为周期斜坡信号,显示模式可以同时 用两种显示模式显示非线性静特性,也可以按照需要选择任一种显示模式,如“X-T 模式” 或者是“X-Y 模式” 。 对“正弦波” :选择“幅值”为“5V” ,选择“偏移”为 0V,选择“T/DIV”为“1HZ/1S” 。 对“周期斜坡信号” :选择“幅值”为“10V” ,选择“偏移”为-5V,选择“T/DIV” 为“1HZ/1S” 。 ⑤以上设置完成后,按照上面的步骤④设置好信号后,点击“下载数据”按钮,将设 置的测试信号发送到数据采集系统。按“开始”按钮启动实验,动态波形得到显示,直至 周期反应过程结束,实验也自动结束,如设置合理就可以在主界面中间得到反映该非线性 环节静态特性的波形。注意,采用不同测试信号看到的波形或曲线是不同的。 ⑥改变环节参数,按“开始”启动实验,动态波形得到显示,直至周期反应过程结束, 实验也自动结束,如设置合理就可以在主界面中间得到反映参数改变对该非线性环节静态 特性影响的波形。 , ⑦按实验报告需要,将图形结果保存为位图文件,操作方法参阅软件使用说明书。 2.利用实验设备,设计并连接饱和型非线性环节的模拟电路,完成该环节的静态特性 测试;并改变参数,观测参数对静态特性的影响。 参阅本实验附录 2,从图 5.2.1 和图 5.2.2 可知,利用实验箱上的单元 U7 即可获得实 验所需饱和型非线性环节的模拟电路。单元电路中双向稳压管的稳压值为 2.4V,改变 U7 中的电位器的电阻接入值,即可改变饱和特性参数 K 与 M,K 与 M 随阻值减小而减小。 可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性,具体操作方法请参阅本实验 步骤 1,这里不再赘述。 3.利用实验设备,设计并连接具有死区特性的非线性环节的模拟电路,完成该环节的 静态特性测试;并改变参数,观测参数对静态特性的影响。 参阅本实验附录 3,从图 5.3.1 和图 5.3.2 可知,利用实验箱上的单元 U5,将该单元中 的拨键 S4 拨向上方即可获得实验所需具有死区特性的非线性环节的模拟电路。改变 U5 中 的电阻 Rf 的阻值,即可改变死区特性线性部分斜率 K,K 随 Rf 增大而增大。改变 U5 中的

-

27

自动控制理论实验指导
电阻 R1(=R2)的阻值,即可改变死区特性死区的宽度Δ ,Δ 随 R1 增大而增大。 可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性,具体操作方法请参阅本实验 步骤 1,这里不再赘述。 4.利用实验设备,设计并连接具有间隙特性的非线性环节的模拟电路,完成该环节的 静态特性测试;并改变参数,观测参数对静态特性的影响。 参阅本实验附录 4,从图 5.4.1 和图 5.4.2 可知,利用实验箱上的单元 U5,将该单元中 的拨键 S4 拨向下方即可获得实验所需具有间隙特性的非线性环节的模拟电路。改变 U5 中 的电容 Cf 的阻值,即可改变间隙特性线性部分斜率 K,K 随 Cf 增大而减小。改变 U5 中的 电阻 R1(=R2)的阻值,即可改变死区特性死区的宽度Δ ,Δ 随 R1 增大而增大。 可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性,具体操作方法请参阅本实验 步骤 1,这里不再赘述。 请注意,单元 U5 不含运放锁零电路,为避免电容上电荷累积影响实验结果,在每次实 验启动前,务必对电容进行短接放电。 5.分析实验结果,完成实验报告。

四.附录
1.具有继电特性的非线性环节
具有继电特性非线性环节的静态特性,即理 想继电特性如图 5.1.1 所示。 该环节的模拟电路如 图 5.1.2 所示。 继电特性参数 M,由双向稳压管的稳压值与 后一级运放放大倍数之积决定。故改变图 5.1.2 中电位器接入电阻的数值即可改变 M。当阻值减 小时,M 也随之减小。 实验时,可以用周期斜坡或正弦信号作为测 试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择 应足够低,如 1Hz。通常 选用周期斜坡信号作为测 试信号时,选择在 X-Y 显 示模式下观测;选用正弦 信号作为测试信号时,选 择在 X-t 显示模式下观 测。

uo
M
0

ui
M

图5.1.1
10k

ui

10k

+ +

10k

+ +

uo

图5.1.2

-

28

自动控制理论实验指导

2.具有饱和特性的非线性环节
具有饱和特性非线性环节的静态特性,即理想饱和特性如图 5.2.1 所示: 该环节的模拟电路如图 5.2.2 所示: 特性饱和部分的饱和值 M 等于稳压管的稳压值与后一级放大倍数的积,特性线性部分 的斜率 K 等于两级运放放大倍数之积。故改变图 5.2.2 中的电位器接入电阻值时将同时改 变 M 和 K,它们随阻值增大而增大。 实验时, 可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进 行静态特性观测。 注意信号频率的选择应足够低, 如 1Hz。 选用周期斜坡信号作为测试信号时, 可在 X-Y 显示模式下 观测;选用正弦信号作为测试信号时,可在 X-t 显示模式 下观测。

uo
M
0

ui
M

10k
图5.2.1

10k 10k
+ +

ui

10k

+ +

uo

图5.2.2

3.具有死区特性的非线性环节
具有死区特性非线性环节的静态特性,即理想死区特性如图 5.3.1 所示: 该环节的模拟电路如图 5.3.2 所示: 斜率 K 为:

k ? R f / R0

uo

死区 ? ?

R2 ?15(v) ? 0.5R2 (v) ,式中 R2 的单位 30

k
0

为 k ? ,且 R2=R1(实际死区还要考虑二极管的压降 值) 。 实验时, 可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信

k

ui

号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够 低,如 1Hz。选用周期斜坡信号作为测试信号时,可 在 X-Y 显示模式下观测; 选用正弦信号作为测试信号 时,可在 X-t 显示模式下观测。
29

图5.3.1
-

自动控制理论实验指导

+15v
30k

Rf 10k
10k
+ + -

R

ui

R1 R2
30k -15v

R0

R

+ +

uo

图5.3.2
4.具有间隙特性的非线性环节
具有间隙特性非线性环节的静态特性,即理想间隙特性如图 5.4.1 所示:

uo
C B

该环节的模拟电路如图 5.4.2 所示: 图 中 间 隙 特 性 的





0
D E

A

ui

R2 ?15(v) ? 0.5R2 (v) ,(实际死区还要考虑二 30 C 极管的压降值) ,特性斜率 tg? ? i ,因此改变 R1 Cf ??
与 R2 可改变间隙特性的宽度,改变

Ci 可以调节特 Cf

图5.4.1

性斜率。 实验时, 可以用正弦信号作为测试信号进行 静态特性观测。 注意信号频率的 选择应足够低,如

+15v
30k

ui

R1 R2
30k -15v

Cf 1u Ci
-

1u R
-

R

1Hz。 选用正弦信号作 为测试信号时,可在 X-t 显示模式下观测。 注意由于元件 (二极管、电阻等) 参数数值的分散性, 造成电路不对称,因 而引起电容上电荷累

+ +

+ +

uo

图5.4.2
积,影响实验结果,故每次实验启动前,需对电容进行短接放电。

-

30

自动控制理论实验指导

实验六
一.实验目的

非线性系统相平面法

1.学习用相平面法分析非线性系统。 2.熟悉研究非线性系统的电路模拟研究方法。

二.实验内容
1.用相平面法分析继电型非线性系统的阶跃响应和稳态误差。 2.用相平面法分析带速度负反馈的继电型非线性系统的阶跃响应和稳态误差。 3.用相平面法分析饱和型非线性系统的阶跃响应和稳态误差。

三.实验步骤
1.利用实验设备,设计并连接一未加校正的继电型非线性闭环系统的模拟电路,利用

? )相平面上的相轨迹,利用该相轨迹分析 阶跃输入作测试信号,观测和记录系统在( e , e
系统的阶跃响应和稳态误差,并与测得的系统偏差的阶跃响应作比较。 参阅本实验附录 1,从图 6.1.1 和图 6.1.2 可知,利用实验箱上的单元 U9、U6、U11、 U15 和 U8 可连成实验所需未加校正的继电型非线性闭环系统的模拟电路。可利用周期阶跃 信号测试该非线性系统的相轨迹和阶跃响应,下面分两种情况说明测试方法。 无上位机时,利用实验箱上的信号源单元 U2 所输出的周期阶跃信号作为环节输入,即 连接箱上 U2 的“阶跃”与系统的输入端(见图 6.1.2 的 r(t)) ,同时连接 U2 的“锁零(G) ”

? )分别与示波器的“X”和“Y” 与运放的锁零 G。 然后将图 1.1.2 中的 X1 (即-e) 和 X2(即- e
测试端相连,以便用示波器测试相轨迹。注意调节 U2 的周期阶跃信号的“频率”电位器 RP5 与“幅值”电位器 RP2,以保证观测到相轨迹和完整的系统误差阶跃响应。 有上位机时,必须在熟悉上位机界面操作的基础上,充分利用上位机提供的虚拟示波 器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能,接线方式将 不同于上述无上位机情况。此时可将系统输入端 r(t)连到实验箱 U3 单元的 O1(D/A 通道 的输出端) ,将运放的锁零 G 连到实验箱 U3 单元的 G1(与 O1 同步),将 X1(即-e)连到实

? ) 连到实验箱 U3 单元的 I2(A/D 验箱 U3 单元的 I1(A/D 通道的输入端) ,将 X2(即- e
通道的输入端) ,并连好 U3 单元至上位机的 USB2.0 通信线。接线完成,经检查无误,再给 实验箱上电后,启动上位机程序,进入主界面。界面上的操作步骤如下: ①按通道接线情况: 选择第 1 路 A/D 输入 I1 作为环节中的采样信号 X 的输入端, 选择 第 2 路 A/D 输入 I2 作为环节中的采样信号 Y 的输入端,选择第 1 路 D/A 输出 O1 作为环节的
31

自动控制理论实验指导
输入端。不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同。 ②按上述说明硬件接线完成后,检查 USB 口通讯连线是否接好和实验箱电源后运行上 位机程序,如有问题则请求指导教师帮助。 ③进入实验界面后,先对显示进行设置:选择“X-Y 模式”和“X-t 模式”同时显示, X-t 模式主要为了观测系统误差 e(t)的阶跃响应。选择“T/DIV”为 0.1HZ/10s;并在界面 右方对采样通道 X(AD1)选择“-1”(即反相),对采样通道 Y(AD2)也选择“-1”(即反相)。 ④进入实验设置:首先对实验参数进行设置,选择“测试信号”为“周期阶跃信号” , 选择“占空比”为 50%,选择“T/DIV”为“0.4HZ/2.5S” ,选择“幅值”为“6V”(根据实 验曲线调整大小),设置“偏移”为“0” 。以上除必须选择“周期阶跃信号”外,其余的选 择都不是唯一的。要特别注意,除单个比例环节外,对其它环节或系统都必须考虑环节和 系统的时间常数,如仍选择“输入波形占空比”为 50%,那么“输入波形周期”至少是环 节或系统的最大时间常数的 6~8 倍。 ⑤所有必要的设置完成后,按照上面的步骤④设置好信号后,点击“下载数据”按钮, 将设置的测试信号发送到数据采集系统。按界面右下角的“Start”启动实验,相平面上的 相轨迹得到显示,直至周期过程反应结束,实验也自动结束,如设置合理就可以在主界面

? )的相轨迹。 中间得到系统( e , e
⑥按实验报告需要,将图形结果保存为位图文件,操作方法参阅软件使用说明书。 2.利用实验设备,设计并连接一带速度负反馈的继电型非线性闭环系统的模拟电路,

? )相平面上的相轨迹,利用该相轨迹 利用阶跃输入作测试信号,观测和记录系统在( e , e
分析系统的阶跃响应和稳态误差,并与测得的系统偏差的阶跃响应作比较。再将此实验结 果与未加校正的继电型非线性闭环系统的相比较。 参阅本实验附录 2,从图 6.2.1 和图 6.2.2 可知,利用实验箱上的单元 U9、U10、U6、 U13、U11、U15 和 U8 可连成实验所需带速度负反馈的继电型非线性闭环系统的模拟电路。

? )的相轨迹和阶跃响应,具体测试方法请参 可利用周期阶跃信号测试该非线性系统( e , e
阅本实验步骤 1,这里不再赘述。 3.利用实验设备,设计并连接一饱和型非线性闭环系统的模拟电路,利用阶跃输入作

? )相平面上的相轨迹,利用该相轨迹分析系统的阶跃 测试信号,观测和记录系统在( e , e
响应和稳态误差,并与测得的系统偏差的阶跃响应作比较。 参阅本实验附录 3,从图 6.3.1 和图 6.3.2 可知,利用实验箱上的单元 U9、U7、U11、 U15 和 U8 可连成实验所需饱和型非线性闭环系统的模拟电路。可利用周期阶跃信号测试该

? )相轨迹和阶跃响应,具体测试方法请参阅本实验步骤 1,这里不再 非线性系统的( e , e
赘述。 4.分析实验结果,完成实验报告。

-

32

自动控制理论实验指导

四.附录
1.未加校正的继电型非线性闭环系统
未加校正的继电型非线性闭环系统的原理方块图如图 6.1.1 所示:

R(s)

M

s

1

1 0.5s+1

C(s)

图6.1.1
其模拟电路图如图 6.1.2 所示:
200k

10k 10k
+ +

r(t)

200k 200k

+ +

X1

10k

+ +

1u 500k 100k
-

C R2
100k

1u
-

C R
-

R

R1

c(t)
+

+ +

X2

+ +

R3

X3

+

图6.1.2

e
C E A

图 6.1.1 所示系统可用以下方程描述: (6-1) 式中 T 为时间常数(T=0.5) ,K 为线性部分开环增 益,M 为继电器特性幅值,采用 e ? 为相平面坐标,以及考虑 与e (6-2) e ? r ?c

?? ? c ? ? KM ? 0 Tc ?? ? c ? ? KM ? 0 Tc

e?0 e?0

0

D B

e

图6.1.3
33

自动控制理论实验指导

? ? ?c ? r ? R ?1(t ) e
则(6-1)变为

(6-3)

(6-4) 该系统的相轨迹曲线如图 6.1.3 所示: ? ,取 X1-X2 坐标下,即为相轨迹(- e ,- e ?) 观察 X1 即为- e ,X2 即为- e ,进行 ? )坐标。 坐标倒相变换可得( e , e

?? ? e ? ? KM ? 0 Te ?? ? e ? ? KM ? 0 Te

e?0 e?0

2.带速度负反馈的继电型非线性闭环系统
带速度负反馈的继电型非线性闭环系统的原理方块图如图 6.2.1 所示:

R(s)

M

1 0.5s+1

s

1

C(s)

ks
其 模拟电路图如图 6.2.2 所示:
200k 10k 10k 10k
+ +

图6.2.1

r(t)

200k 200k

+ +

X4
10k

+ +

X1

10k

+ +

200k

R R
+ +

1u 500k 100k
-

C R2
200k

1u
-

C R
-

R

R1

c(t)
+

+ +

+ +

X2

R3

X3

+

图6.2.2

-

34

自动控制理论实验指导
设计此图时,为了满足负反馈的相位的要求,增加了 一些倒相环节。观察图 6.2.2,可见 X1 即为- e ,X2

e

? 。取-X1 和-X2 为 X-Y 坐标,以阶跃输入 即为- e ? )相平面上的 为测试信号,即可获得系统在( e , e ? )相平面上的相轨迹曲线 相轨迹。该系统在( e , e
如图 6.2.3 所示: 图中分界线方程为:

0
(6-5)

A

e

??0 e ? ks e

式中 ks 为反馈系数, (图 6.2.1 中 ks =0.1) ,增 加反馈电阻现象更明显。

图6.2.3

3.饱和型非线性闭环系统
饱和型非线性闭环系统的原理方块图如图 6.3.1 所示:

R(s)

M

s

1

1 0.5s+1

C(s)

图6.3.1
其模拟电路图如图 6.3.2 所示:

图 6.3.1 所示系统可用以下方程描述:

e

?? ? e ??e ? 0 Te
?? ? e ??M ?0 Te ?? ? e ??M ?0 Te
线如图 6.3.3 所示:

| e |? M
e ? ?M
(6-6)

同理观察相轨迹与时域响应曲线,该系统的相轨迹曲

0

e

图6.3.3

-

35

自动控制理论实验指导

10k 200k 10k 10k
+ +

r(t)

200k 200k

+ +

X1

10k

+ +

1u 500k 100k
-

C R2
100k

1u
-

C R
-

R

R1

c(t)
+

+ +

X2 R 3

+ +

X3

+

图6.3.2

-

36

自动控制理论实验指导

实验七

非线性系统描述函数法

一.实验目的
1.学习用描述函数法分析非线性系统。 2.掌握研究非线性系统的电路模拟研究方法。

二.实验内容
1.利用描述函数法分析继电型非线性三阶系统的稳定性。 2.利用描述函数法分析饱和型非线性三阶系统的稳定性。

三.实验步骤
1.继电型非线性三阶系统的描述函数法研究 (1)参阅本实验附录 1,用描述函数法分析继电型非线性三阶系统,求取极限环振荡 的振荡频率与幅值。参考“实验三” ,可利用上位机的“软件仿真”功能得到该系统线性部 分 G(jω )的开环频率特性(Neguist 图)。 (2) 参阅本实验附录中的图 7.1.1 与图 7.1.2, 利用实验箱上的单元电路 U9、 U6、 U13、 U11、U15 和 U8,设计并连接一继电型非线性三阶闭环系统的模拟电路。

? )相平面上的相轨迹与 (3)利用阶跃输入作为测试信号,观测和记录系统在( e , e ? )相 e(t)的阶跃响应。并从观测结果中获取极限环振荡的振幅和周期。测取系统在( e , e
平面上的相轨迹与 e(t)阶跃响应的方法可参考“实验六”的有关步骤,注意在本系统中,

? 对应。故 X1 仍与“通道 I1#”和采样信号 X 图 7.1.2 中的 X1 仍与-e 对应,而 X3 则与 e
对应,且要反相;而 X3 则与“通道 I2#”和采样信号 Y 对应,且不要反相。其余操作方 法雷同,这里不再赘述。 (4)对两种方法得到的结果进行比较。 2.饱和型非线性三阶系统的描述函数法研究 (1)参阅本实验附录 2,用描述函数法分析饱和型非线性三阶系统,求取极限环振荡 的振荡频率与幅值。参考“实验三” ,可利用上位机的“软件仿真”功能得到该系统线性部 分 G(jω )的开环频率特性(Neguist 图)。 (2) 参阅本实验附录中的图 7.2.1 与图 7.2.2, 利用实验箱上的单元电路 U9、 U7、 U13、 U11、U15 和 U8,设计并连接一饱和型非线性三阶闭环系统的模拟电路。

? )相平面上的相轨迹与 (3)利用阶跃输入作为测试信号,观测和记录系统在( e , e
37

自动控制理论实验指导

? )相 e(t)的阶跃响应。并从观测结果中获取极限环振荡的振幅和周期。测取系统在( e , e
平面上的相轨迹与 e(t)阶跃响应的方法可参考“实验六”的有关步骤,注意在本系统中,

? 对应。故 X3 仍与“通道 I1#”和采样信号 X 图 7.2.2 中的 X1 仍与-e 对应,而 X3 则与 e
对应,且要反相;而 X1 则与“通道 I2#”和采样信号 Y 对应,且不要反相。其余操作方 法雷同,这里不再赘述。 (4)对两种方法得到的结果进行比较 (5)参阅图 7.2.2,通过增大 R1 或 R3,减小线性部分增益,用上述实验方法测量极 限环振荡的振幅和周期,直至该振荡现象消失。 3.分析实验结果,完成实验报告。

四.附录
1.继电型非线性三阶系统
R(s) M
1 0.2s+1 1 0.5s+1

s

1

C(s)

图7.1.1
继电型非 线性三阶系统 的原理方块图 如图 7.1.1 所示. 其模拟电 路如图 7.1.2 所 示:
200k 10k 10k
+ +

r(t)

200k 200k

+ +

X1

10k

+ +

1u 500k 100k
-

C R2
200k

1u 200k

C R4
100k

10u C
+ +

R1

+ +

X2

R3

+ +

c(t)

X3

R5

R R
+

图7.1.2
38

+

自动控制理论实验指导
已知理想继电型非线性环节的描述函数为 N ( a ) ?

4M , 线性部分的传递函数为 G ( s ) 。 ?a

则为了用描述函数法分析上述继电型非线性三阶系统的稳定性,可在复平面上分别画出图 7.1.1 所示系统的 ?

1 轨迹和 G ( j? ) 轨迹, 如图 7.1.3 所示。 从两者是否有交点 A 可判 N (a)
Im

断出系统是否存在极限环振荡。 如有交点,即表示存在极限环振荡,可令

Im[G( j? )] ? 0 ,求取振荡频率 ? A ,即振荡周期为

TA ?

2?

?A

;并由 ?

1 ? Re[G( j? A )] ? xA 求取振 N (a A )

-1/N A

0

荡幅值 aA :

Re

?

1 ?a ? ? A ? xA N (a A ) 4M

G(jw) w
图7.1.3

于是,在得到交点 A 的 xA 后,就可以得到振荡幅 值

aA ? ?

4M

?

xA

测量系统相轨迹,方法同实验六,根据该曲线可以判断是否有极限环振荡。从阶跃响 应可以获取该振荡的振幅和周期,用于和描述函数法分析结果进行比较。 从图 7.1.3 可见,限于继电型非线性环节描述函数的特点,如减小该系统线性部分增 益(可通过增大图 7.1.2 中的 R1 或 R3 实现) ,只能缩小极限环振荡的振幅,而不能消除振 荡。

2.饱和型非线性三阶系统
饱和型非线性三阶系统的原理方块图如图 7.2.1 所示:

R(s)

M

2 0.2s+1

5 0.5s+1

C(s)

s

图7.2.1
其模拟电路如图 7.2.2 所示:
39

自动控制理论实验指导
10k 200k 10k 10k
+ +

r(t)

200k 200k

+ +

X1

10k

+ +

1u 500k 100k
-

C R2
100k

1u 200k

C R4
100k

10u C
+ +

R1

+ +

X2

R3

+ +

c(t)

X3 R5

R R
+

图7.2.2

已知饱和型非线性环节的描述函数为
2 2K ? M K M K M K? ? ? ?arcsin N ( a) ? ? 1? ? ? ? ?a ? a a a ? ? ? ? ?

图 7.2.3 给出图 7.2.1 所示系统的非线性环节的

1 ? 轨迹和系统线性部分 G ( j? ) 轨迹,从两者有无 N (a)
交点可判断出系统是否存在极限环振荡。如有交点,即 有极限环振荡,可以采用与上述相同方法求取振荡周期 与幅值。 如图 7.2.3 所示,如不断减小线性部分增益(通过
w

增大图 7.2.2 中的 R1、R3 的阻值实现) ,可以使系统的非线性环节的轨迹和系统线性部分轨 迹不相交,即意味着减小线性部分增益可以使极限环消失,使系统变为稳定系统。 根据实测的相轨迹与阶跃响应,可以分析与读取振荡周期与幅值,并与计算值比较。

-

40

+

Im

-1/N

A

-1

0

Re

G(jw)

图7.2.3

自动控制理论实验指导

实验八

极点配置全状态反馈控制

一.实验目的
1.学习并掌握用极点配置方法设计全状态反馈控制系统的方法。 2.用电路模拟与软件仿真方法研究参数对系统性能的影响。

二.实验内容
1.设计典型二阶系统的极点配置全状态反馈控制系统,并进行电路模拟与软件仿真研 究。 2.设计典型三阶系统的极点配置全状态反馈控制系统,并进行电路模拟与软件仿真研 究。

三.实验步骤
1.典型二阶系统 (1)参阅本实验附录 1,对一已知二阶系统(见图 8.1.1)用极点配置方法设计全状 态反馈系数。 (2)见图 8.1.2 和图 8.1.3,利用实验箱上的电路单元 U9、U11、U12 和 U8,按设计 参数设计并连接成系统模拟电路,测取阶跃响应,并与软件仿真结果比较。 (3)改变系统模拟电路接线,使系统恢复到图 8.1.1 所示情况,测取阶跃响应,并与 软件仿真结果比较。 以上两步骤中,测取阶跃响应以及系统软件仿真的具体操作方法请参阅“实验一”的 实验步骤 2 和 3,这里不再赘述。 (4)对实验结果进行比较、分析,并完成实验报告。 2.典型三阶系统 (1)参阅本实验附录 2,对一已知三阶系统(见图 8.2.1)用极点配置方法设计全状 态反馈系数。 (2)见图 8.2.3 和图 8.2.4,利用实验箱上的电路单元 U9、U11、U12、U15 和 U8,按 设计参数设计并连接成系统模拟电路,测取阶跃响应,并与软件仿真结果比较。 (3)改变系统模拟电路接线,使系统恢复到图 8.2.2 所示情况,测取阶跃响应,并与 软件仿真结果比较。 以上两步骤中,测取阶跃响应以及系统软件仿真的具体操作方法请参阅“实验一”的
41

自动控制理论实验指导
实验步骤 2 和 3,这里不再赘述。 (4)对实验结果进行比较、分析,并完成实验报告。

四.附录
1.典型二阶系统全状态反馈的极点配置设计方法: (1)被控对象状态方程与能控性 若被控系统(A、B、C)完全能控,则通过状态反馈可以任意配置极点。取图 8.1.1 所示系统为实验系统:

R(s)

s

1

X

1 0.05s+1

X1

C(s)

图8.1.1

可见系统开环传递函数为 G ( S ) ?

1 ,取图中 x1,x2 为状态变量,将系统开 S (0.05S ? 1)

环传递函数表示为被控对象状态方程 S(A,B,C),可以得:
? ?? X ? ?20 20 ?

? 0

? 0? X ? ? ?1 ? u 0? ? ?

y ? ?1 0? X
故有

?0 20? RankWc ? Rank ? ? B| AB ? ? ? Rank ?1 0 ? ? 2 ? ?

可见状态完全可控。 (2)理想极点配置 期望的性能指标为:超调量 M p ? 25% 从 从 , 峰值时间 t p ? 0.5

M p ? e???

1?? 2

? 0.25

选择 ? ? 0.707 选择 ?n ? 10 1/s

tp ?

? ?n 1 ? ? 2

? 0.5s

于是可以得到理想极点为:

p1= -7.07+j7.07,p2= -7.07-j7.07

-

42

自动控制理论实验指导
理想特征方程为:
2 s2 ? 2??n s ? ?n ? s2 ? 14.14s ? 100

(3)状态反馈系数确定 加入全状态反馈后系统的特征方程为

sI ? A ? Bk ?

s ? 20 k1

?20 s ? k2

? s 2 ? (20 ? k2 )s ? 20k2 ? 20k1 ? 0

配置理想极点,则有

s2 ? (20 ? k2 )s ? 20(k1 ? k2 ) ? s 2 ? 14.14s ? 100
于是可计算出

R(s)

K ? ? k1 , k2 ? ? ? ?10.9, ?5.9?
按极点配置设计的具有 全状态反馈的系统结构如图 8.1.2 所示。

s
k k

1

X

1 0.05s+1

X1

C(s)

图8.1.2

200k

10u 100k
+ +

r(t)

200k

+ +

Rx1 R x1

1u 50k 50k
+ +

R R
+ +

c(t)

图8.1.3
43

自动控制理论实验指导

系统的模拟电路图如图 8.1.3 所 示: 图 中 参 数 Rx1 , Rx2 分 别 为 18 k ? , 33 k ? , 注意反馈电路的连接。 加状态反馈前后系统阶跃响应曲 线分别如 8.1.4,8.1.5 所示。

图 8.1.4

图 8.1.5 2.典型三阶系统全状态反馈的极点配置设计方法: (1)典型三阶系统如图 8.2.1 所示

R(s)

s+5

5

X3

s+2

2

X2

10

X1

C(s)

s

图8.2.1

其开环传递函数为 G ( S ) ?

100 S ( S ? 5)( S ? 2) G(S ) 100 ? 3 2 1 ? G( S ) s ? 7 s ? 10s ? 100

闭环传递函数为

W (S ) ?

-

44

自动控制理论实验指导
该闭环系统的模拟电路图如图 8.2.2 所示: 200k

200k

1u 200k
+ +

1u 500k 500k

r(t)

200k 200k

+ +

+ +

1u 100k
+ +

R

c(t)

R

+ +

图8.2.2
可以用劳斯判据判断该闭环系统是不稳定的。闭环系统的单位阶跃响应曲线如图 8.2.3 所示。选取图 8.2.1 中 X1,X2,X3 为状态变量,系统开环传递函数可以表示为被 控对象状态方程 S(A,B,C):

? ? Ax ? Bu x y ? Cx

其中

? 0 10 0 ? A ? ? 0 ?2 2 ? ? ? ? 0 0 ?5 ? ? ?

? 0? B ? ? 0? ? ? ?5? ? ?

C?? ?1, 0?



2 RankWc ? Rank ? ? B, AB, A B ? ? ? 3 ,故状态完全可控。

(2)理想极点和理想闭环特征方程 考虑系统要求后,选择理想极点为 S1=-9,S2 =-2+j2,S3=-2-j2,由此可得 理想闭环闭环特征方程为
S
3

? 13S 2 ? 44S ? 72 ? 0



(3)全状态反馈系数设计 取 X1,X2,X3 为状态变量,带全状态反馈的典型三阶系统方块图如图 8.2.4 所示。 求取加全状态反馈后的闭环特征方程,可以得到:

-

45

自动控制理论实验指导

sI ? ( A ? BK ) ? S 3 ? (7 ? 5k3 )S 2 ? (10 ?10k2 ?10k3 )S ?100k1 ? 0
令其与理想的闭环特征方程一致,可以得到全状态反馈系数,k1=-0.72,k2=-2.2,k3 =-1.2。

R(s)

5

X3

s+5

2

X

10 X 1

C(s)

s+2

s

k

k2 k
图8.2.4
(4)全状态反馈的典型系统的模拟电路如图 8.2.5 所示。Rx1,Rx2,Rx3 阻值分别为 200k
200k 1u 200k
+ + +

1u 500k 500k

r(t)

200k

+ +

R x1 R x2 R x3

+

R R

1u 100k
+ +

R

c(t)

R

+ +

图8.2.5
46

自动控制理论实验指导
270 k ? ,91 k ? ,150 k ? 。 加全状态反馈前后系统单位阶跃响应分别如下图 8.2.3 和图 8.2.6 所示:

图 8.2.3 3

图 8.2.6

-

47

自动控制理论实验指导

实验九

采样控制系统动态性能和稳定性 分析的混合仿真研究

一.实验目的
1.学习用混合仿真方法研究采样控制系统。 2.深入理解和掌握采样控制的基本理论。

二.实验内容
1. 利用实验设备设计并实现已知被控对象为典型二阶连续环节的采样控制混合仿真系 统。 2.改变数字控制器的采样控制周期和放大系数,研究参数变化对采样控制系统的动态 性能和稳定性的影响。

三.实验步骤
1.采样控制系统的混合仿真研究方法 (1)参阅本实验附录 1(1)以及图 9.1.1 和图 9.1.2,利用实验箱上的电模拟单元电 路 U9 和 U11,设计并连接已知传递函数的连续被控对象的模拟电路。 (2)将实验箱上的数据处理单元 U3 模拟量输出端“O1”与被控对象的模拟电路的输 入端(对应图 9.1.2 的 r(t)端)相连,同时将该数据处理单元 U3 的模拟量输入端口“I1” 与被控对象的模拟电路的输出端(对应图 9.1.2 的 c(t)端)相连。再将运放的锁零端“G” 与电源单元 U1 的“-15V”相连。注意,实验中运放没有锁零,而模拟电路中包含“电容” , 故每次实验启动前,必须对电容短接放电,以免影响实验结果。 (3)接线完成,经检查 USB 通讯线是否接好,再给实验箱上电后,启动上位机程序, 进入主界面。界面上的操作步骤如下: ①通道接线设置”:将环节的输出端 Uo 接到 U3 单元的 A/D 输入端 I1,U3 单元的 D/A 信号发生端接到环节的输入端 Ui。 ②硬件按上述接线完后,检查 USB 通讯连线是否接好和检查实验箱电源是否正常后, 点击 LabVIEW 上位机界面程序中的“RUN”按钮运行实验界面,如果有问题则请求指导教师 帮助。 ③进入实验界面后,先对实验类别进行设置(选择实验九或实验十) ,通过对界面下边 开关来选择,点击开关向上(对应紫色信号灯亮)即选择采样控制混合仿真研究(即实验 九) ;点击开关向下(对应绿色信号灯亮)即选择采样控制系统串联校正混合研究(即实验
48

自动控制理论实验指导
十) 。选择“采样时间”为“200Hz/5ms” 。 ④完成实验类别设置,然后设置“测试信号设置”框内的参数项,设置“信号幅值” 为“1” (根据实验曲线调整大小) ,设置“采样时间”为“200Hz/5ms” , “采样开关 T”为 “1 ms” ,然后选择“采样控制系统混合仿真研究” ,此时数字控制器是一比例放大器,可 先设置 Kp=1。 注意允许的采样周期最小值为 1ms。小于此值即不能保证系统运行正常。 ⑤以上设置完成后,按“启动/暂停”键启动实验或暂停实验,动态波形得到显示,如 上述参数设置合理就可以在主界面中间得到系统的“阶跃响应” 。 ⑥按实验报告需要,将图形结果保存为位图文件,操作方法参阅软件使用说明书。 2.采样控制系统的动态性能和稳定性研究 (1)在上位机界面上,重新调用“采样控制” ,固定采样时间和采样开关 T,改变数 字控制器的放大系数,观测放大系数变化对采样控制系统的动态性能和稳定性的影响。具 体操作方法参照本实验步骤 1 所述。 (2)在上位机界面上,重新调用“采样控制” , 固定放大系数,改变数字控制器的采 样时间和采样开关 T,观测采样控制时间和采样开关 T 的变化对采样控制系统的动态性能 和稳定性的影响。具体操作方法参照本实验步骤 1 所述。 3.对以上实验结果进行分析研究,完成实验报告。

四.附录
1.采样控制系统的混合仿真研究方法
(1) 已知的连续被控对象传递函数及 其电路模拟 已知连续被控对象系统结构框图如 图 9.1.1 所示: 此系统传递函数为:

R(s)

0.2s

1

5 0.5s+1

C(s)

图9.1.1

G( S ) ?

50 S ( S ? 2)

(9-1)

此连续被控对象可用图 9.1.2 所示电路模拟:

-

49

自动控制理论实验指导

1u C

1u

r( t )

200k

+ +

R1 100k

500k
-

C R

R0

+ +

c(t)

图9.1.2
(2)采样控制系统的结构方块图及其实现

R(s) T

Kp

1-e -Ts

T

s

50

C(s)

s(s+1)

图9.2.1

采样控制系统的结构方块图如图 9.2.1 所示。图中虚线框内部分,包括测试信号、比较 器、采样开 制器和零阶 由上位机和 统实现;而 即连续被控 电路模拟实 仿真系统, 分,又有数 称之为“混 统” 。 用混合 究采样控制 电路模拟系
微机运算,包括测试信号产生,比较器,比例控制器,保持器等

关、数字控

1u C

1u

r(t)

200k

+ +

R1 100k

500k
-

C R

保持器等, 数据处理系 框外部分, 对象则采用 现。因为该 既有模拟部 字部分,故 合 仿 真 系 仿真系统研 系统,比用 统或全数字

R0

+ +

c(t)

图9.2.2

仿真系统都优越,因为它更接近实际系统。其电路连接图如图 9.2.2 所示:

-

50

自动控制理论实验指导

2.采样控制系统的动态性能和稳定性分析
(1)采样控制系统的稳定性判断 对于图 9.2.1 所示采样控制系统,在采样周期和放大系数确定后,可以用离散控制的基 本理论来判断闭环控制的稳定性。 先将模拟对象离散化,图 9.2.1 所示闭环采样系统的开环脉冲传递函数为:

1 ? e ?TS 50 G( z) ? Z[ ] S S ( S ? 2) 1 ? 50(1 ? z ?1 ) Z [ 2 ] S ( S ? 2) ? 12.5[(2T ? 1 ? e ?2T ) z ? (1 ? e ?2T ? 2Te ?2T )] ( z ? 1)( z ? e ?2T )
(9-2) 数字控制器的脉冲传递函数为: 故闭环脉冲传递函数为:

D( z) ? K p

W ( z) ? ?

C ( z) D( z )G ( z ) ? R( z ) 1 ? D( z )G ( z ) 12.5K p [(2T ? 1 ? e ?2T ) z ? (1 ? e ?2T ? 2Te ?2T )]

(9-3)

z 2 ? 12.5K p [(2T ? 1 ? e ?2T ) ? (1 ? e ?2T )]z ? 12.5K p (1 ? e ?2T ? 2Te ?2T ) ? e ?2T
得到闭环特征方程

z 2 ? 12.5K p [(2T ? 1 ? e?2T ) ? (1 ? e?2T )]z ? 12.5K p (1 ? e?2T ? 2Te?2T ) ? e?2T ?0

(9-4)

对二阶系统,可直接从闭环极点分布判断系统稳定性,如果极点在单位圆内,则系统 是稳定的。 (2)数字控制器放大系数对动态性能和稳定性的影响 对于图 9.2.1 所示采样控制系统,当采样周期保持不变时,可以利用离散系统的稳定判 据,求保证系统稳定的临界放大系数。可以看出,不同于二阶连续系统,放大系数太大只 是使系统的动态性能变差,而不致于不稳定;而对于离散系统,则当放大系数太大时,系 统将变不稳定。 (3)采样周期对动态性能和稳定性的影响 类似地,可以分析当放大系数保持不变时,增大采样周期将使系统的动态性能变差, 直至不稳定。

-

51

自动控制理论实验指导

实验十

采样控制系统串联校正的混合仿真研究

一.实验目的
1.熟悉并掌握用混合仿真方法研究采样控制系统。 2.了解采样控制系统基本的串联校正方法。

二.实验内容
1. 根据已知的被控对象的连续传递函数, 按串联校正要求设计串联校正数字控制算法。
2. 利用实验设备设计并实现已知被控对象为典型二阶连续环节的具有串联校正数字控 制器的采样控制混合仿真系统。 3.改变该数字控制器的参数,观测参数变化对采样控制系统的动态性能的影响。

三.实验步骤
1.设计串联校正数字控制算法
(1)根据已知的被控对象的连续传递函数,按连续系统串联校正要求设计串联校正装 置,得到它的连续传递函数。 (方法参见实验 4 附录) (2)参阅本实验附录,用一阶差分近似方法,离散化串联校正装置的连续传递函数, 可推得该校正装置的离散传递函数。 (3) 参阅本实验附录, 从该校正装置的离散传递函数, 可推得串联校正数字控制算法。 2.具有串联校正数字控制器的采样控制系统的混合仿真 (1) 参阅图 10.2.1 和图 10.2.2, 利用实验箱面板上的电模拟单元电路, 如 U9 和 U11, 设计并连接已知传递函数的连续被控对象的模拟电路。 (2)将实验箱上的数据处理单元 U3 模拟量输出端“O1”与被控对象的模拟电路的输 入端(对应图 10.2.2 的电阻 R0 左端)相连,同时将该数据处理单元 U3 的模拟量输入端口 “I1”与被控对象的模拟电路的输出端(对应图 10.2.2 的第二级运放输出端)相连。再将 运放的锁零端“G”与电源单元 U1 的“-15V”相连。注意,实验中运放没有锁零,而模拟 电路中包含“电容” ,故每次实验启动前,必须对电容短接放电,以免影响实验结果。 (3)接线完成,经检查 USB 通讯线是否接好,再给实验箱上电后,启动上位机程序, 进入主界面。界面上的操作步骤如下: ①通道接线设置”:将环节的输出端 Uo 接到 U3 单元的 A/D 输入端 I1,U3 单元的 D/A 信号发生端接到环节的输入端 Ui。 ②硬件按上述接线完后,检查 USB 通讯连线是否接好和检查实验箱电源是否正常后,
52

自动控制理论实验指导
点击 LabVIEW 上位机界面程序中的“RUN”按钮运行实验界面,如果有问题则请求指导教师 帮助。 ③进入实验界面后,先对实验类别进行设置(选择实验九或实验十) ,通过对界面下边 开关来选择,点击开关向上(对应紫色信号灯亮)即选择采样控制混合仿真研究(即实验 九) ;点击开关向下(对应绿色信号灯亮)即选择采样控制系统串联校正混合研究(即实验 十) 。选择“采样时间”为“200Hz/5ms” 。 ④完成实验类别设置,然后设置“测试信号设置”框内的参数项,设置“信号幅值” 为“1” (根据实验曲线调整大小) ,设置“采样时间”为“200Hz/5ms” , “采样开关 T”为 “1 ms” ,然后选择“采样控制系统串联校正混合仿真研究” ,提示该串联校正数字控制器 有两个参数 a、b 需要设置,可先设置 a=b=1,用于获得不加串联校正时的对比结果。 注意允许的采样周期最小值为 1ms。小于此值即不能保证系统运行正常。 ⑤以上设置完成后,按“启动/暂停”键启动实验或暂停实验,动态波形得到显示,如 上述参数设置合理就可以在主界面中间得到系统的“阶跃响应” 。 ⑥重新设置串联校正控制器的参数,令 a=0.05,b=0.5,重复⑤。 ⑦按实验报告需要,将图形结果保存为位图文件,操作方法参阅软件使用说明书。 3. 有串联校正的采样控制系统动态性能的混合仿真研究 在上位机界面上,重新调用“采样控制” ,固定采样控制周期,改变串联校正数字控制 器的参数 a 或 b,观测参数数变化对采样控制系统的动态性能和稳定性的影响。具体操作 方法参照本实验步骤 1 所述。 4.对以上实验结果进行分析研究,完成实验报告。

四.附录
1.设计串联校正数字控制算法
这里介绍一种常用方法: (1)在已知被控对象连续传递函数条件下,先按连续系统串联校正要求设计串联校正 装置,得到它的连续传递函数; (方法参见实验 4 附录) (2)然后用一阶差分近似方法,离散化串联校正装置的连续传递函数,得到该校正装 置的离散传递函数; (3)最后从该校正装置的离散传递函数,推得串联校正数字控制算法。 本实验未校正系统采样控制框图如图 10.1.1

R(s) T

1-e -Ts

s

50

C(s)

s(s+2)

-

图10.1.1

53

自动控制理论实验指导

对本实验系统而言,已知被控对象开环传递函数为
G(S ) H (S ) ?

50 S ( S ? 2)

(10-1)

闭环传递函数为:
W (S ) ?

50 S ? 2S ? 50
2

(10-2)

模拟电路如图 10.2.2 中虚线框外部分。 采用和实验 4 相同的方法,得到的串联校正装置的连续传递函数为

Gc ( S ) ?
对于

bS ? 1 0.5S ? 1 ? aS ? 1 0.05S ? 1

(10-3)

1 ? z ?1 U ( S ) bS ? 1 ? ,用一阶差分近似离散化,以 S ? 代入,得到校正装置的 E ( S ) aS ? 1 T

离散传递函数为

D( z ) ?

U ( z ) (b ? T ) ? bz ?1 ? E ( z ) (a ? T ) ? az ?1
a b ?T b u (k ? 1) ? e( k ) ? e( k ? 1) a ?T a ?T a ?T

(10-4)

推得串联校正数字控制算法

u (k ) ?

(10-5)

2.具有串联校正数字控制器的采样控制系统的混合仿真研究

R(s) T

D(z)

1-e -Ts

T

s

50

C(s)

s(s+2)

图10.2.1
闭环采样控制系统如图 10.2.2 所示,图中虚线框内部分,包括测试信号、校正控制器

D ( z ) 、采样开关、数字控制器和零阶保持器等,由上位机和数据处理系统实现, D( z ) 如
式(10-4)所示;而框外部分,即连续被控对象则采用电路模拟实现。
54

自动控制理论实验指导

1u

C R1 100k
+

1u 500k
-

C R

r(t)

200k

+

R0

+ +

c(t)

微机运算,包括测试信号产生,比较器,校正控制器D(z),保持器等

图10.2.2
开 环 脉 冲 传 递 函 数 为 G ( z ) ? D( z ) ? Z [
50(1 ? e
2 ? TS

)

S ( S ? 2)

] ,闭环脉冲传递函数为

W ( z) ?

G( z) ,同实验 9 也可以据此分析闭环采样控制系统的稳定性。 1 ? G( z)

在上位机界面上,为本实验提供了改变采样控制周期 T 与校正环节 Gc(s)参数 a 与 b 的功能。通过实验观察,可以研究这些参数变化对系统动态性能的影响。

-

55

自动控制理论对象实验指导

实验一 直流电机转速控制实验
一.实验目的:
1.在自动控制理论实验基础上,控制实际的模拟对象,加深对理论的理解; 2.掌握闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响。

二.实验设备:
1. ACCC-I 型自动控制理论及计算机控制技术实验装置; 2. 数字式万用表。

三.实验原理:
Ug Uf ? PID
驱动单元 直流电机 转速测量电路

Uo

图 1.1 直流电机调速系统框图 图 1.1 为直流电机调速系统的结构框图,它由给定、PID 调节器、电机驱动单元、转速 测量电路和输出电压反馈等几个部分组成。在参数给定的情况下,在 PID 调节器的补偿作 用下,直流电机可以按给定的转速闭环稳定运转。 给定 Ug 由 ACCT-II 自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元 U1 提 供,电压变化范围为 1.3V~15V。 经 PID 运算后的控制量作为驱动单元输入信号,经过功率放大后驱动电机运转。 转速测量电路单元将转速转换成电压信号,作为反馈信号,构成闭环系统。它由转盘、 光电转换和频率/电压 (F/V) 转换电路组成。 由于转速测量的转盘为 60 齿, 电机旋转一周, 光电变换后输出 60 个脉冲信号,对于转速为 n 的电机来说,输出的脉冲频率为 60n/min, 我们用这个信号接入以秒作为计数单位的频率计时,频率计的读数即为电机的转速,所以 转速测量输出的电压即为频率/电压转换电路的输出,这里的 F/V 转换率为 150Hz/V。 根据设计要求改变输出电压反馈系数?可以得到预设的输出电压。

四.实验内容及步骤:
实验的接线图如图 1.2 所示,除了实际的模拟对象、电压表和转速计表外,其中的模
56

自动控制理论对象实验指导
拟电路由 ACCT-II 自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元和备用元器件搭建 而成。这里给出一组参考的实验参数,仅供参考,在实际的实验中需联系实际的控制对象 进行参数的试凑,以达到预定的效果。参考的试验参数为: R0=R1=R2=100K?,R3=100K?,R4=2M?,R5=10K?,C1=1?F,Rf/Ri=1。 具体的实验步骤如下: 1.先将 ACCT-III 自动控制理论及计算机控制技术(二)和 ACCT-II 自动控制理论及 计算机控制技术面板上的电源船形开关均放在“OFF”状态。 2.利用 ACCT-II 实验板上的单元电路 U9、U15 和 U11,设计并连接如图 1.2 所
R4 R2 C1 R5

Ug Uf

R0 R1

R3

功 率 IN 转 换

转 速 测 量

Uo

Rf Ri

图 1.2 直流电机调速系统接线图 示的闭环系统。需要注意的是,运放的锁零信号 G 接到-15V。 (1)将 ACCT-II 面板上 U1 单元的可调电压接到 Ug; (2)给定输出接 PID 调节器的输入,这里参考电路中 Kd=0,R4 的作用是提高 PI 调 节器的动态特性。 (3)经 PID 运算后给电机驱动电路提供输入信号,即将调节器电路单元的输出接到 ACCT-III 面板上的低压直流电动机调速中的功率转换电路的正极输入端(IN+) ,负极端 (IN-)接地; (4)功率转换的输出接到直流电机的电枢两端; (5)转速测量的输出同时接到电压反馈输入端和 20V 电压表头的输入端,由于转速 测量输出的电压为正值,所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数 ?=Rf/Ri,从而调节输出的电压 Uo。
57

自动控制理论对象实验指导
3.连接好上述线路,全面检查线路后,先合上 ACCT-III 实验面板上的电源船形开关, 再合上 ACCT-II 面板上的船形开关,调整 PID 参数,使系统稳定,同时观测输出电压变化 情况。 4.在闭环系统稳定的情况下,外加干扰信号,系统达到无静差。如达不到,则根据 PID 参数对系统性能的影响重新调节 PID 参数。 5.改变给定信号,观察系统动态特性。

R4 R2 C1 R5

脉宽调制

Ug Uf

R0 R1

R3 Uin Uo

Uo

温度变送

Rf Ri

图 2.2 温度控制系统接线图

-

58

自动控制理论对象实验指导

实验二 温度控制实验
一. 实验目的:
1.在自动控制理论实验基础上,控制实际的模拟对象,加深对理论的理解; 2.掌握闭环控制系统的参数调节对系统动态性能的影响。

二.实验设备:
1.ACCC-I 型自动控制理论及计算机控制技术实验装置; 2.数字式万用表。

三.实验原理:
Ug Uf ? PID
脉宽调制 加温室 温度变送器

Uo

图 2.1 温度控制系统框图 温度控制系统框图如图 2.1 所示,由给定、PID 调节器、脉宽调制电路、加温室、温度 变送器和输出电压反馈等部分组成。在参数给定的情况下,经过 PID 运算产生相应的控制 量,使加温室里的温度稳定在给定值。 给定 Ug 由 ACCT-II 自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元 U1 提 供,电压变化范围为 1.3V~15V。 PID 调节器的输出作为脉宽调制的输入信号,经脉宽调制电路产生占空比可调 0~ 100%的脉冲信号,作为对加温室里电热丝的加热信号。 温度测量采用 Cu50 热敏电阻,经温度变送器转换成电压反馈量,温度输入范围为 0~ 200℃,温度变送器的输出电压范围为 DC0~10V。 根据实际的设计要求,调节反馈系数?,从而调节输出电压。

四.实验内容及步骤:
实验的接线图如图 2.2 所示,除了实际的模拟对象和电压表外,其中的模拟电路由 ACCT-II 自动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元和备用元器件搭建而成。参 考的试验参数(仅供参考)为:
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自动控制理论对象实验指导
R0=R1=R2=100K?,R3=100K?,R4=2M?,R5=1K?,C1=1?F,Rf/Ri=2。 具体的实验步骤如下: 1.先将 ACCT-III 自动控制理论及计算机控制技术(二)和 ACCT-II 自动控制理论及 计算机控制技术面板上的电源船形开关均放在“OFF”状态。 2.利用 ACCT-II 实验板上的单元电路 U9、U15 和 U10,设计并连接如图 2.2 所示的 闭环系统。需注意的是运放的锁零信号 G 接-15V。 (1)将 ACCT-II 面板上 U1 单元的可调电压接到 Ug; (2)给定输出接 PID 调节器的输入,这里参考电路中 Kd=0,R4 的作用是提高 PI 调 节器的动态特性。 (3)经过 PID 运算调节器输出(0~10V)接到 ACCT-III 面板上温度的检测和控制单 元的脉宽调制的输入端 Uin 两端,脉宽调制后输出的电压作为加温室里电热丝加热的输入 电压。 (4)温度变送器通过检测 Cu50 热敏电阻的温度,然后转换成电压信号,作为反馈信 号。温度变送器的输出 U0 接到电压反馈输入端,同时接到电压表的输入端,通过电压表 来观测相应的温度的变化。 (5)由于温度变送器的输出的电压为正值,所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的 反相器。调节反馈系数?=Rf/Ri,从而调节输出的电压 Uo。 3.连接好上述电路,全面检查线路后,先合上 ACCT-III 实验面板上的电源船形开关, 再合上 ACCT-II 面板上的船形开关,调整 PID 参数,使系统稳定,同时观测输出电压变化 情况。 4.在闭环系统稳定的情况下,外加干扰信号,系统达到无静差。如达不到,则根据 PID 参数对系统性能的影响重新调节 PID 参数。 5.改变给定信号,观察系统动态特性。

-

60

自动控制理论对象实验指导

实验三 水箱液位控制实验
一. 实验目的:
1.在自动控制理论实验基础上,控制实际的模拟对象,加深对理论的理解; 2.学习和掌握闭环反馈系统的控制方法。

二.实验设备:
1.ACCC-I 型自动控制理论及计算机控制技术实验装置; 2.数字式万用表。

三.实验原理:
Ug Uf ? PID
功率放大 水泵 液位测量

Uo

图 3.1 水箱液位控制系统框图 水箱液位控制系统框图如图 3.1 所示,由给定、PID 调节器、功率放大、水泵、液位测 量和输出电压反馈电路组成。在参数给定的情况下,经过 PID 运算产生相应的控制量,使 水箱里的水位稳定在给定值。 给定 Ug 由 ACCT-II 自动控制理论及计算机控制技术的实验面板上的电源单元 U1 提 供,电压变化范围为 1.3V~15V。 PID 调节器的输出作为水泵的输入信号,经过功率放大后作为水泵的工作电源,从而 控制水的流量。 液位测量通过检测有机玻璃水箱的水压,转换成电压信号作为电压反馈信号,水泵的 水压为 0~6Kpa,输出电压为 0~10V,这里由于水箱的高度受实验台的限制,所以调节压 力变送器的量程使得水位达到 250mm 时压力变送器的输出电压为 5V。 根据实际的设计要求,调节反馈系数?,从而调节输出电压。

四.实验内容及步骤:
实验的接线图如图 3.2 所示,除了实际的模拟对象外,其中的模拟电路由 ACCT-II 自 动控制理论及计算机控制技术实验板上的运放单元和备用元器件搭建而成。参考的试验参

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自动控制理论对象实验指导
数(仅供参考)为: R0=R1=R2=200K?,R3=100K?,R4=2M?,R5=10K?,C1=1?F,Rf/Ri=1。 具体的实验步骤如下:
R2

C1 R5

Ug Uf

R0 R1

R3

水 泵 输 入

液 位 测 量

Uo

Rf Ri

图 3.2 水箱液位控制系统接线图 1.先将 ACCT-II 自动控制理论及计算机控制技术面板上的电源船形开关放在“OFF” 状态。 2.利用 ACCT-II 实验板上的单元电路 U13、U11 和 U10,设计并连接如图 3.2 所示的 闭环系统。需注意的是运放的锁零信号 G 接-15V。 (1)将 ACCT-II 面板上 U1 单元的可调电压接到 Ug; (2)给定输出接 PID 调节器的输入,这里参考电路中 Kd=0,R4 的作用是提高 PI 调 节器的动态特性。 (3)经过 PID 运算调节器输出(0~10V)接到 ACCT-IV 面板上水泵的输入两端,经 过功率放大电压作为水泵的电源信号。 (4)液位测量经压力变送器检测水箱里的水压即水位转换成电压输出信号,作为电压 反馈信号,将液位测量的输出接到电压反馈电路的输入端。 (5)由于压力变送器输出的电压为正值,所以反馈回路中接一个反馈系数可调节的反 相器。调节反馈系数?=Rf/Ri,从而调节输出的电压 Uo。 3. 连接好上述电路, 全面检查线路后, 将 ACCT-IV 面板上的放水阀打开, 合上 ACCT-IV 实验面板上的电源船形开关,调整 PID 参数,使系统稳定,同时观测输出电压变化情况。 4.在闭环系统稳定的情况下,改变 ACCT-IV 面板上的放水阀水的流量,系统达到无 静差。 5.改变给定信号,通过水箱内水位的变化很直观地观察系统动态特性。
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自动控制理论软件说明

第一章

概 述

控制理论实验上位机程序,是为求是公司生产的自动控制理论实验装置配套的上位机 控制程序。本软件必须与自动控制控制理论实验箱(实验装置)配套使用,实验箱上配备 有 USB2.0 接口,使用本软件前,计算机必须与实验箱通过 USB 口进行连接,并合上实验箱 电源。脱离实验箱,本软件将无法正常使用。

图 1.1 自动控制理论时域及非线性特性分析主界面
自动控制理论实验上位机程序主界面(LabVIEW 上位机界面)如上图 1.1 所示,另外实 验三(频域特性分析)有独立 LabVIEW 上位机界面,如下图 1.2 所示,实验九和实验十(采样控 制)也有独立 LabVIEW 上位机界面,如下图 1.3 所示:

-

63

自动控制理论软件说明

图 1.2 自动控制理论频域分析实验界面

图 1.3 自动控制理论采样控制实验界面
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自动控制理论软件说明
自动控制控制理论实验箱,内部包含有以 C8051F060 为核心的数据处理系统。上位机 控制程序可以通过该采集系统完成 8 通道数据采集输入(同时采集最多 2 通道)和 2 通道 检测波形输出(同时输出最多 2 通道) ,可以完成包括控制理论实验所需的检测信号发生、 数据采集和控制任务,并支持多种波形显示方式和后期图像数据处理。

1.1 实验设置
1.实验内容:
使用上位机程序可以完成控制理论的基础实验和高级的开放型实验,实验系统支持的 控制理论实验有: 实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究 实验二 典型系统动态性能和稳定性分析 实验三 典型环节(或系统)的频率特性测量 实验四 线性系统串联校正 实验五 典型非线性环节的静态特性 实验六 非线性系统相平面法 实验七 非线性系统描述函数法 实验八 极点配置全状态反馈控制 实验九 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究 实验十 采样控制系统串联校正的混合仿真研究 除以上所列实验外,可以按需要自行设计并进行其它新实验。

2.实验说明:
除了本说明书(上位机软件使用说明书)以外,对以上所列每个实验将提供实验指导 书。其内容包括:实验目的、实验内容、实验步骤和附录。该附录对实验原理作了说明, 包括系统的框图、参考传递函数、电路、典型参数和参考实验结果等等。

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自动控制理论软件说明

第二章
2.1 安装指南
1、硬件的安装与设置
1)电源

安装指南及系统要求

本实验箱配备了相应的电源线,电源要求为单相 180?240VACRMS。 注意:电源线与实验箱、计算机的连接一定要插实,防止实验中可能移动设备造成的 断电。安装和使用过程中注意保护电源连接线,电线破损可能造成严重的人身伤害。 2)实验箱与计算机的连接方法 实验箱与计算机通过计算机的 USB2.0 接口连接。使用 USB2.0 通讯线。 3)硬件的安装步骤 打开 PC 电源以及实验箱电源,连接实验箱与计算机的 USB 电缆。

2、软件的安装与设置
1.首先安装 LABVIEW 应用软件,一般使用默认安装路径。 2.应用软件安装后,安装 LABVIEW 软件控件工具包中的 pid 控件,安装序列号和其同 一文件夹中的文本文件中。 3.USB2.0 口使用:使用标准 USB2.0 通讯线,连接 ACT-I 型实验箱(或者实验台)上 的插座与电脑 USB 口。 4.然后再安装 USB-ISP1581 驱动程序,此驱动程序是计算机控制实验的硬件采集设备 的 USB2.0 驱动程序,只有安装此驱动程序,上位机才能在检测到硬件 USB 设备。 5.在以上步骤执行完后,我们将 user.lib 文件夹复制到 C:\Program Files\National Instruments\LabVIEW 7.1\,覆盖原有的 user.lib 文件. 6.直接调用自控程序的时域、频域、采样仿真等相关 VI 子程序进行实验。

3、系统连接
PC 机与实验箱 USB 采集设备是否能够连接上,我们可以查看,PC 上位机是否可以检测到 实验箱中的 USB 硬件,如果第一次连接 USB 线,PC 上位机将会提示检测到新硬件,也可以双 击 Windows 系统界面右下图的状态栏中检测到新 USB 设备的图标,打开如下界面,如下图 所示,检测到实验箱下位机的 USB 设备(PHILIPS isp1581 Scanner KIT) :

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自动控制理论软件说明

图 2.1 安全删除硬件

2.2 系统要求
操作系统:Windows XP 以上操作系统。 建议配置: * Celeron CPU 1GHz 以上兼容产品,建议使用 Celeron CPU 1.7GHz 以上等级。 * PC 内存容量 128M bytes 以上,建议使用 256M 以上。 * 硬盘可使用空间 300M bytes 以上。 * CDROM(安装程序用) 。 * 显示规格 800 X 600 VGA 以上,建议使用 1024 X 768。 * 使用 101 键盘,建议使用 Windows95 键盘。 预装软件: LabVIEW7.1 上位机软件 Microsoft Word 97/2000

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自动控制理论软件说明

第三章
3.1 实验主界面

功能使用说明

时域特性实验主界面如图 (3.1.1) 所示。 在实验主界面可以完成数据采集、 信号发生、 波形显示和处理等多种功能(将在接下来的章节具体介绍) 。界面的主体是中间的图像显示 框(详见下面界面图形) 。

图 3.1.1 频域特性实验主界面如图 3.1.2 所示。采样仿真实验主界面如图 3.1.3 所示。

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自动控制理论软件说明

图 3.1.2

图 3.1.3
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自动控制理论软件说明

3.2 显示模式
时域特性的界面主体如图 3.2.1 所示,模块支持两种显示模式,分别为: 1.X-t 模式:横坐标为时间轴,纵坐标为通道数据值。选择 X-t 显示模式,显示模块 显示如图(1.1)所示显示界面,横坐标时间轴的量程设置,纵坐标幅值范围为-10V~10V。 X-t 模式可以用于显示系统的测试信号、暂态或稳态的时域响应等。 2.X-Y 模式:横坐标为采样通道 X 值,纵坐标为采样通道 Y 值。选择 X-Y 显示模式, 显示模块显示如图(1.1)所示显示界面。横、纵坐标幅值范围为-10V~10V,X-Y 模式主 要用于显示李沙育图形等。

图 3.2.1 X-T 模式/X-Y 模式
频域显示的界面主体如图 3.2.2 和 3.2.3 所示,模块支持两种显示模式,分别为: 1.Bode 模式:横坐标为频率,用对数表示。界面的上半部分为对数幅频特性,其纵坐 标为幅值的分贝数;下半部分为对数相频特性,此时纵坐标为相角的度数。Bode 模式用于 系统的频域特性测量中的对数幅频与相频特性(即波特图)显示。
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自动控制理论软件说明
2.Polar 模式:Polar 模式可用于系统幅相特性与相平面轨迹显示等。在用于系统幅相 特性显示时,横轴为实部,纵轴为虚部。用于相平面轨迹显示时,横轴为系统偏差,纵轴 为该偏差的微分。

图 3.2.2 对数幅频特性(Bode)

图 3.2.3 极坐标图(Nyquist)

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自动控制理论软件说明

3.3 实验类别
上位机软件支持三种实验类别: 1.时域实验:需测取系统的暂态或稳态时域响应的实验。 2.频域实验:需测取系统的频率特性的实验。 3.采样控制实验:需要有数字控制器功能的实验,如有关采样控制系统的实验。 通过选择不同的实验类别,则调用对应实验类别的 Labview VI 子程序,并设置不同的 参数,完成不同类型的实验。

3.4 自控上位机软件介绍

图 3.4.1 (一)时域特性主参数界面如图 3.4.1 所示:

图 3.4.2

1、系统测试信号设置:时域实验时,按实验需要选择测试信号的类型和参数。这里测 试信号由信号发生器输出,软件界面上可以同时输出两路测试信号,根据实验要求用于加 于被测控制系统或环节的输入端。 (1)测试信号类别: a.周期抛物线信号:使用通过计算机产生周期阶跃信号。 b.正弦波信号:使用通过计算机产生正弦波信号。 c.周期阶跃信号:使用通过计算机产生周期阶跃信号。 d.周期斜坡信号:使用通过计算机产生的周期斜坡信号。
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(2)输入波形幅值:-10V~10V。默认设置为 5.0V。 (3)输入波形占空比:0%~100%,此项设置除阶跃信号外对其他周期信号均无效,默 认设置为 50%。 (4)输入信号周期:10s ~ 5ms ,默认 1s。 (5)零电位偏移:允许设置-10 到+10 的零位偏移。 2、打开频率/周期下位列表,其为采样周期设置,其范围是 0.1Hz/10s~ 200Hz/5ms, 中间有很多档位,如图 3.4.2 所示。 1)0.1Hz/10s,画满一屏的时间为 10s; 2)0.2Hz/5s,画满一屏的时间为 5s; 3)100Hz/10ms,画满一屏的时间为 10ms; 4)200Hz/5ms,画满一屏的时间为 5ms;??依此类推。 3、四组 A/D 通道选择可以根据用户的要求灵活选择,共有 8 路通道选择。 4、电压及时间旋钮 这两个旋钮的作用是对主界面显示的波形幅值及时间周期选择一个适当的衰减量,使 出现在界面上的波形最适宜观察。 通常 VOLTS/DIV 旋钮切换是按一定的比例来增减,波形在主界面上所占的垂直格数乘 以 VOLTS/DIV,即可得知待测波形电压的大小。 TIME/DIV 旋钮用来调整水平扫瞄之时间,使主界面所显示的波形周期最适于观察,通 常 TIME/DIV 旋钮切换是按一定的比例来增减,水平格数乘以 TIME/DIV 的数值即可得知波 形的周期。

图 3.4.3 5、波形电压及周期测量方法

图 3.4.4
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如上图 3.4.4 所示,纵轴和横轴上的红色箭头和蓝色箭头可以用鼠标任意拖动,其两 个箭头之间的距离所占的垂直格或者水平格即为所测的电压值和时间值,在右边的 dy(V) 和 dx(S)下面的白色框里会同时显示出对应的电压值和时间值,从上图可以看出目前的 电压值为 5.07V,时间为 0.78S。 (二).采样控制参数设置:采样控制实验参数设置分为两部分。 (1 采样控制系统研究:如图 3.4.5 所示。采样控制系统的参数设置包括: (a)采样控制系统混合仿真实验(详见控制理论指导书实验九)中比例控制器 Kp 的设 置。 (b)采样控制系统串联校正的混合仿真实验(详见控制理论实验指导书实验十)的校正 环节 Gc(s)的参数设置。 (2)测试信号设定:如图 3.4.6 所示图框,详细设置参见上面介绍。

图 3.4.5 采样控制参数设置

图 3.4.6

(三).频域特性测试参数设置:见图(3.4.7) ,将频域特性测试信号设置完后,点击 “开始”按钮启动频域特性计算,框内右边有个计算频域特性进度条,可以观测计算特性 时间,单位为:1/Sec。进度条上面的频率点框是显示频率点计算范围为 0.1~200/s。

图 3.4.7 频域参数设置

3.5 实验操作
实验前,根据所完成的实验性质不同,选择不同的 LabView VI 子程序(包括了时域、 频域、采样仿真三种) ,这里我们选择双击时域 VI 子程序,出来的界面如图 3.5 所示。首 先点击主界面上部分工具栏中的“RUN” 运行按钮,将实验界面运行后,然后进行相应 ,启动实验, 实验参数设置(测试信号参数) ,再点击界面右下角的启动/暂停按钮
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再次点击可以暂停实验, 实验曲线将保持目前状态不变, 停止实验请点击界面右下角 “退出”按钮。

图 3.5 时域特性启动界面

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第四章
4.1 典型环节的电路模拟研究

使用实例

下面以 “典型环节的电路模拟研究” 实验为例, 详细说明程序的使用方法和使用技巧。 实验步骤: 1.实验前仔细阅读实验指导书和上位机软件使用说明书,明确实验目的、实验内容、 实验原理和步骤;并熟悉上位机软件使用方法。 2.检查 ACT-I 实验箱或者(实验台) 、电源线是否正常,USB 连接线有无损坏。检查完 毕后,用配套 USB 线连接计算机与实验箱,连接完毕后给实验箱上电,并检查指示灯是否 显示正常。如果出现问题,应向老师汇报。 3.设计典型环节“比例环节”的模拟电路,可以参考实验附录设计模拟电路,并在实 验箱上搭建模拟电路。 4.在实验箱上完成模拟电路搭建后,如选用 O1 端输出信号作为测试信号,则将已搭 建完的模拟电路的输入端与箱上的 O1 端口连接,并将运放锁零信号与 G1 端口连接。将模 拟电路的输出端与箱上的 I1 数据采集端口连接。连接完毕后再次检查连线,确认无误后进 入下一步骤。 5.硬件接线完毕后,此时应检查 USB2.0 连接线是否接好和实验箱电源是否正常,确认 没有电源错误和连接错误,或者请求实验指导老师帮忙。 6.打开时域 VI 子程序,程序运行后,出现实验主界面(具体操作详见第三章) 。 7.进入实验参数设置,设置系统测试输入信号,确定后进入下一步骤,注意测试信号 周期选择时,对积分、微分和惯性等环节来说,必须考虑信号周期与环节时间常数的关系, 否则,不能得到完整的阶跃响应曲线。 8.用 LabVIEW 光标(蓝色和红色的箭头)测量输出波形的相关参数,观察实验结果, 计算比例系数。 9.如果比例系数没有达到希望数值,可以通过调节实验箱上模拟电路相应的电位器的 阻值,然后重复步骤 9、10。另一种方法是进入步骤 9 后,实验一直运行,这时可以调节 电位器的值,阻值变化引起的变化将直接显示在阶跃响应曲线上,当调节到合适的比例系 数后,按“Start”(启动/暂停功能)。 10.将图形结果保存为位图文件, “比例环节”的模拟实验完成。进入下一实验步骤。 11.在步骤 3 建立的模拟电路基础上加以变化,可得到其它典型模拟环节,如积分、比 例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节。重复 3~10 步骤可以得到相应的实验结 果。 12.实验结束时,先关闭程序,然后将 USB 设备安全删除(即断开上位机连接) ,然后 关闭实验箱电源,拔掉实验箱上连线。

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