實(shí)驗(yàn)自動控制部分

實(shí)驗(yàn)自動控制部分第一頁，共三十七頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真

一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康氖煜げ⒄莆誘HBCC-1型信號與系統(tǒng)·控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺及上位機(jī)軟件的使用方法。2．熟悉各典型環(huán)節(jié)的電路傳遞函數(shù)及其特性，掌握典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究。3．測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對其動態(tài)特性的影響。第二頁，共三十七頁，2022年，8月28日二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．THBCC-1型信號與系統(tǒng)·控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺2．PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件)37針通信線1根

3．雙蹤慢掃描示波器1臺(可選)第三頁，共三十七頁，2022年，8月28日三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．設(shè)計(jì)并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬電路；

2．測量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對其輸出響應(yīng)的影響3．上位機(jī)界面上，填入各典型環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的實(shí)際參數(shù)，據(jù)此完成它們對階躍響應(yīng)的軟件仿真，并與模擬電路測試的結(jié)果相比較。第四頁，共三十七頁，2022年，8月28日四、實(shí)驗(yàn)原理自控系統(tǒng)是由比例、積分、慣性環(huán)節(jié)等按一定的關(guān)系連接而成。熟悉這些慣性環(huán)節(jié)對階躍輸入的響應(yīng)，對分析線性系統(tǒng)將是十分有益。在附錄中介紹了典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、理論上的階躍響應(yīng)曲線和環(huán)節(jié)的模擬電路圖。第五頁，共三十七頁，2022年，8月28日五、實(shí)驗(yàn)步驟熟悉實(shí)驗(yàn)臺，利用實(shí)驗(yàn)臺上的模擬電路單元，構(gòu)建所設(shè)計(jì)的(可參考本實(shí)驗(yàn)附錄)并連接各典型環(huán)節(jié)（包括比例、積分、比例積分、比例微分、比例積分微分以及慣性環(huán)節(jié)）的模擬電路。待檢查電路接線無誤后,接通實(shí)驗(yàn)臺的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。第六頁，共三十七頁，2022年，8月28日2．對相關(guān)的實(shí)驗(yàn)單元的運(yùn)放進(jìn)行調(diào)零（令運(yùn)放各輸入端接地，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器，使運(yùn)放輸出端為0V）

注意：積分、比例積分、比例積分微分實(shí)驗(yàn)中所用到的積分環(huán)節(jié)單元）不需要鎖零（令積分電容放電）時(shí),需將鎖零按鈕彈開，使用鎖零按扭時(shí)需要共地，則需要把信號發(fā)生器的地和電源地用導(dǎo)線相連。第七頁，共三十七頁，2022年，8月28日3．測試各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對輸出響應(yīng)的影響1)不用上位機(jī)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)平臺上“階躍信號發(fā)生器”單元的輸出端與相關(guān)電路的輸入端相連，選擇“正輸出”然后按下按鈕，產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(用萬用表測試其輸出電壓,并調(diào)節(jié)電位器,使其輸出電壓為“1”V，用示波器x-t顯示模式觀測該電路的輸入與輸出曲線如果效果不好要做新做則只要按一下鎖零開關(guān)對電容放電，在重新做即可。第八頁，共三十七頁，2022年，8月28日2)用上位機(jī)時(shí)，由上位機(jī)提供的虛擬示波器代替步驟1）中的慢掃描示波器。接線時(shí)還需要將該電路的輸出端與采集卡接口單元的輸入端AD1（也可選取其它任意輸入通道）相連（用雙通道時(shí)電路的輸出端還的和AD2相連），并接好采集卡接口單元與上位PC機(jī)的并口通訊線。待接線完成并檢查無誤后，上位機(jī)啟動“THBCC-1”軟件，出現(xiàn)“登錄窗口”。具體操作步驟如下:第九頁，共三十七頁，2022年，8月28日①用戶在“登錄窗口”中輸出自己的學(xué)號，并點(diǎn)擊“登錄”按鈕（若是第一次登錄該軟件，則需點(diǎn)擊“注冊”按鈕進(jìn)行注冊，即需按要求填入自己的“姓名”、“學(xué)號”、“系別”和“班級”）進(jìn)入軟件主窗口。②點(diǎn)擊工具欄上的“實(shí)驗(yàn)選擇”按鈕，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。③點(diǎn)擊“通道設(shè)置”按鈕，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道(單通道)或（雙通道），然后點(diǎn)擊“開始采集”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。第十頁，共三十七頁，2022年，8月28日④點(diǎn)擊“虛擬示波器”按鈕，首先選擇X-t顯示模式及相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示通道（同時(shí)需在“虛擬示波器”窗口右側(cè)點(diǎn)擊相應(yīng)的“顯示”按鈕），然后順序點(diǎn)擊“啟動”、“開始”按鈕，（若是選擇雙通道則還要點(diǎn)Y-t顯示）在按下階越信號按扭即可觀測實(shí)驗(yàn)波形。同時(shí)還可改變示波器的顯示量程(ms或s/dim)及輸入波形的放大系數(shù)，以便更清晰的觀測波形。⑤點(diǎn)擊“暫?！比缓簏c(diǎn)“存儲”按鈕，保存實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)。第十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日4．點(diǎn)擊“仿真平臺”按鈕，根據(jù)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，在“傳遞函數(shù)”欄中填入該環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，如比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為:則在“傳遞函數(shù)”欄的分子中填入“0.1,1”,分母中填入“0.1,0”即可，然后點(diǎn)擊“仿真”按鈕，即可觀測到該環(huán)節(jié)的仿真曲線，并可與電路模擬研究的結(jié)果相比較。第十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日注：仿真實(shí)驗(yàn)只針對傳遞函數(shù)的分子階數(shù)小于等于分母階數(shù)的情況，若分子階數(shù)大于分母階數(shù)（如含有微分項(xiàng)的傳遞函數(shù)），則不能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，否則出錯(cuò)。5．點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲的波形和數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。第十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.畫出各典型環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)電路圖，并注明參數(shù)。2．寫出各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。3．根據(jù)測得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響？第十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日七、實(shí)驗(yàn)思考題1．用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？2．積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？3．在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？第十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日八、附錄1．比例（P）環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:其模擬電路（后級為反相器）和單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖1-1所示。第十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日其中K=通過改變電路中R1、R2的阻值，可改變放大系數(shù)。

,這里取R1=100K，R2=200K，R0=200K。圖1-1比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線第十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:2．積分(I)環(huán)節(jié)其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-3所示圖1-2積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線第十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日

其中T=RC，這里取C=10uF,R=100K,R0=200K。通過改變R、C的值可改變響應(yīng)曲線的上升斜率。3．比例積分(PI)環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:第十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-3所示其中

，T=R1C，這里取C=10uF,R1=100K，R2=100K，R0=200K。通過改變R2、

R1、C的值

比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和積分時(shí)間常數(shù)T。

可改變

圖1-3比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線第二十頁，共三十七頁，2022年，8月28日4．比例微分(PD)環(huán)節(jié)比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：其中第二十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-4所示：

圖1-4比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線這里取C=1uF,R1=100K，R2=200K，R0=200K。通過改變R2、R1、C的值可改變比例微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和微分時(shí)間常數(shù)T。第二十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日5．比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)比例積分微分(PID)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：其中

（當(dāng)=2

=0.1,

=0.1時(shí)）第二十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-5所示圖1-5比例積分微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線第二十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日其中C1=1uF,C2=1uF,R1=100K，R2=100K,R0=200K。通過改變R2、R1、C1、C2的值可改變比例積分微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K、微分時(shí)間常數(shù)和積分時(shí)間常數(shù)

。第二十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日6．慣性環(huán)節(jié)

慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-6所示：其中

R2=100K,R0=200K。通過改變R2、R1、C的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)T。T=R2C，這里取C=1uF,R1=100K，第二十六頁，共三十七頁，2022年，8月28日圖1-6慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線第二十七頁，共三十七頁，2022年，8月28日實(shí)驗(yàn)二線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握線性定常系統(tǒng)動態(tài)性能指標(biāo)的測試方法；2.研究線性定常系統(tǒng)的參數(shù)對其動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。第二十八頁，共三十七頁，2022年，8月28日二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備1．THBCC-1型信號與系統(tǒng)·控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺2．PC機(jī)1臺(含上位機(jī)軟件)37針通信線1根3．雙蹤慢掃描示波器1臺(可選)第二十九頁，共三十七頁，2022年，8月28日三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1．觀測二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并測出其超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間；2．調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的開環(huán)增益K，使系統(tǒng)的阻尼比ζ=，測出此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間；3.研究三階系統(tǒng)的開環(huán)增益K，或一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響；4．由實(shí)驗(yàn)確定三階系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界K值。第三十頁，共三十七頁，2022年，8月28日四、實(shí)驗(yàn)原理本實(shí)驗(yàn)是研究二階和三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。為了使二階系統(tǒng)的研究具有普遍性意義，通常把它的閉環(huán)傳遞函數(shù)寫如下的標(biāo)準(zhǔn)形式：式中ζ－系統(tǒng)的阻尼比ζ和所包含的內(nèi)容也是不同的。

－系統(tǒng)的無阻尼自然頻率。他們的ζ和

的內(nèi)容也是不同的。所包含第三十一頁，共三十七頁，2022年，8月28日調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益K，可使系統(tǒng)的阻尼比分別為：0<ζ<1，ζ＝1和ζ>1三種。對應(yīng)于這三那種情況下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，在實(shí)驗(yàn)中都能觀測到，他們分別為附錄中的圖2－3所示。

本實(shí)驗(yàn)中的三階系統(tǒng)，其開環(huán)傳遞函數(shù)是由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)相串連組成。由控制理論中的勞斯判據(jù)可知，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開環(huán)增益K和某一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T，都會導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的明顯變化。

有關(guān)二階和三階系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬電路請參閱附錄。第三十二頁，共三十七頁，2022年，8月28日五、實(shí)驗(yàn)步驟1．利用實(shí)驗(yàn)平臺上的模擬電路單元,設(shè)計(jì)(具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖2-2)一個(gè)由積分環(huán)節(jié)（積分環(huán)節(jié)鎖零端的使用請參考實(shí)驗(yàn)一的相關(guān)步驟）和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。待檢查電路接線無誤后,接通實(shí)驗(yàn)平臺的電源總開關(guān)，并開啟±5V，±15V直流穩(wěn)壓電源。2．利用示波器（慢掃描示波器或虛擬示波器）觀測二階模擬電路的階躍響應(yīng)特性，并測出其超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間。3．改變二階系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益K，觀測當(dāng)阻尼比

為不同值時(shí)系統(tǒng)的動態(tài)性能。第三十三頁，共三十七頁，2022年，8月28日4．利用實(shí)驗(yàn)平臺上模擬電路單元,設(shè)計(jì)(具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖2-5)一個(gè)由積分環(huán)節(jié)和兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成的三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。5．利用示波器觀測三階模擬電路的階躍響應(yīng)特性，并測出其超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間。6．改變?nèi)A系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)增益K，觀測增益K的變化對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。7．利用上位機(jī)界面提供的軟件仿真功能，完成上述兩個(gè)典型線性定常系統(tǒng)的動態(tài)性能研究，并與模擬電路的研究結(jié)果相比較。第三十四頁，共三十七頁，2022年，8月28日

注意：以上實(shí)驗(yàn)步驟中的2、與5、的具體操作方法，請參閱“實(shí)驗(yàn)一”中的實(shí)驗(yàn)步驟3；實(shí)驗(yàn)步驟中7的具體操作方法，請參閱“實(shí)驗(yàn)一”中的實(shí)驗(yàn)步驟4。第三十五頁，共三十七頁，2022年，8月28日六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．根據(jù)附錄中的圖2-1和圖2-3畫出二階和三階線性定常系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路圖，寫出它們的閉環(huán)傳遞函數(shù)，并標(biāo)明電路中的各參數(shù)。2．根據(jù)測得的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，分析開