控制工程實(shí)驗(yàn)

控制工程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書（機(jī)電工程專用書）北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械系2008年12月目錄TOC\o"1-5"\h\z實(shí)驗(yàn)一 低階系統(tǒng)的模擬及動(dòng)態(tài)測(cè)試 2實(shí)驗(yàn)二 典型環(huán)節(jié)頻率特性的測(cè)試 7附錄1 ELVIS簡(jiǎn)介 14\o"CurrentDocument"附錄2 放大器使用說(shuō)明 23實(shí)驗(yàn)一低階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)測(cè)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)利用運(yùn)算放大器上建立動(dòng)態(tài)模型的方法。學(xué)習(xí)采用NIELVIS進(jìn)行階躍響應(yīng)測(cè)試的方法。了解一、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的測(cè)試方法。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備NIELVIS套件、計(jì)算機(jī)。三、 實(shí)驗(yàn)運(yùn)算電路比例環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：1、G()U(s)G(s)=U(s)i2、一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：KU(s) Ts+1iR其中K=—2T=RCR 21圖1-2一階慣性環(huán)節(jié)3、二階振蕩環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)：G(s)=U0i式中：32n若取R3C1二0.001rC二0.001，貝y：4 2①①=1000n0.0012RC32圖1-3二階振蕩環(huán)節(jié)四、實(shí)驗(yàn)步驟1．比例環(huán)節(jié)響應(yīng)測(cè)試1） 斷電，按圖1-1所示比例環(huán)節(jié)的運(yùn)算電路接線，取R二10KO，選取R二10KG使K為1；122） 放大器輸入端接ELVIS信號(hào)發(fā)生器輸出端，輸入接兀VIS數(shù)字示波器輸入端；3） 接線準(zhǔn)確無(wú)誤后，接通面包板電源；4） 運(yùn)行ELVIS，單擊示波器并打開雙通道，同時(shí)觀測(cè)輸入輸出信號(hào);單擊信號(hào)發(fā)生器，選擇方波，然后單擊運(yùn)行即可在示波器上觀察到輸入信號(hào)（藍(lán)色）和輸出信號(hào)（綠色波形正確后，單擊single鍵將波形鎖定，單擊保存圖標(biāo)保存波形數(shù)據(jù)，讀取所需的參數(shù)；5） 改變R，使K分別為2，5,重復(fù)步驟1）、2）、3）、4）。22．一階慣性環(huán)節(jié)響應(yīng)測(cè)試建立一階慣性環(huán)節(jié)模型，觀測(cè)不同時(shí)間常數(shù)下的階躍響應(yīng)曲線，并檢驗(yàn)性能指標(biāo)。s1） 斷電，按圖1-2所示一階慣性環(huán)節(jié)的運(yùn)算電路接線，在實(shí)驗(yàn)根］插口上連接電阻R=10K111和C=0.1uF的電容，選配R，使得T=0.001so22） 放大器輸入端接ELVIS信號(hào)發(fā)生器輸出端，輸入端接ZIVIS數(shù)字示波器輸入端；3） 接線準(zhǔn)確無(wú)誤后，接通面包板電源；4） 運(yùn)行ELVIS，單擊示波器并打開雙通道，同時(shí)觀測(cè)輸入輸出信號(hào)；單擊信號(hào)發(fā)生器選擇方波,并將信號(hào)頻率設(shè)置在10赫茲。單擊運(yùn)行，觀察輸入輸出波形，波形正確后，在示波器面板上單擊single鍵鎖定波形，單擊保存圖標(biāo)保存波形數(shù)據(jù)。打開URSORS可直接讀出性能指標(biāo)5%誤差帶），并將其填入表1-1中，并與理論值進(jìn)行比較；5）改變R值，使T為0.0033&重復(fù)步驟1）、2）3）、4）。2表1-1一階系統(tǒng)數(shù)據(jù)表格T(s)R2(Q)ts(ms)理論實(shí)測(cè)0.0010.00333．二階振蕩環(huán)節(jié)響應(yīng)測(cè)試建立二階振蕩環(huán)節(jié)模型，觀察不同阻尼比；時(shí)的階躍響應(yīng)，分析二階系統(tǒng)在單位階躍信號(hào)作用下的動(dòng)特性及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)參數(shù)變化對(duì)階躍響應(yīng)的影響，并檢驗(yàn)性能指標(biāo)，b%。s1） 斷電，按圖1-3所示二階振蕩環(huán)節(jié)的運(yùn)算電路接線。其氓=R=10KQ,C=C=0.1^F,，2 4 1 2選配R值，使匚=0.15；32） 放大器輸入端接ELVIS信號(hào)發(fā)生器輸出端，輸入端接ZIVIS數(shù)字示波器輸入端；3） 接線準(zhǔn)確無(wú)誤后，接通面包板電源；4） 運(yùn)行ELVIS，單擊示波器并打開雙通道，同時(shí)觀測(cè)輸入輸出信號(hào)；單擊信號(hào)發(fā)生器選擇方波,并將信號(hào)頻率設(shè)置在10赫茲。單擊運(yùn)行，觀察輸入輸出波形，波形正確后，在示波器面板上單擊single鍵鎖定波形，單擊保存圖標(biāo)保存波形數(shù)據(jù)打開CURSORS可直接讀出性能指標(biāo)5%誤差帶）、b%，S并將其填入表1-2中，并與理論值進(jìn)行比較；5） 改變R3值，使匚分別為0.7及2,重復(fù)以上操作。表1-2二階系統(tǒng)數(shù)據(jù)表格R3(Q)叫（％）ts（ms）理論實(shí)測(cè)理論實(shí)測(cè)0.150.72五、預(yù)習(xí)要求1．熟悉各類環(huán)節(jié)運(yùn)算電路，并推導(dǎo)傳遞函數(shù)。2．明確各類環(huán)節(jié)的性能指標(biāo)，并選取試驗(yàn)所需參數(shù)六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．寫明班級(jí)、姓名、學(xué)號(hào)、實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康摹?．畫出各類環(huán)節(jié)的模擬運(yùn)算電路，推導(dǎo)傳遞函數(shù)。3．計(jì)算各類環(huán)節(jié)性能指標(biāo)及選配的參數(shù)值。4．以表格形式列出實(shí)驗(yàn)結(jié)果及相應(yīng)理論值。5．實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析及理論值的比較。6．思考題的解答。7．體會(huì)。七、思考題1．一、二階系統(tǒng)改變?cè)鲆媸欠駮?huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定現(xiàn)象？2．二階系統(tǒng)試驗(yàn)線路中如何確保實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋？

實(shí)驗(yàn)二低階系統(tǒng)的頻率特性測(cè)試一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康膶W(xué)習(xí)使用采集和分析軟件及計(jì)算機(jī)測(cè)量系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性的方法。二、 實(shí)驗(yàn)設(shè)備NIELVIS，計(jì)算機(jī)。三、 實(shí)驗(yàn)運(yùn)算電路i 1圖2-2二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)—32n i 1圖2-2二階系統(tǒng)傳遞函數(shù)—32n s2+23s+32n n式中32n1RRCC2 4 120.0012RC3 1取RC二0.0013 1rc二0.001，貝y：4 23=1000,Q=0.5n四、實(shí)驗(yàn)原理1.系統(tǒng)的幅頻特性系統(tǒng)的幅頻特性是指輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值之比隨頻率變化的情況此可根據(jù)頻率變化時(shí),

幅值比的變化繪制出系統(tǒng)的幅頻特性圖實(shí)驗(yàn)過(guò)程中改變信號(hào)頻率，使用ELVIS采集輸入和輸出的波形，從分析軟件中讀取信號(hào)的幅值大小，求出幅值比，繪制對(duì)數(shù)幅頻特性圖。2．系統(tǒng)的相頻特性系統(tǒng)的相頻特性圖表示出輸出信號(hào)和輸入信號(hào)的相位差隨頻率變化的情況。由于系統(tǒng)輸入輸出信號(hào)相位差無(wú)法直接從示波器中讀出，可利用周期與角度的關(guān)系換算出相位差。圖2-3為輸入輸出信號(hào)波形圖，信號(hào)周期（信號(hào)周期T換算成相位角為360°）和兩個(gè)信號(hào)的時(shí)間差A(yù)T均可從圖中讀出。式2-1為相位角和周期的關(guān)系式，其中只有e是未知數(shù)，因此通過(guò)式22-1)2-2)AT （f）2-1)2-2)T_360。ATgf）_360。亍五、實(shí)驗(yàn)步驟1．一階系統(tǒng)1） 斷電，按圖2-1所示一階系統(tǒng)的運(yùn)算電路接線。其氓=10KQ,C=0.1|jF,,選配R值，使112T=0.001s；2） 放大器輸入端接ELVIS信號(hào)發(fā)生器輸出端，輸入端接兀VIS數(shù)字示波器輸入端；3） 接線準(zhǔn)確無(wú)誤后，接通面包板電源；4） 運(yùn)行ELVIS，單擊示波器并打開雙通道，同時(shí)觀測(cè)輸入輸出信號(hào);單擊信號(hào)發(fā)生器選擇正弦波，將輸入波形幅值設(shè)為1V（有效幅值為0.707V）。單擊運(yùn)行，觀察輸入輸出波形，尋找輸出波形幅值最大點(diǎn)（該點(diǎn)頻率即為轉(zhuǎn)折頻率。波形正確后，在示波器面板上單擊single鍵鎖定波形，單擊保存圖標(biāo)保存波形數(shù)據(jù)。打開CURSORS可直接讀出信號(hào)的幅值和時(shí)間差，記入表-1中；5） 改變信號(hào)頻率（要求在轉(zhuǎn)折頻率附近選擇10個(gè)不同的信號(hào)頻率），觀察圖形變化情況，記錄不同頻率下的相角滯后時(shí)間AT和輸入和輸出的幅值比（CHB的RMS/CHA的RMS）。計(jì)算出幅頻比和相位差，并手繪波德圖；6）打開NIELVIS的波德分析（BodeAnalyzer。設(shè)定起始頻率1赫茲，終止頻率1000赫茲，步長(zhǎng)30，然后單擊運(yùn)行。系統(tǒng)開始采樣繪制博德圖。

2．2．表2-1一階系統(tǒng)1） 斷電，按圖2-2所示二階振蕩環(huán)節(jié)的運(yùn)算電路接線。其氓=R=10K,C=C=0.1應(yīng)，選2412配R3值，使匚=0.5。2） 放大器輸入端接ELVIS信號(hào)發(fā)生器輸出端，輸入端接ZIVIS數(shù)字示波器輸入端。3） 接線準(zhǔn)確無(wú)誤后，接通面包板電源。4） 運(yùn)行ELVIS，單擊示波器并打開雙通道，同時(shí)觀測(cè)輸入輸出信號(hào);單擊信號(hào)發(fā)生器選擇正弦波，將輸入波形幅值設(shè)為IV。單擊運(yùn)行，觀察輸入輸出波形，尋找輸出波形幅值最大點(diǎn)（該點(diǎn)頻率即為轉(zhuǎn)折頻率）。波形正確后，在示波器面板上單擊single鍵鎖定波形，單擊保存圖標(biāo)保存波形數(shù)據(jù)。打開CURSORS可直接讀出信號(hào)的幅值和時(shí)間差，記如表-2。改變信號(hào)頻率，記錄下一組數(shù)據(jù)。然后利用NIELVIS的波德分析（BodeAnalyze）繪制博德圖，比較計(jì)算機(jī)繪圖與手工繪圖有什么區(qū)別。改滋值，觀察博德圖有何變化。表2-2二階系統(tǒng)數(shù)據(jù)六、預(yù)習(xí)要求1．熟悉模型線路及典型環(huán)節(jié)的頻率特性。2．弄清信號(hào)頻率與系統(tǒng)轉(zhuǎn)折頻率的關(guān)系。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1．寫明班級(jí)、姓名、學(xué)號(hào)、實(shí)驗(yàn)名稱、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．測(cè)試方法原理。3．計(jì)算各關(guān)鍵頻率點(diǎn)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的記錄與整理。4．根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)整理列表，在單位數(shù)坐標(biāo)紙上繪制博德圖并與理論圖形比較分，析產(chǎn)生誤差的原因。5．回答思考題。6．體會(huì)八、思考題1．一、二階系統(tǒng)中最后一個(gè)運(yùn)放的作用。2．什么樣的系統(tǒng)可以由幅頻特性確定其傳遞函數(shù)？為什么？幅頻特性相頻特性是否總是唯一對(duì)應(yīng)？附錄附錄1ELVIS簡(jiǎn)介一虛擬儀器概述虛擬儀器&irtualinstrument是基于計(jì)算機(jī)的儀器。計(jì)算機(jī)和儀器的密切結(jié)合是目前儀器發(fā)展的一個(gè)重要方向。粗略地說(shuō)這種結(jié)合有兩種方式，一種是將計(jì)算機(jī)裝入儀器，其典型的例子就是所謂智能化的儀器。隨著計(jì)算機(jī)功能的日益強(qiáng)大以及其體積的日趨縮小，這類儀器功能也越來(lái)越強(qiáng)大，目前已經(jīng)出現(xiàn)含嵌入式系統(tǒng)的儀器。另一種方式是將儀器裝入計(jì)算機(jī)。以通用的計(jì)算機(jī)硬件及操作系統(tǒng)為依托，實(shí)現(xiàn)各種儀器功能。虛擬儀器主要是指這種方式。下面的框圖反映了常見的虛擬儀器方案。虛擬儀器面板被測(cè)對(duì)象信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理虛擬儀器面板被測(cè)對(duì)象信號(hào)調(diào)理數(shù)據(jù)采集卡數(shù)據(jù)處理圖I-1虛擬儀器方案虛擬儀器的主要特點(diǎn)有：1．盡可能采用了通用的硬件，各種儀器的差異主要是軟件。2．可充分發(fā)揮計(jì)算機(jī)的能力，有強(qiáng)大的數(shù)據(jù)處理功能，可以創(chuàng)造出功能更強(qiáng)的儀器。3．用戶可以根據(jù)自己的需要定義和制造各種儀器。虛擬儀器實(shí)際上是一個(gè)按照儀器需求組織的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)。虛擬儀器的研究中涉及的基礎(chǔ)理論主要有計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)采集和數(shù)字信號(hào)處理。目前在這一領(lǐng)域內(nèi)，使用較為廣泛的計(jì)算機(jī)語(yǔ)言是美國(guó)公司的LabVIEW。二LabVIEW簡(jiǎn)介L(zhǎng)abVIEW（LaboratoryVirtualinstrumentEngineering是一種圖形化的編程語(yǔ)言，它廣泛地被工業(yè)界、學(xué)術(shù)界和研究實(shí)驗(yàn)室所接受視為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的數(shù)據(jù)采集和儀器控制軟件LabVIEW集成了與滿足GPIB、VXI、RS-232和RS-485協(xié)議的硬件及數(shù)據(jù)采集卡通訊的全部功育它還內(nèi)置了便于應(yīng)用TCP/IP、ActiveX等軟件標(biāo)準(zhǔn)的庫(kù)函數(shù)。這是一個(gè)功能強(qiáng)大且靈活的軟件。利用它可以方便地建立自己的虛擬儀器，其圖形化的界面使得編程及使用過(guò)程都生動(dòng)有趣。圖形化的程序語(yǔ)言，又稱為“G”語(yǔ)言。使用這種語(yǔ)言編程時(shí)，基本上不寫程序代碼，取而代之的是流程圖或流程圖。它盡可能利用了技術(shù)人員、科學(xué)家、工程師所熟悉的術(shù)語(yǔ)、圖標(biāo)和概念，因此，LabVIEW是一個(gè)面向最終用戶的工具它可以增強(qiáng)你構(gòu)建自己的科學(xué)和工程系統(tǒng)的能力提供了實(shí)現(xiàn)儀器編程和數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的便捷途徑。使用它進(jìn)行原理研究、設(shè)計(jì)、測(cè)試并實(shí)現(xiàn)儀器系統(tǒng)時(shí)，可以大大提高工作效率。利用LabVIEW，可產(chǎn)生獨(dú)立運(yùn)行的可執(zhí)行文件，它是一個(gè)真正的32位編譯器像許多重要的軟件一樣，LabVIEW提供了Windows.UNIX、Linux、Macintosh的多種版本。三ELVIS簡(jiǎn)介NIELVIS基于NILabVIEW圖形化開發(fā)環(huán)境，并將理論仿真與低成本、動(dòng)手上機(jī)的設(shè)計(jì)原型平臺(tái)集成起來(lái)（如圖I-2）。這一教學(xué)平臺(tái)結(jié)合了12種不同的集成儀器，在降低實(shí)驗(yàn)室設(shè)備成本的同時(shí)，幫助學(xué)生們?cè)谏蠙C(jī)操作過(guò)程中鞏固理論知識(shí)。在同一個(gè)平臺(tái)上，學(xué)生們可以接觸到各種儀器，例如示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、函數(shù)發(fā)生器、電源和波特分析儀，每一種儀器都配備有用于單擊式配置ExpressVI。ELVIS主要由三部分組成：一套多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備，即DAQ裝置，如圖1-2中②所示?；赑CI總線的數(shù)據(jù)采集卡，PCI-5251,具有2路16位模擬輸出（2.8M/s）；24條數(shù)字I/O線；32位計(jì)數(shù)器。一個(gè)用戶可自定義的工作臺(tái)，工作臺(tái)上有一塊原型實(shí)驗(yàn)面包板。工作臺(tái)上的控制面板上有示波器、數(shù)字萬(wàn)用表、可變電源等基本儀器，圖衛(wèi)中⑤所示。一個(gè)安裝在計(jì)算機(jī)上的軟面板儀器SFP）這些軟面板儀器都是檢測(cè)技術(shù)實(shí)驗(yàn)中典型的和必須的通用電子儀器的虛擬儀器，主要包括示波器、函數(shù)發(fā)生器、數(shù)字萬(wàn)用表、可編程控制的電源以及伯德分析器、動(dòng)態(tài)信號(hào)分析儀與任意波形發(fā)生器。四ELVIS操作雙擊桌面上'NIELVIS”圖標(biāo)，打開ELVIS軟件（如圖1-3），在本課程實(shí)驗(yàn)中主要用至ELVIS軟件的萬(wàn)用表DigitalMultimeter、示波器Oscilloscope）、信號(hào)發(fā)生器FunctionGenerator和博德分析（BodeAnalyze）模塊，如圖1-4所示。]CmfUltitRuhnrngLlbti'IEW2]CmfUltitRuhnrngLlbti'IEW2DAQ：i ES*吟Cdto4MiELMtSMtrfMyEg,Ucard圖I-2NIELVIS組成示波器單擊ELVIS面板上的"Oscilloscope'按鈕，系統(tǒng)彈出如圖I5所示的"NIELVIS-Oscilloscope操作面板。操作面板主要由以下幾部分組成：1）信號(hào)顯示區(qū)域：左上方區(qū)域?yàn)樾盘?hào)顯示區(qū)域，在該區(qū)域顯示信號(hào)的波形，在顯示區(qū)下方顯示兩通道信號(hào)的坐標(biāo)值、時(shí)間差、信號(hào)的有效值、頻率和p-p值等信息。

圖I-3NIELVIS界面控制區(qū)域：左下方區(qū)域右側(cè)為信號(hào)顯示控制區(qū)域，用戶在此單擊RUN”按鈕顯示波形，單擊“Single”按鈕可以鎖定波形，單擊Log”按鈕保存波形數(shù)據(jù)。波形顯示控制：右上方區(qū)域控制通道A、B的波形顯示與否，“VERTICAL'區(qū)域控制波形的縱坐標(biāo)顯示位置和刻度大小。TIMEBASE控制橫坐標(biāo)時(shí)間軸的顯示精度。CURSORS：“CURSORS”處于“ON”狀態(tài)時(shí)，在示波區(qū)域顯示兩個(gè)坐標(biāo)指針，通過(guò)該指針可以示波區(qū)域選取波形上點(diǎn)坐標(biāo)。圖I-4ELVIS操作界面圖I-4ELVIS操作界面表器發(fā)用波號(hào)器德析萬(wàn)示佶生博分圖I-5示波器面板信號(hào)發(fā)生器單擊ELVIS面板上的"FunctionGenerate”按鈕，系統(tǒng)彈出如圖I6所示的“NIELVIS-FunctionGenerator'操作面板。操作面板主要由以下幾部分組成：“ON”按鈕：控制信號(hào)發(fā)生器運(yùn)行與否?！癋requency'區(qū)域：在該區(qū)域選擇所產(chǎn)生信號(hào)的頻率。“Waveform”區(qū)域：在該區(qū)域選擇所產(chǎn)生波形的形式和幅值大小。"FrequencySweep'區(qū)域：在該區(qū)域控制掃頻信號(hào)起始頻率、終止頻率和步長(zhǎng)。圖I-6信號(hào)發(fā)生器面板3?博德分析單擊ELVIS面板上的"BodeAnalyze'按鈕，系統(tǒng)彈出如圖I-7所示的"NIELVIS-BodeAnalyze'操作面板。操作面板主要由以下幾部分組成：

博德圖顯示：在左側(cè)區(qū)域顯示博德圖。Setting：在該區(qū)域設(shè)置輸入信號(hào)的起始頻率、終止頻率和步長(zhǎng)。Run：?jiǎn)螕粼摪粹o，系統(tǒng)開始繪制博德圖。Log：?jiǎn)螕粼摪粹o，保存圖形。Display：在該區(qū)域控制圖形區(qū)域是否顯示坐標(biāo)等。ESnrELvrs-Analyzer 1=|tN^OHAL州盯JWL1ENTF101000C-Connections:ACHO-SignalACHI-FGENFUf-14.00.D-■2.D■4.DODD?.EE0Sterlings-_0UT .'Frequency(Hz)Start ［曲Slop1000.00:FCEN"UNC.CQtfAmpPeakAmpliludgnalPalaritZOO§VINormatN^OHAL州盯JWL1ENTF101000C-Connections:ACHO-SignalACHI-FGENFUf-14.00.D-■2.D■4.DODD?.EE0Sterlings-_0UT .'Freq