自动控制原理实验指导书.docx
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自动控制原理实验指导书
《自动控制原理》
实验指导书
（电气工程及其自动化专业、热能与动力工程专业）
樊强 编写
西北农林科技大学水利与建筑工程学院
2011年12月
目 录
第一章labACT自控/计控原理实验机构成及说明1
1.1构成1
1.2说明4
1.2.1A实验区4
1.2.2B实验区4
第二章典型环节的模拟研究6
2.1实验要求6
2.2典型环节的方块图及传递函数6
2.3实验内容及步骤7
2.4实验报告12
第三章二阶系统瞬态响应和稳定性12
3.1实验要求12
3.2实验内容及步骤12
3.2.1二阶系统瞬态响应和稳定性12
3.2.2三阶系统的瞬态响应和稳定性14
3.3实验报告15
参考文献16
第一章labACT自控/计控原理实验机构成及说明
1.1构成
labACT自控/计控原理实验机由以下七个模块组成：
1．自动控制原理实验模块
2．计算机控制原理实验模块
3．信号源模块
4．控制对象模块
5．虚拟示波器模块
6．控制对象输入显示模块
7．CPU控制模块
各模块相互交联关系框图见图1-1所示：
图1-1各模块相互交联关系框图
自动控制原理实验模块由六个模拟运算单元及元器件库组成，这些模拟运算单元的输入回路和反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。
利用本实验机所提供的多种信号源输入到模拟运算单元中去，再使用本实验机提供的虚拟示波器界面可观察和分析各种自动控制、计算机控制原理实验的响应曲线。
计算机控制原理实验模块由模数转换器，数模转换器，8253定时器，8259中断控制器及模拟运算单元组成。
在CPU的运算和控制下，可完成数字PID控制，最少拍控制及大林算法等实验。
控制对象模块由温度控制模块，直流电机模块和步进电机模块组成。
可实现温度闭环控制实验，直流电机闭环调速实验和步进电机调速实验。
还包括外设接口模块，可实现扩展外设各种实验。
CPU控制模块由十六位微机8088及只读存储器27512，随机存取存储器62256，时钟芯片，RS232串口通讯芯片等组成。
CPU控制模块（ACT88），位于主实验板的下面，经J1插座与主实验板相联。
根据功能本实验机划分了各种实验区均在主实验板上。
实验区组成见表1-1：
表1-1实验区组成
A实验区
模拟运算单元
有六个模拟运算单元，每单元由输入回路6组电阻、或电容，反馈回路7组电阻、或电容，1个运算放大器组成。
A1~A6
可变阻容元件库
由电位器330K和22K，直读式可变电阻0~999.9KΩ，直读式可变电容0~0.7uF组成。
A7
阻容元件库
有10个电阻，6个电容，2个二极管，1个双向稳压管。
A8
运算放大器库
有3组运算放大器,1个整形器
A9
B实验区
信号发生器
由手控阶跃发生（0/+5v、-5v/+5v），幅度控制（电位器），非线性输出组成。
B1
数模转换器
八位数/模转换，输出有0~+5v、-5v~+5v、-10v~+10v，三个测孔供选择。
B2
虚拟示波器
2个通道模拟信号输入，输入信号可不衰减输入，也可衰减5倍后输入。
B3
采样/保持器
采样/保持器LF398，单稳态电路4538
B4
函数发生器
有单位阶跃，斜坡，抛物线信号输出，信号宽度范围2ms~6s，宽度可调，幅度可调。
B5
正弦波发生器
频率范围0.1HZ~100HZ可调，幅度可调。
B6
基准电压单元
+Vref（+5.00v），-Vref（-5.00v）
B7
模数转换器
8位模/数转换，其中有6个通道为0~+5v输入，有2个通道为-5v~+5v输入。
B8
定时器/中断单元
有8253定时器中的计数器1，固定时钟（1.229MHz）输入的OUTO输出及与OUTO级联的OUT2输出。
有中断控制器8259中的输入IRQ6，IRQ7。
B9
C实验区
步进电机模块
步进电机35BY48
C1
直流电机模块
直流电机BY25及光电断续器测速
C2
温控模块
AD590测温及温度闭环控制（0℃~80℃）。
C3
外设接口模块
1路4~20mA或1~5v模拟电压输出（AOUT），
2路4~20mA或1~5v模拟电压输入（IN-2、IN-3），
4路开关量输入和4路开关量输出（DIN和DOUT），
1路测温传感器（铂电阻PT100）输入（IN-1）。
C4
D实验区
控制对象输出显示模块
自带CPU（89C2051）控制，10位A/D转换器TLC1543。
3位八段数码管，可切换显示温度/转速/电压/电流。
可当作-5v~+5v电压表。
D
主实验板的布置简图见图1-2所示。
图1-2主实验板的布置简图
1.2说明
1.2.1A实验区
（1）模拟运算单元（A1~A6）
六个模拟运算单元实现原理基本相同，只是运放各输入回路及各反馈回路引入的电阻、电容的参数和连接方式各不相同。
（2）可变阻容元件库（A7）
提供22K和330K电位器,一组0~999.9K直读式可变电阻，一组0~0.7uF直读式可变电容及标准插孔。
（3）阻容元件库（A8）
提供各种电阻（10K~510K）10个，各种电容（0.1uF~2uf）6个，二极管（1N4148）2个，双向稳压管（4.6v）1组及多个标准插孔。
（4）运算放大器库（A9）
提供3组运算放大器及标准测孔（电源+12V和-12V已接入放大器）；1个整形器，CIN为输入插孔，COUT为输出插孔，供用户自行接插元器件，为系统提供了足够的灵活性。
1.2.2B实验区
（1）信号发生器（B1）
信号发生器由手控阶跃发生器（B1-1），幅度控制（B1-2）和非线性输出（B1-3）组成，其布置图见图1-3所示：
图1-3信号发生器布置图
手控阶跃发生模块由按钮SB2及74LS00组成。
如图1-2-2所示在B1-1模块中，当按钮SB2按下时，L9灯亮，其‘0/+5v’测孔将从0V阶跃成+5v，‘-5v/+5v’测孔将从-5v阶跃成+5v；当按钮弹出时，L9灯灭，其输出状态相反。
（注：
该按钮是一个带锁开关，如要改变状态必须再按一次）
幅度控制模块由开关K3、开关K4和电位器组成。
开关K3的上端已连接了-5V，下端已连接了GND；开关K4的上端已连接了+5V，下端已连接了‘0/+5V’阶跃信号输出。
B1-2模块可以有三种状态输出：
（1）K3开关拨下，K4开关拨上，在电位器的Y测孔可得到‘0~+5v’连续可调电压输出。
（2）K3开关拨上，K3开关也拨上，在电位器的Y测孔可得到‘-5v~+5v’连续可调电压输出。
（3）K3开关拨下，K3开关也拨下，在电位器的Y测孔将得到手控连续可调‘0-~+5V’阶跃信号。
非线性发生模块是利用二极管的非线性特性形成非线性输出，IN为输入测孔，OUT为输出测孔。
（2）函数发生器（B5）
将产生单位阶跃，斜坡，抛物线信号，其信号宽度范围为2ms~6s，幅度可调，在其OUT测孔输出。
S测孔是方波输出，N测孔用于构造尖脉冲干扰，NC是干扰输出，/ST测孔是‘S，ST’短路套套上后的S测孔的反相输出。
三位拨动开关S1切换波形类型，上——阶跃，中——斜坡，下——抛物线；
三位拨动开关S2切换信号的周期,周期范围:
上——2-60ms，中——20ms-0.6s，下——0.2s-6s。
使用调幅和调宽旋钮可调节信号的幅度和频率大小。
为了使运算放大器为零初始状态并且积分漂移不致累加增多，设置了锁零电路。
其原理：
当锁零功能启动后，使模拟运算单元（A1~A6）中的场效应管的‘D’、‘S’端处于短路状态，也就是说，使各运放所接的反馈阻抗短路。
启动锁零功能有两个办法：
（1）按住B5单元中的放电按钮，启动锁零功能。
（2）把B5单元中的S-ST用短路套套住，则当B5单元的OUT输出为零时，启动自动锁零功能。
（3）正弦波发生器（B6）
本单元可产生0.1Hz~100Hz频率范围（使用拨动开关S3分三档切换）的正弦波和方波。
正弦波最大峰峰值±3V。
使用调频、调幅电位器可以输出波形的频率和幅值。
正弦波信号引出为‘SIN’测孔。
方波信号引出为‘SQU’测孔,幅值为0/+5V。
（4）数模转换器（B2）
本实验机采用ADC0832作为数/模转换，可实现8bit数字输入转换为模拟量。
数字0~0FFH输入，经数/模转换后OUT1测孔输出为0~+5v模拟量。
经运放处理后，在OUT2测孔输出为-5v~+5v，在OUT3测孔输出为-10v~+10v。
（5）采样/保持器（B4）
采用LF398实现保持，输入、输出电平范围为±12V。
IN为输入端；PU为采样控制端，高电平采样，低电平保持。
单稳态电路4538，完成脉冲整形。
（6）基准电压单元（B7）
本单元可提供+Vref（+5.00V）和-Vref（-5.00V）两种基准电压。
可以通过调整该单元中的W9电位器来调整基准电压。
（在出厂时已调整好）注意：
该单元的测孔不可随意插线，以免损坏基准源。
（7）模数转换器（B8）
本实验机采用DAC0809作为模/数转换，可实现8bit数字输出。
其中IN0~IN5通道为0~+5V模拟量输入，IN6和IN7通道为-5V~+5V模拟量输入。
IN-0~IN-3已在实验机内连线，其中IN-0用作C实验区温控模块（C3）测温输入，IN-1、IN-2用作C实验区外设接口（C4）模拟量输入，IN-3用作外设接口测温传感器输入。
IN-4~IN-7由测孔引出。
（8）虚拟示波器（B3）
提供两通道模拟信号输入CH1和CH2，配合上位机软件的示波器窗口，可以实现波形的显示、存储，可以有效的观察实验中各点信号的波形。
虚拟示波器每个输入通道都配有量程开关，当量程开关拨到×1位置，表示输入不衰减，输入范围-5V~+5V，如果超出此范围，应把量程开关拨到×5位置，此时输入信号将被衰减5倍。
第二章典型环节的模拟研究
2.1实验要求
（1）了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式；
（2）观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。
2.2典型环节的方块图及传递函数
典型环节名称
方块
图
传递函数
比例
（P）
积分
（I）
比例积分
（PI）
比例微分
（PD）
惯性环节
（T）
比例积分微分（PID）
2.3实验内容及步骤
在实验中欲观测实验结果时，可用普通示波器，也可选用本实验机配套的虚拟示波器。
如果选用虚拟示波器，只要运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。
（1）观察比例环节的阶跃响应曲线
典型比例环节模拟电路如图2-1所示。
图2-1典型比例环节模拟电路
典型比例环节的传递函数：
单位阶跃响应：
实验步骤：
（1）用信号发生器（B1）的‘Y测孔输出’作为比例环节输入信号。
将B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。
按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮SB2，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔，电压调整为1V。
（2）构造模拟电路：
按图2-1安置短路套及测孔联线。
（3）虚拟示波器（B3）的联接：
B3虚拟示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。
（4）运行、观察、记录：
进入自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，点击开始，按下SB2按钮（0→+1V阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。
然后点击停止,移动标尺,测量数据。
改变比例系数（改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1），观测结果，填入实验数据表。
实验数据表：
输入电阻
Ro
反馈电阻
R1
输入电压
Ui
比例系数
响应曲线
理论K
实测K
200K
100K
1V
0.5
200K
1.0
500K
2.5
（2）观察惯性环节的阶跃响应曲线
典型惯性环节模拟电路如图2-2所示。
图2-2典型惯性环节模拟电路
典型惯性环节的传递函数：
单位阶跃响应：
实验步骤：
（1）用信号发生器（B1）的‘Y测孔输出’作为比例环节输入信号。
将B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。
按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮SB2，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔，电压调整为2V。
（2）构造模拟电路：
按图2-2安置短路套及测孔联线。
（3）虚拟示波器（B3）的联接：
B3虚拟示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。
（4）运行、观察、记录：
进入自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，点击开始，按下SB2按钮时（0→+2V阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。
然后点击停止,移动标尺,测量数据。
改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1和反馈电容C），观测结果，填入实验数据表。
实验数据表：
输入电阻
Ro
反馈电阻
R1
反馈电容
C
输入电压
Ui
比例系数
时间常数
响应曲线
理论K
实测K
理论T
实测T
200K
100K
2u
2V
0.5
0.2
1u
0.5
0.1
200K
2u
1.0
0.4
1u
1.0
0.2
（3）观察积分环节的阶跃响应曲线
典型积分环节模拟电路如图2-3所示。
图2-3典型积分环节模拟电路
典型积分环节的传递函数：
单位阶跃响应：
实验步骤：
注：
‘SST’用短路套短接！
（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui）；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。
将函数发生器（B5）中S1拨动开关置于最上档（阶跃信号），S2拨动开关置于0.2S~6S档。
用示波器观测信号输入（Ui），调节“调宽”旋钮，使OUT输出方波宽度在1秒左右；调节“调幅”旋钮，使OUT输出方波幅值为1V。
（2）构造模拟电路：
按图2-3安置短路套及测孔联线；B5单元‘S-ST’用短路套短接！
（3）虚拟示波器（B3）的联接：
B3虚拟示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。
（4）运行、观察、记录：
进入自动控制菜单的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，点击开始。
用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。
然后点击停止,移动标尺,测量数据。
改变参数（分别改变运算模拟单元A1的输入电阻Ro和反馈电容C），观测结果，填入实验数据表。
实验数据表：
输入电阻
Ro
反馈电容
C
输入电压
Ui
积分常数
响应曲线
理论Ti
实测Ti
100K
2u
1V
0.2
1u
0.1
200K
2u
0.4
1u
0.2
（4）观察比例积分环节的阶跃响应曲线
典型比例积分环节模拟电路如图2-4所示.。
图2-4典型比例积分环节模拟电路
典型比例积分环节的传递函数：
单位阶跃响应：
实验步骤：
注：
‘SST’用短路套短接！
（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：
将函数发生器（B5）中S1拨动开关置于最上档（阶跃信号），S2拨动开关置于0.2S~6S档。
用示波器观测信号输入（Ui），调节“调宽”旋钮，使OUT输出方波宽度在1秒左右；调节“调幅”旋钮，使OUT输出方波幅值在1V。
（2）构造模拟电路：
按图2-4安置短路套及测孔联线；B5单元‘SST’用短路套短接！
（3）虚拟示波器（B3）的联接：
B3虚拟示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。
（4）运行、观察、记录：
进入自动控制菜单的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，点击开始。
用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。
然后点击停止,移动标尺,测量数据。
改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A5的输入电阻Ro和反馈电容C），重新观测结果，填入实验数据表。
实验数据表：
输入电阻
Ro
反馈电阻
R1
反馈电容
C
输入电压
Ui
比例系数
积分常数
响应曲线
理论K
实测K
理论T
实测T
200K
200K
2u
1V
1.0
0.4
1u
1.0
0.2
100K
2u
2.0
0.4
1u
2.0
0.2
（5）观察比例微分环节的阶跃响应曲线
典型比例微分环节模拟电路如图2-5所示。
图2-5典型比例微分环节模拟电路
典型比例微分环节的传递函数：
单位阶跃响应：
实验步骤：
注：
‘SST’用短路套短接!
（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：
B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。
阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为1V（调节方法：
按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。
（2）构造模拟电路：
按图2-5安置短路套及测孔联线。
（3）虚拟示波器（B3）的联接：
B3虚拟示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。
（4）运行、观察、记录：
①进入线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，点击开始，用示波器观测系统的信号输入（Ui），调节“调宽”旋钮，正输出宽度在70ms左右，调节“调幅”旋钮，幅度在400mv左右。
②用示波器观测A6输出端（Uo）响应曲线。
③改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A2的输入电阻Ro和反馈电阻R1），重新观测结果，填入实验数据表。
实验数据表：
输入电阻
Ro
反馈电阻
R1
输入电压
Ui
比例系数
微分常数
响应曲线
理论K
实测K
理论T
实测T
10K
10K
1V
20K
20K
10K
20K
30K
20K
（6）观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线
PID（比例积分微分）环节模拟电路如图2-6所示。
图2-6PID（比例积分微分）环节模拟电路
典型比例积分环节的传递函数：
单位阶跃响应：
实验步骤：
注：
‘SST’用短路套短接！
（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：
B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。
阶跃信号输出（B1的Y测孔）调整为1V（调节方法：
按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。
（2）构造模拟电路：
按图2-6安置短路套及测孔联线。
（3）虚拟示波器（B3）的联接：
示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端。
注：
CH1选‘×1’档。
时间量程选‘／4’档。
（4）运行、观察、记录：
①进入线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，点击开始，用示波器观测系统的信号输入（Ui），调节“调宽”旋钮（正输出宽度在0.1秒左右）。
②用示波器观测A6输出端（Uo），调节“调幅”旋钮，输入信号幅值从0V开始，慢慢增加，直到积分输出接近5V为止（不能超过5V）。
如用TEK数字示波器观察，输入信号幅值可大些。
注意：
该实验由于微分的时间太短，如果用虚拟示波器（B3）观察，必须把波形扩展到最大（/4档），但有时仍无法显示微分信号。
因此，建议用一般的示波器观察。
③改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A2的输入电阻Ro和反馈电阻R1），重新观测结果，填入实验数据表。
实验数据表：
输入电阻Ro
反馈电阻
R1
输入电压
Ui
比例系数
微分常数
积分常数
响应曲线
理论K
实测K
理论T
实测T
理论Ti
实测Ti
10K
10K
1V
20K
20K
10K
20K
2.4实验报告
（1）实验模拟电路，实验所测波形、数据。
（2）理论参数的计算过程。
（3）对实验现象进行准确描述与分析。
第三章二阶系统瞬态响应和稳定性
3.1实验要求
（1）了解和掌握典型二阶、三阶系统模拟电路的构成方法及传递函数表达式推导。
（2）观察和分析典型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标σ%、tp、ts值，并与理论计算值作比对。
（3）熟悉劳斯（ROUTH）判据使用方法。
（4）应用劳斯（ROUTH）判据，观察和分析Ⅰ型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。
3.2实验内容及步骤
3.2.1二阶系统瞬态响应和稳定性
图3-1是典型的Ⅰ型二阶单位反馈系统原理方块图。
图3-1典型二阶闭环系统原理方块图
Ⅰ型二阶系统的开环传递函数：
Ⅰ型二阶系统的闭环传递函数标准式：
自然频率（无阻尼振荡频率）：
阻尼比：
超调量：
峰值时间：
调节时间：
二阶闭环系统模拟电路如图3-2所示。
它由积分环节（A2）和惯性环节（A3）构成。
图3-2Ⅰ型二阶闭环系统模拟电路
图3-2的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：
积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S
惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T=R2*C2=0.1S
实验步骤：
注：
‘SST’不能用“短路套”短接！
（1）用信号发生器（B1）的‘Y测孔输出’作为二阶系统输入的阶跃信号。
将B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。
按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮SB2，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔，电压调整为1V。
（2）构造模拟电路：
按图3-2安置短路套及测孔联线。
（3）虚拟示波器（B3）的联接：
B3虚拟示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（C（t））。
（4）运行、观察、记录：
①运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时
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