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自动控制系统实验指导书内容
目录
第一章MCL系统挂箱介绍和使用说明1
1.1零速封锁器（DZS）1
1.2FBS（速度变换器）2
1.3ASR（速度调节器）3
1.4ACR（电流调节器）4
1.5MCL—34挂箱5
1.6MCL—10挂箱7
第二章自动控制系统实验9
2.1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定9
2.2晶闸管直流调速系统主要单元调试16
2.3不可逆单闭环直流调速系统静特性的研究20
2.4双闭环晶闸管不可逆直流调速系统23
2.4双闭环晶闸管不可逆直流调速系统24
2.5逻辑无环流可逆直流调速系统28
2.5逻辑无环流可逆直流调速系统29
2.6双闭环可逆直流脉宽调速系统34
第一章MCL系统挂箱介绍和使用说明
1.1零速封锁器（DZS）
零速封锁器的作用是当调速系统处于静车状态，即速度给定电压为零，同时转速也确为零时，封锁调节系统中的所有调节器，以避免静车时各放大器零漂引起可控硅整流电路有输出使电机爬行的不正常现象。
原理电路如图1.1所示。
它的总输入输出关系是：
（1）当1端和2端的输入电压的绝对值都小于0.07V左右时，则3端的输出电压应为0V；
（2）当1端和2端的输入电压绝对值或者其中之一或者二者都大于0.2V时，其3端的输出电压应为―15V；
（3）当3端的输出电压已为―15V，后因1端和2端的电压绝对值都小于0.07V，使3端电压由―15V变为0V时，需要有100毫秒的延时。
3端为OV时输入到各调节器反馈网络中的场效应管，使其导通，调节器反馈网络短路而被封锁，3端为―15V时输入到上述场效应管使其夹断，而解除封锁。
具体原理如下：
它是由两个山形电平检测器和开关延时电路组成。
（1）DZS前半部分别由线性集成电路A1：
A和A1：
B组成二个山形电平检测器，山形电平检测器的输入输出特性如图1.2所示，输入电压是指1或2端送入的电压（S3放在封锁位），输出电压是指在4或5上得到的电压。
调整参数到输出电压突跳的几个输入电压为：
Ua=―0.2VUb=―0.07VUc=+0.07VUd=+0.2V
输出正向电压无限幅，约为+12V，输出负向电压用二极管VD9和VD10箝位到―0.7V。
（2）DZS的后关部为开关延时电路
（a）当1和2端电压绝对值均小于0.07V，则4和5得到的电压都为+15V，高电平为“1”态，输入单与门4011，其输出10脚也为“1”态，二极管VD11截止，这样单与非门的输入为“1”态，输出3脚为“0”态，VD12导通，使稳压管VST不能击穿，所以三极管VT1截止，从而3端输出为0V。
（b）当1和2端电压绝对值或其中之一或二者都大于0.2V时，则在4和5上或者4为―0.7V，或者5为―0.7V，或者4、5均为―0.7V，低电平为“0”态，三种情况输入D：
C，其输出都为“0”态，VD11导通，接0V，D:
A输入为“0”态，其输出为“1”态，使VD12截止，稳压管VST在30V的电压作用下而击穿，VT1饱和导通，可使3端输出为―15V。
（c）当已在（b）的情况，3端子输出为―15V，此时D:
C的输出为0V，D:
A上输入电压接近0V。
若要回到（a）的情部，则D：
C的输出先由“0”态变成“1”态，VD11截止，D:
A上输入上电压应为+15V，但电容C5二端电压不能突变，+15V电源通过R27对C5充电，C5电压逐步上升，上升到一定数值后D：
A的输出由“1”态变为“0”态，从而使3端输出为0V，所以3端由―15V变为0V有一延时时间，其延时长短取决于R27C5的充电回路时间常数。
（d）钮子开关S3有二个位置，放在“封锁位”，用在调速系统正常工作的情况，即为上述分析情况，放在“解除位”，A1：
A组成的山形电平检测器输入总是+15V，3端子电位总是―15V，使各调节器解除封锁，以便单独调试调节器用。
1.2FBS（速度变换器）
速度变换器（FBS）用于转速反馈的调速系统中，将直流测速发电机的输出电压变换成适用于控制单元并与转速成正比的直流电压，作为速度反馈。
其原理图如图1.3所示。
使用时，将测速发电机的输出端接至速度变换器的输入端1和2。
分两路输出。
（1）一路经电位器RP2至转速表，转速表（02000n/s）已装在电机导轨上。
（2）另一路经电阻及电位器RP，由电位器RP中心抽头输出，作为转速反馈信号，反馈强度由电位器RP的中心抽头进行调节，由电位器RP输出的信号，同时作为零速封锁反映转速的电平信号。
元件RP装在面板上。
1.3ASR（速度调节器）
速度调节器ASR的功能是对给定和反馈两个输入量进行加法，减法，比例，积分和微分等运算，使其输出按某一规律变化。
它由运算放大器，输入与反馈网络及二极管限幅环节组成。
其原理图如图1.4所示。
转速调节器ASR也可当作电压调节器AVR来使用。
速度调节器采用电路运算放大器，它具有两个输入端，同相输入端和倒相输入端，其输出电压与两个输入端电压之差成正比。
电路运算放大器具有开环放大倍数大，零点漂移小，线性度好，输入电流极小，输出阻抗小等优点，可以构成理想的调节器。
图1.4中，由二极管VD4，VD5和电位器RP2，RP3组成正负限幅可调的限幅电路。
由C2，R9组成反馈微分校正网络，有助于抑制振荡，减少超调，R15，C1组成速度环串联校正网络。
场效应管V5为零速封锁电路，当4端为0V时VD5导通，将调节器反馈网络短接而封锁，4端为-13V时，VD5夹断，调节器投入工作。
RP1为放大系数调节电位器。
元件RP1，RP2，RP3均安装在面板上。
电容C1两端在面板上装有接线柱，电容C2两端也装有接线柱，可根据需要外接电容。
1.4ACR（电流调节器）
电流调节器适用于可控制传动系统中，对其输入信号（给定量和反馈量）时进行加法、减法、比例、积分、微分，延时等运算或者同时兼做上述几种运算。
以使其输出量按某种予定规律变化。
其原理图如图1.5所示。
它是由下述几部分组成：
运算放大器，两极管限幅，互补输出的电流放大级、输入阻抗网络、反馈阻抗网络等。
电流调节器与速度调节器相比，增加了4个输入端，其中2端接过流推信号，来自电流变换器的过流信号U，当该点电位高于某值时，VST1击穿，正信号输入，ACR输出负电压使触发电路脉冲后移。
UZ、UF端接逻辑控制器的相应输出端，当这二端为高电平时，三极管V1、V2导通将Ugt和Ugi信号对地短接，用于逻辑无环流可逆系统。
晶体管V3和V4构成互补输出的电流放大级，当V3、V4基极电位为正时，V4管（PNP型晶体管）截止，V3管和负截构成射极跟随器。
如V3，V4基极电位为负时，V3管（NPN型晶体管）截止，V4管和负截构成射极跟随器。
接在运算放大器输入端前面的阻抗为输入阻抗网络。
改变输入和反馈阻抗网络参数，就能得到各种运算特性。
元件RP1、RP2、RP3装在面板上，C1、C2的数值可根据需要，由外接电容来改变。
1.5MCL—34挂箱
MCL—34为逻辑无环流可逆直流调速专用挂箱。
由AR（反号器）、DPT（转矩器性鉴别器）、DPZ（零电流检测器）、DLC（逻辑控制器）构成。
1．AR（反号器）
反号器AR由运算放大器及有关电阻组成，如图1.6所示。
用于调速系统中信号需要倒相的场合。
反号器的输入信号由运算放大器的反相端接入，故输出电压为
USC=-（RP+R3）/R1
调节RP的可动触点，可改变RP的数值，使RP+R3=R1，则USC=-USR，输入与输出成倒相关系。
元件RP装在面板上。
2．DPT（转矩极性鉴别器）
转矩极性鉴别器为一电平检测器，用于检测控制系统中转矩极性的变化；它是一个模数转换器，可将控制系统中连续变化的电平转换成逻辑运算所需的’0”、”1”状态信号。
其原理图如图1.7所示。
转矩极性鉴别器的输入输出特性如图1.8所示，具有继电特性。
调节同相输入端电位器可以改变继电特性相对于零点的位置。
特性的回环宽度为
Uk=Usr2-Usr1=K1（Uscm2-Uscm1）
式中K1为正反馈系数，K1越大，则正反馈越强，回环宽度就越大，Usr2和Usr1分别为输出由正翻转到负及由负翻转到正所需的最小输入电压；Uscm2和Uscm1分别为正向和负向饱和输出电压。
逻辑控制系统中的电平检测环宽一般取0.20.6V，环宽大时能提高系统抗干扰能力，但环太宽时会使系统运作迟钝。
3．DPZ（零电流检测器）
零电流检测器也是一个电平检测器，其工作原理与转矩极性鉴别器相同，在控制系统中进行零电流检测，其原理图和输入输出特性分别如图1.9和图1.10所示。
4．DLC（逻辑控制器）
逻辑控制器适用于直流电动机可控硅无环流反并联供电的调压调速系统中，它对转矩极性指令和主回路零电流信号进行逻辑运算，切换加于正组桥或反组桥可控硅整流装置上的触发脉冲。
逻辑电路除了功率输出级外，全部采用CMOS集成化与非门电路组成。
对于与非门电路来说，只有当输入端全部为“1”信号（高电平）时，其输出才为零（低电平）；只要输入端中任一个“0”信号，其输出便为“1”信号。
其原理图如图1.11所示。
DLC主要由逻辑判断电路，延时电路，逻辑保护电路，推环节等组成。
A．逻辑判断环节逻辑判断环节的任务是根据转矩极性电平检测器和零电流电平检测器的输出UM和UI状态，正确地判断晶闸管的触发脉冲是否需要进行切换（由UM是否变换状态决定）及切换条件是否具备（由UI是否由“0”态变“1”态决定）。
即当UM变换后，零电流检测器检测到主电路电流过零（UI=“1”）时，逻辑判断电路立即翻转，同时应保证在任何时刻逻辑判断电路的输出UZ和UF状态必须相反。
B．延时环节要使正，反两组整流装置安全，可靠地切换工作，必须在逻辑无环流系统中逻辑判断电路发出切换指令UZ或UF后。
经关断等待时间t1（3ms）和触发等待时间t2（10ms）之后才能执行切换指令，故设置相应的延时电路，电路中VD1、C1,VD2、C2起t1的延时作用，VD3、C3,、VD4、C4起t2的延时作用。
C．逻辑保护环节逻辑保护环节也称多一保护环节。
当逻辑电路发生故障时，UZ、UF的输出同时为”1”状态，逻辑控制器两个输出端Ublr和Ublf全为”0”状态，造成两组整流装置同时开放，引起短路环流事故。
加入逻辑保护环节后，当UZ、UF全为”1”状态时，使逻辑保护环节输出”A”点电位变为”0”，使Ublf和Ublr都为高电平，两组触发脉冲同时封锁，避免产生短路环流事故。
D．推环节在正，反桥切换时，逻辑控制器中D2:
10输出”1”状态信号，将此信号送入ACR的输入端作为脉冲后移推指令，从而可避免切换时电流的冲击。
E．功率放大输出环节。
由于与非门输出功率有限，为了能可靠推动脉冲门Ⅰ或Ⅱ,故加了由V1和V2_组成的功率放大级,由逻辑信号ULK1或ULK2进行控制,或为“通”，或“断”来控制触发脉冲门Ⅰ或触发脉冲门Ⅱ。
1.6MCL—10挂箱
MCL—10为直流脉宽调速专用挂箱，原理框图如图1.12。
在结构上分为两部分：
主回路和控制回路。
1．主回路：
二极管整流桥把输入的交流电变为直流电，正常情况下，交流输入为220V，经过整流后变为300V直流电。
电阻R1为起动限流电阻，滤波电容C为470μF/450V；四只功率MOS管构成H桥，根据脉冲占空比的不同，在直流电机上可得到＋或－的直流电压。
H桥的具体工作原理可参考有关资料。
在VT2和VT4的源极回路中，串接两取样电阻，其上的电压分别反映流过VT2、VT4的电流，经过差放放大，在“21”端输出一反映电流大小的电压，作为双闭环控制系统的电流反馈信号。
电阻R2在本实验箱中有两个作用。
第一，可用来观察波形，R2的阻值为1Ω，其上的电压波形反映了主回路的电流波形。
第二，作为过流保护用，当R2的电压超过整定值后，过流保护电路动作，关闭脉冲，从而保护功率MOS管。
2．控制回路
控制回路采用SG3525构成。
SG3525的13脚输出占空比可调（改变9脚电压）的脉冲波形（占空比调节范围不小于0.10.9），同时频率可通过充放电时间的不同而改变（通过钮子开关S1调节），经过RC移相后，输出两组互为倒相，死区时间为5μS左右的脉冲（观察“33”端和“34”端），经过光耦隔离后，分别驱动四只MOS管，其中VT1、VT4驱动信号相同，VT2、VT3驱动信号相同。
为了保证系统的可靠性，在控制回路设置了保护线路，一旦出现过流，保护电路输出二路信号，分别封锁SG3525的脉冲输出和与门的信号输出。
面板的左端为正、负给定。
当钮子开关S5打向“±给定”，S4打向“正给定”时，“24”端输出－15V，同时调节电位器RP3，“23”可得到0~12V的正电压输出；当S4打向“负给定”时，调节RP4，“23”可得到0~12V的负电压输出。
当钮子开关S5打向“0”时，“23”端输出0V，同时“24”端输出为0V，封锁控制电路的工作。
第二章自动控制系统实验
2.1晶闸管直流调速系统参数和环节特性的测定
一．实验目的
1．了解电力电子及电气传动教学实验台的结构及布线情况。
2．熟悉晶闸管直流调速系统的组成及其基本结构。
3．掌握晶闸管直流调速系统参数及反馈环节测定方法。
二．实验内容
1．测定晶闸管直流调速系统主电路电阻R
2．测定晶闸管直流调速系统主电路电感L
3．测定直流电动机—直流发电机—测速发电机组（或光电编码器）的飞轮惯量GD2
4．测定晶闸管直流调速系统主电路电磁时间常数Td
5．测定直流电动机电势常数Ce和转矩常数CM
6．测定晶闸管直流调速系统机电时间常数TM
7．测定晶闸管触发及整流装置特性Ud=f（Uct）
8．测定测速发电机特性UTG=f（n）
三．实验系统组成和工作原理
晶闸管直流调速系统由晶闸管整流调速装置，平波电抗器，电动机——发电机组等组成。
本实验中，整流装置的主电路为三相桥式电路，控制回路可直接由给定电压Ug作为触发器的移相控制电压，改变Ug的大小即可改变控制角，从而获得可调的直流电压和转速，以满足实验要求。
四．实验设备及仪器
1．MCL—32电源控制屏
2．MCL—31低压控制电路及仪表
3．MCL—33触发电路及晶闸管主电路
4．电机导轨及测速发电机（或光电编码器）
5．MEL—03三相可调电阻器
6．双踪示波器
7．万用表
8．直流电动机M03、直流发电机MO1
五．注意事项
1．由于实验时装置处于开环状态，电流和电压可能有波动，可取平均读数。
2．为防止电枢过大电流冲击，每次增加Ug须缓慢，且每次起动电动机前给定电位器应调回零位，以防过流。
3．电机堵转时，大电流测量的时间要短，以防电机过热。
六．实验方法
1．电枢回路电阻R的测定
电枢回路的总电阻R包括电机的电枢电阻Ra，平波电抗器的直流电阻RL和整流装置的内阻Rn，即R=Ra+RL+Rn
为测出晶闸管整流装置的电源内阻，可采用伏安比较法来测定电阻，其实验线路如图2.1所示。
将变阻器RP（可采用两只900Ω电阻并联）接入被测系统的主电路，并调节电阻负载至最大。
测试时电动机不加励磁，并使电机堵转。
MCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
调节偏移电压电位器RP2，使=150°。
合上主电路电源开关。
调节Ug使整流装置输出电压Ud=（30~70）Unom（可为110V），然后调整RP使电枢电流为（80~90）Inom，读取电流表A和电压表V的数值为I1,U1，则此时整流装置的理想空载电压为
Udo=I1R+U1
调节RP，使电流表A的读数为40%Inom。
在Ud不变的条件下读取A，V表数值，则
Udo=I2R+U2
求解两式，可得电枢回路总电阻
R=（U2-U1）/（I1-I2）
如把电机电枢两端短接，重复上述实验，可得
RL+Rn=（U’2-U’1）/（I’1-I’2）
则电机的电枢电阻为
Ra=R（RL+Rn）
同样，短接电抗器两端，也可测得电抗器直流电阻RL。
2．电枢回路电感L的测定
电枢电路总电感包括电机的电枢电感La，平波电抗器电感LL和整流变压器漏感LB，由于LB数值很小，可忽略，故电枢回路的等效总电感为
L=La+LL
电感的数值可用交流伏安法测定。
电动机应加额定励磁，并使电机堵转，实验线路如图2.2所示。
合上主电路电源开关。
用电压表和电流表分别测出通入交流电压后电枢两端和电抗器上的电压值Ua和UL及电流I（可取0.5A），从而可得到交流阻抗Za和ZL，计算出电感值La和LL。
实验时，交流电压的有效值应小于电机直流电压的额定值。
Za=Ua/I
ZL=UL/I
3．直流电动机—发电机—测速发电机组的飞轮惯量GD2的测定。
电力拖动系统的运动方程式为
式中M—电动机的电磁转矩，单位为N.m
ML负载转矩，空载时即为空载转矩MK，单位为N.m
n电机转速，单位为r/min
电机空载自由停车时，运动方程式为
故
式中GD2的单位为Nm2
MK可由空载功率（单位为W）求出。
dn/dt可由自由停车时所得曲线n=f（t）求得，其实验线路如图2.3所示。
电动机M加额定励磁。
MCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
合上主电路电源开关。
调节Uct，将电机空载起动至稳定转速后，测取电枢电压Ud和电流IK，然后断开Uct，用示波器拍摄曲线，即可求取某一转速时的MK和dn/dt。
由于空载转矩不是常数，可以转速n为基准选择若干个点（如1500r/min，1000r/min），测出相应的MK和dn/dt，以求取GD2的平均值。
电机为1500r/min。
Ud（v）
IK（A）
dn/dt
PK
MK
GD2
电机为1000r/min。
Ud（v）
IK（A）
dn/dt
PK
MK
GD2
4．主电路电磁时间常数的测定
实验线路如图2.4所示。
采用电流波形法测定电枢回路电磁时间常数Td，电枢回路突加给定电压时，电流id按指数规律上升
其电流变化曲线如图2.5所示。
当t=Td时，有
MCL-31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
合上主电路电源开关。
电机不加励磁。
调节Uct，监视电流表的读数，使电机电枢电流为（50~90）Inom。
然后保持Uct不变，突然合上主电路开关，用示波器拍摄id=f（t）的波形，由波形图上测量出当电流上升至63.2稳定值时的时间，即为电枢回路的电磁时间常数Td。
5．电动机电势常数Ce和转矩常数CM的测定
将电动机加额定励磁，使之空载运行，改变电枢电压Ud，测得相应的n，即可由下式算出Ce
Ce=Ke=（Ud2-Ud1）/（n2-n1）
Ce的单位为V/（r/min）
转矩常数（额定磁通时）CM的单位为N.m/A，可由Ce求出
CM=9.55Ce
6．系统机电时间常数TM的测定
系统的机电时间常数可由下式计算
由于Tm>>Td，也可以近似地把系统看成是一阶惯性环节，即
当电枢突加给定电压时，转速n将按指数规律上升，当n到达63.2稳态值时，所经过的时间即为拖动系统的机电时间常数。
测试时电枢回路中附加电阻应全部切除。
MCL—31的给定电位器RP1逆时针调到底，使Uct=0。
合上主电路电源开关。
电动机M加额定励磁。
调节Uct，将电机空载起动至稳定转速1000r/min。
然后保持Uct不变，断开主电路开关，待电机完全停止后，突然合上主电路开关，给电枢加电压，用示波器拍摄过渡过程曲线，即可由此确定机电时间常数。
7．测速发电机特性UTG=f（n）的测定
实验线路如图2.3所示。
电动机加额定励磁，逐渐增加触发电路的控制电压Uct，分别读取对应的UTG,n的数值若干组，即可描绘出特性曲线UTG=f（n）。
n（r/min）
UTG（V）
七．实验报告
作出实验所得各种曲线，计算有关参数。
八．思考题
由Ks=f（Uct）特性,分析晶闸管装置的非线性现象。
2.2晶闸管直流调速系统主要单元调试
．实验目的
1.熟悉直流调速系统主要单元部件的工作原理及调速系统对其提出的要求。
2.掌握直流调速系统主要单元部件的调试步骤和方法。
．实验内容
1．调节器的调试
2．电平检测器的调试
3．反号器的调试
4．逻辑控制器的调试
．实验设备及仪器
1．MCL—32电源控制屏
2．MCL—31组件
3．MCL—34组件
4．MEL-11挂箱
5．示波器
6．万用表
．实验方法
1．速度调节器（ASR）的调试
按图2.6接线，DZS（零速封锁器）的扭子开关扳向“解除”。
（1）调整输出正,负限幅值
“5”、“6”端接MEL-11挂箱，使ASR调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正、负限幅电位器RP1、RP2，使输出正负值等于5V。
（2）测定输入输出特性
将反馈网络中的电容短接（“5”、“6”端短接），使ASR调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。
（3）观察PI特性
拆除“5”、“6”端短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律，改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。
反馈电容由外接电容箱改变数值。
2．电流调节器（ACR）的调试
按图2.6接线。
（1）调整输出正,负限幅值
“9”、“10”端接MEL-11挂箱，使调节器为PI调节器，加入一定的输入电压，调整正，负限幅电位器，使输出正负最大值大于6V。
（2）测定输入输出特性
将反馈网络中的电容短接（“9”、“10”端短接），使调节器为P调节器，向调节器输入端逐渐加入正负电压，测出相应的输出电压，直至输出限幅值，并画出曲线。
（3）观察PI特性
拆除“9”、“10”端短接线，突加给定电压，用慢扫描示波器观察输出电压的变化规律，改变调节器的放大倍数及反馈电容，观察输出电压的变化。
反馈电容由外接电容箱改变数值。
3．电平检测器的调试
（1）测定转矩极性鉴别器（DPT）的环宽，要求环宽为0.40.6伏，记录高电平值，调节RP使环宽对称纵坐标。
具体方法：
（a）调节给定Ug，使DPT的“1”脚得到约0.3V电压，调节电位器RP，使“2”端输出从“1”变为“0”。
（b）调节负给定，从0V起调，当DPT的“2”端从“0”变为“1”时，检测DPZ的“1”端应为-0.3V左右，否则应调整电位器，使“2”端电平变化时，“1”端电压大小基本相等。
（2）测定零电流检测器（DPZ）的环宽，要求环宽也为0.40.6伏，调节RP，使回环向纵坐标右侧偏离0.10.2伏。
具体方法：
（a）调节给定Ug，使DPZ的“1”端为0.7V左右，调整电位器RP，使“2”端输出从“1”变为“0”。
（b）减小给定，当“2”端电压从“0”变为“1”时，“1”端电压在0.1～0.2V范围内，否则应继续调整电位器RP。
（3）按测得数据，画出两个电平检测器的回环。
4．反号器（AR）的调试
测定输入输出比例，输入端加+5V电压，调节RP，使输出端为-5V。
5．逻辑控制器（DLC）的调试
测试逻辑功能，列出真值表，真值表应符合下表：
输入
UM
1
升级会员 