2016自控实验报告

2016～2017学年第一学期《自动控制原理》实验报告年级：2014班号：姓名：学号：成绩：教师：实验设备及编号：实验同组人名单：实验地点：电气工程学院自动控制原理实验室实验时间：年月实验一典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-B型模块化自控原理实验系统及“自控原理软件”的使用；2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。二、实验设备1．THKKL-B型模块化自控原理实验系统实验平台，实验模块CT01；2．PC机一台(含上位机软件)；3．USB接口线。三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图如图1-1所示。图中Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。图1-1典型环节的原理框图1．比例（P）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。它的传递函数与方框图分别为：G(S)UO(S)KUi(S)当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K时的响应曲线如图1-2所示。2．积分（I）环节积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数G(s)UO(S)1Ui(S)Ts设Ui(S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T时的响应曲线如图1-3所示。图1-3积分环节的响应曲线3．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：G(s)UO(S)R2CS1R21R2(11)Ui(S)R1CSR1R1CSR1R2CS其中T=R2C，K=R2/R1设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T时的PI输出响应曲线。图1-4比例积分环节的响应曲线4．比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为：G(s)K(1TS)R2(1R1CS)其中KR2/R1,TR1CR1设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-5示出了比例系数(K)为2、微分系数为T时PD的输出响应曲线。图1-5比例微分环节的响应曲线5．比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为：G(s)KpT1STDSI其中KpR1C1R2C2，TIR1C2，TDR2C1R1C2(R2C2S1)(R1C1S1)R1C2SR2C2R1C11RCSR1C2R1C2S21设Ui(S)为一单位阶跃信号，图1-6示出了比例系数(K)为1、微分系数为TD、积分系数为TI时PID的输出。图1-6PID环节的响应曲线6．惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：G(s)UO(S)KUi(S)TS1当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T时响应曲线如图1-7所示。图1-7惯性环节的响应曲线五、实验步骤1．比例（P）环节根据比例环节的方框图，电路图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图1-8所示。图1-8比例环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若比例系数K=1时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k。若比例系数K=2时，电路中的参数取：R1=100k，R2=200k。接线表如下：R2=100k时R2=200k时数据采集卡的AO1CT01的P1数据采集卡的AO1CT01的P1CT01的P5CT01的P6CT01的P4CT01的P6CT01的P7数据采集卡的AI1CT01的P7数据采集卡的AI1数据采集卡的GNDCT01的GND数据采集卡的GNDCT01的GND打开上位机软件的“典型环节的电路模拟”界面。实验时，在“电压设定”框中输入电压值，点击“开始”按钮，点击“输出”按钮；在虚拟示波器界面中观察实验波形；点击“停止”按钮；完成实验。（以下不含锁零单元的电路操作方法相同）当ui为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。另外R2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意的设定值。注：为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的时间轴刻度，以下实验相同。2．积分（I）环节根据积分环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图1-9所示。图1-9积分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若积分时间常数T=1s时，电路中的参数取：R=100k，C=10uF(T=RC=100k×10uF=1s)；若积分时间常数T=0.1s时，电路中的参数取：R=100k，C=1uF(T=RC=100k×1uF=0.1s)；接线表如下：C=10uF时数据采集卡的AO1CT01的P1CT01的P2CT01的P6CT01的P7数据采集卡的AI1数据采集卡的GNDCT01的GND数据采集卡的DO3（自动锁CT01的UI零时连接，手动不连接）C=1uF时数据采集卡的AO1CT01的P1CT01的P3CT01的P6CT01的P7数据采集卡的AI1数据采集卡的GNDCT01的GND数据采集卡的DO3自动（自CT01的UI动锁零时连接，手动不连接）注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要用“锁零单元”对积分电容进行锁零。（以下含锁零单元的电路操作方法相同）锁零单元有“手动”和“自动”两种控制方式。同学们任选一种即可，推荐手动方式。自动时，通过外接控制信号到“UI”端可以控制锁零电路锁零；实验中，使用数据采集卡的“D03”作为自动锁零信号的输出端，实验时用一根2号导线连接数据采集卡的D03和实验模块锁零单元的UI，就可以实现使用上位机软件中的“锁零”按钮控制模拟电路的锁零。“自动”时的实验操作如下：把模块底部的手自动钮子开关拨到自动；在“电压设定”框中输入电压值；点击“开始”按钮；点击软件界面上的“解锁”按钮点击“输出”按钮，在虚拟示波器界面中观察实验波形；点击“停止”按钮；完成实验。（实验完成后及时锁零，对积分电容放电，点击软件界面上的“锁零”按钮）手动时，当锁零按钮按下后，锁零电路导通对积分电容放电，当锁零按钮弹起后，锁零电路断开并可以开始实验。“手动”时的实验操作如下：把模块底部的手自动钮子开关拨到手动；在“电压设定”框中输入电压值；点击“开始”按钮；按下硬件模块上的红色“解锁”按钮，使其弹起；点击“输出”按钮，在虚拟示波器界面中观察实验波形；点击“停止”按钮；完成实验。（实验完成后及时锁零，对积分电容放电，按下硬件模块上的红色“解锁”按钮，使其压下。）当ui为单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录相应T值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。3．比例积分(PI)环节根据比例积分环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图1-10所示。图1-10比例积分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若取比例系数K=1、积分时间常数T=1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K=R2/R1=1，T=R2C=100k×10uF=1s)；若取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K=R2/R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)。注：通过改变R2、R1、C的值可改变比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。接线表如下：C=10uF时C=1uF时数据采集卡的AO1CT01的P8数据采集卡的AO1CT01的P8CT01的P13CT01的P15CT01的P14CT01的P15CT01的P16数据采集卡的AI1CT01的P16数据采集卡的AI1数据采集卡的GNDCT01的GND数据采集卡的GNDCT01的GND数据采集卡的DO3（自动锁CT01的UI数据采集卡的DO3自动（自CT01的UI零时连接，手动不连接）动锁零时连接，手动不连接）当ui为单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。4．比例微分(PD)环节根据比例微分环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图1-11所示。图1-11比例微分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K=R2/R1=1，T=R1C=100k×1uF=0.1s)；若比例系数K=1、微分时间常数T=1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K=R2/R1=1，T=R1C=100k×10uF=1s)；接线表如下：C=10uF时C=1uF时数据采集卡的AO1CT01的P8数据采集卡的AO1CT01的P8CT01的P9CT01的P11CT01的P10CT01的P11CT01的P12CT01的P15CT01的P12CT01的P15CT01的P16数据采集卡的AI1CT01的P16数据采集卡的AI1数据采集卡的GNDCT01的GND数据采集卡的GNDCT01的GND数据采集卡的DO3（自动锁CT01的UI数据采集卡的DO3自动（自CT01的UI零时连接，手动不连接）动锁零时连接，手动不连接）当ui为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。5．比例积分微分(PID)环节根据比例积分微分环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图1-12所示。图1-12比例积分微分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若比例系数K=2、积分时间常数TI=0.1s、微分时间常数TD=0.1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=1uF(K=(R1C1+R2C2)/R1C2=2，TI=R1C2=100k×1uF=0.1s，TD=R2C1=100k×1uF=0.1s)；若比例系数K=1.1、积分时间常数TI=1s、微分时间常数TD=0.1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=10uF(K=(R1C1+R2C2)/R1C2=1.1，TI=R1C2=100k×10uF=1s，TD=R2C1=100k×1uF=0.1s)；接线表如下：C=1uF时C=10uF时数据采集卡的AO1CT01的P8数据采集卡的AO1CT01的P8CT01的P10CT01的P11CT01的P10CT01的P11CT01的P14CT01的P15CT01的P13CT01的P16数据采集卡的AI1CT01的P16数据采集卡的AI1数据采集卡的GNDCT01的GND数据采集卡的GNDCT01的GND数据采集卡的DO3（自动锁CT01的UI数据采集卡的DO3自动（自CT01的UI零时连接，手动不连接）动锁零时连接，手动不连接）当ui为一单位阶跃信号时，用上位机软件观测并记录不同K、TI、TD值时的实验曲线，并与理论值进行比较。6．惯性环节根据惯性环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图1-13所示。图1-13惯性环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若比例系数K=1、时间常数T=1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K=R2/R1=1，T=R2C=100k×10uF=1s)。若比例系数K=1、时间常数T=0.1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K=R2/R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)。通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。接线表如下：C=10uF时C=1uF时数据采集卡的AO1CT01的P1数据采集卡的AO1CT01的P1CT01的P2CT01的P6CT01的P3CT01的P6CT01的P