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.......................................................................................11.1构成..................................................................................................................................................11.2说明..................................................................................................................................................41.2.1A实验区.................................................................................................................................41.2.2B实验区.................................................................................................................................4第二章典型环节的模拟研究..........................................................................................................................62.1实验要求..........................................................................................................................................62.2典型环节的方块图及传递函数......................................................................................................62.3实验内容及步骤..............................................................................................................................62.4实验报告.........................................................................................................................................11第三章二阶系统瞬态响应和稳定性............................................................................................................123.1实验要求........................................................................................................................................123.2实验内容及步骤............................................................................................................................123.2.1二阶系统瞬态响应和稳定性..............................................................................................123.2.2三阶系统的瞬态响应和稳定性..........................................................................................143.3实验报告........................................................................................................................................15参考文献......................................................................................................................................................161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1-1：2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A9B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4538B4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。B9C实验区步进电机模块步进电机35BY48C1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）。C4D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。D3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41.2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；5三位拨动开关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