自动控制原理实验指导书

THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱天煌科技天煌教仪1目录第一部分使用说明书........................................................................................................................1第一章系统概述............................................................................................................................1第二章硬件的组成及使用............................................................................................................2第二部分实验指导书........................................................................................................................5第一章控制理论实验....................................................................................................................5实验一典型环节的电路模拟.....................................................................................................5实验二二阶系统的瞬态响应...................................................................................................11实验三高阶系统的瞬态响应和稳定性分析...........................................................................14实验五典型环节和系统频率特性的测量...............................................................................16实验七典型非线性环节的静态特性.......................................................................................21实验十三采样控制系统的分析...............................................................................................26附录上位机软件使用流程............................................................................................................29THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱天煌科技天煌教仪1第一部分使用说明书第一章系统概述“THKKL-6”型控制理论及计算机控制技术实验箱是我公司结合教学和实践的需要而进行精心设计的实验系统。适用于高校的控制原理、计算机控制技术等课程的实验教学。该实验箱具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。实验箱的硬件部分主要由直流稳压电源、低频信号发生器、阶跃信号发生器、交/直流数字电压表、电阻测量单元、示波器接口、CPU（51单片机）模块、单片机接口、步进电机单元、直流电机单元、温度控制单元、通用单元电路、电位器组等单元组成。数据采集部分采用USB2.0接口，它可直接插在IBM-PC/AT或与之兼容的计算机USB通讯口上，有4路单端A/D模拟量输入，转换精度为12位；2路D/A模拟量输出，转换精度为12位；上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、Bode图等多种功能于一体。在实验设计上，控制理论既有模拟部分的实验，又有离散部分实验；既有经典控制理论实验，又有现代控制理论实验；计算机控制系统除了常规的实验外，还增加了当前工业上应用广泛、效果卓著的模糊控制、神经元控制、二次型最优控制等实验；THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱天煌科技天煌教仪2第二章硬件的组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实验箱提供电源。有+5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/2.0A四路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主要用于温度控制单元。实验前，启动实验箱左侧的电源总开关。并根据需要将+5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。二、低频信号发生器低频信号发生器主要输出有正弦信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号四种波形信号。输出频率由上位机设置，频率范围0.1Hz~100Hz。可以通过幅度调节电位器来调节各个波形的幅度，而斜坡和抛物波信号还可以通过斜率调节电位器来改变波形的斜率。三、锁零按钮锁零按钮用于实验前运放单元中电容器的放电。使用时用二号实验导线将对应的接线柱与运放的输出端连接。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。四、阶跃信号发生器阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围约为-15V~+15V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的钮子开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。注：单元的输出电压可通过实验箱上的直流数字电压表来进行测量。五、电阻测量单元可以通过输出的电压值来得到未知的电阻值，本单元可以在实验时方便地设置电位器的阻值。当钮子开关拨到×10k位置时，所测量的电阻值等于输出的电压值乘以10，单位为千欧。当钮子开关拨到×100k位置时，所测量的电阻值等于输出的电压值乘以100，单位为千欧。注：为了得到一个较准确的电阻值，应该选择适当的档位，尽量保证输出的电压与1V更接近。六、交/直流数字电压表交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz～400kHz）、精度高（1kHz时：±5‰）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。七、通用单元电路THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱天煌科技天煌教仪3通用单元电路具体有“通用单元1”～“通用单元6”、“反相器单元”和“系统能控性与能观性分析”等单元。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过不同的接线，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51k、100k、200k、510k；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF。以组建积分环节为例，积分环节的时间常数为1s。首先确定带运放的单元，且其前后的元器件分别为100k、10uF（T=100k×10uF=1s），通过观察“通用单元1”可满足要求，然后将100k和10uF通过实验导线连接起来。实验前先按下“锁零按钮”对电容放电，然后用2号导线将单位阶跃信号输出端接到积分单元的输入端，积分电路的输出端接至反向器单元，保证输入、输出方向的一致性。然后按下“锁零按钮”和阶跃信号输出按钮，用示波器观察输出曲线，其具体电路如下图所示。八、非线性单元由一个含有两个单向二极管并且需要外加±15V直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中10k电位器由电位器组单元提供。电位器的使用可由2号导线将电位器引出端点接入至相应电路中。但在实验前先断开电位器与电路的连线，用万用表测量好所需R的阻值，然后再接入电路中。九、采样保持器它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后再由零阶保持器输出的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。十、单片机控制单元主要用于计算机控制实验部分，其作用为计算机控制算法的执行。主要由单片机（AT89S52）、AD采集（AD7323，四路12位，电压范围：-10V~+10V）和DA输出（LTC1446，两路12位，电压范围：-10V~+10V）三部分组成。发光二极管可显示AD转换结果（由具体程序而定）。十一、实物实验单元包括温度控制单元、直流电机单元和步进电机单元，主要用于计算机控制技术实验中，使用方法详见实验指导书。十二、数据采集卡采用ADUC7021和CY68013芯片组成，支持4路AD（-10V~+10V）采集，两路DA（-10V~+10V）输出。采样频率为40k，转换精度为12位，配合上位机可进行常规信号采集显示、模拟量输出、频率特性分析等功能。THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱天煌科技天煌教仪4注意事项：1．每次连接线路前要关闭电源总开关。2．按照实验指导书连接好线路后，仔细检查线路是否连接正确、电源有无接反。如确认无误后方可接通电源开始实验。THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱天煌科技天煌教仪5第二部分实验指导书第一章控制理论实验实验一典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱及“THKKL-6”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-6型控制理论及计算机控制技术实验箱；2．PC机一台(含“THKKL-6”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：KSUSUSGiO)()()(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。图1-2比例环节的响应曲线THKKL-6型控制理论及计算机控制技术实验箱天煌科技天煌教仪62．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。它的传递函数与方框图分别为：TsSUSUsGiO1)()()(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：)11(11)()()(21211212CSRRRCSRRRCSRCSRSUSUsGiO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