雙容水箱液位控制_北京工業(yè)大學(xué).

1、自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)控制系統(tǒng)設(shè)計與試驗課程設(shè)計與報告成 員：專業(yè)：自動化任課教師：于建均完成日期：2015年6月20日1、緒論 32、課程設(shè)計任務(wù) 43、被控對象的模型及分析 44、系統(tǒng)控制方案論證 65、控制結(jié)構(gòu)與控制器設(shè)計步驟 76、實驗過程論述 87、實驗結(jié)果及分析 11&總結(jié) 129、附錄 132自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)緒論雙容水箱系統(tǒng)是一種比較常見的工業(yè)現(xiàn)場液位系統(tǒng)，在實際生產(chǎn)中，雙容水箱控制系統(tǒng)在石油、化工、環(huán)保、水處理、冶金等行 業(yè)尤為常見。通過液位的檢測與控制從而調(diào)節(jié)容器內(nèi)的輸入輸出物料 的平衡，以便保證生產(chǎn)過程中各環(huán)節(jié)的物料搭配得當(dāng)。經(jīng)過比較和篩選

2、，串級控制系統(tǒng)PID控制無論是從操作性、經(jīng)濟(jì) 性還是從系統(tǒng)的控制效果均有比較突出的特性， 因此采用串級控制系 統(tǒng)PID控制對雙容水箱液位控制系統(tǒng)實現(xiàn)控制。論文以THBDC-型控制理論？計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺為基礎(chǔ)的 實驗數(shù)據(jù)作為出發(fā)點(diǎn)，利用 MATLAB勺曲線擬合的方法分別仿真出系 統(tǒng)中上水箱、下水箱的輸出響應(yīng)曲線。對曲線進(jìn)行處理求出各水箱的 參數(shù)，用所求出的參數(shù)列寫出水箱的傳遞函數(shù)。 采用復(fù)雜控制系統(tǒng)中 的串級控制系統(tǒng)列寫出系統(tǒng)框圖，根據(jù)串級控制系統(tǒng)PID參數(shù)整定的 方法整定出主控制器和副控制器的 P、I、D的數(shù)值，從而滿足控制系 統(tǒng)對各項性能的要求。3自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)一、課

3、程設(shè)計任務(wù)一、課程設(shè)計目的(1) 掌握自動控制系統(tǒng)的分析與控制器設(shè)計方法。(2) 掌握基于MATLAB勺系統(tǒng)仿真方法(3) 掌握基于實驗方法確定系統(tǒng)模型參數(shù)的方法(4) 掌握基于物理對象的控制系統(tǒng)的調(diào)試方法(5) 培養(yǎng)編制技術(shù)總結(jié)報告的能力。2、被控對象： 雙容水箱系統(tǒng)3、性能指標(biāo)要求衰減率4:110:1,超調(diào)量Mp<10%調(diào)節(jié)時間Ts<45s,穩(wěn)態(tài)誤差ess = 0、被控對象的模型及分析1雙容水箱的數(shù)學(xué)模型雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖如下圖所示:進(jìn)水VQ1圖2-3雙容水箱液位控制結(jié)構(gòu)圖設(shè)流量Q1為雙容水箱的輸入量，下水箱的液位高度H2為輸出量，根據(jù)物料動態(tài)平衡關(guān)系，并考慮到液體傳輸過程

4、中的時延，其傳遞函數(shù)為器=GS)=(T1* s+1)；T2*s+1)*e5自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)6自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)式中K=R4, Ti=R2Ci, T2 = R4C2, R2、R4分別為閥 V3和V4的液阻，Cl和C2分別為左水箱和右水箱的容量系數(shù)。式中的 K、Ti和T2可由實驗求得的階躍 響應(yīng)曲線求出。具體的做法是在下圖所示的階躍響應(yīng)曲線上?。?t)1）、h2圖2-4階躍響應(yīng)曲線| t=t1=0.4 h2(s)時曲線上的點(diǎn)A和對應(yīng)的時間t1;| t=t2=0.8 h2(s)時曲線上的點(diǎn)B和對應(yīng)的時間t2。K、T1和T2。其中:(t)(t)然后，利用下面的近似公式計算

5、式 1-6中的參數(shù) 輸入穩(wěn)態(tài)值 階躍輸入量2）、3）、h2h2h2（°0）K 二Rot1 +t24）、T1 T2 :2.16T2（T1 T2）2ti：(1.74-0.55)t2對于式(1-6)所示的二階過程，0.32<t1/t2<0.46。 節(jié)；當(dāng)t1/t2=0.46時，過程的傳遞函數(shù) T1=T2=T=(t什t2)/2*2.18 )過曲線的拐點(diǎn)做一條切線，它與橫軸交于A點(diǎn),實際測得的階躍響應(yīng)曲線5）、當(dāng)ti/t2=0.32時，為一階環(huán)G(S)=K/(TS+1)2(此時OA即為滯后時間常數(shù)疋。7自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)2、雙容水箱系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型的分析雙容水箱系統(tǒng)的等效

6、傳函是個二階慣性環(huán)節(jié)，從圖上可以看出水箱系統(tǒng)的滯 后包括兩個部分，一部分是由于傳輸延時造成的純滯后， 另一部分是有水箱自身 的容量滯后。由于系統(tǒng)是二階慣性環(huán)節(jié)，所以開環(huán)曲線呈“ s”型。三、系統(tǒng)控制方案論證1、選用的控制方法：PID控制方法2、控制方法簡介PID控制器各控制規(guī)律的作用如下：（1）比例控制（P）：比例控制是一種最簡單的控制方式。其控制器的輸出 與輸入誤差信號成比例關(guān)系，能較快克服擾動，使系統(tǒng)穩(wěn)定下來。但當(dāng)僅有比例 控制時系統(tǒng)輸出存在穩(wěn)態(tài)誤差（2）積分控制（I）：在積分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的積分 成正比關(guān)系。對一個自動控制系統(tǒng)，如果在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后存在穩(wěn)態(tài)誤差，則稱此控

7、制系統(tǒng)是有差系統(tǒng)。為了消除穩(wěn)態(tài)誤差，在控制器中必須引入“積分項”積分項 對誤差的累積取決于時間的積分，隨著時間的增加，積分項會越大。這樣，即便 誤差很小，積分項也會隨著時間的增加而加大，它推動控制器的輸出增大使穩(wěn)態(tài) 誤差進(jìn)一步減小，直到等于零。但是過大的積分速度會降低系統(tǒng)的穩(wěn)定程度，出 現(xiàn)發(fā)散的振蕩過程。比例+積分（PI）控制器，可以使系統(tǒng)在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后無穩(wěn)態(tài)誤 差。（3）微分控制（D）：在微分控制中，控制器的輸出與輸入誤差信號的微分 （即誤差的變化率）成正比關(guān)系。自動控制系統(tǒng)在克服誤差的調(diào)節(jié)過程中可能會出現(xiàn)振蕩甚至失穩(wěn)。其原因是由于存在有較大慣性環(huán)節(jié)或有滯后環(huán)節(jié)，具有抑制 誤差的作用，其變化總

8、是落后于誤差的變化。解決的辦法是使抑制誤差的作用的 變化“超前”，即在誤差接近零時，抑制誤差的作用就應(yīng)該是零。調(diào)節(jié)規(guī) 律優(yōu)廉缺慮應(yīng)用p靈敏、簡單只有 一個整崖參數(shù)；存在霸差負(fù)荷變化不顯著*工藝指 標(biāo)要求不高的對象。PI能消除靜差，又控 制靈敏對于滯后較大的對 象，比例積分調(diào)節(jié)太 慢，效果不好。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容屋滯后 較小、負(fù)荷變化不大、精 度要求齋的調(diào)節(jié)系統(tǒng).例 如，歳最調(diào)節(jié)系統(tǒng)。PD堆進(jìn)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的穩(wěn) 定度，可調(diào)小比例 度，而加快調(diào)節(jié)過 程，減小動態(tài)偏差 和靜差系統(tǒng)對高頻干擾待別 敏感，荼統(tǒng)輸出易夾 雜高頻下擾。應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后 較大，但調(diào)節(jié)精度要求不 高的對象.PID綜合了各類調(diào)節(jié)柞

9、用的優(yōu)點(diǎn)，所以有 更高的調(diào)節(jié)質(zhì)量對于滯后很大.負(fù)荷 變化很大的對象，PID 調(diào)節(jié)也無法滿足要 求，應(yīng)設(shè)計復(fù)雜調(diào)節(jié) 系統(tǒng)應(yīng)用于調(diào)節(jié)通道容量滯后 較大、負(fù)荷變化較大、精 度要求高的對象口四、控制結(jié)構(gòu)與控制器設(shè)計步驟1、控制結(jié)構(gòu)：PID控制系統(tǒng)9自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)#自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)PID控制器是一種線性負(fù)反饋控制器，根據(jù)給定值r（t）與實際值y（t）構(gòu)成控制偏差：e(tp- y(t)式（ 4.1）控制規(guī)律為:Tite i Td0de (tdt或以傳遞函數(shù)形式表示:G(s)二U(s)E(s)kp(11TisTds)式（4.2）式（4.3）#自動控制系統(tǒng)課程設(shè)計雙容水箱系統(tǒng)

10、KP:比例系數(shù) TI:積分時間常數(shù) TD:微分時間常數(shù)。2、控制器的設(shè)計：經(jīng)驗湊試法整定方法：采用實驗湊試法：它是通過閉環(huán)運(yùn)行或模擬，觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線， 然后根據(jù)各參數(shù)對系統(tǒng)的影響，反復(fù)湊試參數(shù)，直至出現(xiàn)滿意的響應(yīng)，從而確定 PID控制參數(shù)。整定步驟：實驗湊試法的整定步驟為"先比例，再積分，最后微分"。a）整定比例 控制：將比例控制作用由小變到大，觀察各次響應(yīng)，直至得到反應(yīng)快、超調(diào)小 的響應(yīng)曲線。b）整定積分環(huán)節(jié)：若在比例控制下穩(wěn)態(tài)誤差不能滿足要求，需加入 積分控制。c）可以先將選擇的比例系數(shù)減小為原來的5080%,再將積分時間置一個較大值，觀測響應(yīng)曲線。然后減小積分時間

11、，加大積分作用，并相應(yīng)調(diào) 整比例系數(shù)，反復(fù)試湊至得到較滿意的響應(yīng)，確定比例和積分的參數(shù)。d）整定微分環(huán)節(jié)：經(jīng)過積分整定，PI控制只能消除穩(wěn)態(tài)誤差，而動態(tài)過程不能令人滿 意，則應(yīng)加入微分控制，構(gòu)成 PID控制?？上戎梦⒎謺r間TD=0，逐漸加大TD， 同時相應(yīng)地改變比例系數(shù)和積分時間，反復(fù)試湊至獲得滿意的控制效果和PID控制參數(shù)。最終PID結(jié)構(gòu)及參數(shù)：五、實驗過程論述在課設(shè)的開始階段，我們先熟悉了一下實驗所用到的儀器及軟件， 并對實驗 過程和目的進(jìn)行了一番學(xué)習(xí)及了解。接下來我們便進(jìn)入到了對單/雙容水箱的特性測試，也就是對變送器的調(diào) 試，由于主副回路變送器的滑變總是自動跳數(shù)， 所以導(dǎo)致我們組花了很長

12、的時間 去確定零點(diǎn)電壓及線性關(guān)系。最后主副回路零點(diǎn)電壓基本分別穩(wěn)定在了1.04v和1.1v。然后便是對水箱數(shù)學(xué)模型的建立以及控制結(jié)構(gòu)與控制器的設(shè)計與仿真。（也就是我前面所陳述的傳函的測試與建立， 以及我們組所選擇的串級控制系統(tǒng)和 PID 整定方法）此階段我們組完成的還算比較順利，雖然不能保證所得傳函一定百分 百準(zhǔn)確，但PID參數(shù)的調(diào)試及仿真結(jié)果還算比較令人滿意。最后便進(jìn)入到了實時控制階段。當(dāng)我們天真的以為仿真調(diào)參過后已經(jīng)接近成 功的時候，實時控制的結(jié)果告訴我們，理想和現(xiàn)實果然還有一定的差距。 當(dāng)我們 搭好模型并采用我們仿真所調(diào)試的參數(shù)進(jìn)行測試后驚奇并失望的發(fā)現(xiàn)，不僅響應(yīng)曲線不對，連液位都無法穩(wěn)

13、定。一陣挫敗感過后，實驗依然得繼續(xù)，我們便進(jìn)入 了新一輪的調(diào)參活動中，最終我們確定的方案是副回路用比例控制，主回路用比例積分控制。當(dāng)我們隨意給定系統(tǒng)幾個液位值并加入各種形式擾動后，系統(tǒng)依然能恢復(fù)穩(wěn)態(tài)，雖然調(diào)節(jié)時間略 長，但其它性能指標(biāo)要求已基本滿足。至此實驗 基本告以段落。實時控制結(jié)構(gòu)圖：LT*j P.內(nèi)2雪DuipuiInpul4 150Socpr實驗設(shè)計中的添加部分：在結(jié)構(gòu)設(shè)計中，PID環(huán)節(jié)后面加了一個1.8V的偏置電壓，原因是調(diào)節(jié)閥在接收到1.8V電壓時才會做出出水的響應(yīng)，加了1.8v的好處是在后面計算流量與電壓中可以直接對輸出的水量與電壓做一個接近于線性的比例關(guān)系，這個關(guān)系就是后面接的

14、那個1.17的放大環(huán)節(jié)，此環(huán)節(jié)實現(xiàn)了流量與電壓的直接對應(yīng)關(guān)系。最后面我又加了一個-1.15V的直流偏置電壓，此環(huán)節(jié)是為了在水位高度為零的時候，電壓輸出正好為0V，在原始調(diào)節(jié)的環(huán)節(jié)中，我們按照要求，設(shè)定的為 1V，在后續(xù)實驗中，由于其他人改變了調(diào)節(jié)閥的調(diào)節(jié)電阻，以及其他的 干擾因素，都使得 0高度水位時輸出的電壓為 1.15V，在這里減去這個電壓，是的最終輸出 高度與電壓的比例關(guān)系，正好為1:10，方便觀察及計算。另外，在計算 PID環(huán)節(jié)，其中積分環(huán)節(jié)，我加入了一個 +-0.5V的限位，這使得積分環(huán) 節(jié)被限制在了一個小的范圍內(nèi)，使得在 PID響應(yīng)過程更加迅速準(zhǔn)確，相當(dāng)于把原有積分環(huán) 節(jié)修改成了在

15、某一區(qū)間內(nèi)的積分環(huán)節(jié)，這一點(diǎn)對系統(tǒng)性能有較大的提高。1系統(tǒng)階躍響應(yīng)【PID環(huán)節(jié)加入限位的前后對比】加入前:Ts明顯超過150s,加入后可見Ts為130s左右，滿足實驗要求 技術(shù)指標(biāo)： Mp=9%<10%Ts=130s Ess=0 2給定10cm330s突加給定7cm加擾動后：Mp= 7.3%Ts=140s3、給定10cm 180s時突然加大閥門調(diào)價干擾,33s突然加大放水閥門，400s時給定為9cm300s有一個小的拐點(diǎn)，原因是閥門開度實在太大，使得水位回升太慢，因 此稍微調(diào)小一點(diǎn)點(diǎn)放水的閥門，因此出現(xiàn)了一個小拐點(diǎn)，對于實驗來說沒有影響 可以看出，超調(diào)進(jìn)不超過10%，并且加干擾后系統(tǒng)響應(yīng)

16、迅速無靜差。3、加水干擾測試120s突然加大放水閥門，320s突然向水箱中加入300ml水原有系統(tǒng)超調(diào)不超過8%,在突然放水時相應(yīng)迅速，快速實現(xiàn)無差，在后面 突然加水環(huán)節(jié)，更是響應(yīng)十分迅速，超調(diào)接近 9%,并能夠快速實現(xiàn)無差。六、實驗結(jié)果及分析實驗結(jié)果：從圖中可以看出，在我們隨意給定7cm和9cm以及加入適當(dāng)擾動后，系統(tǒng)依然能恢復(fù)穩(wěn)定并保證無靜差且響應(yīng)曲線較好，但由于更正系統(tǒng)參數(shù) 后時間緊迫使得在選擇 PID參數(shù)時不夠精確，導(dǎo)致調(diào)節(jié)時間雖然滿足要求，但 是調(diào)節(jié)時間較長。分析：縱觀我們組整個實驗過程以及最后響應(yīng)曲線的呈現(xiàn)，我總結(jié)出以下幾個問題：（1）仿真的階躍響應(yīng)曲線與實際曲線之間存在一定的差別

17、。仿真處于理想狀態(tài)，而實際是不可能處于理想狀態(tài)的，系統(tǒng)受到了個個方面的干 擾，其次，我組在計算系統(tǒng)參數(shù)的時候采用了大量的近似計算， 所以這也有可能 造成了仿真與實際系統(tǒng)之間的誤差。（2）實際液位與示波器顯示的差別這個問題是我們組在進(jìn)行實時控制時遇到的。 這一點(diǎn)十分惱人，因為有很多組人 一起做實驗，不同組別有不同的數(shù)據(jù)，調(diào)節(jié)閥的開度也總會改變，因此其比例很 難掌握，不過在姐家來的階段中，我們找到了更好的方法，就是在 PID環(huán)節(jié)之 后加的1.17倍的比例，原因之前已經(jīng)論述。（3）系統(tǒng)調(diào)節(jié)時間過長雖然P I D三部分各有各自的特點(diǎn)，但在調(diào)節(jié)過程中他們的作用畢竟還是相互的， 正所謂牽一發(fā)而動全身。調(diào)節(jié)

18、時間被限定在150s，雖然都滿足實驗要求，但是我發(fā)現(xiàn)在積分環(huán)節(jié)加入+0.5V的限位以后有較大改觀，原因之前已經(jīng)論述。（4）流量與高度的關(guān)系雖然我們實際控制的量為流量不是高度，而實驗最終目的是為了實現(xiàn)控制高度，但是我們找到了一個關(guān)系，使得流量和高度有了對應(yīng)關(guān)系，就是先加入1.8V的偏置，后面在添加一個1.15V的比例關(guān)系，即可實現(xiàn)，原因之前已經(jīng)論述。七、總結(jié)本次雙容水箱控制實驗收獲頗豐。這次實驗讓我們有了一次將理論與實踐相結(jié)合的機(jī)會。雖然相關(guān)的知識在理 論課上都有涉及，但到了實際應(yīng)用中又是另一回事兒。 從參數(shù)的測量，系統(tǒng)控制 方法的選擇，控制器的設(shè)計以及最后在實物上進(jìn)行測試， 讓我們對工業(yè)控制的

19、過 程有了更清晰的了解。在實際調(diào)試過程中遇到的參數(shù)調(diào)節(jié)問題， 是我們收獲最大的部分，其中為了 達(dá)到目的而不停地嘗試修改系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，添加有效調(diào)節(jié)環(huán)節(jié)，都是的我們收獲很大。其次，這次課設(shè)讓我們更加熟悉了仿真軟件 MATLAB的使用以及“實時控 制”這個我們以前完全沒有接觸過的東西。 同時，這次試驗也讓我們對自控及過 控書上的知識進(jìn)行了復(fù)習(xí)以及應(yīng)用。其中這次課設(shè)對我們組而言也應(yīng)吸取一些經(jīng)驗和教訓(xùn)。比如我們的實時控制 一直出不來，直到周五下午才在老師的幫助下發(fā)現(xiàn)， 原來我們所用的萬用表一直 是壞的，導(dǎo)致我們要在三個小時之內(nèi)重新調(diào)零調(diào)參測曲線，可見一個小小的疏忽不僅浪費(fèi)了時間還對實驗結(jié)果的質(zhì)量產(chǎn)生了一定的

20、影響。還好比較幸運(yùn)的是我們基本順利的完成了此次課設(shè)，實驗結(jié)果也較為滿意。最后特別感謝老師的指導(dǎo)以 及其它組同學(xué)在忙碌之余對我們組伸出的橄欖枝，我們以后會再接再厲，多參加一些這樣的實習(xí)，提高自己的實踐經(jīng)驗，為以后工作打下堅實的基礎(chǔ)。7、附錄附件1: THBDC-1型控制理論計算機(jī)控制技術(shù)實驗平臺硬件的組成及使用一、直流穩(wěn)壓電源直流穩(wěn)壓電源主要用于給實驗平臺提供電源。有土5V/0.5A、土 15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保護(hù)自恢復(fù)功能。 它們的開關(guān)分別由相應(yīng)的鈕子開關(guān)控制， 并由相應(yīng)發(fā) 光二極管指示。其中+24V主用于溫度控制單元和直流電機(jī)單元。實驗前，啟動實驗平臺左側(cè)的空

21、氣開關(guān)和實驗臺上的電源總開關(guān)。并根據(jù)需要將土5V、± 15V、+24V鈕子開關(guān)拔到“開”的位置。實驗時，通過2號連接導(dǎo)線將直流電壓接到需要的位置。二、低頻函數(shù)信號發(fā)生器及鎖零按鈕低頻函數(shù)信號發(fā)生器由單片集成函數(shù)信號發(fā)生器專用芯片及外圍電路組合而成，主要輸出有正弦波信號、三角波信號、方波信號、斜波信號和拋物波信號。輸出頻率分為T1、T2、T3、T4四檔。其中正弦信號的頻率范圍分別為0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz、49.8Hz1.7kHz、700Hz 10kHz 三檔，Vp-p 值為 16V。使用時先將信號發(fā)生器單元的鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，并根據(jù)需要選擇合適的波形及頻率

22、的檔位，然后調(diào)節(jié)“頻率調(diào)節(jié)”和“幅度調(diào)節(jié)”微調(diào)電位器，以得到所需要的頻率和 幅值，并通過2號連接導(dǎo)線將其接到需要的位置。另外本單元還有一個鎖零按鈕，用于實驗前運(yùn)放單元中電容器的放電。當(dāng)按下按鈕時，通用單元中的場效應(yīng)管處于短路狀態(tài)，電容器放電，讓電容器兩端的初始電壓為0V;當(dāng)按鈕復(fù)位時，單元中的場效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，此時可以開始實驗。三、階躍信號發(fā)生器階躍信號發(fā)生器主要提供實驗時的階躍給定信號，其輸出電壓范圍為-5+5V，正負(fù)檔連續(xù)可調(diào)。使用時根據(jù)需要可選擇正輸出或負(fù)輸出，具體通過“階躍信號發(fā)生器”單元的拔動開關(guān)來實現(xiàn)。當(dāng)按下自鎖按鈕時，單元的輸出端輸出一個連續(xù)可調(diào)（選擇正輸出時，調(diào)RP1電位器

23、；選擇負(fù)輸出時，調(diào)RP2電位器）的階躍信號（當(dāng)輸出電壓為1V時，即為單位階躍信號），實驗開始；當(dāng)按鈕復(fù)位時，單元的輸出端輸出電壓為0V。注：單元的輸出電壓可通過實驗臺上的直流數(shù)字電壓表來進(jìn)行測量。四、低頻頻率計低頻頻率計是由單片機(jī) 89C2051和六位共陰極LED數(shù)碼管設(shè)計而成的，具有輸入阻抗 大和靈敏度高的優(yōu)點(diǎn)。其測頻范圍為：0.1Hz10.0kHz。低頻頻率計主要用來測量函數(shù)信號發(fā)生器或外來周期信號的頻率。使用時先將低頻頻率計的電源鈕子開關(guān)拔到“開”的位置，然后根據(jù)需要將測量鈕子開關(guān)拔到“外測”（此時通過“輸入”或“地”輸入端輸入外來周期信號）或“內(nèi)測”（此時測量低頻函數(shù)信號發(fā)生器輸出信號

24、的頻率）。另外本單元還有一個復(fù)位按鈕，以對低頻頻率計進(jìn)行復(fù)位操作。注：將“內(nèi)測/外測”開關(guān)置于“外測”時，而輸入接口沒接被測信號時，頻率計有時 會顯示一定數(shù)據(jù)的頻率，這是由于頻率計的輸入阻抗大，靈敏度高，從而感應(yīng)到一定數(shù)值的頻率。此現(xiàn)象并不影響內(nèi)外測頻。五、交/直流數(shù)字電壓表交/直流數(shù)字電壓表有三個量程，分別為200mV、2V、20V。當(dāng)自鎖開關(guān)不按下時，它作直流電壓表使用， 這時可用于測量直流電壓；當(dāng)自鎖開關(guān)按下時，作交流毫伏表使用，它 具有頻帶寬（10Hz400kHz ）、精度高（土 5%。）和真有效值測量的特點(diǎn)，即使測量窄脈沖 信號，也能測得其精確的有效值，其適用的波峰因數(shù)范圍可達(dá)到10

25、。六、通用單元電路通用單元電路具體見實驗平臺的U1、U2、U4U18單元。這些單元主要由運(yùn)放、 電容、電阻、電位器和一些自由布線區(qū)等組成。通過接線和短路帽的選擇，可以模擬各種受控對象的數(shù)學(xué)模型。其中U1為能控性與能觀性單元，U2為無源器件單元，U4為電壓轉(zhuǎn)換單元，U5為非線性單元，U6為反相器單元。U7U18為通用運(yùn)放單元，主要用于比例、積分、微分、慣 性等電路環(huán)節(jié)的構(gòu)造。七、零階保持器零階保持器為實驗主面板上 U3單元。它采用“采樣-保持器”組件LF398，具有將連續(xù) 信號離散后的零階保持器輸出信號的功能，其采樣頻率由外接的方波信號頻率決定。 使用時只要接入外部的方波信號及輸入信號即可。八、

26、數(shù)據(jù)采集接口單元數(shù)據(jù)采集卡采用研華 PCI1711卡，它可直接插在IBM-PC/AT或與之兼容的計算機(jī)內(nèi)， 其采樣頻率為350k ;有16路單端A/D模擬量輸入，轉(zhuǎn)換精度均為 14位；4路D/A模擬量 輸出，轉(zhuǎn)換精度均為12位；16路開關(guān)量輸入，16路開關(guān)量輸出。接口單元則放于實驗平臺 內(nèi)，用于實驗平臺與 PC上位機(jī)的連接與通訊。數(shù)據(jù)采集卡接口部分包含模擬量輸入輸出（AI/AO）與開關(guān)量輸入輸出（DI/DO）兩部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。上位機(jī)軟件安裝及使用說明、上位機(jī)控制工程1運(yùn)行環(huán)境項目描述CPUP4(2.2G)以上內(nèi)存512M以上硬盤不限操作系統(tǒng)最好WinXP

27、顯示設(shè)備17寸顯卡要求64M以上用戶名不能使用中文2.上位機(jī)程序適用于 MATLAB6.5版本MATLAB 控制產(chǎn)品集支持控制設(shè)計過程的每一個環(huán)節(jié)，可以用于不同的領(lǐng)域，如過程 仿真與控制、汽車、航空航天、計算機(jī)和通訊等領(lǐng)域。使用MATLAB高級編程語言，能使控制系統(tǒng)的設(shè)計和分析更加方便，編程者只需花很短的時間就可以開發(fā)出控制算法復(fù)雜、繪 圖功能強(qiáng)大的程序，以實現(xiàn)對數(shù)據(jù)、方程和結(jié)果的顯示。注：實驗程序處于運(yùn)行狀態(tài)時，不能強(qiáng)制對界面進(jìn)行最小化操作，否則將出現(xiàn)錯誤。二、上位機(jī)軟件的使用說明1、仿真部分使用說明1.1雙擊任何一個模塊，都可以修改其參數(shù)。 仿真過程中，只需按照實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容， 修改仿真

28、窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動，如有改動，關(guān)閉窗口時，不要選擇存盤。1.2當(dāng)達(dá)到仿真結(jié)束時間，而示波器不能完整地顯示仿真波形時，可通過同時修改仿真參數(shù)和示波器參數(shù)實現(xiàn)。 仿真參數(shù)的修改方法：按住Ctrl+E鍵，在彈出的窗口中修改 Stop time 的值。示波器參數(shù)的修改方法：在打開的示波器窗口中點(diǎn)擊Parameters圖標(biāo)，在彈出的窗口中修改Time range的參數(shù)。修改完成后，示波器的Time range值必須大于或等于仿真參數(shù)的Stop time值。1.3示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇Axes Properties項，在彈出的窗口中修改 Y-min和 Y-

29、max的值。1.4每次參數(shù)更新后，需點(diǎn)擊 Start Simulation圖標(biāo)進(jìn)行仿真，這樣才能看到新的結(jié)果 （“典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測量”仿真除外）。2、實驗部分使用說明2.1雙擊任何一個模塊，都可以修改其參數(shù)。實驗過程中，只需按照實驗指導(dǎo)書的內(nèi)容， 修改實驗窗口中相應(yīng)模塊的參數(shù)。建議不要隨意改動，如有改動，關(guān)閉窗口時，不要選擇存盤。2.2示波器的Y軸顯示范圍的修改可通過右擊示波器窗口，選擇Axes Properties項，在彈出的窗口中修改 Y-min和 Y-max的值。2.3 實驗過程中，有時會彈出一個提示為“In complete message in commun icati o

30、nbuffer ”的窗口，這是由MATLAB R2007a 以下的版本存在 bug而引起，此時只需關(guān)閉彈出 窗口，再次點(diǎn)擊 Co nect to targer圖標(biāo)即可繼續(xù)實驗。2.4基于simulink的仿真屬于偽實時仿真，其仿真時間并不與實際時間同步，而與機(jī) 器執(zhí)行速度和模型復(fù)雜度有關(guān)。在完成實時控制實驗時，界面中所顯示的時間約為實際時間的兩倍。3、實時控制實驗軟件初始化MATLAB 軟件提供了一個實時開發(fā)環(huán)境，可用于實時系統(tǒng)仿真和產(chǎn)品的快速原型化，這一點(diǎn)是通過特殊應(yīng)用工具箱 Real-Time Workshop（RTW）實現(xiàn)的。RTW 是MATLAB圖形建模和仿真環(huán)境 Simulink的一

31、個重要的補(bǔ)充功能模塊，它是一個基于Simulink的代碼自動生成環(huán)境，能直接從Simulink模型中產(chǎn)生優(yōu)化的、可移植的和個性化的代碼，并根據(jù)目標(biāo)配置自動生成多種環(huán)境下的程序。3.1在進(jìn)行控制理論的 MATLAB仿真與控制實驗時，系統(tǒng)運(yùn)行需要MATLAB6.5的支持。用戶在實驗前應(yīng)安裝好該軟件并對其工作環(huán)境及相關(guān)編程工作較為熟悉。3.2打開MATLAB6.5軟件，查看 MATLAB的當(dāng)前工作路徑（即 Current Directory所顯示 的路徑），并將提供給用戶的光盤控制程序（不是文件夾）拷貝到MATLAB當(dāng)前工作路徑中。3.3利用產(chǎn)品所附帶的采集卡驅(qū)動光盤，安裝相應(yīng)的驅(qū)動程序。3.4打開研華PCI-1711數(shù)據(jù)采集卡自帶的測試程序，測試采集卡的模擬量輸入、輸出 通道是否正常。注：每次實驗前都需進(jìn)行此項操作。3.5打開MATLAB6.5軟件，為了配置好 MATLAB編譯器，則在命令窗口中進(jìn)行如下操 作：3.5.1輸入"rtwintgt -setup ”并按回車