實(shí)驗(yàn)(自動(dòng)控制部分)

1、機(jī)械工程控制(kngzh)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)主講人:榮軍(rngjn)E-mail:共三十八頁(yè)實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬(mn) 與軟件仿真 一、實(shí)驗(yàn)(shyn)目的熟悉并掌握THBCC-1型 信號(hào)與系統(tǒng)控制理論及 計(jì)算機(jī)控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)及上位機(jī)軟件的使用方法。2熟悉各典型環(huán)節(jié)的電路傳遞函數(shù)及其特性，掌握 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究。 3測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對(duì) 其動(dòng)態(tài)特性的影響。共三十八頁(yè)二、實(shí)驗(yàn)(shyn)設(shè)備1THBCC-1型 信號(hào)(xnho)與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī) 控制技術(shù)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)2PC機(jī)1臺(tái)(含上位機(jī)軟件)37針通信線1根 3雙蹤慢掃描示波器1臺(tái)(可選)共三十八頁(yè)三、

2、實(shí)驗(yàn)(shyn)內(nèi)容1設(shè)計(jì)并組建各典型環(huán)節(jié)的模擬(mn)電路； 2測(cè)量各典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化 對(duì)其輸出響應(yīng)的影響 3上位機(jī)界面上，填入各典型環(huán)節(jié)數(shù)學(xué)模型的實(shí) 際參數(shù)，據(jù)此完成它們對(duì)階躍響應(yīng)的軟件仿真， 并與模擬電路測(cè)試的結(jié)果相比較。 共三十八頁(yè)四、實(shí)驗(yàn)(shyn)原理 自控系統(tǒng)是由比例、積分、慣性環(huán)節(jié)等按一定(ydng)的關(guān)系連接而成。熟悉這些慣性環(huán)節(jié)對(duì)階躍輸入的響應(yīng)，對(duì)分析線性系統(tǒng)將是十分有益。 在附錄中介紹了典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、理論上的階躍響應(yīng)曲線和環(huán)節(jié)的模擬電路圖。共三十八頁(yè)五、實(shí)驗(yàn)(shyn)步驟熟悉實(shí)驗(yàn)臺(tái)，利用實(shí)驗(yàn)臺(tái)上的模擬電路單元，構(gòu)建所設(shè)計(jì)的(可參考本實(shí)驗(yàn)附錄)并連

3、接各典型環(huán)節(jié)（包括(boku)比例、積分、比例積分、比例微分、比例積分微分以及慣性環(huán)節(jié)）的模擬電路。待檢查電路接線無(wú)誤后,接通實(shí)驗(yàn)臺(tái)的電源總開(kāi)關(guān)，并開(kāi)啟5V，15V直流穩(wěn)壓電源。共三十八頁(yè)2對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)單元的運(yùn)放進(jìn)行調(diào)零（令運(yùn)放各輸入端接地，調(diào)節(jié)(tioji)調(diào)零電位器，使運(yùn)放輸出端為0V） 注意：積分、比例積分、比例積分微分實(shí)驗(yàn)中所用到的積分環(huán)節(jié)單元）不需要鎖零（令積分電容放電）時(shí),需將鎖零按鈕彈開(kāi)，使用鎖零按扭時(shí)需要共地，則需要把信號(hào)發(fā)生器的地和電源(dinyun)地用導(dǎo)線相連。共三十八頁(yè)3測(cè)試各典型環(huán)節(jié)(hunji)的階躍響應(yīng)，并研究參數(shù)變化對(duì)輸 出響應(yīng)的影響 1) 不用上位機(jī)時(shí)，將實(shí)驗(yàn)

4、平臺(tái)上 “階躍信號(hào)發(fā)生器”單元的輸出端與相關(guān)電路的輸入端相連，選擇“正輸出”然后(rnhu)按下按鈕，產(chǎn)生一個(gè)階躍信號(hào)(用萬(wàn)用表測(cè)試其輸出電壓,并調(diào)節(jié)電位器,使其輸出電壓為“1”V，用示波器x-t顯示模式觀測(cè)該電路的輸入與輸出曲線如果效果不好要做新做則只要按一下鎖零開(kāi)關(guān)對(duì)電容放電，在重新做即可。共三十八頁(yè) 2) 用上位機(jī)時(shí)，由上位機(jī)提供的虛擬示波器代替步驟(bzhu)1）中的慢掃描示波器。接線時(shí)還需要將該電路的輸出端與采集卡接口單元的輸入端AD1（也可選取其它任意輸入通道）相連（用雙通道時(shí)電路的輸出端還的和AD2相連），并接好采集卡接口單元與上位PC機(jī)的并口通訊線。待接線完成并檢查無(wú)誤后，上位

5、機(jī)啟動(dòng)“THBCC-1”軟件，出現(xiàn)“登錄窗口”。具體操作步驟如下: 共三十八頁(yè) 用戶在“登錄(dn l)窗口”中輸出自己的學(xué)號(hào)，并點(diǎn)擊“登錄(dn l)”按鈕（若是第一次登錄該軟件，則需點(diǎn)擊“注冊(cè)”按鈕進(jìn) 行注冊(cè)，即需按要求填入自己的“姓名”、“學(xué)號(hào)”、“系 別”和“班級(jí)”）進(jìn)入軟件主窗口。 點(diǎn)擊(din j)工具欄上的“實(shí)驗(yàn)選擇”按鈕，選擇相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目。 點(diǎn)擊 “通道設(shè)置”按鈕，選擇相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集通道(單通道)或（雙通道），然后點(diǎn)擊“開(kāi)始采集”按鈕，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集。共三十八頁(yè) 點(diǎn)擊“虛擬示波器”按鈕，首先選擇X-t顯示模式及相應(yīng)的數(shù)據(jù)顯示通道（同時(shí)需在“虛擬示波器”窗口右側(cè)點(diǎn)擊相應(yīng)的“顯示”

6、按鈕），然后順序點(diǎn)擊“啟動(dòng)”、“開(kāi)始”按鈕，（若是選擇雙通道則還要點(diǎn)Y-t顯示）在按下階越信號(hào)按扭即可觀測(cè)實(shí)驗(yàn)波形。同時(shí)還可改變示波器的顯示量程(lingchng)(ms或s/dim)及輸入波形的放大系數(shù)，以便更清晰的觀測(cè)波形。點(diǎn)擊(din j)“暫?！比缓簏c(diǎn)“存儲(chǔ)”按鈕，保存實(shí)驗(yàn)波形和數(shù)據(jù)。共三十八頁(yè)4點(diǎn)擊“仿真平臺(tái)”按鈕，根據(jù)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，在“傳遞函數(shù)”欄中填入該環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，如比例(bl)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為: 則在“傳遞函數(shù)”欄的分子中填入“0.1,1”, 分母中填入“0.1,0”即可，然后點(diǎn)擊“仿真(fn zhn)”按鈕，即可觀測(cè)到該環(huán)節(jié)的仿真曲線，并可與電路模擬研究的結(jié)果相比較

7、。共三十八頁(yè) 注：仿真實(shí)驗(yàn)只針對(duì)傳遞函數(shù)的分子階數(shù)小于等于分母階數(shù)的情況(qngkung)，若分子階數(shù)大于分母階數(shù)（如含有微分項(xiàng)的傳遞函數(shù)），則不能進(jìn)行仿真實(shí)驗(yàn)，否則出錯(cuò)。5點(diǎn)擊“實(shí)驗(yàn)報(bào)告”，根據(jù)實(shí)驗(yàn)時(shí)存儲(chǔ)的波形(b xn)和數(shù)據(jù)完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告。共三十八頁(yè)六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求(yoqi)1.畫(huà)出各典型(dinxng)環(huán)節(jié)的實(shí)驗(yàn)電路圖，并注明參數(shù)。2寫(xiě)出各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。3根據(jù)測(cè)得的典型環(huán)節(jié)單位階躍響應(yīng)曲線，分析參數(shù)變化對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響？共三十八頁(yè)七、實(shí)驗(yàn)(shyn)思考題1用運(yùn)放模擬(mn)典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？2積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性

8、環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？3在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？共三十八頁(yè)八、附錄(fl)1比例(bl)（P）環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為 : 其模擬電路（后級(jí)為反相器）和單位階躍響應(yīng)曲線分別如圖1-1所示。共三十八頁(yè)其中(qzhng)K=通過(guò)(tnggu)改變電路中R1、R2的阻值，可改變放大系數(shù)。 ,這里取 R1=100K，R2=200K，R0=200K。 圖1-1 比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線共三十八頁(yè) 積分(jfn)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:2積分(jfn

9、)(I)環(huán)節(jié)其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-3所示圖1-2 積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線共三十八頁(yè) 其中 T=RC，這里取 C=10uF,R=100K,R0=200K。通過(guò)改變R、C的值可改變響應(yīng)曲線(qxin)的上升斜率。3比例(bl)積分(PI)環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為:共三十八頁(yè)其模擬電路(dinl)和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-3所示其中(qzhng) ，T=R1C，這里取C=10uF, R1=100K，R2=100K，R0=200K。通過(guò)改變R2、 R1、C的值 比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和積分時(shí)間常數(shù)T。 可改變 圖1-3 比例積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)

10、曲線共三十八頁(yè)4比例(bl)微分(PD)環(huán)節(jié)比例微分(wi fn)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為：其中共三十八頁(yè)其模擬電路和單位(dnwi)階躍響應(yīng)分別如圖1-4所示： 圖1-4 比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位(dnwi)階躍響應(yīng)曲線 這里取C=1uF, R1=100K，R2=200K，R0=200K。通過(guò)改變R2、R1、C的值可改變比例微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和微分時(shí)間常數(shù)T。共三十八頁(yè)5比例積分(jfn)微分(PID)環(huán)節(jié)比例(bl)積分微分(PID)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其中 （當(dāng)=2 =0.1, =0.1時(shí)）共三十八頁(yè)其模擬電路(dinl)和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-5所示圖1-5

11、比例積分(jfn)微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線共三十八頁(yè) 其中(qzhng) C1=1uF, C2=1uF,R1=100K，R2=100K, R0=200K。通過(guò)改變R2、R1、C1、C2的值可改變比例積分微分環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K、微分時(shí)間常數(shù) 和積分時(shí)間常數(shù) 。共三十八頁(yè) 6慣性(gunxng)環(huán)節(jié) 慣性(gunxng)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)與方框圖分別為： 其模擬電路和單位階躍響應(yīng)分別如圖1-6所示： 其中 R2=100K, R0=200K。通過(guò)改變R2、R1、C的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù)K和時(shí)間常數(shù)T。T=R2C，這里取C=1uF,R1=100K，共三十八頁(yè)圖1-6慣性環(huán)節(jié)的模擬(mn)

12、電路圖和單位階躍響應(yīng)曲線共三十八頁(yè)實(shí)驗(yàn)二 線性定常系統(tǒng)(xtng)的瞬態(tài)響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)(shyn)目的1. 掌握線性定常系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試方法； 2.研究線性定常系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)其動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定 性的影響。共三十八頁(yè)二、實(shí)驗(yàn)(shyn)設(shè)備1THBCC-1型 信號(hào)與系統(tǒng)控制理論及計(jì)算機(jī)控制技術(shù) 實(shí)驗(yàn)(shyn)平臺(tái)2PC機(jī)1臺(tái)(含上位機(jī)軟件)37針通信線1根3雙蹤慢掃描示波器1臺(tái)(可選)共三十八頁(yè)三、實(shí)驗(yàn)(shyn)內(nèi)容1觀測(cè)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)(xingyng)，并測(cè)出其超調(diào)量和 調(diào)整時(shí)間；2調(diào)節(jié)二階系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益K，使系統(tǒng)的阻尼比= ， 測(cè)出此時(shí)系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間；3. 研究三階系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)

13、增益K，或一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常 數(shù)T的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響；4由實(shí)驗(yàn)確定三階系統(tǒng)穩(wěn)定的臨界K值。共三十八頁(yè)四、實(shí)驗(yàn)(shyn)原理 本實(shí)驗(yàn)是研究二階和三階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)。為了使二階系統(tǒng)的研究具有普遍性意義，通常把它的閉環(huán)傳遞函數(shù)(hnsh)寫(xiě)如下的標(biāo)準(zhǔn)形式：式中系統(tǒng)的阻尼比 和所包含的內(nèi)容也是不同的。 系統(tǒng)的無(wú)阻尼自然頻率。他們的和 的內(nèi)容也是不同的。所包含共三十八頁(yè) 調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益(zngy)K，可使系統(tǒng)的阻尼比分別為：01三種。對(duì)應(yīng)于這三那種情況下系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，在實(shí)驗(yàn)中都能觀測(cè)到，他們分別為附錄中的圖23所示。 本實(shí)驗(yàn)中的三階系統(tǒng)，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)是由兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)和一個(gè)積分環(huán)節(jié)

14、相串連組成。由控制理論中的勞斯判據(jù)可知，調(diào)節(jié)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益K和某一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T，都會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能的明顯(mngxin)變化。 有關(guān)二階和三階系統(tǒng)相關(guān)參數(shù)的理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的模擬電路請(qǐng)參閱附錄。共三十八頁(yè)五、實(shí)驗(yàn)(shyn)步驟1利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上的模擬電路單元,設(shè)計(jì)(具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖2-2)一個(gè)由積分環(huán)節(jié)（積分環(huán)節(jié)鎖零端的使用請(qǐng)參考實(shí)驗(yàn)一的相關(guān)步驟）和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)相串聯(lián)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。待檢查(jinch)電路接線無(wú)誤后,接通實(shí)驗(yàn)平臺(tái)的電源總開(kāi)關(guān)，并開(kāi)啟5V，15V直流穩(wěn)壓電源。2利用示波器（慢掃描示波器或虛擬示波器）觀測(cè)二階模擬電路的階躍響應(yīng)特性，并測(cè)出其超

15、調(diào)量和調(diào)整時(shí)間。3改變二階系統(tǒng)模擬電路的開(kāi)環(huán)增益K，觀測(cè)當(dāng)阻尼比 為不同值時(shí)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。共三十八頁(yè)4利用實(shí)驗(yàn)平臺(tái)上模擬電路單元,設(shè)計(jì)(具體可參考本實(shí)驗(yàn)附錄的圖2-5)一個(gè)由積分環(huán)節(jié)和兩個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成的三階(sn ji)閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。5利用示波器觀測(cè)三階模擬電路(dinl)的階躍響應(yīng)特性，并測(cè)出其超調(diào)量和調(diào)整時(shí)間。6改變?nèi)A系統(tǒng)模擬電路的開(kāi)環(huán)增益K，觀測(cè)增益K的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。7利用上位機(jī)界面提供的軟件仿真功能，完成上述兩個(gè)典型線性定常系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能研究，并與模擬電路的研究結(jié)果相比較。共三十八頁(yè) 注意：以上實(shí)驗(yàn)(shyn)步驟中的2、與5、的具體操作方法，請(qǐng)參閱“實(shí)驗(yàn)

16、一”中的實(shí)驗(yàn)步驟3；實(shí)驗(yàn)步驟中7的具體操作方法，請(qǐng)參閱“實(shí)驗(yàn)一”中的實(shí)驗(yàn)步驟4。共三十八頁(yè)六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求(yoqi)1根據(jù)附錄中的圖2-1和圖2-3畫(huà)出二階和三階線性定常系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)電路圖，寫(xiě)出它們(t men)的閉環(huán)傳遞函數(shù)，并標(biāo)明電路中的各參數(shù)。2根據(jù)測(cè)得的系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線，分析開(kāi)環(huán)增益K和時(shí)間常數(shù)T對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性及穩(wěn)定性的影響。3設(shè)計(jì)一個(gè)一階線性定常閉環(huán)系統(tǒng)，并根據(jù)系統(tǒng)的階躍輸入響應(yīng)確定該系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)。共三十八頁(yè)七、實(shí)驗(yàn)(shyn)思考題1如果階躍輸入信號(hào)的幅值過(guò)大，會(huì)在實(shí)驗(yàn)(shyn)中產(chǎn)生什么后果？2在電路模擬系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋和單位負(fù)反饋？3為什么本實(shí)驗(yàn)中二階及三階系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差都為零？4三階系統(tǒng)中，為使系統(tǒng)能穩(wěn)定工作，開(kāi)環(huán)增益K應(yīng)適量取大還是取??？系統(tǒng)中的小慣性環(huán)節(jié)和大慣性環(huán)節(jié)哪個(gè)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響大，為什么？共三十八頁(yè)內(nèi)容摘要機(jī)械工程控制基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)。2對(duì)相關(guān)的實(shí)驗(yàn)單元的運(yùn)放進(jìn)行調(diào)零（令運(yùn)放各輸。器”單元的輸出(shch)端與相關(guān)電路的輸入