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1、自动控制实验指导书目 录自动控制概述2自动控制理论部分5实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究5实验二 典型系统动态性能和稳定性分析13实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量17实验四 线性系统串联校正23实验五 典型非线性环节的静态特性27实验六 非线性系统相平面法32实验七 非线性系统描述函数法38实验八 极点配置全状态反馈控制43实验九 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究49实验十 采样控制系统串联校正的混合仿真研究53自动控制理论软件说明57第一章 概 述57第二章 安装指南及系统要求61第三章 功能使用说明62第四章 使用实例70计算机控制技术部分71实验一 A/D与
2、D/A 转换73实验二 数字滤波77实验三 D(s)离散化方法的研究79实验四 数字PID控制算法的研究82实验五 串级控制算法的研究85实验六 解耦控制算法的研究89实验七 最少拍控制算法的研究93实验八 具有纯滞后系统的大林控制98实验九 线性离散系统的全状态反馈控制99计算机控制软件说明108第一章 概 述108第二章 安装指南及系统要求114第三章 LabVIEW编程及功能介绍115第一部分自动控制概述一实验系统功能特点 1系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级与高级实验的需要。只配备ACCT-I实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完成部分基本实验。要完成与软件仿真、混
3、合仿真有关的实验必须配备上位机（包含相应软件）及USB2.0通讯线。2ACCT-I实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性与高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。此外，ACCT-I实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。3配备PC微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。PC微机在实验中，除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。4系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。除了指导书所提供的10个实验外
4、，还可自行设计实验。二系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACCT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。ACCT-I实验箱内装有以C8051F060芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB口与PC微机连接。1实验箱ACCT-I简介ACCT-I控制理论实验箱主要由电源部分U1单元、与PC机进行通讯的数据处理U3单元、 元器件单元U2、非线性单元U5U7以及模拟电路单元U9U16等共14个单元组成，详见附图。(1) 电源单元U1包括电源开关、保险丝、5V、5V、15V、15V、0V以及1.3V15V可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。(2)
5、信号、数据处理单元U3内含以C8051F060为核心组成的数据处理卡（含软件），通过USB口与上位PC进行通讯。内部包含八路A/D采集输入通道和两路D/A输出通道。与上位机一起使用时，可同时使用其中两个输入和两个输出通道。可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。结合上位机软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制器功能。(3) 元器件单元U2单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器，另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。(4) 非线性环节单元U5、U6和U7U5，U6，U7分别用于构成不
6、同的典型非线性环节。单元U5可通过拨键S4选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路。单元U6为具有继电特性的非线性环节模拟电路。单元U7为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。(5) 模拟电路单元U8U16U8U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元。其中U8为倒相电路，实验时通常用作反号器。U9U16的每个单元内，都有用场效应管组成的锁零电路（所有锁零G内部是互通的）和运放调零电位器（出厂已调好，无需调节）。2系统上位机软件的功能与使用方法，详见ACCT-I自动控制理论实验上位机程序使用说明书。三自动控制理论实验系统实验内容1 典型环节的电路模拟与软件仿真研究；2 典型系统
7、动态性能和稳定性分析；3 典型环节（或系统）的频率特性测量；4 线性系统串联校正；5 典型非线性环节的静态特性；6 非线性系统相平面法；7 非线性系统描述函数法；8 极点配置线性系统全状态反馈控制；9 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究；10采样控制系统串联校正的混合仿真研究。要完成上列全部实验，必须配备上位计算机。四实验注意事项1实验前U9U16单元内的运放需要调零（出厂前已经调整过）。2运算放大器边上的锁零点G接线要正确。在需要锁零时（主要是典型环节的信号观察实验），可与输入信号同步的锁零信号相连。锁零G与U3单元的锁零信号G1相连（同步对应O1信号），G2与此类似（同步对应O
8、2）；一般情况下不需要锁零信号。不需要锁零时，请把G与-15V相连。3在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反号器。4作频率特性实验和采样控制实验时，必须注意只用到其中2路A/D输入和1路D/A输出,具体采用“I1I8”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线和软件的设置。5受数据处理单元U3的数据处理速率限制，作频率特性实验和采样控制实验时，在上位机界面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和采样控制频率的选择。对于频率特性实验，应满足200/sec，以免引起过大误差。类似地，对于采
9、样控制实验，采样控制周期应不小于5 ms。6本采集设备的上位机软件，A/D和D/A输出部分，需要注意的一些事项。本数据采集系统有8路A/D输入，2路D/A输出，对于8路A/D输入将其分为四组，因为一般我们用到两路同时输出或同时输入。I1、I2为一组A/D输入，I3、I4为一组A/D输入，I5、I6为一组A/D输入，I7、I8为一组A/D输入。在这四组A/D输入中，I1、I3、I5、I7为每组A/D输入中的第一路，I2、I4、I6、I8为每组A/D输入中的第二路。在每个实验当中，我们可以随意选择任一组A/D输入，和任一路D/A输出。这个在实验三中，做频率特性实验要求比较严格（频响信号接I1，原信
10、号接I2）。五、计算机控制实验软件操作注意事项1、打开已经准备好的实验项目后，点击，使系统进入运行装态。2、按下“启动暂停”按键程序开始运行,再次按下该按键程序暂停。按“退出”键使系统退出子VI运行状态。3、测试信号设置选项框中可以设置发出的波形的种类、幅值、频率、占空比、采样开关T、采样时间。4、按下“退出”按键或图标，程序退出运行。 5、按下“”图标，程序关闭。自动控制理论部分实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究一实验目的1通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。2通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。二实验内容1设计各种典型环节的模拟电
11、路。2完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。3在MATLAB软件上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。三实验步骤1熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。接线时要注意：先断电，再接线。接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。（U3单元的O1接被测对象的输入、G接G1、U3单元的I1接被测对象的输出）。2利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型
12、环节阶跃特性的影响。首先必须在熟悉上位机界面的操作，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。软件界面上的操作步骤如下：按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择” 选择I1、I2路A/D通道作为被测环节的检测端口,选择D/A通道的O1（“测试信号1”）作为被测对象的信号发生端口.不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同。硬件接线完毕后,检查USB口通讯连线和实验箱电源后，运行上位机软件程序,如果有问题请求指导教师帮助。进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择“X-t模
13、式”；选择“T/DIV”为1s/1HZ。完成上述实验设置，然后设置实验参数，在界面的右边可以设置系统测试信号参数，选择“测试信号”为“周期阶跃信号”，选择“占空比”为50%，选择“T/DIV”为“1000ms”， 选择“幅值”为“3V”，可以根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线，将“偏移”设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“T/DIV”至少是环节或系统中最大时间常数的68倍。这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。以上设置完成后，按L
14、abVIEW上位机软件中的 “RUN”运行图标来运行实验程序，然后点击右边的“启动/停止”按钮来启动实验，动态波形得到显示，直至周期响应过程结束，如上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应”。利用LabVIEW软件中的图形显示控件中光标“Cursor”功能观测实验结果；改变实验箱上环节参数，重复的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、的操作。按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件。3分析实验结果，完成实验报告。四附录1比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例环节的传递函数为：其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、
15、图1.1.2和图1.1.3所示，于是。 实验参数取R0100k，R1200k，R=10k。实验接线如下图：2积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应积分环节的传递函数为： 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是， 实验参数取R0100k，C1uF，R=10k。实验接线如下图：3比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例积分环节的传递函数为：其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是，4比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例微分环节的传递函数为： 其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。
