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1、工业工程自控理论实验实验指导书标配目录一自动控制理论实验指导概述2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11实验三典型环节（或系统）的频率特性测量15实验四线性系统串联校正19实验五典型非线性环节的静态特性23实验六非线性系统相平面法28实验七非线性系统描述函数法34实验八极点配置全状态反馈控制38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44实验十采样控制系统串联校正的混合仿真研究48二自动控制理论对象实验指导实验一直流电机转速控制实验52实验二温度控制实验55实验三水箱液位控制实验57三自动控制理论软件说明概述59安装指南及系统要求63功能使用
2、说明64使用实例72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。配备ACCC-I实验台、上位机（包含相应软件）及USB2.0通讯线就能完成与软件仿真、混合仿真有关的实验必须配备。2ACCC-I实验台内含有实验必要的电源、非线性与高阶电模拟单元以及几物理对象，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-01A面板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，
3、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13个实验外，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）、ACCC-I实验台、USB2.0通讯线等组成。ACCC-I实验台内装有以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。1ACCC-I实验台简介ACCC-I控制理论实验台主要由ACCT-01A自动控制理论和计算机控制技术、ACCT-02物理对象电机转速与温度控制、ACCT-03物理对象液位控制等3个部分组成。其
4、中ACCT-01A自动控制理论和计算机控制技术由电源部分U1单元、元器件单元U2、数据处理单元U3、非线性单元U5U7以及模拟电路单元U8U16等共15个单元组成。(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，它们提供了实验设备所需的所有工作电源。（2）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。（3）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
5、时使用其中两个输入和两个输出通道。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。（4）非线性环节单元U5、U6和U7U5，U6，U7分别用于构成不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和运放调零电位器。2系统上位机软件的功能与使用方法，详见ACCC-I
6、IB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。物理对象实验1直流电机转速控制实验2温度控制实验3液位控制实验四实验注意事项1实验前U9U16单元内的运放需要调零。2运算放大器边上的锁零点G接线要正确。不需要锁零时
7、（运放构成环节中不含电容或输入信号为正弦波时），必须把G与-15V相连；在需要锁零时，必须与其输入信号同步的锁零信号相连。如在采用PC产生的经D/A通道输出的信号O1作为该环节或系统的输入时，运放的锁零信号G应连U3单元中锁零信号G1；类似地，如采用PC产生的信号O2作输入，则锁零信号G应连U3单元中锁零信号G2。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般不需要锁零。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，实验台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1路A/D输入
8、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。5上位机软件提供线性系统软件仿真功能。在作软件仿真时，无论是一个环节、或是几个环节组成的被控对象、或是闭环系统，在利用上位机界面作实验时，都必须将开环或闭环的传递函数都转化成下面形式，以便填入参数ai,bj其中，。如出现的情况，软件仿真就会出错，必须设法避免。如实验一，在作理想比例微分（PD）环节的软件仿真实验时就会遇到此问题，因为此时可见该W(s)分子中s的阶高于分母的，直接填入参数仿真，即出现“非法操作”的提示。具体避免方法请参阅该实验附录。6受数据处理单元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
9、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，对于采样控制实验，采样控制周期应不小于5ms。7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
10、。这个在实验三中，做频率特性实验要求比较严格，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。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在上位机界面上，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熟悉实验设备，利用实验台上的模拟电路单元，参考
11、本实验附录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。注意实验接线前必须先将实验台上电，以对运放仔细调零。然后断电，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。在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。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环节阶跃特性的影响。在熟悉上位机界面操作的基础上，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，以比例环节为例，此时将Ui连到实验台数据处理单元U3中
12、的D/A输出通道O1，将Uo连到实验台数据处理单元U3中A/D输入通道I1，将运放的锁零G连数据处理单元U3的锁零信号G1，并连好数据处理单元U3至上位机的USB2.0通信线。接线完成，经检查无误，再上电，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：按通道接线情况完成通道设置，通过上位机界面中“通道选择”选择A/D输入通道I1作为环节的输出,选择D/A输出通道O1作为环节的输入.再将D/A输出通道O1直接连接A/D输入通道I2(显示信号源发出信号的波形)。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口通讯连线和实验台电源后，运行上位机软件程序,如果有问题请求指导
13、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LabVIEW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“Start”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（详见软件使用说明书）观测实验结果；改变实验环节参数，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，操作方法参阅软件使用说明书。3分析实验结果，完成实验报告。四附录1比例(P)
