自动控制原理实验教学大纲

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1、1自动控制原理教学大纲第一章 LabACTn 自控计控原理实验机构成及说明1.1 构成主实验板外形尺寸为 36.5 厘米31.6 厘米，主实验板的布置简图见下图所示。图 1-1-1 实验机面板的布置简图1.2 说明一A 实验区1模拟实验对象模块（A1 A7）模拟实验对象模块 A1A7 布置图见图 1-1-1，可配置成各种参数的惯性被控对象、积分被控对象、2比例积分被控对象、比例微分/惯性被控对象、比例/ 积分 /微分被控对象及比例被控对象。图中 S1S14 均为跨接座，当用户选中模拟实验对象模块的某一参数的电阻、电容作输入回路和反馈回路构成一个模拟电路时，在该元件的左边相对应的跨接座上插上白色

2、短路套即可，直观方便。七个模拟实验对象模块实现原理基本相同，只是运放各输入回路及各反馈回路引入的电阻、电容的参数和连接方式各不相同。七个模拟实验对象模块的各参数已经合理设计，组合使用可以满足本实验指导书中提供的全部实验要求，而无需外接电阻或电容，有效的简化了实验操作。各信号接入点及输出点均引出标准插孔供接线用。H1 、H2 为 模拟实验对象模块的输入插孔，IN为运算放大器负端输入(反馈与输入相加点 )插孔， OUT 为 模拟实验对象模块的输出插孔。A7 模块兼作校正网络库，在不同的跨接座上插上白色短路套，即可构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例微分积分环节，用户可

3、按不同的需求构成各种校正环节。2模拟运算扩充库 （A8 A12）模拟运算扩充库有反相模拟运算模块（A8A10 ） ，放大器（A12 ）和 1 个 0999.9K 的直读式可变电阻、1 个电位器及多个电容（A11 ） ，可以灵活搭建多种不同参数的系统。二 B 实验区1信号源（B1）信号源主要是由单片机和运放组成，信号源输出的类别及参数由用户在实验机上位机界面上设定。B1 模块有 OUT1 和 OUT2 两个插孔，可选作单信号源（矩形波、正弦波、阶跃波、方波、斜坡） ；亦可选作复式信号源（矩形波+手控阶跃、矩形波+正弦波+手控阶跃、矩形波+矩形波+手控阶跃、正弦波+ 微分脉冲、正弦波+ 正弦波、阶

4、跃+ 非线性环节） 。非线性环节有继电特性、饱和特性、死区特性、间隙特性和延迟特性环节。此外还有手控可调连续电压信号：5V 5V 。2数据采集模块（虚拟示波器） （B2）数据采集模块提供了四个通道模拟信号输入 CH1CH4 测孔，配合上位机软件的示波器窗口，可以实现波形的显示、存储，可以有效的观察实验中各点信号的波形。详见本实验指导书第二章所述。模拟信号输入通道中 3 路（CH1CH3）为不衰减输入，1 路（CH4）配有量程开关，当量程开关拨到1 位置，表示输入不衰减，输入范围5V5V ，如果超出此范围，应把量程开关拨到2 位置，可衰减 2 倍后输入。3频率特性测试模块（B3）被测信号由“AD

5、IN” 测孔引入。4控制器模块 （B4）控制器由单片机和运放组成，为实验机的主控微处理机，将完成系统管理，实现与上位机通讯，（RS232 串口通讯） ，及各微处理机间通讯（SMBus- ） 。CI2实现送虚拟示波器显示的数据采集。有 AOUT1 和 AOUT2 两个插孔，在计算机控制实验时，用作控制器输出。5单片机自编程模块（B5）实现用户单片机自编程控制实验，有 COUT1 和 COUT2 两个插孔，用作控制器输出。有 PWM 插孔，用作控制器 PWM 输出。6DSP、ARM 自编程模块（B6 ）用于与 DSP 与 ARM 自编程模块联接，实现 DSP 与 ARM 自编程控制实验，有 OUT

6、 插孔，用作控制器输出。有 PWM 插孔，用作控制器 PWM 输出。三、C 实验区1温控模块（C1）3温控模块采用装在散热器下的功率晶体管进行加热，可以用模拟电压加热及 PWM 控制加热。温控模块采用装在散热器下的热敏电阻进行测温，散热器下装有风扇， ，用户推上风扇开关，启动风扇进行冷却，同时也可用于温控的扰动。控制器控制输出信号引入到“温控输入”测孔对温控模块进行加热，温控模块测温输出由“测温输出”插孔输出。2直流电机模块（C2） 直流电机模块采用 Y500-12560 直流电机,当直流电压引入到 “电机输入”测孔，驱动直流电机转动，电机带动光栅盘产生脉冲，该脉冲经过 FV 转换形成电压，在

7、“测速输出”插孔输出。脉冲经过 FV 转换形成的电压值,可以通过该模块中的 W2 电位器来调整。 （在出厂时已调整好）3. 步进电机模块（C3）步进电机模块采用 BY35L-4801 步进电机，该步进电机可为四相四拍或四相八拍驱动。步进电机的驱动连线在实验机中已与各控制器的 I/O 口固定联结,用户无须连线。步进电机模块上有四个指示灯，同步显示各相驱动信号的状态。4. 通讯及电源模块（C4）实现与上位机 RS232 串口通讯，其中通讯芯片采用双列直插式，便于用户自行更換。提供12V、12V、5V 及3.3V（由+5V 产生）电源。K1 为电源开关。5外设接口模块（C5）用于与外部控制对象联接。

8、6基准电压模块（C6） 本模块可提供2.00、5.00V 和5.00V 基准电压。其中2.00 基准电压可以通过该模块中的RP1 电位器来调整基准电压。 （在出厂时已调整好）第二章 虚拟示波器 2.1 时域示波器的使用图 2-1-1 虚拟示波器时域显示运行界面幅值差 时间差时间标尺电压标尺信号参数区实验原理图扰动信号信号信号控制参数区电压当前值控制输出 系统输出系统给定4时域示波器显示，是指显示界面中 X 轴为时间 t，Y 轴为电压 V。配合上位机软件的示波器窗口，可以实现波形的显示、存储，可以有效的观察实验中各点信号的波形。虚拟示波器显示通道分上、下两块，共 6 项显示内容，上块：CH0、C

9、H1、CH2、CH6下块：CH5、CH3、CH4 CH1CH4：数据采集模块的四个通道模拟信号输入，D 转换精度为 12 位，输入通道中CH1CH3 为不衰减输入，输入范围5V5V ；CH4 配有输入量程开关，当量程开关拨到1 位置，表示输入不衰减，如果大于此电压输入范围应选用2 挡（表示输入信号衰减 2倍后进入示波器） 。 CH2、CH4 多用于系统输出， CH3、CH4 可用作 XY 示波，其余不可。 CH0、CH5 ：用于显示计控实验中的给定值，它不经过通道采样输入，直接读入界面设置值。 CH6：用于手控阶跃信号显示，它也不经过通道采样输入，直接读入界面设置值。1显示区的操作使用（1）

10、信号测量信号幅值测量有标尺测量和鼠标点击测量两种方法。标尺测量：在显示界面有二条横向滑竿标尺（虚线） ，用户鼠标点住滑竿标尺上、下移动到显示界面中需标定的位置，此时界面下方将显示电压x.xxx ，即为两个滑竿标尺的电压差值（伏） 。在显示界面有二条纵向滑竿标尺（虚线） ，用户鼠标点住滑竿标尺左、右移动到显示界面中需标定的位置，此时界面下方将显示时间x.xxxS ，即为两个滑竿标尺的时间差值（秒） 。鼠标测量：当鼠标在显示界面上点一下后，滑动到需要测量的点，此时鼠标跟随显示“当前电压值：x.xxxV”,即为当前鼠标所指点的电压值。（2） 信号移动在运行停止后，用户可点击显示界面的 （上、下、左、

11、右）移动按钮，和在其中间的恢复初始状态控制按钮 ，来获取显示所需的画面。是针对波形进行操作的。（3） 界面显示量程选择在显示界面有一个比例选择框，可选择每格0.08、0.16、0.32、0.64、1.28、2.56、5.12、10.24、20.48、40.92 和 80.92 秒的不同显示比例，达到波形的 X 轴压缩与扩展。在显示界面有一个Y 比例 选择框，可选择每格 0. 2、0.4、0.6、0.8、1 伏的不同显示比例，达到波形的 Y 轴压缩与扩展。（4） 其他 “波形在轴同步移动” 选择，用于上下两块波形在界面轴移动的同步性。系统默认通道 3、4 显示和波形在轴同步移动。 “普通示波器”

12、和“-Y 示波” 选择，可对下块显示（通道 3、4 显示）选择 “时域显示”和“相平面显示”两种方式。当对下块显示选择“-Y 示波 ” 方式时，可使用XY 清除键清除下块波形显示。2控制区的操作使用（1） 信号源参数区与控制参数区 在信号源参数区中为信号源输出的类别及参数，包括矩形波的幅度和宽度，正弦波的幅度和频率。在计算机控制时的给定值，斜坡的斜率等。 在控制参数区中为计算机控制技术实验及控制系统应用实验所用的控制参数。 在手控阶跃幅度中由用户填入阶跃幅度，一旦用户推上手控阶跃开关，将在信号源模块输出用户填入的阶跃幅度的阶跃信号，在虚拟示波器的 CH6 将显示该信号。5本实验指导书提供的实验

13、范例，在信号源参数区与控制参数区上都填有参数默认值，用户可直接使用这些参数，或修改各参数，点击下载键，PC 机把各参数下载到实验机上。在实验过程中想修改参数，必须停止实验，修改各参数，再次点击下载键（即不能在线修改） 。注：如打开某实验项目，在控制参数区中某框无默认值，则表示该实验项目不支持该框的参数值。（2） 面板控制键下载键用户在 PC 机实验主界面上选择实验项目后，将弹出该实验项目的响应曲线界面，在该界面上将显示出该实验项目的各参数的默认值（用户可修改） ，确认后，点击下载键，PC 机把该实验项目的各参数下载到实验机上，注：一旦用户修改了任一项参数，都必须重新下载。开始停止键下载完成后，

14、开放实验界面上的开始键，点击开始键后，实验运行，同时该键变为停止 ；运行中点击停止键，则实验停止，此时可观察实验曲线波形。如不修改参数，可重复开始停止。关闭打开原理图键用户在 PC 机实验主界面上选择实验项目后，在该界面上将显示出该实验项目的原理图，用户点击 关闭原理图键，关闭原理图显示，同时该键变为打开原理图可重复打开和关闭。 返回键点击返回键，则关闭显示界面，返回到实验项目选择界面。注：点击返回之前，必须先停止实验！截图键点击截图键，则把虚拟示波器界面当时运行的内容，以 Bmp 格式存放到实验机软件Bmp文件夹中。2.2 频域示波器的使用1频率特性扫描点设置界面用户选择系统的频域分析实验项

15、目后，将弹出频率特性扫描点设置表和范例的原理图，设置表如图 2-2-1 所示，用户可在表中根据需要填入各个扫描点角频率 值（分辨率为 0.01rad/s） 。图 2-2-1 频率特性扫描点设置界面界面控制键说明：恢复默认键：恢复默认的扫描点设置值。打开键：打开保存在实验机软件中的频率点文件。另存为键：以*.pt 格式存放到实验机软件。6历史数据表键：打开保存在实验机软件Log 文件夹中的历次测得的频率特性数据。添加键：添加扫描点设置值。删除选择键：对扫描点设置值中某点进行删除。删除全部键：对扫描点设置值进行全部删除。确认键：确认当前扫描点设置值，转入频率特性曲线实验界面。关闭打开原理图键2频率特性曲线界面图 2-2-2 虚拟示波器频率特性曲线界面用户在频率特性扫描点设置界面上点击确认键后，将确认当前扫描点设置值，转入频率特性曲线实验界面，见图 2-2-2 所示。点击开始 ，即可按表中规定的角频率值，按序自动产生多种频率信号，画出频率特性曲线。控制区的操作使用（1）显示选择有全部显示 、 闭环幅频特性 、 闭环相频特性、 闭环幅相特性、 开环幅频特性、 开环相频特性 、开环幅相特性、 闭环伯德图 和 开环伯德图九种类型。用户为了便于观察，可以在实验停止或暂停后，从界面右侧的显示选择中，选择所需观察曲线类型，及在界面上将曲线移动