工业自动化控制实验指导书.doc

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1、自动控制原理实验指导书黄永华编莆田学院电子信息工程系2009年3月目录一、 组成和使用二、 使用注意事项实验一 控制系统典型环节的模拟实验二 一阶系统的时域响应及参数测定实验三 二阶系统的瞬态响应分析实验四 典型环节频率特性的测试(选做)实验五 自动控制系统的动态校正(选做)一、 组成和使用1 实验箱的供电实验箱的后方设有带保险丝管（1A）的220V单相交流电源三芯插座，另配有三芯插头电源线一根。箱内设有四只降压变压器，为实验板提供多组低压交流电源。2 一块大型（435mm325mm）单面敷铜印刷线路板，正面印有清晰的各部件及元器件的图形、线条和字符，并焊有实验所需的元器件。该实验板包含着以下

2、各部分内容： （1）正面左下方装有电源总开关一只，控制总电源。 （2）100多个高可靠的自锁紧式、防转、叠插式插座。它们与固定器件、线路的连接已设计在印刷线路板上。这类锁紧式插件，其插头与插座之间的导电接触面很大，接触电阻极其微小（接触电阻0.003，使用寿命10000次以上），在插头插入时略加旋转后，即可获得极大的轴向锁紧力，拔出时，只要沿反方向略加旋转即可轻松地拔出，无需任何工具便可快捷插拔，同时插头与插头之间可以叠插，从而可形成一个立体步线空间，使用起来极为方便。（3）扫频电源采用可编程器件ispLSI1032和单片机AT89C51设计而成，可在15Hz80KHz的全程范围内进行扫频输出

3、，提供11档扫速，亦可选定点频输出。此外还有频标指示，亦可显示输出频率等。扫频电源的使用见实验指导书附录。（4）直流稳压电源提供一路15V和5V直流稳压电源，在电源总开关打开的前提下，只要打开信号源开关，就会有相应的电压输出。（5）信号源本实验箱的信号源包括两部分：阶跃信号发生器和函数信号发生器。 阶跃信号发生器：阶跃信号发生器主要为本实验箱提供单位阶跃信号而设计的。当按下白色按钮时,输出一负的阶跃信号,其幅值约 (-0.9V-2.45V)之间可调。函数信号发生器：函数信号发生器主要是为本实验箱中所需的超低频信号而专门设计的。它由单片集成函数信号发生器ICL8038及外围电路组合而成。其输出频

4、率范围为0.25Hz1.55KHz，输出幅度峰峰值为010VP-P。使用时只要开启“函数信号发生器”开关，此信号源即进入工作状态。两个电位器旋钮用于输出信号的“幅度调节”（左）和“频率调节”（右）。将上面一个短路帽放在1、2两脚处，输出信号为正弦波；将其置于3、4两脚处，则输出信号为三角波；将其置于4、5两脚处，则为方波输出。将下面一个短路帽放在1、2两脚（即“f1”处），调节右边一个电位器旋钮（“频率调节”）则输出信号的频率范围为0.25Hz14KHz；将其置于2、3两脚（即“f2”处），调节“频率调节”旋钮，则输出信号的频率范围为2.7Hz155Hz；将其置于4、5脚（即“f3”处）则输出

5、信号的频率范围为26Hz1.55KHz。（6）频率计 该系统在作频率特性测试实验时，需要用到超低频信号，若用示波器去读，显然很不方便。为了能直观地读出超低频信号的频率，我们采用了一个频率计。它采用单片机编程，能精确、直观地显示小数点后两位。本频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，测频范围为0.1Hz10KHz。只要开启“函数信号发生器”处开关，频率计即进入待测状态。将频率计处开关（内测/外测）置于“内测”，即可测量“函数信号发生器”本身的信号输出频率。将开关置于“外测”，则频率计显示由“输入”插口输入的被测信号的频率。在使用过程中，如遇瞬时强干扰，频率计可能出现死锁

6、，此时只要按一下复位“RES”键，即可自动恢复正常工作。（8）直流数字电压表 直流数字电压表有三个档位。满度为2V量程,20V量程,200V量程，能完成对直流电压的准确测量,测量误差不超过5。（9）交流毫伏表 交流毫伏表有三个档位。满度为200mV量程、2V量程、20V量程。它具有频带较宽（10Hz400KHz）、精度高（不超过5）、数字显示和“真有效值”的特点、即使测试远离正弦波形状的窄脉冲信号，也能测得精确的有效值大小，其适用的波峰因素范围达到10。真有效值交流电压表由输入衰减器、阻抗变换器、定值放大器、真有效值AC/DC转换器、滤波器、A/D转换器和LED显示器组成。输入衰减器用来将大于

7、2V的信号衰减，定值放大器用来将小于200mV的信号放大。本机AC/DC转换由一块宽频带、高精度的真有效值转换器完成，它能将输入的交流信号不论是正弦波、三角波、方波、锯齿波，甚至窄脉冲波，精确地转换成与其有效值大小等价的直流信号，再经滤波器滤波后加到A/D转换器，变成相应的数字信号，最后由LED显示出来。（10）本实验箱附有充足的长短不一的实验专用连接导线一套。二、 使用注意事项1 使用前应先检查各电源是否正常，检查步骤为：（1） 先关闭实验箱的所有电源开关，然后用随箱的三芯电源线接通实验箱的220V交流电源。（2） 开启实验箱上的电源总开关，则开关指示灯被点亮。（3）用万用表的直流电压档（或

8、直接用面板上的直流数字电压表）测量面板上的15V和5V，看是否有正确的电压输出。 （4）开启函数信号发生器开关，则应有信号输出；当频率计打到内测时，应有相应的频率显示。（5）开启交流毫伏表，数码管应被点亮。（6）开启直流数字电压表，数码管应被点亮。 2接线前务必熟悉实验线路的原理及实验方法。 3实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关，严禁带电接线。接线完毕，检查无误后，才可进行实验。 4实验自始至终，实验板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。5实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置到规定的位置。6实验时需用到外

9、部交流供电的仪器，如示波器等，这些仪器的外壳应妥为接地。实验一 控制系统典型环节的模拟一、 实验目的1）、熟悉超低频扫描示波器的使用方法 2）、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路 3）、测量典型环节的阶跃响应曲线 4）、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二、 实验仪器1）、控制理论电子模拟实验箱一台 2）、超低频慢扫描示波器一台 3）、万用表一只三、 实验原理 以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R、C构成。基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得： 由上式

10、可求得由下列模拟电 路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。 1)、比例环节 比例环节的模拟电路如图1-2所示： 图1-1、运放的反馈连接 图1-2 比例环节 2）惯性环节取参考值R1=100K，R2=100K，C=1uF图1-3、惯性环节 3）、积分环节 取参考值R=200K，C=1uF 图1-4、积分环节4）、比例微分环节（PD），其接线图如图及阶跃响应如图1-5所示。参考值R1=200K，R2=410K，C=0.1uF图1-5 比例微分环节 5）、比例积分环节，其接线图单位阶跃响应如图1-6所示。参考值R1=100K R2=200K C=0.1uF 图1-6 比例积分环节 6）、振荡

11、环节，其原理框图、接线图及单位阶跃响应分别如下所示。图1-7 振荡环节原理框图图1-8 振荡环节接线图图1-8为振荡环节的模拟线路图，它是由惯性环节，积分环节和一个反相器组成。根据它们的传递函数，可以画出图1-7所示的方框图，图中欲使图1-8为振荡环节，须调整参数K和T1，使0x1，呈欠阻尼状态。即环节的单位阶跃响应呈振荡衰减形式。四、实验内容与步骤 1、分别画出比例、惯性、积分、微分和振荡环节的电子电路图。1、 按下列各典型环节的传递函数，调节相应的模拟电路的参数。观察并记录其单位阶跃响应波形。1）、比例环节 G1(S)=1和G2(S)=2 2）、积分环节 G1(S)=1/S和G2(S)=1

12、/（0.5S） 3）、比例微分环节 G1(S)=2+S和G2(S)=1+2S 4）、惯性环节 G1(S)=1/(S+1)和G2(S)=1/(0.5S+1) 5）、比例积分环节（PI）G（S）=1+1/S和G（S）=2（1+1/2S）五、注意事项 1）、输入的单位阶跃信号取自实验箱中的函数信号发生器。 2）、电子电路中的电阻取千欧，电容为微法。六、实验报告要求 1）、画出六种典型环节的实验电路图，并注明相应的参数。 2）、画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。 3）、写出实验心得与体会。七、实验思考题 1）、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？

13、 2）、积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节?在什么条件下，又可以视为比例环节？ 3）、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？实验二 一阶系统的时域响应及参数测定一、 实验目的 1）、观察一阶系统在单位阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应。 2）、根据一阶系统的单位阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。二、 实验仪器 1）、控制理论电子模拟实验箱一台。 2）、双踪低频慢扫描示波器一台。 3）、万用表一只。三、 实验原理图2-1为一阶系统的模拟电路图。由该图可知io=i1-i2 根据上式，画出图2-2所示的方框图，其中T=R0C。由图 图2-1一阶系统模拟电路图图2-3一阶系统单位阶跃响应图2-2一阶系统原理框图2-2得： 图2-3为一阶系统的单位阶跃响应曲线。当t = T时，C（T）=1 e-=0.632。这表示当C（t）上升到稳定值的63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T，根据这个原理，由图2-3可测得一阶系统的时间常数T。由上式（1）可知，系统的稳态值为1，因而该系统的跟踪阶跃输入的稳态误差ess = 0。 这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入，但有稳态误差存在。其误差的大小为系统的时间常数T。四、实验内容与步骤 1、根据图2-1所示的模拟电路，调整R0和C的值，使时间常数T=1S和T=0.1S。