《自动控制原理》实验指导书 深圳大学光电工程学院 2016年12月
《自动控制原理》实验指导书 深圳大学光电工程学院 2016 年 12 月
实验注意事项 实验前U9~U16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(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AD输入和l路D/A输出,具 体采用I~18中哪一个通道,决定于控制箱上的实际连线 5.U3单元的“地”应与其他单元的“地”相连。 6.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ab W(s)bm s+bm-15"- +b.s+ anS+an-15+…+aS+ao 其中 < n≤n 如出现m>n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W(s)=k(1+7)=k+k7s 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。 7.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,在上位机界 面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和釆样控制频率的选择。对于频率特性实验,应满足 ω<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 8.本采集设备的上位机软件,AD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输入,2路D/A输出,对于8路AD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AD输入,I3、I4为一组A/D输入,I5、I6为一组AD输入,I7、I8 为一组AD输入。在这四组A/D输入中,I1、I3、15、I7为每组AD输入中的第一路,I2、I4、I6、 I8为每组A/输入中的第二路。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
1 实验注意事项 1．实验前U9～U16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（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输入和1路D/A输出,具 体采用“I1～I8”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线。 5．U3单元的“地”应与其他单元的“地”相连。 6．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 1 1 10 1 1 10 ... ( ) ... m m m m n n n n b s b s bs b W s as a s as a − − − − + ++ + = + ++ + 其中 n ≤10， m n ≤ 。 如出现 m n > 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W s K Ts K KTs ( ) (1 ) = + =+ 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。 7．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 ω<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5 ms。 8．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。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硏究 实验目的 掌握实验装置和“自动控制理论时域及非线性特性分析”软件的使用方法。 2.熟悉各种典型环节的传递函薮及其特性,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,并硏究参数变化对典型环节阶跃特性的影 3.在软件界面上,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 的仿真研究,并与电路模拟研究的结果作比较。 原理说明 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: Uo(s) 其方块图、模拟电路和阶跃响应,分别如图111、图112和图113所示,于是K=A 实验参数取R0=100k,R1=200k,R=10k CSKA Uds 图1.1.1 图1.1.3
2 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．掌握实验装置和“自动控制理论时域及非线性特性分析”软件的使用方法。 2．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．在软件界面上，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 的仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。 三. 原理说明 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： K U s U s i O = ( ) ( ) 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图 1.1.1、图 1.1.2 和图 1.1.3 所示，于是 0 1 R R K = ， 实验参数取 R0＝100k，R1＝200k，R=10k。 图1.1.2 R1 P + ui R0 - + + R R - + uo uo t 图1.1.3 0 t 图1.1.1 K Ui s Uo s
Uc 图1.2.1 图1.2.3 R 1.2.2 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 o(s) 1 Us) TS 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T=RC, 实验参数取R0=100k,C=1uF,R=10k。 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 K 图1.3.1 图1.3.3 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 K=-, T=RoC 实验参数取R0=200k,R1=200k,C=luF,R=l0k
3 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： U s Ts U s i O 1 ( ) ( ) = 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T = R0C ， 实验参数取 R0＝100k，C＝1uF，R=10k。 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： Ts K U U i O 1 = + 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 0 1 R R K = ，T = R0C 实验参数取 R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。 图 1.2.2 C I + u i R 0 - + + R R - + u o 图1.2.3 0 uo t t 图1.3.3 0 uo t t K Ts 图1.3.1 1 Ui s Uo s Ts 图1.2.1 1 Ui s Uo s
图1.3.2 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:=k(1+7 其方块图和模拟电路分别如图1.4Ⅰ、图142所示。其模拟电路是近似的(即实际PD环节), 取R,R2>R3,则有K=R1+R2rRBC,实验参数取R0=10k,R1=10k,R2=10k,R3 Ro R1+R2 =lK,C=10uF,R=10k。 对应理想的和实际的比例微分(PD)环节的阶跃响应分别如图143a、图143b所示。 []-[-8“0 图 1.4.3 )4 R3 R PD 图1.4.2 图1.4.3b
4 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： K(1 Ts) U U i O = + 其方块图和模拟电路分别如图 1.4.1、图 1.4.2 所示。其模拟电路是近似的（即实际 PD 环节）， 取 1 2 3 R , R >> R ，则有 C R R R R T R R R K 1 2 1 2 0 1 2 , + = + = ，实验参数取 R0＝10k，R1＝10k，R2＝10k，R3 ＝1K，C＝10uF，R=10k。 对应理想的和实际的比例微分(PD)环节的阶跃响应分别如图 1.4.3a、图 1.4.3b 所示。 图1.3.2 PI + ui R0 - R1 + + C R R - + uo 图 1.4.2 PD + ui R0 C - R3 R1 + + R R2 R - + uo Ts 图1.4.1 1 U i s K U o s 图1.4.3a 0 uo t t 图1.4.3b 0 uo t t