自控原理实验指导书Word文档格式.docx
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一、关于串行数据通道接口卡
接口板上扩充了计算机内不具备的一些典型芯片的接口电路,主要包括1组A/D转换接口ADC0809、2组D/A转换接口DAC0832,串行接口芯片MAX232,接口时钟74LS163,译码器74LS138等。
安装时,将实验平台断电后,将接口卡固定于实验平台上。
D/A转换信号DA0和DA1由接口板上的两个插孔引出,其余信号如A/D转换信号IN0~IN3由实验平台的信号引出孔引出。
串行数据通道接口卡上有两个短路子J1、J2,如果做自控实验,则插上两个短路子J1、J2,如果做86实验,则拔掉两个短路子J1、J2。
D/A操作(DAC0832):
在自控理论实验中DA0和DA1通常与模拟系统输入端相连接,其输出信号作为模拟系统的信号源。
D/A输出时,进行I/0口写操作即可。
D/A输出的电压范围为0~5V(86实验)或-2.5v~2.5v(自控实验),对应数据为00H~FFH。
A/D操作(ADC0809):
启动某一A/D通道只需对相应口地址进行写操作即可,启动后,查询EOC状态或延时等待。
A/D转换结束后,计算机即可通过串行口读取单片机寄存器数据得到转换数据。
二、关于自动控制实验平台
CCT3S实验平台由以下各个单元电路构成:
1.电源
实验平台内置开关电源。
开关电源提供+5V/2.5A、+12V/1A、-5V/0.3A、-12V/0.3A。
当220V的50Hz交流电接通后,实验平台上电源和传感器等检测电路中+5V、-5V、+12V、-12V的引线插孔处均带电,供实验与开发使用。
串行数据通道接口卡的电源是通过实验平台上POWER附近的跨线引入的。
2.十六位二进制输入装置
实验平台上有16只自锁式按钮开关K0—K15,配有与之相应的16个发光二极管指示灯和16个引线插孔。
开关按下时,相应发光二极管亮,插孔输出高电平;
开关抬起时,相应插孔输出为低电平,指示灯灭。
3.十六位二进制指示器
实验平台上有16只发光二极管及相应驱动电路,与之对应的D0—D15共16条引线插孔为正逻辑信号输入端,该输入端为高电平时,发光二极管亮。
4.交流信号源
实验平台上提供一个频率和幅度可调的正弦波交流信号源,FSA为频率调整旋钮,DGA为幅度调整旋钮。
频率调节范围:
1KHz—10KHz;
幅度调节范围:
0—5V(有效值)
5.模拟功率驱动器
实验平台上有一个NPN型和一个PNP型的典型晶体管放大电路,Vs+和Vs-为正、负地电源电压的引线插孔,可进行信号放大,功率放大和信号跟随。
出厂时,NPN管为9013,PNP为9012。
6.运算模拟单元电路
实验平台上有10个检测、放大、运算电路。
芯片采用LM324。
工作电源已接±
12V,当R1、R2、R3、R4电阻的引线插孔插入不同电阻或电容时,可进行单、双端检测信号的放大和处理及运算。
7.阻容器件部分
此单元包括所有实验中所用不同阻值的电阻、电容、稳压管。
8.电位计部分
实验平台上提供了1K、10K、500K、1M共4个电位器。
9.集成电路插座
实验平台上提供了一个DIP14插座和一个DIP16插座
三、安全使用注意事项
为有效、安全地使用实验箱,请遵守以下规定。
1.您在将实验箱盖打开后,请用箱体两边的支撑脚将箱盖撑住,避免在进行试验过程中箱盖突然下落将您的手砸伤或损坏仪器设备。
2.禁止将平台上开关电源输出长时间短接。
3.禁止将交流源(~15v)短接,这样将会烧毁实验箱内的交流变压器,并引起火灾。
4.禁止将-5V、-12V连接到指示灯引线插孔输入端。
5.实验中尽量用短线连接,尤其两极放大器、功放电路更要注意。
6.在将导线从引线插孔中拔出时,应捏住导线根部,左右旋转松动后再拔出。
7.在进行炉温控制实验时,应避免炉温超过70℃长时间运等,政治路线则将降低炉体使用寿命;
而且还要小心以免将手烫伤。
8.电机调速实验中应避免直流电机长时间高速旋转。
9.实验中大部分实验设备如数据通道接口板、数据通讯线、实验平台、直流电机扩展板、温控炉扩展板等设备都是精密装置,实验中务必注意正确使用和妥加爱护。
软件使用说明
SAC—ACT软件包是为自动控制原理实验开发的,共包含了十一个实验窗口,提供了良好的人机界面,在实验过程中操作者可通过选择菜单命令而完成一系列的功能,下面详细介绍其使用方法:
1.运行“自动控制原理”,即弹出对话窗口。
2.单击“系统设置”选择串口及打印机。
3.单击“实验选择”,弹出一实验题目清单,单击要做的实验题目,弹出此实验对话框。
4.参数设置:
在命令菜单中,选择“参数设置”命令,则进入参数显示窗口。
(1)采样周期设置:
选中周期项,在参数显示窗口中,“周期”的参数显示处将改变颜色,此时可输入采样周期,按ENTER键确认输入完成,单位为ms。
(2)设定电压设置:
选中“电压”项,在参数显示窗口中,“电压”的参数显示处将改变颜色,此时可输入设定电压,按ENTER键确认输入完成,输入范围为0~2.5v。
(3)采样点数设置:
选中点数项,在参数显示窗口中,“点数”的参数显示处将改变颜色,此时可输入采样点数,按ENTER键确认输入完成。
(4)曲线放大倍数设置:
在“曲线放大”的下拉框内的数字为原曲线放大倍数。
如:
选择“1”则与原曲线的比例是1:
1的关系。
(顺便提一下,再“打印图象”时,应是在曲线放大设置为“1”时打印。
)
此外,某些实验中还有一些与实验相关的参数,设置方法相同。
5、运行观测
在命令菜单中选择“运行观测”命令,计算机给出控制信号,并对系统输出进行采样,在波形显示窗口显示系统输出的波形,按ESC键则中止运行。
6、打印图象
在命令菜单中选择“打印图象”命令,则将波形显示窗口的图象输出到打印机上。
7、帮助
在命令菜单中选择“帮助主题”命令,屏幕将显示出本实验的接线图,实验者可按图接线,若实验有多个接线图,可接Page和Pagedown键翻页。
8、退出实验
选择“退出实验”命令或直接单击关闭窗口,即可退出该实验,返回到主界面菜单,若要退回到WINDOWS系统,再单击“退出实验”或“关闭窗口”。
9、“运行观测”曲线说明:
运行过程中,“红色”曲线代表从D/A口输出给模拟电路的信号状态,其它颜色曲线代表从模拟电路输入到A/D的信号状态。
实验一典型环节及其阶跃响应
一、实验目的
1、学习构成典型环节的模拟电路。
2、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响,并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
二、实验内容
各典型环节的模拟电路及结构图如下:
图1-1-1比例环节电路图
图1-2-1惯性环节电路图
-K
-K/(TS+1)
图1-1-2比例环节结构图
2--2惯性环节结构图
减小漂移电阻
图1-4-1微分环节电路图
图1-3-1积分环节电路图
-TS
-1/TS
图1-4-2微分环节结构图
图1-3-2积分环节结构图
-K(TS+1)
图1-5-2比例微分环节结构图
图1-5-1比例微分环节电路图
比例环节的结构图中:
K=R2/R1
惯性环节的结构图中:
K=R2/R1,T=R2×
C
积分环节的结构图中:
T=R1×
微分环节的结构图中:
T=R2×
比例微分环节的结构图中:
K=R3/R2,T=(R1+R2)C
三、实验步聚
1、将输入端ui与数据通道接口板上的DAO连接、输出端uo与实验平台信号引出区的INO孔连接。
(若无特别声明,其它实验中涉及运放电路板及ui及uo均按此连线,不再赘述)。
2、启动计算机,运行“系统设置”菜单,选择串口。
(若无特别声明,其它实验中均同此,不再赘述。
如不选择,则设为默认值,选择COM1通讯端口)
3、打开“自动控制原理实验系统”,打开“实验选择”菜单,选择“典型环节及其阶跃响应”实验。
4、选择“参数设置”命令,设置采样周期,采样点数和设定电压。
5、选择“运行观测”命令,观察阶跃响应曲线,改变模拟电路参数后,再重新观察阶跃响应曲线的变化。
6、为了更好的观察曲线,再“参数设置”命令中,设置“曲线放大”倍数,“运行观测”。
7、记录波形及数据(保存结果、打印图象)。
8、连接其它模拟电路,重复步骤3、4、5、6
注:
打印图像只有在曲线放大为“1”时打印(其它实验相同)
四、实验报告
1、画出惯性环节、积分环节、比例微分环节的电路图和所记录的响应曲线。
2、由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数,并与值比较。
实验二二阶系统阶跃响应
1、研究二阶系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率ω对系统动态性能的影响。
2、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
图2-1
1/TS
β
图2-2
1、二阶系统模拟电路图示于图2-1
2、二阶系统结构图见图2—2
3、二阶系统闭环传递函数为:
其中T=RC,β=R2/R1
典型二阶系统的闭环传递函数为:
比较以上两式,可得:
由上式可知,改变比值R2/R1,可以改变二阶系统的阻尼比ζ。
今取R1=100K,R2=0~500K(R2由电位器调节),可得实验所需的阻尼比。
电阻R取100K,电容C分别取1μf和0.1μf,可得两个无阻尼自然频率ωn。
1、将图2-1所示模拟电路接好,输入端和输出端分别接DAO和INO。
2、启动计算机,运行“自动控制原理系统”,打开“实验选择”菜单,选择“二阶系统阶跃响应”。
3、选择“参数设置”命令,设置采样周期,采样点数和设定电压。
4、取ωn=10rad/s,即令R=100K,C=1μf;
分别取ζ=0.25、0.5、0.7、1.0、2.0,即取R1=100K,R2分别等于0K、50K、100K、140K、200K、400K。
选择“运行观测”命令,分别测量系统阶跃响应,并记录最大超调量σp%和调节时间ts的数值。
5、为了更好的观察曲线,再“参数设置”命令中,设置“曲线放大”倍数,“运行观测”。
6、取ζ=0.5,即R1=R2=100K;
ωn=100rad/s,即取R=100K,C=0.1μf。
注意:
两电容同时改变,测量系统阶跃响应,并记录最大超调量σp%和调节时间ts。
7、取R=100K,C=1μf,R1=100K,R2=50K,测量系统阶跃响应,记录响应曲线,特别要记录调节时间ts和最大超调量σp%的数值。
8、记录波形及数据。
(保存结果、打印图象)
采样点数超过400时,则计算机将自动计算σp%和ts的值,并将结果显示在屏幕上。
三、实验报告
1、画出二阶系数的模拟电路图,并求参数ζ、ωn的表达式。
2、把不同ζ和ωn条件下测量的σp%和ts值列表,根据测量结果得出相应结论。
3、根据实验步聚画出系统响应曲线,再由ts和σp%计算出传递函数,并与由模拟电路计算的传递函数相比较。
实验三控制系统的稳定性分析
1、观察系统的不稳定现象。
2、研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。
二、实验电路图
1、系统模拟电路图和系统结构图见下面图3—1和图3—2。
图3--1
K1
1/(TS+1)
1/(0.1S+1)
10/S
图3--2
其开环传递函数和闭环传递函数分别为:
式中K1=R3/R2,R2=100K,R3=0~500K;
T=RC,R=100K,C=1μF或C=0.1μF两种情况。
1、连接运放电路板的电源线(±
12V,GND),并将图形所示模拟电路连好,输入端和输出端分别接DA0、IN0。
2、启动计算机,运行“自动控制原理实验系统”,打开“实验选择”菜单,选择“控制系统的稳定性分析”。
3、选择“参数设置”命令,设置采样周期、采样点数和设定电压。
4、输入信号电压设置为1V,C=1μf,改变电位器值,使R3从0→500K渐次变化,此时相应放大倍数K=0→100。
观察输出波形,找出系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值。
再把电位器电阻值由大至小变化,即R3=500K→0,找出系统输出产生等幅振荡时相应的R3及K值。
5、使系统工作在不稳定状态,即工作在等幅振荡情况,电容C由1μ变成0.1μ,观察系统稳定性的变化。
6、记录波形及数据。
1、画出模拟电路图。
2、画出系统增幅或减幅振荡的波形图。
3、计算系统的临界放大系数,并与实验中测得的临界放大系数相比较。
实验四系统频率特性测量
1、加深了解系统频率特性的物理概念。
2、掌握系统频率特性的测量方法。
1、模拟电路图及其结构图分别示图4—1和图4—2。
图4--1
图4--2
2、系统传递函数
取R=200kΩ,则K1=2,
得系统传递函数为:
若输入信号ui(t)=Uisinωt,则在稳态时,其输出信号为uo(t)=Uosin(ωt+Φ)。
改变输入信号角频率ω值,便可测得二组Uo/Ui和Φ随ω变化的数值,这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。
12V,GND),并将图4—1所示模拟电路接好,输入端和输出端分别接DAO和INO。
2、启动计算机,运行“自动控制原理实验系统”,打开“实验选择”菜单,选择“系统频率特性测量”。
3、选择“参数设置”命令,设置角频率。
4、选择“运行观测”命令,测试输出信号,并在波形显示窗口显示输出波形及其幅值和相位差。
5、分别取ω=1,3,5,7,10,15,20,30,40,50,重复第4步。
实验中ω的值可在0.1~80之间任意选择。
调节同步值参数,以使输出波形达到最佳。
6、“运行观测”一组任选的ω值之后,即可选择“波特图”命令,将实验中所测试的各频率点的频率响应在波特图上描绘出来。
“运行观测”的频率点越多,画出的“波特图”越连贯。
输入正弦波幅度为0~1.25V。
1、画出被测系统的模拟电路图,计算其传递函数,根据传递函数绘制波特图。
2、与实测得到的波特图对比,分析测量误差。
实验五连续系统串联校正
1、研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。
2、熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。
二、系统模拟电路图及传递函数
1、串联超前校正:
系统模拟电路图示于图5—1,图中开关K断开对应未校正情况,接通对应超前校正情况。
系统结构图示于图5—2。
图5--1
Gc(S)
图5--2
图中开关K断开时:
Gc(S)=Gc1(S)=2
开关K闭合时:
2、串联滞后校正。
模拟电路图示于图5—3,开关K断开对应未校正状态,接通对应滞后校正情况。
系统结构图示于图5—4。
图中K断开时:
Gc(S)=Gc1(S)=5
K闭合时:
图5--3
1/(0.05S+1)
图5--4
图5--5
1/(0.01S+1)
图5--6
3、串联滞后——超前校正:
模拟电路示于图5—5,双刀开关断开对应未校正状态,接通对应应滞后—超前校正。
系统结构图示于图5—6。
Gc(S)=Gc1(S)=5
开关K闭合时:
Gc(S)=Gc2(S)=
四、实验步聚
1、启动计算机,运行“自动控制原理实验系统”,打开“实验选择”菜单,选择“连续系统串联校正”。
2、将超前校正的模拟电路连接好,并关K放在断开位置。
3、选择“参数设置”命令,设置标定电压、采样周期和采样点数。
4、选择“运行观测”命令,观察曲线,并记录超调量σp%和调节时间ts。
5、接通开关K,重复步骤4。
比较开关K接通和断开的响应曲线有何差别。
6、滞后校正和滞后—超前校正的步骤与此类似,只需将模拟电路连接好即可。
五、实验报告
1、画出所做实验的模拟电路图,系统结构图。
2、给出校正前后的σp%和ts。
3、分析串联超前校正、滞后校正、串联滞后—超前校正对系统性能的影响。
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