自动控制原理实验指导书.docx
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自动控制原理实验指导书
自动控制原理
实验指导书
信息工程学院自动化教研室
目录
目录1
第一章虚拟示波器2
第一节虚拟示波器的类型2
第二节虚拟示波器的使用3
第二章自动控制原理实验5
实验一典型环节的模拟研究5
实验二典型二阶系统瞬态响应和稳定性12
实验三控制系统的频率特性15
实验四系统校正20
实验五典型非线性环节24
附录一LCAACT集成调试环境31
第一节LCAACT软件界面介绍31
第二节第二节88串行监控命令43
第三节LCAACT软件调试46
第四节快速入门48
第一章虚拟示波器
第一节虚拟示波器的类型
虚拟示波器的类型
为了满足自动控制不同实验的要求我们提供了示波器的三种使用方法。
(1)示波器的一般用法
(2)幅频相频示波器的用法
(3)特征曲线的用法
第二节虚拟示波器的使用
一.设置
用户可以根据不同的要求选择不同的示波器,具体设置方法如下:
1.示波器的一般用法:
运行LCAACT程序,点击开始即可当作一般的示波器使用。
2. 实验使用:
运行LCAACT程序,选择‘自动控制/微机控制/控制系统’菜单下的相应实验项目,再选择开始实验,就会弹出虚拟示波器的界面,点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器(B3)单元的CH1、CH2测孔测量波形。
图1-1虚拟示波器的界面
二.示波器的使用
1.示波器的一般使用
图1-2虚拟示波器运行界面
图1-2为普通示波器的界面,只要点击开始,示波器就运行了,此时就可以用实验机上CH1和CH2来观察波形。
CH1和CH2各有输入范围选择开关,当输入电压小于-5v--+5v应选用x1档,如果大于此输入范围应选用x5挡(表示衰减5倍)。
普通示波器中提供了示波和X-Y两种方式,示波就是虚拟一般示波器的功能,X-Y相当于真实示波器中的X-Y选项,如果需要用X-Y功能,只要选中X-Y选项即可。
在示波器运行时(示波方式下)可以调节‘电压量程’‘CH1位移’‘CH2位移’和‘时间量程’。
再次点击开始后,将停止示波器运行,即可进行波形分析和相关的测量(只保存当前实验的波形)。
1.信号幅值测量:
首先应拖动上下滑杆,标定被测信号的电压范围。
在两平行线右边的两个黄色块中的数据表示滑杆所在位置的电压值,在两平行线之间的黄色方块(左边)显示的数据即为所测量信号的幅度值。
2.信号时间测量:
首先应拖动左右滑杆,标定被测信号的时间范围。
在两条垂直线之间的黄色方块显示的数据即为所测量波形的时间值。
3.压缩/扩展波形:
拖动‘时间量程’即可,相应压缩为X2,X4,…,相反方向即为扩展。
4.移动波形:
点击‘前一屏’、‘后一屏’即可移动波形,还可通过中间的‘微调按钮’来调节波形至最佳测量状态。
虚拟普通示波器使用中,本界面还提供了一种更快捷的方式,即在本界面的‘工具栏’中带有‘单迹示波器’项和‘双迹示波器’项。
当点击某一项,将可直接弹出该界面。
‘单迹示波器’项的频率响应要比‘双迹示波器’项高,将可观察频率达140Hz的信号;‘双迹示波器’项只能观察频率为40Hz的信号。
2.示波器的幅频相频使用
该示波器使用专为自动控制原理实验中实验四控制系统的频率特性设计的,所以运行前应完成实验中硬件的连接。
(具体连接参见实验指导书中自动控制原理实验中的实验四)
点击“菜单->自动控制->控制系统的频率特性->幅频特性/相频特性->开始实验”,示波器就运行了,图1-3为其界面(注意:
如果选用幅频相频示波器,‘SST’不能用“短路套”短接!
CH1选‘X5’档!
)
图1-3虚拟示波器幅频相频界面
第二章自动控制原理实验
实验一典型环节的模拟研究
一、实验要求
了解和掌握各典型环节的传递函数及模拟电路图,观察和分析各典型环节的响应曲线。
二、实验原理(典型环节的方块图及传递函数)
典型环节名称
方块
图
传递函数
比例(P)
积分(I)
比例积分(PI)
比例微分(PD)
惯性环节(T)
比例积分微分(PID)
三.实验内容及步骤
在实验中欲观测实验结果时,可用普通示波器,也可选用本实验机配套的虚拟示波器。
如果选用虚拟示波器,只要运行LCAACT程序,选择自动控制菜单下的典型环节的模拟研究实验项目,再选择开始实验,就会弹出虚拟示波器的界面,点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器(B3)单元的CH1测孔测量波形。
具体用法参见用户手册中的示波器部分。
1.观察比例环节的阶跃响应曲线
典型比例环节模似电路如图2-1-1所示。
该环节在A1单元中分别选取反馈电阻R1=100K、200K来改变比例参数。
图2-1-1典型比例环节模似电路
实验步骤:
注:
‘SST’不能用“短路套”短接!
(1)将信号发生器(B1)中的阶跃输出0/+5V作为系统的输入信号(Ui)。
(2)安置短路套、联线,构造模拟电路:
(a)安置短路套
模块号
跨接座号
1
A1
当反馈电阻R1=100K时
当反馈电阻R1=200K时
S4,S7
S4,S8
2
A6
S2,S6
(b)测孔联线
1
信号输入(Ui)
B1(0/+5V)→A1(H1)
运放级联
A1(OUT)→A6(H1)
(3)虚拟示波器(B3)的联接:
示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT(Uo)。
注:
CH1选‘X1’档,CH2置‘0’档。
(4)运行、观察、记录:
按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮时(0→+5V阶跃),用示波器观测A6输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t),且将结果记下。
改变比例参数(改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1),重新观测结果,其实际阶跃响应曲线见表2-1-1。
2.观察惯性环节的阶跃响应曲线
典型惯性环节模似电路如图2-1-2所示。
该环节在A1单元中分别选取反馈电容C=1uf、2uf来改变时间常数。
图1-1-2典型惯性环节模似电路
实验步骤:
注:
‘SST’不能用“短路套”短接!
(1)将信号发生器(B1)中的阶跃输出0/+5V作为系统的信号输入(Ui)。
(2)安置短路套、联线,构造模拟电路:
(a)安置短路套
模块号
跨接座号
1
A1
当反馈电容C=1uf时
当反馈电容C=2uf时
S4,S8,S10
S4,S8,S11
2
A6
S2,S6
(b)测孔联线
1
信号输入(Ui)
B1(0/+5V)→A1(H1)
2
运放级联
A1(OUT)→A6(H1)
(3)虚拟示波器(B3)的联接:
示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT(Uo)。
注:
CH1选‘X1’档,CH2置‘0’档。
(4)运行、观察、记录:
按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮时(0→+5V阶跃),用示波器观测A6输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t),且将结果记下。
改变时间常数(改变运算模拟单元A1的反馈反馈电容C),重新观测结果,其实际阶跃响应曲线见表2-1-1。
3.观察积分环节的阶跃响应曲线
典型积分环节模似电路如图2-1-3所示。
该环节在A1单元中分别选取反馈电容C=1uf、2uf来改变时间常数。
图2-1-3典型积分环节模似电路
实验步骤:
(1)为了避免积分饱和,将函数发生器(B5)所产生的周期性方波信号(OUT),代替信号发生器(B1)中的阶跃输出0/+5V作为系统的信号输入(Ui):
a.将函数发生器(B5)中的插针‘SST’用短路套短接。
b.将S1拨动开关置于最上档(阶跃信号)。
c.信号周期由拨动开关S2和“调频”旋钮调节,信号幅度由“调幅”旋钮调节,
以信号幅值小,信号周期较长比较适宜(频率在0.3Hz左右,幅度在1V左右)。
(2)安置短路套、联线,构造模拟电路:
(a)安置短路套
模块号
跨接座号
1
A1
当反馈电容C=1uf时
当反馈电容C=2uf时
S4,S10
S4,S11
2
A6
S2,S6
(b)测孔联线
1
信号输入(Ui)
B1(0/+5V)→A1(H1)
2
运放级联
A1(OUT)→A6(H1)
(3)虚拟示波器(B3)的联接:
示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT(Uo)。
注:
CH1选‘X1’档,CH2置‘0’档。
(4)运行、观察、记录:
按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮时(0→+5V阶跃),用示波器观测A6输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t),且将结果记下。
改变时间常数(改变运算模拟单元A1的反馈反馈电容C),重新观测结果,其实际阶跃响应曲线见表2-1-1。
4.观察比例积分环节的阶跃响应曲
典型比例积分环节模似电路如图2-1-4所示.。
该环节在A5单元中分别选取反馈电容C=1uf、2uf来改变时间常数。
图2-1-4典型比例积分环节模似电路
实验步骤:
(1)为了避免积分饱和,将函数发生器(B5)所产生的周期性方波信号(OUT),代替信号发生器(B1)中的阶跃输出0/+5V作为系统的信号输入(Ui):
a.将函数发生器(B5)中的插针‘SST’用短路套短接。
b.将S1拨动开关置于最上档(阶跃信号)。
c.信号周期由拨动开关S2和“调频”旋钮调节,信号幅度由“调幅”旋钮调节,
以信号幅值小,信号周期较长比较适宜(频率在0.3Hz左右,幅度在1V左右)。
(2)安置短路套、联线,构造模拟电路:
(a)安置短路套
模块号
跨接座号
1
A5
当反馈电容C=1uf时
当反馈电容C=2uf时
S4,S8
S4,S9
2
A6
S2,S6
(b)测孔联线
1
信号输入(Ui)
B1(0/+5V)→A5(H1)
2
运放级联
A5(OUT)→A6(H1)
(3)虚拟示波器(B3)的联接:
示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT(Uo)。
注:
CH1选‘X1’档,CH2置‘0’档。
(4)运行、观察、记录:
按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮时(0→+5V阶跃),用示波器观测A6输出端(Uo)的实际响应曲线U0(t),且将结果记下。
改变时间常数(改变运算模拟单元A5的反馈反馈电容C),重新观测结果,其实际阶跃响应曲线见表2-1-1。
★由于虚拟示波器(B3)的频率限制,在作比例积分实验时所观察到的现象不明显时,可适当调整参数。
调整方法如下:
将R0=200K调整为R0=430K或者R0=330K,以此来延长积分时间,将会得到明显的效果图。
(可将运算模拟单元A5的输入电阻的短路套(S4)去掉,将可变元件库(A7)中的可变电阻跨接到A5单元的H1和IN测孔上,调整可变电阻继续实验。
)
5.观察比例微分环节的阶跃响应曲线
典型比例微分环节模似电路如图2-1-5所示。
该环节在A2单元中分别选取反馈电阻R1=10K、20K来改变比例参数。
图2-1-5典型比例微分环节模拟电路
实验步骤:
(1)为了避免积分饱和,将函数发生器(B5)所产生的周期性方波信号(OUT),代替信号发生器(B1)中的阶跃输出0/+5V作为系统的信号输入(Ui):
a.将函数发生器(B5)中的插针‘SST’用短路套短接。
b.将S1拨动开关置于最上档(阶跃信号)。
c.信号周期由拨动开关S2和“调频”旋钮调节,信号幅度由“调幅”旋钮调节,
以信号幅值小,信号周期较长比较适宜(频率在9Hz左右,幅度在400mv左右)。
(2)安置短路套、联线,构造模拟电路:
(a)安置短路套
模块号
跨接座号
1
A2
当反馈电阻R1=10K时
当反馈电阻R1=20K时
S1,S7,S9
S1,S8,S9
2
A6
S2,S6
(b)测孔联线
1
信号输入(Ui)
B5(OUT)→A2(H1)
2
运放级联
A2(OUT)→A6(H1)
(3)虚拟示波器(B3)的联接:
示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT(Uo)。
注:
CH1选‘X1’档,CH2置‘0’档。
(4)运行、观察、记录:
按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮时(0→+5V阶跃),用示波器观测A6输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t),且将结果记下。
改变比例参数(改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1),重新观测结果,其实际阶跃响应曲线见表2-1-1.。
注意:
该实验由于微分的时间太短,如果用虚拟示波器(B3)观察,必须把波形扩展到最大,但有时仍无法显示微分信号。
因此,建议用一般的示波器观察。
6.观察PID(比例积分微分)环节的响应曲线
PID(比例积分微分)环节模似电路如图2-1-6所示。
该环节在A2单元中分别选取反馈电阻R1=10K、20K来改变比例参数。
图2-1-6PID(比例积分微分)环节模似电路
实验步骤:
(1)为了避免积分饱和,将函数发生器(B5)所产生的周期性方波信号(OUT),代替信号发生器(B1)中的阶跃输出0/+5V作为PID环节的信号输入(Ui):
a.将函数发生器(B5)中的插针‘SST’用短路套短接。
b.将S1拨动开关置于最上档(阶跃信号)。
c.信号周期由拨动开关S2和“调频”旋钮调节,信号幅度由“调幅”旋钮调节,
以信号幅值小,信号周期较长比较适宜(频率在9HZ左右,幅度在400mv左右)。
(2)安置短路套、联线,构造模拟电路:
(a)安置短路套
模块号
跨接座号
1
A2
当反馈电阻R1=10K时
当反馈电阻R1=20K时
S1,S7
S1,S8
2
A6
S2,S6
(b)测孔联线
1
信号输入(Ui)
B5(OUT)→A2(H1)
2
运放级联
A2(OUT)→A6(H1)
(3)虚拟示波器(B3)的联接:
示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT(Uo)。
注:
CH1选‘X1’档,CH2置‘0’档。
(4)运行、观察、记录:
用示波器观测A6输出端(Uo)的实际响应曲线Uo(t),且将结果记下。
改变比例参数(改变运算模拟单元A2的反馈电阻R1),重新观测结果。
其实际阶跃响应曲线见表2-1-1.。
★注意:
该实验由于微分的时间太短,如果用虚拟示波器(B3)观察,必须把波形扩展到最大,但有时仍无法显示微分信号。
因此,建议用一般的示波器观察。
(本节中所有实验图形都是由TEK数字示波器观察得到的,仅供参考)。
表2-1-1典型环节的阶跃响应曲线
典型环节
传递函数参数与模拟电路参数关系
单位阶跃响应
实际阶跃响应曲线
一、
比例
二、
惯性
三、
积分
C=
2UF
四、
比例
积分
C=
2uF
五、
比例微分
六、
比例微分积分
理想:
表2-1-1
实验二典型二阶系统瞬态响应和稳定性
一、实验要求
了解和掌握典型二阶系统的传递函数和模拟电路图。
观察和分析典型二阶系统在欠阻尼,临界阻尼,过阻尼的响应曲线。
二、实验原理
典型二阶系统的方块图及传函数
图2-2-1是典型二阶系统原理方块图,其中T0=1S,T1=0.1S,K1分别为10、5、2.5、1。
图2-2-1典型二阶系统原理方块图
开环传函:
G(S)=K1/S(T1S+1)=K1/S(0.1S+1)
闭环传函:
三.实验内容及步骤
在实验中欲观测实验结果时,可用普通示波器,也可选用本实验机配套的虚拟示波器。
如果选用虚拟示波器,只要运行LCAACT程序,选择自动控制菜单下的典型系统瞬态响应和稳定性实验项目,再选择开始实验,就会弹出虚拟示波器的界面,点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器(B3)单元的CH1测孔测量波形。
具体用法参见第一章虚拟示波器部分。
1.典型二阶系统瞬态性能指标的测试
典型二阶系统模似电路见图2-2-2。
该环节在A3单元中改变输入电阻R来调整衰减时间。
图2-2-2典型二阶系统模似电路图
实验步骤:
注:
‘SST’不能用“短路套”短接!
(1)用信号发生器(B1)的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号(Ui):
B1单元中电位器的左边K3开关拨下(GND),右边K4开关拨下(0/+5V阶跃)。
(2)安置短路套、联线,构造模拟电路:
(a)安置短路套
模块号
跨接座号
1
A1
S4,S8
2
A2
S2,S10
3
A3
当输入电阻R=10K时
当输入电阻R=39K时
当输入电阻R=100K时
S1,S8,S10
S2,S8,S10.
S4,S8,S10
(b)测孔联线
1
信号输入r(t)
B1(Y)→A1(H1)
2
运放级联
A1(OUT)→A2(H1)
3
运放级联
A2(OUT)→A3(H1)
4
负反馈
A3(OUT)→A1(H2)
(3)虚拟示波器(B3)的联接:
示波器输入端CH1接到A3单元信号输出端OUT(C(t))。
注:
CH1选‘X1’档,CH2置‘0’档。
(4)运行、观察、记录:
阶跃信号输出(B1-2的Y测孔)调整为2V,按下B1按钮,用示波器观察在三种情况下A3输出端C(t)的系统阶跃响应,并记录超调量MP,峰值时间tp和调节时间ts。
并将测量值和计算值(实验前必须按公式计算出)进行比较。
参数取值及响应曲线,详见表2-2-1。
★注意:
在作欠阻尼阶跃响应实验时,由于虚拟示波器(B3)的频率限制,无法很明显的观察到正确的衰减振荡图形,此时可适当调节参数。
调节方法:
减小运算模拟单元A3的输入电阻R=10K的阻值,延长衰减时间(参考参数:
R=2K)。
(可将运算模拟单元A3的输入电阻的短路套(S1/S2/S4)去掉,将可变元件库(A7)中的可变电阻跨接到A3单元的H1和IN测孔上,调整可变电阻继续实验。
)
★在作该实验时,如果发现有积分饱和现象产生时,即构成积分或惯性环节的模拟电路处于饱和状态,波形不出来,请人工放电。
放电操作如下:
函数发生器(B5)中插针‘STS’用短路套短接,将S1的波段开关置于最顶端(阶跃档),等待十秒钟后,然后将‘STS’的短路套拔下。
表2-2-1二阶系统在三种情况(欠阻尼,临界阻尼,过阻尼)下的阶跃相应曲线
参数
项目
R
K(1/S)
Wn
(1/S)
MP(%)
tp(S)
ts(S)
实测阶跃相应曲线
测量值
计算值
测量值
计算值
测量值
计算值
0<
<1
欠阻尼阶跃响应为衰减振荡
10
10
10
1.2
1
20
25
0.4
0.36
0.75
0.8
=1
临界阻尼阶跃响应为单调指数曲线
40
2.5
5
1
——
1
——
——
1.15
>1
过阻尼响应为单调指数曲线
100
1
——
1
——
——
15
15.6
注意:
为图形统一,所以提供的图形都是向上振荡的但该实验实际情况是当阶跃信号键按下时向下振荡,按键抬起时向上振荡。
实验三控制系统的频率特性
一、实验要求
了解和掌握控制系统的频率特性,学会测量开环对数幅频曲线和相频曲线。
二、实验原理
被测系统的方块图见图2-3-1。
图2-3-1被测系统方块图
系统(环节)的频率特性G(jw)是一个复变量,可以表示成以角频率w为参数的幅值和相角:
G(jω)=|G(jω)|/G(jω)(2-3-1)
图2-3-1所示系统的开环频率特性为:
(2-3-2)
采用对数幅频特性和相频特性表示,则式(2-3-2)表示为:
三.实验内容及步骤
如果选用虚拟示波器,只要运行LCAACT程序,选择自动控制菜单下的控制系统的频率特性实验项目,再选择开始扫频实验,就会弹出虚拟示波器的界面,点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器(B3)单元的CH1测孔测量波形。
具体用法参见实验指导书第一章虚拟示波器部分,退出时应按屏幕提示进行。
1.用‘扫频法’测量系统的对数幅频曲线和相频曲线
本实验将数/模转换器(B2)单元作为信号发生器,产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化(0.5Hz~64Hz),施加于被测系统的输入端[r(t)],然后分别测量被测系统的输出信号的对数幅值和相位,数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。
A.测量系统的开环对数幅频曲线和相频曲线。
被测系统的模拟电路图见图2-3-2。
图2-3-2被测系统的模拟电路图
实验步骤:
注:
‘SST’不能用“短路套”短接!
CH1选‘X5’档!
(1)将数/模转换器(B2)输出OUT2(信号频率范围为0.5Hz~64Hz)作为系统输入。
(2)安置短路套、联线,构造模拟电路:
(a)安置短路套
模块号
跨接座号
1
A1
S2,S6
2
A6
S4,S7,S9
(b)测孔联线
1
信号输入
B2(OUT2)→A1(H1)
2
运放级联
A1(OUT)→A6(H1)
(3)虚拟示波器(B3)的联接:
A6单元信号输出端OUT接CH1,CH1选‘X5’档。
(4)运行、观察、记录:
a.用示波器观察系统各环节波
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- 自动控制 原理 实验 指导书