自动控制原理实验指导书B.docx
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自动控制原理实验指导书B
自动控制原理
实验指导书(B)
自动化与电气教学研究实验中心
2015年4月
目录
概述...........................................................................................................1基本要求与注意事项..................................................................................2
一、安全操作守则............................................2二、预习要求................................................2三、出勤要求................................................2第一部分实验系统操作指导....................................................................3
1.1电子模拟机...........................................................................................................4
1.2数据采集卡...........................................................................................................5
1.3数字计算机...........................................................................................................5
1.4实验导线...............................................................................................................5
2电路基础知识..............................................5
2.1运算放大器...........................................................................................................5
2.2电阻的测量...........................................................................................................8
2.3常见问题的排除方法...........................................................................................8
3实验系统软件介绍..........................................9
3.1MATLAB简介......................................................................................................9
3.2实验系统软件使用.............................................................................................113.3研究性实验方法.................................................................................................12第二部分自动控制原理实验指导..........................................................13
实验一一、二阶系统的电子模拟及时域响应的动态测试..........13
一、实验目的............................................................................................................13二、实验内容............................................................................................................13三、实验设备............................................................................................................13四、预习要求............................................................................................................14
自动控制原理实验指导书
五、实验原理............................................................................................................14六、实验步骤............................................................................................................16七、注意事项............................................................................................................16八、实验报告要求....................................................................................................17九、课后思考题........................................................................................................17十、参考资料............................................................................................................17实验二频率响应测试........................................18
一、实验目的............................................................................................................18二、实验内容............................................................................................................18三、实验设备............................................................................................................19四、预习要求............................................................................................................19五、实验原理............................................................................................................20六、实验步骤............................................................................................................21七、注意事项............................................................................................................22八、实验报告要求....................................................................................................22九、课后思考题........................................................................................................22十、参考资料............................................................................................................22实验三控制系统串联校正....................................23
一、实验目的............................................................................................................23二、实验内容............................................................................................................23三、实验设备............................................................................................................23四、预习要求............................................................................................................24五、实验原理............................................................................................................24六、实验步骤............................................................................................................25七、注意事项............................................................................................................25八、实验报告要求....................................................................................................25九、课后思考题........................................................................................................26十、参考资料............................................................................................................26
附件1实验报告模板.............................................................................27
概述
北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院自动化与电气教学实验中心是国家
211工程建设项目、校级实验教学示范中心,其中的自动控制原理实验室面向全校开放,承担全校自动控制原理的本科生实验课教学。
本实验指导书所涉及的自动控制原理实验采取半实物仿真方式实现。
半实物仿真一般是把数学模型、实体模型和系统的实际设备联系在一起进行运行,组成仿真系统。
而在对此系统进行仿真时,因有实物介入仿真回路,要求仿真是实时进行的,仿真机必须在与真实系统同步的条件下,获取动态的输入信号,并实时地产生动态的输出响应。
半实物仿真已经成为国防、工程领域内一种应用广泛的仿真技术,从某种程度上讲半实物仿真技术已经成为其整体科学技术水平的体现和代表。
半实物仿真技术在一般的工业控制中更为常见,其控制器可以由计算机实现,将控制对象作为实物直接放置在仿真回路中,构造起半实物仿真系统。
实验系统硬件部分包括电子模拟机、数据采集板和数字计算机。
电子模拟机用来实现系统模型(实物部分),数据采集板用来完成数字量及模拟量的转换以及信号的产生和数据的采集和处理,数字计算机用来实现综合的实验软件管理以及算法。
实验系统软件部分借助MATLAB软件实现,包括信号源的产生、数据的采集、控制算法和系统模型。
自动化与电气教学实验中心自行开发了PCI数据采集板在MATLAB下的驱动程序,可实现在MATLAB下实时的数据输出和采集,该驱动程序是整个实验系统的核心。
基于半实物仿真技术的自动控制原理实验,倡导的是自主性和研究性的实验方法,
实验分为基本实验内容和研究性实验内容两种。
基本实验内容可以完成设定的实验包括:
典型环节实验、频率特性测试、控制系统串联校正、PID控制器、状态反馈与观测器、采样系统研究实验、非线性环节实验等多种控制理论实验。
研究性实验则非常灵活,借助硬件驱动可实现基本的数据的输入输出,MATLAB可实现控制算法和系统模型的构建,两者的结合可实现任何的实验系统,达到实验者进行相应控制理论研究的目的。
实验者可在根据自身情况选择实验方式和方法。
自动控制原理实验以学生自主实验为主,教师指导为辅,因此要求学生实验前应完成相关部分的理论课程学习,具备一定的MATLAB基础,并进行提前预习!
基本要求与注意事项
一、安全操作守则
1.首次进入实验室参加实验的学生应认真听取实验指导教师对于安全内容的介绍。
2.实验室总电源由指导教师负责,学生不得擅自接触。
3.严禁携带易燃、易爆等危险品进入实验室。
4.禁止携带食物进入实验室,实验过程中需妥善保管好水杯、饮料瓶等容器。
5.严禁带电接线、拆线、接触带电裸露部位。
6.各种仪表、设备在使用前应先确认其工作正常,若实验过程中出现问题或发生故障,应及时切断电源并按照实验指导书实验系统操作指导2.3节内容自行排错,或者报告指导教师,严禁自行拆解实验设备。
7.实验室内禁止打闹、大声喧哗、乱扔杂物以及其它不文明行为。
8.实验开始后,学生不得远离实验装置或做与实验无关的事。
9.学生完成实验后,报告指导教师检查实验数据或结果,待指导教师确认无误后,方可拆除实验线路,关闭各种仪表、设备,将其摆放整齐,并整理实验台桌椅。
10.实验结束后,学生整理好各自携带物品方可离开。
二、预习要求
实验课前,学生需要认真阅读《自动控制原理实验指导书》概述部分,了解课程重要性与基本实验方式,同时就实验系统操作指导的内容进行预习,掌握实验系统组成与基本操作方法。
学生每次实验前需要认真复习自动控制原理、电路等相关知识,并对当次实验进行预习,完成预习思考、模拟电路设计、控制器设计等相关内容。
三、出勤要求
学生须按照实验中心网站上选定的实验时间出勤并独立完成实验。
如不能按时实验,需要课前提交医院、团委等单位确认盖章的请假条,否则一律按旷课处理。
实验课后根据要求及时撰写实验报告,并于一周内通过实验中心网站上传。
第一部分实验系统操作指导
自动控制原理实验采用半实物仿真方式,实验用的混合仿真系统主要由三部分组成:
数字仿真计算机(数字计算机)、模拟仿真设备(电子模拟机)、数模转换设备(数据采集板)。
数字计算机是一台通用微机,内存大,计算速度快,包括Windows操作系统、MATLAB(带Simulink和Real-TimeWorkshop以及相关工具箱)、数据库、用户界面开发软件等。
电子模拟机是以多个运算放大器为核心的集成电路板,包括各种电路控制器件,可以搭建各种控制对象。
数模转换设备也是一个重要的组成部分,因被测设备的千差万别,系统中可以重点考虑通常情况下的A/D、D/A转换设备,当被测信号特殊时,可以设计专用的信号输入转换设备。
本系统采用A/D、D/A转换设备,具有如下功能:
10路12位模数转换器A/D端口,2路12位数模转换器D/A端口,1路16位数字量输入DI端口,2路16位数字量输出DO端口。
系统实物图和硬件结构图分别如图1.0.1、图1.0.2所示。
1.1电子模拟机
HHMN-1型电子模拟机用来对控制系统实现电子模拟,通过在电子模拟机上搭接模
拟电路的方法来实现各种典型环节和控制系统的传递函数,电子模拟机如图1.1.1所示。
图1.1.1电子模拟机示意图
电子模拟机以积分器和加法器为基础,分为九个单独的运算放大器模块,配置了二极管、电位计、分压器、电阻、电容等部件,每个运放模块都相互独立,如果各部件之间有黑线连接则说明是连通的,不再需要导线连接,相反则需要用导线进行连接使用。
模拟机后面有一个37针D型头接口和计算机内的数据采集板进行连接通信,模拟机上所有的共地点都已经连好,不再需要连接。
模拟机右侧有10路A/D(模拟量输入采集),
2路D/A(模拟量输出)的插孔,实验者可根据实验要求自行连接。
在进行系统的输入输出端和模拟机接口进行连接时,应特别小心,不要接错,在连接好了以后要请老师检查后再接通电源。
模拟机右侧配有一个红色按钮,是电容放电(复位)按钮,每次开始实验采集数据前均要按下“复位”键,使每个积分器反馈回路中的电容通过按键的a、b接点放电,消除电容上的残余电荷,从而提高重复运算的精度,尽量消除零点和积分飘移对系统的影响,复位电路如图1.1.2所示。
图1.1.2模拟机电容复位电路
1.2数据采集卡
数据采集卡可用于完成数字量和模拟量之间的相互转换,并可模拟量和数字量的输入输出。
实验室所采用的是基于PCI总线的多功能模入模出接口卡,本卡具有12位精度的A/D和D/A,同时具备16位数字量输入和16位数字量输出。
1.3数字计算机
在该混合仿真系统中,数字机主要用于被测设备仿真模型库的建立、控制仿真程序的运行和用户界面程序、仿真结果的分析和判断等。
1.4实验导线
实验中所使用的导线,是一次压制成型的,导线插头采用自锁紧方式,插头插入后顺时针方向旋转一定角度即可锁紧,拔除时逆时针方向旋转后方可拔出,严禁拉着导线拔出,这样容易造成导线不易发现的损坏,给实验带来不必要的麻烦,同时造成财产的损失。
另外,不可以带电插拔导线。
2电路基础知识
实验过程中,通过在电子模拟机上搭建模拟电路实现各种典型环节或系统的传递函数,作为被控对象进行系统分析与研究。
因此,实验过程中涉及一些电路的基础知识,这里做简单介绍。
2.1运算放大器
运算放大器是一种用来完成各种数学运算的元件,如进行反号、加法和积分运算。
运算放大器是一种直流放大器,它具有很高的增益,因此从放大器的输出端到反相输入端需要负反馈以保证放大器的稳定。
运算放大器有两个输入端和一个输出端,通常所使用的是运放带(-)号的反相输入端,不可使用带(+)号的同相输入端。
所以要注意运算放大器的极性,一个运算放大器将改变一次代数符号,尤其在使用多个运算放大器连接单位负反馈时一定不要接错。
模拟机上配备的运算放大器芯片技术资料如下:
图1.2.1op07管脚图图1.2.2典型电路主要电特性:
1输入失调电压:
85μV
2输入失调电压温飘:
0.5μV/℃
3输入电阻:
33MΩ
4电压增益:
400V/mV
5增益带宽积:
0.6MHz
6电源电压:
±22V⑦输出电压:
±11V
典型环节的传递函数及其模拟电路:
1比例放大环节
Y
s()R传递函数Xs()KKR2
模拟运算电路
2积分环节
Ys()1
传递函数Xs()TsTRC1
模拟运算电路
3一阶惯性环节
Ys()KR2
传递函数Xs()TRCKR1
④求和
传递函数Ys()KXs11()KXs22()
R
K13
R1
R
K23
R2
模拟运算电路
模拟运算电路
5
比例—积分环节
Ys()R
传递函数Xs()K1TRC1T2(RRC12)KR12
模拟运算电路
6比例—微分环节
Ys()Ts1RRRR
传递函数KdTdR423CTRC4K2
Xs()Ts1R2R3R1
模拟运算电路
2.2电阻的测量
使用数字万用表测量电阻阻值时,应当注意以下几个方面:
首先应使用与希望值相接近的电阻量程;其次测量电阻时,要将模拟机的电源关上,带电测量电阻量出的阻值是不准确的;第三,在测量电阻时一定要尽量保证对电阻进行单独测量,将电阻两端的导线拔去后,直接测量电阻的两端,以免受到其它电子元件的影响。
2.3常见问题的排除方法
问题一(使用不当):
由于运算放大器通常需要搭成负反馈,以保证其工作稳定,因此在选择电阻和电容时,一定要注意不能够单独使用运算放大器输出端的电阻和电容
(如图1.2.3所示方框内的部分)。
图1.2.3运算放大器连接电路图
问题二(导线损坏):
检查导线是否损坏的方法是使用万用表测量每根导线,察看每一根导线是否连通。
问题三(运放损坏):
判断运算放大器是否
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- 自动控制 原理 实验 指导书