自控理論實驗實驗指導書培訓資料(存儲版)

　　

【正文】 模式下觀測；選用正弦信號作為測試信號時，可在Xt顯示模式下觀測。二．實驗內容1．用相平面法分析繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應和穩(wěn)態(tài)誤差。接線完成，經檢查無誤，再給實驗臺上電后，啟動上位機程序，進入主界面。要特別注意，除單個比例環(huán)節(jié)外，對其它環(huán)節(jié)或系統(tǒng)都必須考慮環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的時間常數(shù)，如仍選擇“輸入波形占空比”為50%，那么“輸入波形周期”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)的最大時間常數(shù)的6～8倍。3．利用實驗設備，設計并連接一飽和型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路，利用階躍輸入作測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡，利用該相軌跡分析系統(tǒng)的階躍響應和穩(wěn)態(tài)誤差，并與測得的系統(tǒng)偏差的階躍響應作比較。該系統(tǒng)在（,）：圖中分界線方程為： （6－5）式中為反饋系數(shù)，（＝），增加反饋電阻現(xiàn)象更明顯。（3）利用階躍輸入作為測試信號，觀測和記錄系統(tǒng)在（,）相平面上的相軌跡與e(t)的階躍響應。（2），利用實驗臺上的單元電路UUU1U1U15和U8，設計并連接一飽和型非線性三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。四．附錄1．繼電型非線性三階系統(tǒng).：已知理想繼電型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)為，線性部分的傳遞函數(shù)為。，如不斷減小線性部分增益（、R3的阻值實現(xiàn)），可以使系統(tǒng)的非線性環(huán)節(jié)的軌跡和系統(tǒng)線性部分軌跡不相交，即意味著減小線性部分增益可以使極限環(huán)消失,使系統(tǒng)變?yōu)榉€(wěn)定系統(tǒng)。（3）改變系統(tǒng)模擬電路接線，測取階躍響應，并與軟件仿真結果比較。四．附錄1．典型二階系統(tǒng)全狀態(tài)反饋的極點配置設計方法： (1)被控對象狀態(tài)方程與能控性若被控系統(tǒng)（A、B、C）完全能控，則通過狀態(tài)反饋可以任意配置極點。（3）全狀態(tài)反饋系數(shù)設計取X1，X2，X3為狀態(tài)變量。三．實驗步驟1．采樣控制系統(tǒng)的混合仿真研究方法（1）參閱本實驗附錄1（1），利用實驗設備上的電模擬單元電路U9和U11，設計并連接已知傳遞函數(shù)的連續(xù)被控對象的模擬電路。選擇“采樣時間”為“200Hz/5ms”。（2）在上位機界面上，重新調用“采樣控制”， 固定放大系數(shù)，改變數(shù)字控制器的采樣時間和采樣開關T，觀測采樣控制時間和采樣開關T的變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。先將模擬對象離散化，： （9－2）數(shù)字控制器的脈沖傳遞函數(shù)為： 故閉環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：（9－3）得到閉環(huán)特征方程（9－4）對二階系統(tǒng)，可直接從閉環(huán)極點分布判斷系統(tǒng)穩(wěn)定性，如果極點在單位圓內，則系統(tǒng)是穩(wěn)定的。3．改變該數(shù)字控制器的參數(shù)，觀測參數(shù)變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能的影響。（3）接線完成，經檢查USB通訊線是否接好，啟動上位機程序，進入主界面。⑤以上設置完成后，按“啟動/暫停”鍵啟動實驗或暫停實驗，動態(tài)波形得到顯示，如上述參數(shù)設置合理就可以在主界面中間得到系統(tǒng)的“階躍響應”。采用和實驗4相同的方法，得到的串聯(lián)校正裝置的連續(xù)傳遞函數(shù)為 （10－3）對于，用一階差分近似離散化，以代入，得到校正裝置的離散傳遞函數(shù)為 （10－4）推得串聯(lián)校正數(shù)字控制算法 （10－5）2．具有串聯(lián)校正數(shù)字控制器的采樣控制系統(tǒng)的混合仿真研究 ，圖中虛線框內部分，包括測試信號、校正控制器、采樣開關、數(shù)字控制器和零階保持器等，由上位機和數(shù)據處理系統(tǒng)實現(xiàn)，如式（10－4）所示；而框外部分，即連續(xù)被控對象則采用電路模擬實現(xiàn)。給定Ug由ACCT01A自動控制理論及計算機控制技術的實驗面板上的電源單元U1提供，～15V。參考的試驗參數(shù)為：R0=R1=R2=100KW，R3=100KW，R4=2MW，R5=10KW，C1=1mF，Rf/Ri=1。4．在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號，系統(tǒng)達到無靜差。PID調節(jié)器的輸出作為脈寬調制的輸入信號，經脈寬調制電路產生占空比可調0～100％的脈沖信號，作為對加溫室里電熱絲的加熱信號。（3）經過PID運算調節(jié)器輸出（0～10V）接到ACTWKA面板上溫度的檢測和控制單元的脈寬調制的輸入端Uin兩端，脈寬調制后輸出的電壓作為加溫室里電熱絲加熱的輸入電壓。5．改變給定信號，觀察系統(tǒng)動態(tài)特性。根據實際的設計要求，調節(jié)反饋系數(shù)b，從而調節(jié)輸出電壓。（4）液位測量經壓力變送器檢測水箱里的水壓即水位轉換成電壓輸出信號，作為電壓反饋信號，將液位測量的輸出接到電壓反饋電路的輸入端。脫離實驗設備，本軟件將無法正常使用。：數(shù)據將被保存LabVIEW格式的圖形文件。安裝完成后,執(zhí)行文件為安裝目錄下的“求是教儀”。 預裝軟件： 上位機軟件Microsoft Word 97/2000第三章 功能使用說明3．1 實驗主界面實驗主界面如圖（）所示。橫、縱坐標幅值范圍為10V～10V，XY模式主要用于顯示李沙育圖形等。：橫坐標為采樣通道X值，縱坐標為采樣通道Y值。* 顯示規(guī)格800 X 600 VGA以上，建議使用1024 X 768。3．硬件的安裝步驟（1）關閉PC電源，連接實驗設備與計算機的USB電纜。該附錄對實驗原理作了說明，包括系統(tǒng)的框圖、參考傳遞函數(shù)、電路、典型參數(shù)和參考實驗結果等等。第一章 概 述控制理論實驗上位機程序，是為求是公司生產的自動控制理論實驗裝置配套的上位機控制程序。（1）將ACCT01A面板上U1單元的可調電壓接到Ug；（2）給定輸出接PID調節(jié)器的輸入，這里參考電路中Kd=0，R4的作用是提高PI調節(jié)器的動態(tài)特性。 PID調節(jié)器的輸出作為水泵的輸入信號，經過功率放大后作為水泵的工作電源，從而控制水的流量。4．在閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，外加干擾信號，系統(tǒng)達到無靜差。需注意的是運放的鎖零信號G接－15V。在參數(shù)給定的情況下，經過PID運算產生相應的控制量，使加溫室里的溫度穩(wěn)定在給定值。調節(jié)反饋系數(shù)b=Rf/Ri，從而調節(jié)輸出的電壓Uo。四．實驗內容及步驟，除了實際的模擬對象和轉速計表外，其中的模擬電路由ACCT01A自動控制理論及計算機控制技術實驗板上的運放單元和備用元器件搭建而成。 直流電機調速系統(tǒng)框圖三．實驗原理，它由給定、PID調節(jié)器、電機驅動單元、轉速測量電路和輸出電壓反饋等幾個部分組成。四．附錄1．設計串聯(lián)校正數(shù)字控制算法這里介紹一種常用方法：（1）在已知被控對象連續(xù)傳遞函數(shù)條件下，先按連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正要求設計串聯(lián)校正裝置，得到它的連續(xù)傳遞函數(shù)；（方法參見實驗4附錄）（2）然后用一階差分近似方法，離散化串聯(lián)校正裝置的連續(xù)傳遞函數(shù)，得到該校正裝置的離散傳遞函數(shù)；（3）最后從該校正裝置的離散傳遞函數(shù)，推得串聯(lián)校正數(shù)字控制算法。注意允許的采樣周期最小值為1ms。再將運放的鎖零端“G”與電源單元U1的“15V”相連。二．實驗內容1．根據已知的被控對象的連續(xù)傳遞函數(shù)，按串聯(lián)校正要求設計串聯(lián)校正數(shù)字控制算法。用混合仿真系統(tǒng)研究采樣控制系統(tǒng)，比用電路模擬系統(tǒng)或全數(shù)字仿真系統(tǒng)都優(yōu)越，因為它更接近實際系統(tǒng)。2．采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性研究（1）在上位機界面上，重新調用“采樣控制”，固定采樣時間和采樣開關T，改變數(shù)字控制器的放大系數(shù)，觀測放大系數(shù)變化對采樣控制系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。②硬件按上述接線完后，檢查USB通訊連線是否接好和檢查實驗設備電源是否正常后，如果有問題則請求指導教師幫助。二．實驗內容1．利用實驗設備設計并實現(xiàn)已知被控對象為典型二階連續(xù)環(huán)節(jié)的采樣控制混合仿真系統(tǒng)。X2，X3為狀態(tài)變量，系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)可以表示為被控對象狀態(tài)方程S(A,B,C)：其中 因 ，故狀態(tài)完全可控。以上兩步驟中，測取階躍響應以及系統(tǒng)軟件仿真的具體操作方法請參閱“實驗一”的實驗步驟2和3，這里不再贅述。三．實驗步驟1．典型二階系統(tǒng)（1）參閱本實驗附錄1，對一已知二階系統(tǒng)（）用極點配置方法設計全狀態(tài)反饋系數(shù)。2．飽和型非線性三階系統(tǒng)：：已知飽和型非線性環(huán)節(jié)的描述函數(shù)為，從兩者有無交點可判斷出系統(tǒng)是否存在極限環(huán)振蕩。（4）對兩種方法得到的結果進行比較（5），通過增大R1或R3，減小線性部分增益，用上述實驗方法測量極限環(huán)振蕩的振幅和周期，直至該振蕩現(xiàn)象消失。2．飽和型非線性三階系統(tǒng)的描述函數(shù)法研究（1）參閱本實驗附錄2，用描述函數(shù)法分析飽和型非線性三階系統(tǒng)，求取極限環(huán)振蕩的振蕩頻率與幅值。參考“實驗三”，可利用上位機的“軟件仿真”功能得到該系統(tǒng)線性部分G(jω)的開環(huán)頻率特性(Neguist圖)。可見X1即為－，X2即為－。參閱本實驗附錄2,，利用實驗設備上的單元UUUU1U1U15和U8可連成實驗所需帶速度負反饋的繼電型非線性閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路。④進入實驗設置：首先對實驗參數(shù)進行設置，選擇“測試信號”為“周期階躍信號”，選擇“占空比”為50%，選擇“T/DIV”為“”，選擇“幅值”為“6V”(根據實驗曲線調整大小)，設置“偏移”為“0”。在熟悉上位機界面操作的基礎上，充分利用上位機提供的虛擬示波器與信號發(fā)生器功能。實驗六 非線性系統(tǒng)相平面法一．實驗目的1．學習用相平面法分析非線性系統(tǒng)。實驗時，可以用周期斜坡或正弦信號作為測試信號進行靜態(tài)特性觀測。注意信號頻率的選擇應足夠低，如1Hz。改變U5中的電阻R1（＝R2）的阻值，即可改變死區(qū)特性死區(qū)的寬度Δ，Δ隨R1增大而增大。3．利用實驗設備，設計并連接具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)的模擬電路，完成該環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性測試；并改變參數(shù)，觀測參數(shù)對靜態(tài)特性的影響。按“Start”按鈕啟動實驗，動態(tài)波形得到顯示，直至周期反應過程結束，實驗也自動結束，如設置合理就可以在主界面中間得到反映該非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性的波形。接線完成，經檢查無誤，再給實驗設備上電后，啟動上位機程序，進入主界面。4．完成具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)靜特性的電路模擬研究。，串聯(lián)校正裝置電路的參數(shù)可取R1＝390，R2＝R3＝200，R4＝10，C＝。因為要求 1/s，故令校正后開環(huán)傳遞函數(shù)仍包含一個積分環(huán)節(jié)，且放大系數(shù)為25。②通過對該系統(tǒng)階躍響應的觀察，來完成對其穩(wěn)定性和動態(tài)特性的研究，如何利用實驗設備觀測階躍特性的具體操作方法，可參閱實驗一的實驗步驟2。實驗四 線性系統(tǒng)串聯(lián)校正一．實驗目的1．熟悉串聯(lián)校正裝置對線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)特性的影響。6．分析實驗結果，完成實驗報告。③測試信號01的設置，“幅值”為5（可以根據實驗結果波形來調整），“測試信號”為正弦波。三．實驗步驟1．熟悉實驗設備上的信號源，掌握改變正弦波信號幅值和頻率的方法。這里的Rx可利用模擬電路單元的220K電位器，改變Rx即可改變K2，從而改變K，得到三種不同情況下的實驗結果。4．利用實驗備觀上的模擬電路單元，設計并連接由一個積分環(huán)節(jié)和兩個慣性環(huán)節(jié)組成的三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路（如用UU1U1U10和U8連成）。2．研究典型系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。4．比例微分(PD)環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 、。這樣，實驗中才能觀測到階躍響應的整個過程。接線完成，經檢查無誤，再上電，啟動上位機程序，進入主界面。三．實驗步驟1．熟悉實驗設備，利用實驗臺上的模擬電路單元，參考本實驗附錄設計并連接各種典型環(huán)節(jié)（包括比例、積分、比例積分、比例微分、比例積分微分以及慣性環(huán)節(jié)）的模擬電路。II2為一組A/D輸入，II4為一組A/D輸入，II6為一組A/D輸入，II8為一組A/D輸入。如出現(xiàn) 的情況，軟件仿真就會出錯，必須設法避免。2．運算放大器邊上的鎖零點G接線要正確。單元U7為具有飽和特性的非線性環(huán)節(jié)模擬電路。（2）元器件單元U2單元提供了實驗所需的電容、電阻與電位器，另提供插接電路供放置自己選定大小的元器件。PC微機在實驗中，除了滿足軟件仿真需要外，又可成為測試所需的虛擬儀器、測試信號發(fā)生器以及具有很強柔性的數(shù)字控制器。配備ACCCI實驗臺、上位機（包含相應軟件）、混合仿真有關的實驗必須配備。二．系統(tǒng)構成實驗系統(tǒng)由上位PC微機（含實驗系統(tǒng)上位機軟件）、ACCCI實驗臺、。與上位機一起使用時，可同時使用其中兩個輸入和兩個輸出通道。U9～U16的每個單元內，都有用場效應管組成的鎖零電路和運放調零電位器。鎖零主要用于對電容充電后需要放電的場合，一般不需要鎖零。6．受數(shù)據處理單元的數(shù)據處理速率限制，作頻率特性實驗和采樣控制實驗時，在上位機界面上操作“實驗參數(shù)設置”必須注意頻率點和采樣控制頻率的選擇。實驗一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬與軟件仿真研究一．實驗目的1．通過實驗熟悉并掌握實驗裝置和上位機軟件的使用方法。接線時要注意不同環(huán)節(jié)、不同測試信號對運放鎖零的要求。②硬件接線完畢后,檢查USB口通訊連線和實驗臺電源后，運行上位機軟件程序,如果有問題請求指導教師幫助。⑦按實驗報告需要，將圖形結果保存為位圖文件，操作方法參閱軟件使用說明書。實際PD環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： （供軟件仿真參考）5．慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)、方塊圖、模擬電路和階躍響應慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 其方塊圖、模擬電路和階躍響應，、其中，實驗參數(shù)取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k。三．實驗步驟1．熟悉實驗臺，利用實驗臺上的模擬電路單元，設計并連接由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模