机电控制工程基础实验实验指导书

1 概概 述述 一、实验系统功能特点一、实验系统功能特点 1系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级与高级 实验的需要。只配备 ACT-I 实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完 成部分基本实验。要完成与软件仿真、混合仿真有关的实验，则必须配备 上位机（包含相应软件）及并口通讯线。 2ACT-I 实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性与高 阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节或 系统。此外，ACT-I 实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输 出以及和上位机的通讯。 3配备 PC 微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学 实验。系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。PC 微机在实验中，除 了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟示波器、测试信号发生 器以及具有很强柔性的数字控制器。 4 系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。 除了指导书所提供的 10 个实验外，还可自行设计实验。 5增加选件（如 MCL13 或 MCL14）后，可构成综合性很强的以感 应电机或直流方波无刷电机为具体控制对象的研究型高级实验系统。 二、系统构成二、系统构成 实验系统由上位 PC 微机（含实验系统上位机软件） 、ACT-I 实验箱、 并行通讯线等组成。ACT-I 实验箱内装有以 ADC812 芯片（含数据处理 系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过并口与 PC 微机连接。 1实验箱 ACT-I 简介 ACT-I 控制理论实验箱主要由电源部分 U1 单元、信号源部分 U2 单元、 与 PC 机进行通讯的数据处理 U3 单元、 元器件单元 U4、非线性单元 U5U7 以及模拟电路单元 U8U16 等共 16 个单元组成，详见附图。 (1) 电源单元 U1 包括电源开关、保险丝、5V、5V、15V、15V、0V 以及 1.3V15V 可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。 2 (2) 信号源单元 U2 可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物 线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周 期锁零信号。 该单元面板上配置的拨键拨键 S1S1 和和 S2S2 用于周期阶跃、斜坡、抛物线信号 的频率段选择，可有以下 4 种状态： S1S1 和和 S2S2 均下拨均下拨输出信号周期的调节范围为 260ms； S1S1 上拨、上拨、S2S2 下拨下拨输出信号周期的调节范围为 0.26s； S1S1 下拨、下拨、S2S2 上拨上拨输出信号周期的调节范围为 20600ms； S1S1 和和 S2S2 均上拨均上拨输出信号周期的调节范围为 0.167s； 另有电位器电位器 RP1RP1 用于以上频率微调。 电位器电位器 RP2RP2、RP3RP3 和和 RP4RP4 依次分别用于周期阶跃、斜坡与抛物线信号的 幅值调节。在上述 S1 和 S2 的 4 种状态下，阶跃信号的幅值调节范围均为 014V；除第三种状态外，其余 3 种状态的斜坡信号和抛物线信号的幅值 调节范围均为 015V；在第三种状态时，斜坡信号的幅值调节范围为 010V，抛物线信号的幅值调节范围为 02.5V。 信号单元面板上的拨键拨键 S3S3 用于正弦信号的频率段的选择：当 S3S3 上拨上拨 时输出频率范围为 140Hz14KHz；当 S3S3 下拨下拨时输出频率范围为 2160Hz。 电位器电位器 RP5RP5 和和 RP6RP6 分别用于正弦信号的频率微调和幅值调节，其幅值 调节范围为 0-14V。 (3) 数据处理单元 U3 内含以 ADC812 为核心组成的数据处理卡（含软件） ，通过并行口与 上位 PC 进行通讯。内部包含 6 路 A/D 采集输入通道（I1I6）和两路 D/A 输出通道（O1 和 O2） ，以及与该两路 D/A 输出通道同步的运算放大器锁零 用信号（G1 和 G2） 。与上位机一起使用时，可同时使用其中两个输入和两 个输出通道。结合上位机及其软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生 器以及数字控制器功能。 (4) 元器件单元 U4 单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器，另提供插接电路供放置 自己选定大小的元器件。 (5) 非线性环节单元 U5、U6 和 U7 U5，U6，U7 分别用于构成不同的典型非线性环节。 单元 U5 可通过拨键拨键 S4 选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模 拟电路。 单元 U6 为具有继电特性的非线性环节模拟电路。 单元 U7 为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。 (6) 模拟电路单元 U8U16 3 U8U16 为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元。 其中 U8 为倒相电路，实验时通常用作反号器。U9U16 的每个单元内， 都有用场效应管组成的锁零电路和运放调零电位器。 2系统上位机软件 要完成软件仿真与采样系统的实验，必须配备上位机，并安装ACT- I 自动控制理论实验上位机软件 。该软件借助于控制箱内“数据处理单元 U3”的配合，具有虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制器的功能。 有关这些功能的说明以及使用、操作方法，详见ACT-I 自动控制理论实 验上位机软件使用说明书 。 三、自动控制理论实验系统实验内容三、自动控制理论实验系统实验内容 1 典型环节的电路模拟与软件仿真研究； 2 典型系统动态性能和稳定性分析； 3 典型环节（或系统）的频率特性测量； 4 线性系统串联校正； 5 典型非线性环节的静态特性； 6 非线性系统相平面法； 7 非线性系统描述函数法； 8 极点配置全状态反馈控制； 9 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究； 10采样控制系统串联校正的混合仿真研究。 要完成上列全部实验，必须配备上位计算机。 四、实验注意事项四、实验注意事项 1实验前 U9U16 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 单元的 G1（对应 O1） ；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 单元的 G2（对应 O2） 。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，实验箱 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，必须注意上位机界面操作时 “通道设置”只允许选用采样通道 X 作为 A/D 输入。至于该“X 通道”具 4 体采用“I1I6”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线，必须注意 硬件连线与软件界面上操作的一致性。类似地，软件界面上操作时，也必 须注意“通道设置”与“显示”选择的一致性。此一致性要求对所有使用 通道的实验都是一样的，只是其它实验还允许以同样方式使用 Y 通道。 5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 1 110 1 110 . ( ) . mm mm nn nn b sbsbsb W s a sasa sa 其中 ， 。10n mn 如出现 的情况，软件仿真就会出错，必须设法避免。如实验一，mn 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 ( )(1)W sKTsKKTs 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。 6受数据处理单元 U3 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 12 图 2.2.3a图 2.2.3b 图 2.2.2 18 根据 K 求取 Rx。这里的 Rx 可利用模拟电路单元的 220K 电位器，改 变 Rx 即可改变 K2，从而改变 K，得到三种不同情况下的实验结果。 该系统的阶跃响应如图 2.2.3 a、2.2.3b 和 2.2.3c 所示，它们分别对应 系统处于不稳定、临界稳定和稳定的三种情况。 图 2.2.3c 19 实验四实验四 线性系统串联校正线性系统串联校正 一、实验目的一、实验目的 1熟悉串联校正装置对线性系统稳定性和动态特性的影响。 2掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术。 二、实验内容二、实验内容 1观测未校正系统的稳定性和动态特性。 2按动态特性要求设计串联校正装置。 3观测加串联校正装置后系统的稳定性和动态特性，并观测校正装置 参数改变对系统性能的影响。 4对线性系统串联校正进行计算机仿真研究，并对电路模拟与数字仿 真结果进行比较研究。 三、实验步骤三、实验步骤 1利用实验设备，设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路， 完成该系统的稳定性和动态特性观测。提示： 设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路，可参阅本实验 附录的图 4.1.1 和图 4.1.2，利用实验箱上的 U9、U11、U15 和 U8 单元连 成。 通过对该系统阶跃响应的观察，来完成对其稳定性和动态特性的研 究，如何利用实验设备观测阶跃特性的具体操作方法，可参阅实验一的实 验步骤 2。 2参阅本实验的附录，按校正目标要求设计串联校正装置传递函数和 模拟电路。 3利用实验设备，设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟 电路，完成该系统的稳定性和动态特性观测。提示： 设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路，可参阅本 实验附录的图 4.4.4，利用实验箱上的 U9、U14、U11、U15 和 U8 单元连成 通过对该系统阶跃响应的观察，来完成对其稳定性和动态特性的研 20 究，如何利用实验设备观测阶跃特性的具体操作方法，可参阅“实验一” 的实验步骤 2。 4改变串联校正装置的参数，对加校正后的二阶闭环系统进行调试， 使其性能指标满足预定要求。提示： 5利用上位机软件提供的软件仿真功能，完成线性系统串联校正的软 件仿真研究，并对电路模拟与软件仿真结果进行比较研究。如何利用上位 机软件提供的软件仿真功能，完成线性系统的软件仿真，其具体操作方法 请参阅“实验一”的实验步骤 3。 6分析实验结果，完成实验报告。 四、附录四、附录 1实验用未加校正的二阶闭环系统分析 实验用未加校正二阶闭环系统的方块图和模拟电路，分别如图 4.1.1 和 图 4.1.2 所示： 其开环传递函数为：( ) 525 0.2 (0.51)(0.51) G s SSss 其闭环传递函数为： 图 4.1.1 图 4.1.2 21 2 222 ( ) ( )50 1( )2502 n nn W S G s G sssss 式中 ，507.07 n 10.141 n 故未加校正时系统超调量为 ， 2 1 0.6363% p Me 调节时间为 s， 4 4 s n t 静态速度误差系数 KV等于该 I 型系统的开环增益 1/s，25 v K 2串联校正的目标 要求加串联校正装置后系统满足以下性能指标： （1）超调量25% p M （2）调节时间（