机电控制工程基础实验实验指导书.doc

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1、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

2、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

3、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、

4、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

5、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

6、-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

7、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 U8U163U8U16 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

8、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

9、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，

10、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

11、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, bj1 110 1 110.( ).mm mm nn nnb sbsbsbW sa 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

12、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 2.2.218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 2.2.3c19实验四实验四 线性系统串联校正线性系统串联校正一、

13、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

14、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

15、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

16、：其开环传递函数为：( )525 0.2 (0.51)(0.51)G sSSss其闭环传递函数为：图 4.1.1图 4.1.2212222( )( )50 1( )2502nnnW SG s G sssss 式中 ，507.07n10.141n故未加校正时系统超调量为 ，210.6363%pMe调节时间为 s，44s nt静态速度误差系数 KV等于该 I 型系统的开环增益1/s，25vK2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%pM （2）调节时间（过渡过程时间）s1st （3）校正后系统开环增益（静态速度误差系数） 1/s25Kv 3串联校正装置的时域设计

17、从对超调量要求可以得到 % ，于是有 2125pMe0.4。由 s 可以得到 。41s nt4n因为要求 1/s，故令校正后开环传递函数仍包含一个积分环25Kv 节，且放大系数为 25。 设串联校正装置的传递函数为D(s),则加串联校正后系统的开环传递 函数为25( ) ( )( )(0.51)D s G sD sss采用相消法，令 （其中 T 为待确定参数） ，可以得0.51( )1sD sTs 到加串联校正后的开环传递函数 220.512525( ) ( )1(0.51)(1)sD s G sTssss TsA这样，加校正后系统的闭环传递函数为2( ) ( )25( )1251( ) (

18、)D s G sTW sD s G sssTT对校正后二阶系统进行分析，可以得到225nT21nT综合考虑校正后的要求，取 T=0.05s ,此时 1/s,，22.36n0.45它们都能满足校正目标要求。最后得到校正环节的传递函数为0.51( )0.051sD ss 从串联校正装置的传递函数可以设计其模拟电路。有关电路设计与校 正效果请参见后面的频域设计。 4串联校正装置的频域设计 根据对校正后系统的要求，可以得到期望的系统开环传递函数的对数 频率特性，见图 4.4.1。根据未加校正系统的开环传递函数，可画出其相应的对数频率特性， 如图 4.4.2 所示。图 4.4.123从期望的系统开环传递

19、函数的对数幅频特性，减去未加校正系统开环 传递函数的对数幅频特性，可以得到串联校正装置的对数幅频特性，见图 4.4.3。从串联校正装置的对数幅频特性，可以得到它的传递函数： 0.51( )0.051cSG SS 从串联校正装置的传递函数可以设计其模拟电路。图 4.4.4 给出已加 入串联校正装置的系统模拟电路。图 4.4.2图 4.4.324在图 4.4.4 中，串联校正装置电路的参数可取 R1390，R2R3200，R410，C4.7uF。KKK 校正前后系统的阶跃响应曲线如图 4.4.5、4.4.6 所示:图 4.4.5图 4.4.6图 4.4.425实验三实验三 典型非线性环节的静态特性

20、典型非线性环节的静态特性一、实验目的一、实验目的1了解并掌握典型非线性环节的静态特性。 2了解并掌握典型非线性环节的电路模拟研究方法。二、实验内容二、实验内容1完成继电型非线性环节静特性的电路模拟研究。 2完成饱和型非线性环节静特性的电路模拟研究。 3完成具有死区特性的非线性环节静特性的电路模拟研究。 4完成具有间隙特性的非线性环节静特性的电路模拟研究。三、实验步骤三、实验步骤1利用实验设备，设计并连接继电型非线性环节的模拟电路，完成 该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的影响。 参阅本实验附录 1,从图 5.1.1 和图 5.1.2 可知，利用实验箱上的单元 U6 即可获得实

21、验所需继电型非线性环节的模拟电路。单元电路中双向稳压 管的稳压值为 5.1V，改变 U6 中的电位器的电阻接入值，即可改变继电特 性参数 M，M 随阻值减小而减小。 可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，下面分两种 情况说明测试方法。 无上位机时，利用实验箱上的信号源单元 U2 所输出的正弦信号（或周 期斜坡信号）作为环节输入，即连接箱上 U2 的“正弦波”与环节的输入端 （对应图 5.1.2 的 Ui） 。然后用示波器观测该环节的输入与输出（对应图 5.1.2 的 Ui 和 Uo） 。注意调节 U2 的正弦波信号“频率”电位器 RP5 与“幅 值”电位器 RP6，以保证观测到完整

22、的波形。 有上位机时，必须在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机26提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器 与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。此时将 Ui 连到 实验箱 U3 单元的 O1（D/A 通道的输出端）和 I1（A/D 通道的输入端） ，将 Uo 连到实验箱 U3 单元的 I2（A/D 通道的输入端） ，并连好 U3 单元至上位 机的并口通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位 机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下： 按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内， “信号发生通道”选择“通道 O1”

23、 ， “采样通道 X”选择“通道 I1” ， “采样通道 Y”选择“通道 I2” 。 点击“系统连接” （见界面左下角） ，如连接正常即可按动态状态框 内的提示（在界面正下方） “进入实验模式” ；如连接失败，检查并口连线 和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。 进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式” （在主界面 左上角）时，可先选择“X-t” ，然后再选择“X-Y” ，在两种不同显示方式 下都观察一下；选择“量程” （在“显示模式”下方）为 100ms/div。在选 择“显示模式”为“X-t”时，可点击“系统输入信号”和“采样通道 Y” 框内的“显示” ；在选择“显示

24、模式”为“X-Y”时，可点击“采样通道 X”和“采样通道 Y”框内的“显示” 。 进行实验设置，先选择“实验类别” （在主界面右上角）为“时域” ， 然后点击“实验参数设置” ，在弹出的“系统测试信号设置”框内，选择 “输入波形类别”可为“正弦波” ，也可以为“周期斜坡信号” 。 对“正弦波”：选择“输入波形幅值”为“5V” ，选择“零位偏移” 为 0V，选择“输入波形周期”为“1000ms” ，选择“输入持续时间”为 “1000ms”,选择信号不“连续” 。 对“周期斜坡信号”：选择“输入波形幅值”为“10V” ，选择“零位 偏移”为5V，选择“输入波形占空比”为 100%，选择“输入波形周

25、期” 为“1000ms” ，选择“输入持续时间”为“1000ms” ，选择信号不“连续” 。 以上设置完成后，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示， 直至“持续时间”结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中 间得到反映该非线性环节静态特性的波形。注意，采用不同测试信号看到 的波形或曲线是不同的。 改变环节参数，按“实验启动”启动实验，动态波形得到显示，直 至“持续时间”结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间 得到反映参数改变对该非线性环节静态特性影响的波形。 ， 按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件 使用说明书。 2利用实验设备，设计并连接饱和型非

26、线性环节的模拟电路，完成该 环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的影响。27参阅本实验附录 2,从图 5.2.1 和图 5.2.2 可知，利用实验箱上的单元 U7 即可获得实验所需饱和型非线性环节的模拟电路。单元电路中双向稳压 管的稳压值为 2.4V，改变 U7 中的电位器的电阻接入值，即可改变饱和特 性参数 K 与 M，K 与 M 随阻值减小而减小。 可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方 法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。 3利用实验设备，设计并连接具有死区特性的非线性环节的模拟电路， 完成该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的影响。

27、 参阅本实验附录 3,从图 5.3.1 和图 5.3.2 可知，利用实验箱上的单元 U5，将该单元中的拨键 S4 拨向上方即可获得实验所需具有死区特性的非线 性环节的模拟电路。改变 U5 中的电阻 Rf 的阻值，即可改变死区特性线性 部分斜率 K，K 随 Rf 增大而增大。改变 U5 中的电阻 R1（R2）的阻值， 即可改变死区特性死区的宽度 ， 随 R1 增大而增大。 可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方 法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。 4利用实验设备，设计并连接具有间隙特性的非线性环节的模拟电路， 完成该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的影

28、响。 参阅本实验附录 4,从图 5.4.1 和图 5.4.2 可知，利用实验箱上的单元 U5，将该单元中的拨键 S4 拨向下方即可获得实验所需具有间隙特性的非线 性环节的模拟电路。改变 U5 中的电容 Cf 的阻值，即可改变间隙特性线性 部分斜率 K，K 随 Cf 增大而减小。改变 U5 中的电阻 R1（R2）的阻值， 即可改变死区特性死区的宽度 ， 随 R1 增大而增大。 可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方 法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。请注意，单元请注意，单元 U5U5 不含运放锁零电不含运放锁零电 路，为避免电容上电荷累积影响实验结果，在每次实验启动前，

29、务必对电路，为避免电容上电荷累积影响实验结果，在每次实验启动前，务必对电 容进行短接放电。容进行短接放电。 5分析实验结果，完成实验报告。四、附录四、附录1 1具有继电特性的非线性环节具有继电特性非线性环节的静态特性，即理想继电特性如图 5.1.1 所示。 该环节的模拟电路如图 5.1.2 所示。 继电特性参数 M，由双向稳压管的稳压值与后一级运放放大倍数之积 决定。故改变图 5.1.2 中电位器接入电阻的数值即可改变 M。当阻值减小 时，M 也随之减小。 实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。28注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。通常选用周期斜坡信号作为测试 信

30、号时，选择在 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，选 择在 X-t 显示模式下观测。2具有饱和特性的非线性环节 具有饱和特性非线性环节的静态特性，即理想饱和特性如图 5.2.1 所示：图 5.1.1图 5.2.1图 5.1.229该环节的模拟电路如图 5.2.2 所示：特性饱和部分的饱和值 M 等于稳压管的稳压值与后一级放大倍数的积， 特性线性部分的斜率 K 等于两级运放放大倍数之积。故改变图 5.2.2 中的 电位器接入电阻值时将同时改变 M 和 K，它们随阻值增大而增大。 实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。 注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz

31、。通常选用周期斜坡信号作为测试 信号时，选择在 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，选 择在 X-t 显示模式下观测。 3具有死区特性的非线性环节 具有死区特性非线性环节的静态特性，即理想死区特性如图 5.3.1 所 示：图 5.3.1图 5.2.230该环节的模拟电路如图 5.3.2 所示：斜率 K 为：0/fkRR死区，式中 R2的单位为，且2 215( )0.5( )30RvR v kR2R1（实际死区还要考虑二极管的压降值） 。 实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。 注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。选用周期斜坡信号作为测试信号 时，可在

32、 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，可在 X-t 显示模式下观测。 4具有间隙特性的非线性环节 具有间隙特性非线性环节的静态特性，即理想间隙特性如图 5.4.1 所示。 该环节的模拟电路如图 5.4.2 所示。图中间隙特性的宽度,（实际死区还要考虑2 215( )0.5( )30RvR v 图 5.3.231二极管的压降值） ，特性斜率，因此改变 R1与 R2可改变间隙特iftgC C性的宽度，改变可以调节特性斜率。ifC C实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。图 5.4.1图 5.4.232注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。选用周期斜坡信号作为测试信号 时，可在 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，可在 X-t 显示模式下观测。 注意由于元件（二极管、电阻等）参数数值的分散性，造成电路不对 称，因而引起电容上电荷累积，影响实验结果，故每次实验启动前，需对 电容进行短接放电。