（测试计量技术及仪器专业论文）自动控制多功能实验台系统的研究与开发.pdf

中文摘要 论文致力于开发以自动控制原理为核心的多课程综合实验平台，为高等院校 的测量和控制类辐关专业提供实验教学设备。 论文基于模块化思想，设计了实验台系统的整体功能，此实验设备具有开放 性好、扩展方便等优点；虚拟仪器与硬件电路的无缝结合为实验项目的设置增加 了灵活性：设计了电动机转速和位置的模拟电路控制方案和计算机数字控制方 案，两者有机结合，相互补充，使学生能够更深刻更全面地掌握理论知识；充分 利用计算机的丰富资源和运算能力，设计了功能强大的虚拟仪器软件和控制系统 辅助分析设计软件，提高了实验教学效率。 论文的主要工作包括以下几个方面： 1 基于实际考察和论证，完成自动控制多功能实验台系统的机械装置设计， 电动机和传感器选型； 2 完成电动机转速的模拟电路控制方案的详细设计。开发出电动机功率驱 动板、集成多种实验电路的一体化控制板。 3 。完成电动机转速和位置的计算机数字控制方案的详细设计。遥过需求分 析，设计了计算机数字控制方案的总体功能和性能要求。完成基于e p p 接口的多 功能运动控制卡的电路设计与仿真。完成计算机实时控制方案论证并提出实时软 件设计思想。 4 分析自动控制原理等课程的实验教学要求，设计了线性系统时域分析、 转速开环控制、转速闭环控制、系统校正等实验项目。完成虚拟示波器、任意波 形发生器等虚拟仪器软件的功能设计。 最终研制出实验样机，并投入0 1 级本科生教学实验课使用，取得了很好的 效果。 关键词；自动控嗣虚拟仪器实验台转速控制位置伺服 a b s t r a c t t h i sd i s s e r t a t i o nr e s e a r c ha n dd e v e l o pt h em u l t i f u n e t i o n a le x p e r i m e n tb e n c h s y s t e ma i m e dt oh e l pt h es t u d e n t so f m e a s u r i n g a n dc o n t r o lt e c h n o l o g ym a j o rt ol e a r n t h e c o u r s e o f a u t o m a t i c c o n t c o l p r i n c i p l e s b ye x p e r i m e n t s t h ee x p e r t m e n tb e n c hs y s t e mw a gd e s i g n e do nm o d u l a r i z e di d e a s v i r t u a l i n 舳e n t ss e a m l e s s l yb o n d e dw i t l lh a r d w a r ec i r c u i t sf a c i l i t a t e a d d i n gn e w e x p e r i m e n ti t e m sf l e x i b l y t w od i f f e r e n ts c h e m e sf o rr o t a t i o n a ls p e e da n dp o s i t i o n a l s e r v eo f d i r e c tc u r r e n tm o t o rw e r ec o n c e i v e d o n es c h e m ei sb a s e do na n a l o ge i r e u i t s a n dt h eo t h e ri sb a s e do nd i g i t a lc i r c u i t sa n dc o m p u t e rs o f t w a r e p o w e r f u lv i l t u a l i n s t r u m e n t sa n dc o m p u t e r - a i d e da n a l y s i s & d e s i g ns o f t w a r eo fc o n t r o ls y s t e mw e r e d e v e l o p e d ，w h i c hi n c r e a s e de f f i c i e n c yo f e x p e r i m e n tt e a c h i n g t h em a i n w o r ki nt h i sp a p e rc o n t a i n s ： 1 b a s e d0 1 1f a c t sa n da n a l y s i s ，m e c h a n i c a ls y s t e mo fe x l m - i m e mb e n c hs y s t e m w a gd e v e l o p e d , a l s ot h eg y p e so f m o t o r sa n ds e n , q sw 黜s e l e c t e d 2 c o m p l e t i n gd e t a i ld e s i g no fa n a l o gc o n t r o lc i r c u i t sf o rr o t a t i o n a ls p c c do fd e m o t o r , p o w e rd r i v e rc i r c u i tb o a r da n dm u l t i f i m c t i o n - i n t e g r a t e dc o n t r o lc i r c u i tb o a r d w e r ed e v e l o p e d 3 a f t e rd e m a n da n a l y s i s ，d e t a i ld e s i g no fd i 西t a lc o n t r o ls c h e m eo fr o t a t i o n a l s p e e d & p o s i t i o n a ls e i - v eo f d em o t o rw a sf i g u r e do u t m u l t i f u n c t i o n a lk i n e t i cc o n t r o l c a r db a s e do l le p pi n t e r l a c eo fc o m p u t e rw i l l sd e v e l o p e d f l o wp r o c e s sc h a r to f r e a l - t i m ec o n t r o lr o u t i n eb a s e do nc o m p u t e rw a sp r e s e n t e d 4 a f t e ra n a l y z i n gt h er e q u i r e m e n to fe x p e r i m e n tc o a l s eo fa u t o m a t i cc o n t r o l p r i n c i p l e s ，s e v e r a le x p e r i m e n ti t e m ss u c h t i m e - d o m a i na n a l y s i si nl i n e a rs y s t e m ， o p e n - l o o pr o t a t i o n a ls p e e dc o n t r o l ，c l o s e d - l o o pi o t a t i o n a ls p e e dc o n t r o l ，s y s t e r n a d j u s t m e n ta r cd e s i g n e d t h ev i r t u a li n s t r u m e n t sa l s oc o m p l e t e dt h ef u n c t i o n so f o s c i l l o s c o p e ，a r b i t r a r yc 1 1 7 1 eg e n e r a t o re t o f i n a l l y , t h ep a p e rd e s i g n e dap r o t o t y p ei n s t r u m e n tf o re x p e r i m e n t sw h i c hh a s b e e na p p l i e di n t ot h et e a c h i n gc o u l e e sf o ru n d e r g r a d u a t e so f g r a d e2 0 0 1 g o o dr e s u l t s w e r eo b t a i n e d k e yw o r d s = a u t o m a t i cc o n t r o l ，v i r t u a li n s t r u m e n t , e x p e r i m e n tb e n c h ， r a t i o n a ls p e e dc o n t r o l ，p o s i t i o n a l8 e r y e 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得墨鲞盘兰或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对奉研究所做的任何贡献均已在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名j 汪、孝亚 签字开期：硝年月宁e l 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解鑫奎盘生育关保留、使用学位论文的规定。 特授权基壅盘茎可以将学位论文的全部或部分内容编八有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名：汪、乒亚 签宁日期：撕5 年f 月7e l 晰躲骏忿黾 签宁日期：加年1 月9 日 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景 第一章绪论 传感技术与测控电学实验室是精仪学院高新技术教学实验基地重要实验室 之一，承担学院各专业多门课程的实验教学任务，并且该实验室实行面对本科生、 研究生、教师以及院外学生的全面开放运行模式，为课程实验、学生课外科技术 活动、教师科研提供了良好的实验和科研场所，近几年的运作情况相当好，深受 校领导和专家的肯定和好评，其运行模式已为兄弟院校关注但是，随着教改和 学科建设的进一步深入，对实验条件和实验方式提出了越来越高的要求，由于经 费限制以及市场上没有满足要求的教学实验设备提供，该实验室的建设已经滞后 于教改和学科建设的步伐。根据教改和学科建设的要求，希望该实验室经改造能 实现如下目标： 1 能承担学院各专业多门专业基础课和专业课的实验教学任务。由于学院各专 业( 包括测控、光电信息、生物医学工程) 在专业基础课和专业课中都涉及传 感器技术、测控电路( 或医用电路等) 、信号与系统、自动控制原理、单 片机原理等课程，且实验都是这些课程的重要环节，而这些课程相关性很强， 完全可以把这些实验课程集中于此实验室。 2 能尽量满足各课程的各种实验方式要求。课程实验一般分为验证性、设计性、 综合性和前瞻性几个等级。 3 能尽量实现多门课程共用实验装置的要求。由于实验室空问和经费有限，如 各门课程都采用各自不同的实验装置，会增加实验设备的成本，降低实验设备的 利用效率。考虑到这些课程相关性很强，完全可以开发一套涵盖这些课程实验内 容的综合性实验系统，这不仅可大大节约实验设备成本，少占实验室空问。还可 给学生建立系统的、各课程相互关联的思想。 4 能满足综合性课程设计的要求。现在，本科生毕业设计前的综合性课程设计 环节较少，只有机械类的综合设计课程，较少涉及传感技术、电路技术、信号处 理技术、计算机技术、自动控制技术的综合性课程设计环节，而我院的这些课程 都是重要的专业基础课程，占有十分重要的地位，急需一门有关这些课程的综合 性设计课程。现在本科生进行毕业设计时，各相关课程的综合运用能力较弱，在 毕业设计的前期大都需进行实践能力训练，这制约了本科生毕业设计整体水平的 天津大学硕士学位论文第一章绪论 提高。 5 能为本科生毕业设计和学生课外科技活动提供综合设计平台。如今本科生和 研究生越来越多，每位教师指导的研究生和本科生数量在急剧增长，按现在发展 势头，几年内，一位硕士生导师同时指导的研究生达6 人以上，每年指导的本科 生也在6 人以上。如果综合性实验系统能承担部分毕业设计任务，这将减轻教师 压力同时提高毕业设计的整体质量。 测量和控制是我院各个专业的根本，两者相互依赖，相互促进。由于教改时 问较短的原因，控制部分所占的比重与它的身份很不柜称。教学只停留在原理性 授课，实验环节很少，近几年只开设了计算机仿真实验( m a t l a b 语言) ，实践环 节的实验器材相当匿乏。学生普遍反映，课程缺乏实践环节，过于抽象。另外， 学生对自控原理涉及到的常用被控对象、执行器等都缺乏了解，这不仅影响到课 程教学质量，学生的学习积极性，也有饽于实验与教学相结合，实事求是的教学 方针。 根据教改和学科建设要求，分析了现代教学的发展方向。考虑到自动控制 原理是一门集测量、控制、输出驱动技术于一体的综合性课程，涉及到多门相 关课程技术，为提高所研制实验装置的适用面，拟开发成以自动控制原理课 程为主线兼顾多门相关课程( 如：自动控制原理、控制与系统、现代控制 理论、( 执行器、传感器、单片机接口技术等) 的实验平台。 1 2 测控类实验教学仪器的发展动态 中国高等教育事业目前正处于高速发展时期，全国高校招生规模的迅猛膨胀 造成教育资源紧缺。中国正面i f 缶学生数量剧增和教育质量下滑之间的矛盾。教育 改革的要求也呼之即出。对于工科高等院校而言，教育改革的关键是能够使学生 将所学理论与实践联系起来。教学实验设备可以很好的实现这一目标。教学实验 设备的研制首先从高等院校内部开始，他们针对某一学科或课程开发出专用型的 实验平台。当教育事业迅猛发展后，工科高等院校对教学实验设备的市场需求也 迅猛增加，但是，高等院校内部教学实验设各的这静研发模式已经不能满足市场 的需求。在这种形势下，国内已经有几家公司专门从事教学实验设备的研发和生 产，目前，这些公司的教学实验产品已经覆盏工科院校大部分专业的专业必修课 程，而且其在实验设备的研究方法和实验设备的功能等方面与传统的教学实验设 各已有很大的不同。以控制技术类教学实验仪器为例分析教学实验设备的发展历 程，可以将其分成三种： 1 基于硬件模拟的教学实验仪器 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 2 基于计算机软件仿真的教学实验仪器 3 软硬件结合的多功能教学实验仪器 下面将对这三种类型的仪器通过举例进行分析 1 2 1 基于硬件模拟的教学实验仪器 早期的教学实验仪器是利用机械结构或电子器件等完成理论的模拟及验证， 比如用电阻、屯容、运算放大器等元器件模拟数学上的传递函数，典型的实际物 理系统等。华中理工大学在上世纪8 0 年代就研制出d w - i i i 型电子模拟实验装置 “1 。它用于自动控制原理课程的实验教学，采用模拟电子元器件模拟各种线 性和非线性典型环节及系统。配合超低频示波嚣和信号发生器等设备，完成典型 环节的模拟和研究、二阶系统的模拟与研究、二阶系统的扰动与分析、三阶系统 的模拟与研究以及非线性典型环节的模拟与研究等实验项目。这种实验设备有效 地提高自动控制原理课程教学效果。上世纪9 0 年代东南大学研制成功g m - i i 过程模拟实验装置“，该装置引进实际物理对象，对工业生产中常见的流量、压 力、液位、温度、p h 值等非电量进行控制。它允许建立多种物理模型，例如流 量对象的数学模型、流量加液位的数学模型和流量、液位且带纯滞后环节的数学 模型。该装置同时能够组成多种控制系统；单回路控制、串级控制、比值控制、 选择性控制等。由相关文章可知，由于采用实际物理对象，很好地把理论与实 践结合起来，该实验装置给参加实验的学生留下了深刻的印象。 1 2 2 基于计算机软件仿真的教学实验系统 基于硬件模拟的教学实验仪器，由于采用了实际的元器件完成理论和实际对 象的模拟，其应用范围受到很大限制。很多方面的课程理论无法或不便利用此种 方法进行实验验证。计算机的迅速发展为我们提供很大的方便，随着个人计算机 速度和存储空问的不断提高，很多仿真软件也应运而生。常见的控制类仿真软件 有m a t l a b ( s i 删l i n k ) 、l a b v i e w 等。其中，姒t l a b 软件应用面广、功能强大， 它包含工程计算与建模、控制理论工具箱和信号与系统工具箱等。控制理论工具 箱可以完成控制系统建模、系统模型连接、时域响应分析、根轨迹分析、频率分 析等。m a t l a b 提供的控制系统仿真工具s i 删l i n k 以其友好的界面，简单的操作 方式和强大的功能著称。另外，m a t l a b 还提供了与其它程序的接口方法m a t c ( 瑚“。 v i s u a lc + + 可以通过该接口实现对姒t l _ a b 函数的调用。l a b v i e w 是一个专业的 虚拟仪器开发软件，同样它具有功能强大的组件供调用。l a b v l e w 晶大的特点是 提供了非常友好的编程方法和编程界面。使用它可以设计出非常友好的用户界 面。 天津大学硕士学位论文第一章绪论 同时，国内的教学仪器公司也推出相应的计算机仿真软件和虚拟仪器。精仪 达盛推出模拟、数字混合模式电路仿真软件t i p r o ”，它为设计和分析模拟、 数字以及混合型电子电路提供方便的仿真功能，允许学生测试实际的电路并将结 果与从模拟仿真中获得的进行比较。 1 2 3 软硬件结合的多功能教学实验仪器 基于硬件模拟的教学实验仪器以其直观性等特点，能够使实验者亲身体验现 实物理对象的各种特性。实验者的感性认识深刻，能够激发学生的学习兴趣和动 力。基于计算机软件仿真的教学实验利用数学工具，能够精确地对物理对象建模， 很适合理论的仿真与验证。这两种实验仪器也各有不足之处。前一种需要配各多 种价格昂贵的测量设备才能完成相应的实验项目，另外仪器功能不易再扩展；后 一种则因为没有0 l 入实际物理对象而缺乏一定的直观性。 图1 - 1 赭仪达盛公司三台一实验系统结构图 目前很多公司将以上两种实验仪器进行有机结合，组成功能强丈，可扩展性 好、价格便宜的教学实验仪器。北京精仪达盛的e l s c a t 自动控制计算机控n 信号与系统三合一教学实验系统，它的实验平台构成如图卜1 所示，主要由计 算机、模数数模转换卡、实验箱组成。在此实验仪器中，计算机实现虚拟信号源、 图1 2 百科融创公司自动控制实验系统 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 虚拟示波器等功能。实验箱完全由电子元器件完成各实验项目的模拟。它可以同 时支持自动控制原理的教学实验，计算机控制技术实验，过程控制实 验和信号与系统实验。由于采用计算机作为数据处理，简化实验平台，提高 实验效率，并且易于扩展其它相关实验。百科融刨公司的r c z k i i 型自动控制 实验系统”如图卜2 所示，其实现的功能与精仪达盛公司的产品类似。爱迪克自 控计算机控制二合一实验机a e d ki a b a c t 在上述两个产品的基础上增加实际物 理对象一步进电机、直流电机和温度模块，如图卜3 所示。 另外，百科融创公 司的r v 0 2 0 0 0 3 0 0 0 系 列虚拟仪器产品实现 软硬件的矗好结合，在 一台计算机上实现虚 拟示波器、虚拟频谱分 析仪、虚拟信号源等， 可以完成数据采集、数 据测试和分析结果输 出显示等功能，极大简 化教学实验平台，提高 教学实验效率。 图i - 3 爱迫克公司自动控制计算机控制实验系统 通过上述分析可知，国内各厂商推出的自动控制原理实验设备的现状是：它 们大部分是基于运算放大器与各种阻容网络的配合来模拟各种自动控制系统，通 过电路的模拟来帮助学生了解自动控制课程中的各种理论。较为先进一些的则融 进了计算机检测与控制手段。更好一点的实验设备加上了一些实际物理对象。这 使学生能够利用计算机来监控实际物理对象，进而利用由计算机软件构成的功能 强大的虚拟仪器来分析实验曲线和数据。从而使学生从单纯观察模拟的实验理论 转变到用实验理论控制实际物理对象。 但是，根据我院教学改革的要求，以上的自动控制实验设备不能完全满足我 院教学改革的各项具体要求。首先，基于上述实验设备所设计的实验内容缺乏可 对比性。这些实验的内容只是一些独立控制理论的验证，没有将自动控制原理课 程中的内容有机结合起来。比如，上述实验设备中电机的控制实验中只提供了闭 环控制实验，面无法对开环控制进行实验验征，也无法实现按电流补偿的开环控 制实验。如果能在同一实验设备上进行这三项实验，就能使学生对这三种控制方 法形成比较，从而对开环、闭环控制有更深入的理解。其次，上述实验设备的开 放性不足，设计性实验空间小，不利于发挥学生的学习积极性。由于各厂商在研 天津大学硕士学位论文 第一章绪论 制产品时过于考虑外观精美，将元器件等用电路板、箱盒等封装起来只给出了相 关的引线。这样学生实验时不能产生更生动、更形象的感性认识。第三，上述实 验设备还没有开发出具有综合设计性和前瞻性的实验项目。 i ，3 课题的研究目的和主要内容 依据我院对测量往制类本科生的教学改革的具体要求，经针对性地分析得 出，市面上现有教学实验仪器或者构造庞大，功能冗余，价格昂贵；或者功能单 一。现有教学实验仪器不能很好的满足教学改革的要求，这就需要根据我院测控 类专业的特殊情况进行量身定制这样一台教学实验仪器。它能够满足测控类专业 多门课程的教学实验要求，提供针对本科生的教学的验证性实验和设计性实验以 及针对研究生的前瞻性实验。 我们拟推出能够集运算放大器模拟实际物理对象、计算机检测与控制以及单 片机检测与控制于一体的多课程综合实验台对现有的教学仪器取长补短，使实 验更生动、更形象，以解决长期以来学生在学习中的理论和实际脱节的问题。提 高实验对教学贡献的高效性。 该课题拟解决的主要技术问题有以下几方面： 、模拟电路控制方案开发 运用单纯的模拟电路实现对电动机、温箱、液位等控制，运用运算放大器、 电阻、电容等元器件实现给定信号、误差校正、p w l v 调制、功率放大、电流检测、 过流保护、频率转换等功能。 分别实现开环控制、按扰动补偿控制、闭环控制。其中，闭环控制时加入 p i d 调节、无源超前校正、无源滞后校正、无源超前滞后校正等。并在控制电路 板中加入数码显示模块和测试点，便于学生观察比较各种控制和校正方法的性能 差别。 二、基于计算机并行口的数字采集控制卡及虚拟仪器开发 为了提高学生的实验效率和效果，在教学实验仪器；l 入功能强大的计算机 后，可以利用计算机组成数字控制系统，增加包含各种p i p 控制算法、模糊控制 算法等最新控制技术的前瞻性实验项目。增加控制系统参数辨识功能、控制系统 仿真功能、控制系统辅助分析设计功能，虚拟示波器功能以及虚拟信号发生器功 能等。根据系统需求，需要制作一块e p p 多功能运动控制卡辅助计算机软件共同 完成电动机的实时控制、数据采集和任意波形产生器等功能。 其中e p p 多功能运动控制卡中包含： 1 ) 能接收旋转编码器、测速电机、热电偶、热电阻、压力传感、o _ 1 0 a 、0 5 v 、 天津大学硕士学位论文第一章绪论 i - s v 、4 - 2 0 m a 等信号的高兼容电路，以及后续放大， d 转换电路。 2 ) 高兼容的适合工业标准输入的输出电路，包括信号变换、开关输出电路、d a 转换电路等。 、 3 ) 设计有关e p p 接口的外围输入输出电路。 4 ) 在f p 6 a 中实现d o s 电路。 虚拟仪器开发要求如下： 1 ) 运行子w i n d o w s 2 0 0 0 操作系统中； 2 ) 用v c + + 编程工具设计虚拟仪器的界面及主程序； 3 ) 编制p i d 控制算法并构建虚拟仪器，完成控制器性能实验； 4 ) 在主程序中能够调用m a t l a b 函数及算法。 三、实验台机械设计 根据实验台系统功能的要求，对实验台机械部分进行精心的设计、计算，运 用先进的三维制图工具p r o e n g i n e e r 对整个实验台从零件到装配进行优化设 计。 天津大学硕士学位论文第二章自动控制多功能实验台实验项目分析与设计 第二章自动控制多功能实验台的实验项目分析与设计 自动控制多功能实验台系统是以自动控制原理为核心，以实际物理对象为载 体，运用模块化设计方法，研制开发的综台功能实验台。实验台研制目的主要是 为自动化、测控技术与仪器等专业的学生开设自动控制原理、测控电路、传感器、 单片机，微机接口、信号与系统等课程的教学实验。按照教学改革要求，针对不 同层次的实验者，该实验台系统可以提供验证性、设计性、前瞻性的实验项目。 同时还要为测控类的本科生提供多课程的综合性设计实验项目。 2 1 自动控制原理课程的实验教学要求 根据教学大纲要求。测控类专业学生要掌握自动控制原理中经典控制的 基本理论和基本方法，重点学习分析和设计线性控制系统的基本理论和基本方 法。主要内容包括：控制系统的数学模型及其结构图和信号流图的表示方法、控 制系统的对域分折法、控制系统的频域分析法及控制系统的常用校正方法及离散 系统的基本原理及z 变换分析法等。为使学生真正掌握理论知识，自够理论联系 实际，实验环节需要针对理论知识进行精心的设计。总体来说，验证性实验项目 有：系统的数学模型实验测定，线性系统的时域特性分析，典型环节及系统的频 域特性分析，系统稳态误差分析，系统稳定性分析等。设计性实验项目主要是关 于线性连续控制系统的设计：属于恒值控制系统的有转速、温度、液位控制系统， 属于随动系统的有位置伺服系统，最后还有连续系统串联校正方法设计等。前瞻 性实验项目主要是基于计算机数字控制系统：包括计算机p i d 参数自整定算法和 模糊控制算法等实验。为了配合测控类专业其它课程( 传感器、测控电路、信号 与系统、单片机、微机接口等) 实验教学，多功能实验台必须提供一个多课程综 合性实验项目。学生利用多门课程的知识，自主设计整个实验项目，从而达到对 多门课程知识的融会贯通。在分析了现有实验仪器的基础上，结合教学改革要求， 分别对不同的层次的实验项目进行了分析，并提出具体要求。 2 1 1 验证性实验项目的分析 多功能实验台系统上设计的验证性实验项目有：系统的数学模型实验测定， 线性系统的时域特性分析，典型环节及系统的频域特性分析，系统稳态误差分析， 天律大学硕士学位论文第二章自动控制多功能实验台实验项目分析与设计 系统稳定性分析等。 2 1 1 1 控制系统的数学模型测定实验 系统数学模型实验测定方法有三种，分别为：时域测定法、频域测定法和统 计相关测定法。市面上出现的自动控制类教学仪器都未开设系统数学模型的辨识 实验，本实验台系统拟采用时域测定法和频域测定法对典型环节等线性系统进行 数学模型的辨识。 1 时域测定法 时域测定的主要过程是对被测系统或对象在输入端施加阶跃扰动输入信号， 而在输出端测绘其输出量随时间变化的响应曲线。本实验台系统利用计算机实现 虚拟信号源和虚拟示波器功能，通过这两个虚拟仪器和相应的数据处理算法完成 系统数学模型的辨识。 2 频域测定法 频域测定法的主要过程是对被研究对象施加不同频率的正弦波，测出输入信 号与输出信号之间的幅值比和相位差，从而获得被测系统或对象的频率特性。这 种测定方法的原理和数据处理都比较简单，同样本实验台系统利用计算机实现虚 拟扫频仪和示波器。不需另外配备扫频仪和低频示波器。 2 1 1 2 线性系统的时域特性分析和稳态误差分析 线性系统的时域特性非常直观地反映了系统的动态过程与稳态过程，这有助 于学生感性地认识线性系统特性。现在市面上出现的自动控制类实验仪器只设置 了线性系统的阶跃响应实验项目，并没有稳态误差分析实验项目。本实验台系统 可以实现线性系统的阶跃响应、脉冲响应、斜坡响应和加速度响应等实验项目。 利用计算机构成的虚拟仪器和基于m a = 兀a b 接口的控制系统分析程序可以完成 一阶线性系统、二阶线性系统的时域特性分析和稳态误差分析实验。 1 一阶线性系统的时域分析 ：匝噩磐 图2 - 1 一阶控制系统 本实验主要是利用计算机提供的虚拟仪器，完成图2 - 1 所示一阶线性系统在 阶跃、脉冲、斜波和加速度输入信号作用下实验数据采集，采用基于m a t l a b 接口的控制系统分析程序对实验数据进行处理，得出一阶系统的动态响应性能和 天津大学硕士学位论文 第二章自动控制多功能实验台实验项目分析与设计 稳态性能，并可以使用计算机提供的控制系统仿真程序进行仿真，完成理论仿真 与实测结果的对比。 2 二阶线性系统的时域分析 二阶线性系统的时域分析实验主要完成不同阻尼系数时二阶系统的单位阶 跃响应、单位斜坡响应。与一阶线性系统的实验方法相同，利用计算机实现对实 测数据分析并与理论仿真结果进行对比，使学生对理论知识认识更为深刻。如图 2 - 2 所示，此图为二酚系统的单位阶跃响应分析，由图可以看出，通过对欠阻尼、 临界阻尼、过阻尼系统的动态特性和稳忐特性实验对比，学生能够获得深刻的感 性认识。 卜= o、 f c 站，训| 1 习龚若崴 i 兹簿簦 c h | ；宅 图2 - 2 二阶系统单位阶跃响应曲线 3 系统的稳态误差分析 系统的稳态误差分析实验通过对由阻容网络构成的0 型、i 型，i i 型系统的 单位阶跃、斜坡、加速度信号输入，完成稳态误差的测定。同时利用计算机进行 仿真，将两种实验方法的结果对比以获得深刻的认识。 2 i 1 3 线性系统的频域特性分析和稳定性分析 常见的自动控制类实验仪器上一般设置了线性系统的频域特性的简单验证 实验，没有提供深入的对比实验，更没有设置稳定性半噱 的验证实验。本实验台 系统根据教学改革要求，分别设计了这两个实验项目。 线性系统的频域特性分析实验主要对典型环节进行实验测定，同时进行计算 机仿真，利用两种实验方法分别得出典型环节的幅相曲线和对数频率特性曲线。 通过对比这两种实验方法的结果，完成对典型环节频域特性的认识。本实验台系 统的典型环节有：比例环节k ，惯性环节l l ( + t s + 1 ) ：一阶微分环节如十l ，振荡 1 1 1 1 0 0 o 0 天津大学硕士学位论文第二章自动控制多功能实验台实验项目分析与设计 环节1 似i 2 争，q 十1 ) ，二阶微分环节f 2 ，研2 乒，峨+ 1 ，积分环节l s 和 微分环节s 。 系统稳定性分析主要完成频域稳定判据的理论仿真验证，通过基于 m a na b 接口的计算机仿真程序完成预先设定的有代表性的系统，完成理论的 实验验证。 2 1 2 设计性与综合性实验项目的分析 设计性、综合性实验项目并来见诸于目前出现的自动控制类教学实验仪器 上，本实验台系统的最大特色是设置了设计性、综合性实验项目。在这些实验项 目中都引入了实际物理对象，并且采用了模块化的设计思想，使实验项目具有很 好的开放性，学生有更大的空间设计各种常见控制系统。 1 设计性实验项目 设计性实验项目针对给定的电动机转速调节系统及其性能指标要求，让学生 运用各种校正环节完成系统的优化，使系统性能达到指定要求。 2 多课程综合性实验项目 多课程综合性实验项目是涉及测控类多门课程的教学实验。实验项目以自 动控制原理课程为核心，要求学生设计一个完整的控制系统。控制系统均引入 实际被控制对象，实际被控对象可以选择直流电动机、恒温箱、水箱等。系统的 设计方法可以选择用模拟电路设计方案和计算机数字设计方案。此实验的目的是 设计一个性能良好的控制系统。让学生从系统的动态响应特性和稳态特性上思 考，采用根轨迹法和频率分析法完成整个控制系统的设计。 综合性实验项目涉及的其它课程有传感器、测控电路、信号与系统、 单片机等。 如图2 - 3 所示为频率分析法的流程，图2 4 所示为控制系统设计与校正流程 图。由流程可知，通过设计整个控制系统，学生可以全面运用自动控制原理知识。 系统特 性描述 幅相特性；( 典 型环节、开环 系统) 幅频特性和幅 相特性：( 典型 环节、开环系 统、闭环系统) 系统稳 定性判 定：利用 开环特 性分析 系绕稳 定性 利用开环系 统特性分析 估算系统闭 环特性：( 闭 环频率特 性、闭环性 能指标) 系 统 设 计 与 校 正 图2 - 3 频率分析法流程 利用系统幅相曲线和幅频曲线判定系统的稳定性，确定系统的稳定裕度以及 频域和时域指标的转换方法请参见文献【6 】1 9 2 2 1 4 页。 天津大学硕士学位论文 第二章自动控制多功能实验台实验项目分析与设计 确定系统不可变部分il 根据需要提出目l1 分析系统模型及性能 的模型( 如传函、频l j j 标系统的性能指l 一指标的特点，确定校 率特性) i i 标i l 正方式及实现形式 图2 4 控制系统设计与校正基本流程图 应用根轨迹法，可以迅速确定系统在某一开环增益或菜一参数值下的闭环 零、极点位置，从而得到相应的闭环传递函数。然后，可以利用拉氏变换法确定 系统的单位阶跃响应，由阶跃响应求出系统的各项性能指标。根据闭环零、极点 定性分析控制系统性能的方法可以参见文献【6 】1 6 3 1 6 6 页。 2 a 3 前瞻性实验项目的分析 前瞻性实验项目主要针对计算机数字控制方法进行设计，其内容主要是各种 先进p i d 控制算法、模糊控制算法在计算机数字控制系统中的应用。 2 2 自动控制多功能实验台系统的设计方案 经过实验项目的理论模型分析后，得出多功能实验台的主要实验项目，按照 实验层次不同分为验证性实验，设计性实验和前瞻性实验。验证性实验主要利用 运算放大器、电阻、电容等元器件模拟线性系统和典型环节。设计性实验主要以 直流电动机为实际被控对象，组成电动机转速、位置控制系统。通过设计各种串 联校正环节，提高电动机调速系统和位置伺服系统的性能。前赡性实验主要由计 算机数字控制方案来完成。 最后得出多功能实验台系统的实现方案。按实验项目的层次和功能要求分别 设计了三个方案。即基于硬件模拟的教学实验箱，基于计算机虚拟仪器和多功能 运动控制卡的数字控制方案，以及单片机加计算机的数字控制方案。这三个方案 在功能方面相互补充，紧密结合。 基于硬件模拟的教学实验箱运用基本的模拟电路完成t 自动控制原理中理 论知识的实验验证，灵活地组成各种控制方法，允许学生自主设计常见的控制系 统，如电动机转速、位置控制系统，温度控制系统，液位控制系统等。能够使学 生产生深刻的感性认识并能激发学生的积极主动性。 基于计算机虚拟仪器和多功能运动控制卡的数字控制方案提供强大的虚拟 天津大学硕士学位论文第二章自动控制多功能实验台实验项目分析与设计 仪器和辅助分析设计软件，很大程度上简化实验台设旌，降低设备成本。同时， 可以提供诸如p i d 控制和模糊控制算法等具有前瞻性的实验项目。 单片机加计算机的数字控制方案中，单片杌代替计算桃完成实时采集与控 制，将计算机解脱出来专门用于数据处理、显示，辅助分析设计，实现虚拟仪器 等功能。 如图2 5 展示了自动控制多功能实验台系统的整体结构与功能，下面将详细 阐述各方案。 2 2 1 模拟电路控制方案 基于硬件模拟的教学实验箱主要由运算放大器、电阻、电容等器件构成，完 成典型环节和系统的电子模拟，组成电动机的转速、位置控制系统。模拟电路控 制板上各种运放、电阻、电容、电位器等均独立布置，直观性强，学生可以根据 实验要求运用切换开关灵活地组成各种不同参数与结构的控制系统，提高实验的 灵活性。另外，学生可以利用实验台灵活方便地设计温度控制系统、液位控制系 统等。 模拟电路控制板由以下部分构成： 1 1 典型环节 天津大学硕士学位论立 第二章自动控制多功能实验台实验项目分析与设计 2 ) 直流电动机功率驱动模块 系统采用了p w m 功率驱动器，使功率转换效率大大提高，可以适应较大功 率的电动机。同时功率驱动模块具有过流保护等功能，增强了系统的安全性，适 合用于控制系统的教学实验。同时它也用在数字控制系统中。 3 ) 传感器调理电路 直流电动机转速位置控制系统中用到的传感器有测速发电机、旋转编码器、 标准电阻和电位器等，不同的传感器要求信号调理电路各不相同，信号经过调理 后，可以得到符合标准的信号。 4 ) 转速、位置校正环节 模拟电路控制系统中有开环控制和闭环控制等方式。在闭环控制方式时，采 用了多种校正环节。学生可以选择不同的校正环节，学习各种校正环节的使用方 法，通过实验比较各种校正环节的校正效果。 2 - 2 - 2 计算机数字控制方案 计算机数字控制方案不仅可以实现电动机转速、位置的实时控制功能，同时 计算机通过自主设计的多功能运动控制卡能实现信号发生器、示波器等功能。多 功能运动控制卡基于计算机并行口( e p p ) 设计，实验时无须打开机箱，使用非 常方便另外，实验台系统充分发挥了计算机的优势，由计算机完成实验数据的 采集、存储和计算分析，并且依靠计算机的强大计算能力，增加控制系统辅助分 析设计软件，在实验时就可以将实验结果与理论计算值进行对比，根据对控制系 统的性能要求进行系统优化设计，提高实验效率。 图2 _ 6 基于计算机的实验平台框图 本系统中设置计算机数字控制系统主要目的是：采用数字控制方法达到与传 天津大学硕士学位论文 第二章自动控制多功能实验台实验项目分析与设计 统的模拟电路控制方法相同的控制效果。因为元件的参数值是标准化的，在用模 拟电路组成控制系统时，不便于选择合适的元器件参数。而采用计算机数字控制 方法后控制系统的主要环节都可以用计算机软件实现，系统性能参数的选择只 需要改变程序的参数即可。这样学生在设计一个控制系统时变得比较容易。计算 机数字控制系统的主要组成如图2 - 6 所示。 基于计算机的实验平台系统由传感器、传感器前置电路、信号调理电路、e p p 采集控制电路、执行器功放电路、执行器、微机平台及相关软件组成，图中斜体 字部分为标准化模块系列，涵盖常用专业知识。由于整个系统为积木式模块化结 构，大大增强了设计实验的灵活性和可靠性，学生在进行课程设计时，可以自主 设计同样功能的模块电路，以替换标准模块，调试、实验极为方便。 计算机数字控制方案的核心部分如下： 1 ) 基于e p p 接口的运动控制卡 基于e p p 接口的运动控制卡主要用于电动机的实时数据采集与控制，同时 实现任意波形产生器等功能。 计算机实时控制软件和控制系统辅助设计软件 计算机实时控制软件主要实现传感器信号的采集和各种校正算法运算，最后 经数模转换来控制电动机的运行。 控制系统辅助设计软件包括虚拟示波器、任意波形产生器和常用控制系统设 计方法程序虚拟示波器用于实时显示系统的响应曲线，使学生能对控制系统的 工作原理获得生动的感性认识；任意波形产生器可以给出不同形式的激励信号， 用于系统的参数辨识、典型环节的时域分析和频域分析，计算机选择输出正弦波、 阶跃波、速度波、加速度波信号，各种输出波形可随意设置其波形参数；控制系 统的设计方法程序提供了根轨迹法校正法和频率法校正法，程序调用m 枷a b 控 制工具箱函数实现控制系统的辅助设计功能。 2 2 3 单片机加计算机的控制方案 在计算机数字控翩方案中，利用计算机e p p 接口实现对电动机转速、位置 的实时控制。计算机操作系统为非实时系统，由它组成的控制系统的实时性差， 控制精度不高，考虑到学生实验时的实验效果等因素，设计单片机加计算机的控 制方案，单片机作为下位机，实现电动机的转速、位置控制。它将采集的数据送 到上位计算机进行处理、显示等，上位计算机可以改变单片机内程序的控制参数， 以进行各种控制算法的实验，其结构如图2 7 所示。 由于时间原因，第三种方案将由课题组其他人继续完成。本文主要针对前两 种方案进行详细设计与实现。 天津大学硕士学位论文 第二章自动控制多功能实验台实验项1 7 1 分析与设计 图2 7 基于单片机的宴验平台框图 - 1 6 天津大学硕士学位论文 第三章自动控制多功能实验台系统的模拟屯路控制方案实现 第三章自动控制多功能实验台系统的模拟电路控制方案实现 自动控制多功能实验台系统的模拟电路控制方案的主要任务是：用模拟电路 元器件( 电阻、电容和运算放大器等) 构成电动机的速度控制系统和位置伺服系 统。在此系统中，采用的传感器有旋转编码器、测速发电机、位移电阻器和取样 电阻等针对不同的传感器设计了相应的信号调理电路。为了使学生通过实验更 好的理解自动控制原理知识，设计了不同的控制方法和调节方法。 自动控制多功能实验台系统的模拟电路控制方案的构成如下： 1 传感器及其信号调理电路 1 ) 增量式旋转编码器及其信号调理电路 2 ) 测速发电机及其信号调理电路 3 ) 位移电阻器和取样电阻 2 p 删功率驱动电路模块 3 控制器和调节器的硬件电路实现 1 ) 转速开环控制 2 ) 无校正环节闭环控制 3 ) 无源校正网络在控制系统中的实现 有源校正网络在控制系统中的实现 3 1 自动控制多功能实验台系统中传感器及其信号调理电路 传感器是控制系统中重要的组成部分，负责对被控量进行测量并将其反馈到 输入端，从而构成闭环系统。传感器作为检测元件，其性能好坏直接影响到整个 控制系统的控制性能。传感器的性能越好，控制系统能够达到的控制精度就越高。 在组建控制系统时，要根据实际情况中对控制系统性能的要求，选择合适的传感 器种类和传感器的性能参数。 自动控制多功能实验台系统中需要用到位置传感器、速度传感器和力矩( 电 流) 传感器等。控制系统中常用的传感器如图3 - 1 所示，在选用传感器的应该从 以下几方面考虑。 1 ) 精度和分辨率 2 ) 响应速度 3 ) 信号处理简易程度 天津大学硕士学位论文第三章自动控制多功能