（IE工业工程）自控理论实验实验指导书(LABVIEW标配)

（IE工业工程）自控理论实验实验指导书(LABVIEW 概 实验 典型环节的电路模拟与软件仿真研 实验 典型系统动态性能和稳定性分 实验 典型环节（或系统）的频率特性 实验 线性系统串联校 实验 典型非线性环节的静态特 实验 非线性系统相平面 实验 非线性系统描述函数 实验 极点配置全状态反馈控 实验 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研 实验 采样控制系统串联校正的混合仿真研 实验 直流电机转速控制实 实验 温度控制实 实验 水箱液位控制实 概 安装指南及系统要 功能使用说 使用实 教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。此外，ACCT-01APC（含实验系统上位机软件、ACCC-IUSB2.0USBPCACCC-IACCC-IACCT-01AACCT-02——电机转速与温度控制、ACCT-033U3U5～U7U8～U1615(1)U5、U6U5，U6，U7U6U7验时通常用作反号器。U9～U16典型环节（或系统）U9～U16G（运放构成环节中不含电容或输入信号为正弦波时G15VU3G1；PCO2GU3G2。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。ai,bjbm

mn（PD）环节的软件仿真实验时就会遇到此问题，因为此时W

ω<200/sec，5ms。本采集设备的上位机软件，A/DD/A8A/D，2D/A8A/D出或同时输入。I1、I2A/D，I3、I4A/D，I5、I6A/DI7、I8A/DA/D，I1、I3、I5、I7A/DA/DD/A实验 典型环节的电路模拟与软件仿真研测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G15V）也可锁UiU3D/AO1，UoU3A/DI1，将运放的GU3G1，U3USB2.0A/DI1D/AO1D/AO1A/D③进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择“X-t“T/DIV”1s/1HZ“测试信号”为“周期阶跃信号，选择“占空比”为50%，选择“T/DIV”为“1000ms， “3V，“0外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，1.1.11.1.21.1.3KR1R0＝100k，R1＝200k，R=10kUo图图积分(I)1.2.11.2.21.2.3所示，于是TR0＝100k，C＝1uF，R=10kUoRo图 1.3.11.3.21.3.3KR1，TR0＝200k，R1＝200k，C＝1uF，R=10k

UOK(11.4.11.4.2（PD1

R

＝1K，C＝10uF，R=10k

Uo图RRRR图对应理想的和实际的比例微分(PD)1.4.3a1.4.3b图

图PD

（供软件仿真参考 UO

1.5.11.5.21.5.3K□R1,TRCR＝200k，R＝200k，C＝1uF，R=10k 图Uo图

图

示。其模拟电路是近似的（PID，取R□□RRPID KR1,TRC,TR1R2CR＝200k，R＝100k，R＝10k，R＝1k，C 01

＝10uF，R=10k

R

CR RR

o

图对应理想的和实际的比例积分微分(PID)1.6.3a1.6.3bPID

R

（供软件仿真参考 实验 典型系统动态性能和稳定性分2.1.12.1.2，设计并连接由一个积分环节和一个惯性环节组成的二阶闭环系统的模拟电路（73，这里不再赘述。T2.1.1G)□

图□W)□ ，其中，

□n

图究不同参数特征下的时域响应。2.1.3a，2.1.3b，2.1.3cc

图2.2.1 TTG)□

R图该系统开环传递函数为H)□

,K500Rx，,RxK系统稳 系统临界稳 系统不稳 KRxRx220KRxK2K，2.2.3a、2.2.3b2.2.3cccc图

cc图实验 典型环节（或系统）的频率特性测学习和掌握测量典型环节（或系统）一阶惯性环节串联”的模拟电路（U9+U11。UiU3D/AO1O2，UoU3A/DI1O1)A/DI2(USBO1④完成实验设置后，点击“下载数据”按钮，将设置的测试信号发送到数据采集系统。然后点击实验界面右下角的“Start”按钮来启动频率特性测试。测试程序将会从低频率计算到高频，界面右下角有个测试进度条，它将显示测试的进度。最后测试出来频率特性的Bode Plot、Plot将在相应的图形控件中显示出来,在同一界面中我们可以同时看到频率特性的两种显示模式:一种是伯德图“BodePlot，它包括幅频特性和相频特性；另一种模式就是乃奎斯特图Plot，又称极坐标图。2参考附录的提示，根据测得的频率特性曲线（或数据）6．对于)□

3.1。取s□代入，得□

□T□

□□

RR实验用一阶惯性环节传递函数为)□uF，1.5.2

R0=200

，R1＝200

G)□

□□

2□□

K□ （3—

RR其 □ T2

2□

（3—

（3—□2□按式（3—1（3—2）和（3—3）K、T、ξ，T、ξ□2□□2□0.01u□2□0.01u100kR0.1u200k R H)□3.2.2注意：此时横轴□采用了以10实验 线性系统串联校4.1.2，U9、U11、U15U82。U9、U14、U11、U15U82。图0.514.1.14.1.2 500kR)R图 1□□□) 式中n

507.07

□□□□□

0.6363%

s

4□□KVIKv=

超调量Mp）s

25

s

1

□n□□□

1/s，25 )□

)□

（T )□□

W)□□

251□

2 s□□ □2□25综合考虑校正后的要求，取T=0.05s,此时

□n□

1/s,0.45D)□

4.4.4R1＝390＝4.7uF

，R2＝R3＝200

RR)R 图cc图cc 4.4.4实验 典型非线性环节的静态特M，MO1I1～I8（CH1D/AO1A/DI2，USBLabVIEW（LabVIEW（式为“X-t015（示模式显示非线性静特性，也可以按照需要选择任一种显示模式，如“X-T模式”或者是“X-Y模“5V“1HZ/1S“10V“1HZ/1SKM，KMS4U5RfK，KRfU5R1（＝R2）的阻Δ，ΔR1S4U5CfK，KCfU5R1（＝R2）的阻Δ，ΔR15.1.2 图M。当阻值减小时，MX-t5.2.2

X-t5.3.2K

死区DR2´15)=0.5R(v)RkWR＝R（ RRf-

图X-t5.4.2图中间隙特性的宽度DR2´15)=0.5R(v),（实际死区还要考虑二极管的压降值斜率aCi

CRRC-

图实验 非线性系统相平面入作测试信号，观测和记录系统在（e&）相平面上的相轨迹，利用该相轨迹分析系统的阶跃响O1U3A/DI1，X2(&）U3A/DI2，1A/DI1X2A/DI2Y1D/AO1X(AD1)选择“-1”(Y(AD2)也选择“-1”(即反相)。“0.4HZ/2.5S“050%，示，直至周期过程反应结束，实验也自动结束，如设置合理就可以在主界面中间得到系统（e&）跃输入作测试信号，观测和记录系统在（e&）相平面上的相轨迹，利用该相轨迹分析系统的阶2,6.2.16.2.2电路。可利用周期阶跃信号测试该非线性系统（e&）的相轨迹和阶跃响应，具体测试方法请参1，这里不再赘述。号，观测和记录系统在（e&）相平面上的相轨迹，利用该相轨迹分析系统的阶跃响应和稳态误U86.1.10.516.1.2

图 X RRX2RX++

图

6.1.1（T＝0.5，K&=)&=-

则（6－1）++

观察X1e，X2即为&，取X1－X2坐标下，即为相轨迹（－&，进行坐标倒相变换可得（e&）坐标。6.2.1图0.516.2.2 XX RRXRX 6.2.2，X1e，X2&。取－X1－X2X-Y坐标，以阶跃输入为测试信号，即可获得系统在（e&）相平面上的相轨迹。该系统在（e&）&=

式中ks（6.2.1s＝0.1，增加反馈电阻现象6.3.1

图0.51图6.3.26.3.1++&+M=+&-M=

6.3.3图 X RRX2RX实验 非线性系统描述函数1，用描述函数法分析继电型非线性三阶系统，求取极限环振荡的振荡环频率特性(Neguist7.1.17.1.2，U9、U6、U13、U11、U15U8，利用阶跃输入作为测试信号，观测和记录系统在（e&）e(t)的阶跃响应。并从观测结果中获取极限环振荡的振幅和周期。测取系统在（e&）相平面上的相轨迹e(t)7.1.2X1eX3&X1I1＃”XX3I2＃”Y2，用描述函数法分析饱和型非线性三阶系统，求取极限环振荡的振荡环频率特性(Neguist7.2.17.2.2，U9、U7、U13、U11、U15U8，利用阶跃输入作为测试信号，观测和记录系统在（e&）e(t)的阶跃响应。并从观测结果中获取极限环振荡的振幅和周期。测取系统在（e&）相平面上的相轨迹e(t)7.2.2X1eX3&X3I1＃”XX1I2＃”Y7.2.2，R1R3，0.511 图7.1.17.1.2 X RR R10uXRX3R□性部分的传递函数为G(s)。则为了用描述函数法分析上述继电

示系统的

轨迹和

7.1.3所示。从

Im

；并由

□

□ a

4M 7.1.2R1R3，只能缩小极限环振荡的振幅，而不能消除振荡。7.2.10.510.21图 10u X3R图 MMMM□M□□□ 图7.2.3给出图7.2.1所示系统的非线性环节的 图迹和系统线性部分7.2.3（7.2.2R1、R3，可实验 极点配置全状态反馈控23，23， 0.051

x1，x2S(A,B,C)，& Xæ-20& X çè 0 故

(2)

□□期望的性能指标为：超调量Mp□ ，峰值时间p£

选择□ p

选择n

于是可以得到理想极点为 p1=－7.07＋j7.07，p2=

（3）

s2

k)s

2□□□□

于是可计算 □1

8.1.3Rx1，Rx218

，33

8.1.4，8.1.5 0.051

(1)8.2.1 +2+5图

W

1□)

10s8.2.2图8.2.3&æ0 0

æ0其 A=ç0- 2÷B=ç0

C□ ç

-5

3，故状态完全可控考虑系统要求后，选择理想极点 S1＝－9，S2＝－2＋j2，S3＝－2－j2，由此可得理想

□□□□□ 令其与理想的闭环特征方程一致，可以得到全状态反馈系数1.2+5+2图RRR图8.2.38.2.6 1（1）9.1.19.1.2，U11，U3D/AO1（9.1.2c(t)端）相连。再将运放的锁零端“G”U115V”相连。注意，实验中运放没O1Ui。“200Hz/5ms④完成实验类别设置，然后设置“测试信号设置”框内的参数项，设置“信号幅值”为（根据实验曲线调整大小，设置“采样时间”为“200Hz/5ms“采样开关T”为“1 ms，选择“采样控制系统混合仿真研究，此时数字控制器是一比例放大器，可先设置Kp=1。1msT，1T，T1对以上实验结果进行分析研究，完成实验报告0.51

图11uRR1 图(+1)

9.2.21u1u)RR图9.2.11□

)□W)□□

T

2□□□□T

□□

2□□□□T

□□

□实验 采样控制系统串联校正的混合仿真研（4）R0）U3A/DI1（对应图10.2.2）相连。再将运放的锁零端“G”U115V”USBO1Ui。“200Hz/5ms④完成实验类别设置，然后设置“测试信号设置”框内的参数项，设置“信号幅值”为“200Hz/5msmsa=b=1,用于获得不加串联校正时的对比结果。1msa=0.05,b=0.5,1得到它的连续传递函数；（4）10.1.1(2)图

10.2.2

4

对

bS+1

，用一阶差分近似离散化，以

U)D)=

(+2))RR微机运算，包括测试信号产生，比较器，校正控制器D(z)，图 ]，闭环脉冲传递函数为W)=9

1+TGc(sab的功能。实验 直流电机转速控制实ACCC-I1.11.3V～15V。经PID运算后的控制量作为驱动单元输入信号，经过功率放大后驱动电机运转。150Hz/V。根据设计要求改变输出电压反馈系数□1.2ACCT-01AR0=R1=R2=100K□，R3=100K□，R4=2M□，R5=10K□，C1=1□F，Rf/Ri=1G－15V。RRC1RC1RRUURRUgRR1PIDACCT-（IN＋功率转换的输出接到直流电机的电枢两端（内部已经连接回路中接一个反馈系数可调节的反相器。调节反馈系数□=Rf/Ri，Uo。4．PID对系统性能的影响重新调节PID参数。RRRC1RUgRRRUU UURR2.2实验 温度控制实ACCC-IUU2.11.3V～15V。DC0～10V。2.2ACCT-01AR0=R1=R2=100K□，R3=100K□，R4=2M□，R5=1K□，C1=1□F，Rf/Ri=2G－15V。ACCT-01ABU1PIDKd=0，R4PIUinU0器。调节反馈系数□=Rf/Ri，Uo。ACCT-01APIDPID实验 水箱液位控制实ACCC-IUU3.11.3V～15V。250mm5V。3.2ACCT-01AR0=R1=R2=200K□，R3=100K□，R4=2M□，R5=10K□，C1=1□F，Rf/Ri=1C1RUgR图 水箱液位控制系统接ACCT-01A“OFF”G－15V。ACCT-01AU1调节反馈系数□=Rf/Ri，Uo。PIDACCT-03第一 概序。本软件必须与自动控制控制理论实验设备（实验装置）USB2.0图 自动控制理论时域及非线性特性分析主界LabVIEW1.2LabVIEW1.31.21.38（2）2实验二典型系统动态性能和稳定性分析（或系统）的频率特性测量实验四线性系统串联校正实验六非线性系统相平面法实验七非线性系统描述函数法实验十采样控制系统串联校正的混合仿真研究LabVIEWLabVIEWbmp第二 安装指南及系统要USB2.0USB2.0PCUSBSETUP.EXE,将安装文件安装到默认路径,安装完上位机界面程序后,我们操作系统：Windows98CeleronCPU1GHzCeleronCPU1.7GHzPC128Mbytes256M硬盘可使用空间300MbytesCDROM（安装程序用800X600VGA1024X768LabVIEW7.0MicrosoftWord第三章PCUSB,PCUSBUSB,PCWindowsUSB（PHILIPSisp1581ScannerKIT）：3.2显示模式模块如图（1.11.21.3）1.X-tX-t（1.1）所示显示界面，横坐标时间轴的量程设置，纵坐标幅值范围为-10V～10V。X-t模式可以用用于相平面轨迹显示时，横轴为系统偏差，3.4.1X-T/X-Y3.4.2对数幅频特性3.4.1极坐标图量程设置1.0.1Hz/10s,10S2.0.2Hz/5s,5S3.100Hz/10ms,