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实验一控制系统时域分析
一、实验目的
1、-II型控制理论及计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。
2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性,掌握电路模拟和软件仿真研究方法。
3、研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。
4、在自动控制理论实验基础上,控制实际的模拟对象,加深对理论的理解。
二、实验设备
1、-II型控制理论及计算机控制技术实验平台
2、PC机1台
3、基于LABVIEW的上位机软件
三、实验内容
1、设计各种典型环节的模拟电路。
2、完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试。
3、观测二阶系统的阶跃响应,测出其超调量和调节时间,并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。
四、实验步骤
熟悉实验箱,利用实验箱上的模拟电路单元,参考本实验附录设计并连接各种典型环节(包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节)的模拟电路。注意实验接线前必须先将实验箱上电,以对运放仔细调零。然后断电,再接线。接线时要注意不同环节、不同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(G可接-15V)也可锁零外,其余环节都需要考虑运放锁零。
1、利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试,并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响(研究比例、PD及惯性环节)。
熟悉上位机界面操作的基础上,充分利用上位机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。仍以比例环节为例,此时将Ui连到实验箱 U3单元的O1(D/A通道的输出端),将Uo连到实验箱 U3单元的I1(A/D通道的输入端),将运放的锁零G连到实验箱 U3单元的G1(与O1同步),。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:
①按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择”选择任一组任一路A/D输入作为环节的输出
,选择任一路D/,图形显示控件中波形的颜色将不同;将另一输出通道直接送倒输入通道(显示示波器信号源发出的输入波形)。
②硬件接线完毕后,检查USB口通讯连线和实验箱电源后,运行上位机软件程序,如果有问题请求指导教师帮助。
③进入实验模式后,先对显示模式进行设置:选择“X-t模式”;选择“T/DIV”为1s/1HZ。
④完成上述实验设置,然后设置实验参数,在界面的右边可以设置系统测试信号参数,选择“测试信号”为“周期阶跃信号”,选择“占空比”为50%,选择“T/DIV”为“1000ms”, 选择“幅值”为“3V”,可以根据实验需要调整幅值,以得到较好的实验曲线,将“偏移”设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外,其余的选择都不是唯一的。要特别注意,除单个比例环节外,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%,那么“T/DIV”至少是环节或系统中最大时间常数的6~8倍。这样,实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。
⑤以上设置完成后,按LabVIEW上位机软件中的“RUN”运行图标来运行实验程序,然后点击右边的“Start”按钮来启动实验,动态波形得到显示,直至周期响应过程结束,如上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应”。
⑥利用LabVIEW软件中的图形显示控件中光标“Cursor”功能(详见软件使用说明书)观测实验结果;改变实验箱上环节参数,重复⑤的操作;如发现实验参数设置不当,看不到“阶跃响应”全过程,可重复④、⑤的操作。
⑦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、观测二阶系统的阶跃响应,测出其超调量和调节时间,并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。
①熟悉实验箱,利用实验箱上的模拟电路单元,,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(如用U9、U15、U11和U8连成)。注意实验接线前必须对运放仔细调零。接线时要注意对运放锁零的要求。
②利用实验设备观测该二阶系统模拟电路的阶跃特性,并测出其超调量和调节时间。
③改变该二阶系统模拟电路的参数,观测参数对系统动态性能的影响。
五、实验报告要求
1、实验目的、实验设备、实验内容、实验步骤
2、实验结果及分析。
六、附录
(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应
比例环节的传递函数为:
其方块图、模拟电路和阶跃响应,、,于是,实验参数取R0=100k,R1=200k,R=10