《控制工程基础》(DOC)

目录

1．概述 (1)

2．实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究 (5)

3．实验二典型系统动态性能和稳定性分析 (12)

4．实验三典型环节（或系统）的频率特性测量 (16)

5. 使用说明实例 (21)

概述

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必须配备上位机（包含相应软件）及并口通讯线。

2．ACT-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，构成各种典型环节与系统。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仪器、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。

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AD C812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U5～U7以及模拟电路单元U8～U16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1.3V～15V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)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S1和S2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：

①S1和S2均下拨——输出信号周期的调节范围为2～60ms；

②S1上拨、S2下拨——输出信号周期的调节范围为0.2～6s；

③S1下拨、S2上拨——输出信号周期的调节范围为20～600ms；

④S1和S2均上拨——输出信号周期的调节范围为0.16～7s；

另有电位器RP1用于以上频率微调。

电位器RP2、RP3和RP4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0～14V；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0～15V；在第三种状态时，斜坡信号的幅值调节范围为0～10V，抛物线信号的幅值调节范围为0～2.5V。

信号单元面板上的拨键S3用于正弦信号的频率段的选择：当S3上拨时输出频率范围为140Hz～14KHz；当S3下拨时输出频率范围为2～160Hz。电位器RP5和RP6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AD C812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采集输入通道和两路D/A输出通道。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U8～U16

U8～U16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。U9～U16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．系统上位机软件的功能与使用方法，详见《ACT-I自动控制理论实验上位机程序使用说明书》。

三．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；

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

1．实验前U9～U16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”具体采用“I1～I6”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a i, b j