1、 1 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，则必须配备上位机（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。系统提供界面友好、功能丰富的上
2、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 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）为核心构成的数据处理卡，通过并口与 P
3、C 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 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 1.3V15V 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) 信号源单元 U2 2 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
4、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： S1和 S2 均下拨 输出信号周期的调节范围为 2 60ms； S1 上拨、 S2 下拨 输出信号周期的调节范围为 0.2 6s； S1 下拨、 S2 上拨 输出信号周期的调节范围为 20 600ms； S1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 014V；
5、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 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
6、输入通道（ I1 I6）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 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
7、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3 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
8、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 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
9、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
10、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4 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 ai, bj 11
11、 1 011 1 0.().mmmmnnnnb s b s b s bWsa s a s a s a 其中 10n ， mn 。 如出现 mn 的情况，软件仿真就会出错，必须设法避免。如实验一，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 s K T s K K T s 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
12、验，应满足 30Rad/sec，以免引起过大误差。类似地，对于采样控制实验，采样控制周期应不小于 2 ms。注意，软件仿真与数据处理单元 U3 无关，故无上述限制。 机电控制工程实验内容 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 典型非线性环节的静态特性； 4 线性系统串联 校正； 5 实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究 一、实验目的 1通过实验熟悉并掌握实验装置和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。 二、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
13、试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。 3 利用上位机界面上的软件仿真功能，完成各典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟测试的结果作比较。 三、实验步骤 1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。 2利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，
14、并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。 无上位机时，利用实验箱上的信号源单元 U2 所输出的周期阶跃信号作为环节输入 ，即连接箱上 U2 的“阶跃”与环节的输入端（例如对比例环节即图 1.1.2 的 Ui），同时连接 U2 的“锁零（ G）”与运放的锁零 G。然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对比例环节即测试图 1.1.2 的 Ui 和Uo）。注意调节 U2 的周期阶跃信号的“频率”电位器 RP5 与“幅值”电位器RP2，以保证观测到完整的阶跃响应过程。 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6
15、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），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”，“采样通道 X”选择“通道 I1”，“采样通道 Y”选择“不采集”。 进行“系统连接”（见界
16、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）为“ X-t” ；选择“量程”（在“显示模式”下方）为 100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统输入信号”和“采样通道 X”。 完成实验设置，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”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形占空 比”为 50%，选择“输入波形周期”为“ 1000ms
17、”，选择“输入持续时间”为“ 1000ms”，选择波形不“连续” , 选择“输入波形幅值”为“ 1V”，将零位偏移设为“ 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“输入波形周期”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。 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，如上述参数设置合理就可以在主界面中间得到环节的“阶跃响应”。 利用“红线数值显示”功能（详
18、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、的操作。 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。 3利用上位机完成环节阶跃特性软件仿真的操作，前步骤与 2 相同，其后操作步骤如下： 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）为“ X-t” ；选 择“量程”（在“显示模式”下方）为 100ms/div；并在界面右方选择“显示”“系统仿真”。 7 在上位机界面右上角“实验类别”中选择“软件仿真”。 然后点击“实验参数设置”，在弹出的“仿真设置”框内，先作“系统仿
19、真输入信号设定”，选择“输入波形类别”为“周期阶跃信号”，选择“输入波形幅值”为“ 1V”，选择“输入波形占空比”为 50%，选择“输入波形周期”为“ 1000ms”，选择“输入持续时间”为“ 1000ms” , 选择波形不“连续”。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和系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为 50%，那么“输入波形周期”至少是环节或系统中最大时间常数的 6 8 倍。 在“仿真设置”框内的“传递函数”栏目中 填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数。完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与
20、电路模拟研究的结果作比较。 在“仿真设置”框内的“其它设置”栏目中选择“时域仿真”。 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环节的“阶 跃响应”。 利用“红线数值显示”功能（详见软件使用说明书 ） 观测实验结果；在“仿真设置”框内的“传递函数”栏目中 改变原填入的环节传递函数参数 ，重复的操作；如发现“系统仿真输入信号设定”中的实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、的操作。 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。 4分析实验结果，完成实验报告。 四、附录 1比
21、例 (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 ： 0()()iUsKUs其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图 1.1.1、图 1.1.2 和图 1.1.3所示，其中 10RK R ，实验参数取 R0 100k， R1 200k， R=10k。 8 2积分 (I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 积分环节的传递函数为： 0() 1()iUsU s TS其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图 1.2.1、图 1.2.2 和图 1.2.3所示，于是 0T RC ，实验参数取 R0 200k， C 1uF， R=10k。 图 1.1.3 图 1.1.1 图 1.1.2 图 1.2.3 图 1.2.1 9 3比例积分 (PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 图 1.3.3 图 1.2.2 图 1.3.1 图 1.3.2 10 比例积分环节的传递函数为： 0 1iU KU TS 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图 1.3.1、图 1.3.2 和图 1.3.3所示，于是 10RK R ， 0T RC ，实验参数取 R0 200k， R1 200k， C 1uF， R=10k。 4比例微分 (PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 图 1.4.3b 图 1.4.3a 图 1.4.1 图 1.4.2
