自动控制原理实验指导书
东南大学 自动化学院 自动控制原理实验室2013.8
1
目 录
第一章 实验系统概述 ------------------------ 3 第二章 硬件的组成及使用 -------------------- 4 第三章 THBDC-1软件的使用说明 -------------- 7 第一节 THBDC-1界面介绍 -------------------- 7 第二节 THBDC-1软件的使用说明 -------------- 第四章 自动控制原理实验 ------------------- 实验一 典型环节的电路模拟 ----------------- 实验二 二阶系统的瞬态响应 ----------------- 实验三 闭环电压控制系统研究 --------------- 实验四 系统频率特性的测试 ----------------- 实验五 Matlab/Simulink仿真实验 ----------- 实验六 串联校正研究 ----------------------- 实验七 非线性系统的相平面分析法 ----------- 实验八 采样控制系统的分析 ----------------- 实验九 控制系统极点的任意配置 ------------- 实验十 状态观测器设计 --------------------- 实验十一 控制系统大型设计实验 --------------- 实验报告封面-----------------------------------
2
10 13 18 21 23 25 26 28 33 36 39 43 44
13
第一章 实验系统概述
“THBDC-1改进型控制理论·计算机控制技术实验平台”是天煌公司结合教学和实践的需要，根据东南大学自动控制原理实验室提出的要求，而进行精心设计的实验系统。适用于高校的自动控制原理、计算机控制技术等课程的实验教学。该实验平台具有实验功能全、资源丰富、使用灵活、接线可靠、操作快捷、维护简单等优点。
实验台的硬件部分主要由直流稳压电源、低频信号发生器、阶跃信号发生器、低频频率计、交/直流数字电压表、模拟运算放大器、数据采集接口单元、步进电机单元、轴流电机单元、温度控制单元、力矩电机系统、通用单元电路、电位器组等单元组成。
上位机软件则集中了虚拟示波器、信号发生器、VBScript脚本编程器、实验仿真等多种功能于一体。其中虚拟示波器可显示各种波形，有X-T、X-Y、Bode图三种显示方式，并具有图形和数据存储、打印的功能，而VBScript脚本编程器提供了一个开放的编程环境，用户可在上面编写各种算法及控制程序，由于使用了研华公司开发的PCI-1711转接卡，可以十分方便的利用Matlab/Simulink软件对被控对象进行实时控制。
实验台通过电路单元模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统，并对控制系统进行模拟仿真研究，使学生通过实验对控制理论及计算机控制算法有更深一步的理解，并提高分析与综合系统的能力。同时通过对本实验装置中轴流电机、步进电机、炉温系统、力矩电机系统四个实际被控对象的控制，使学生熟悉各种算法在实际控制系统中的应用。
在实验设计上，控制理论既有连续部分的实验，又有离散部分实验；既有经典理论实验，又有现代控制理论实验；而计算机控制系统除了常规的实验外，还增加了当前工业上应用广泛、效果卓著的模糊控制、神经元控制、二次型最优控制等实验。
3
第二章 硬件的组成及使用
一、直流稳压电源
直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主用于温度控制单元和直流电机单元。
实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并根据需要将±5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。
实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。 二、低频函数信号发生器及锁零按钮
低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为T1、T2、T3、T4四档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz～3.3Hz、2.5Hz～86.4Hz、49.8Hz～1.7KHz、700Hz～10KHz三档，Vp-p值为16V。
使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和幅值，并通过2号连接导线将其接到需要的位置。
另外本单元还有一个锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。 三、阶跃信号发生器
阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围为-5～+5V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的拔动开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调(选择正输出时，调RP1电位器；选择负输出时，调RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。
注：单元的输出电压可通过实验台上的直流数字电压表来进行测量。 四、低频频率计
低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz～10.0KHz。
低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。
另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。
注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值的频率。此现象并不影响内外测频。
4
五、交/直流数字电压表
交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz～400kHz）、精度高（±5‰）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。 六、通用单元电路
通用单元电路具体见实验平台所示“通用单元电路**”单元、“带调零端的运放单元”“反相器单元”和“无源元件单元”。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51k、100k、200k、510k；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF，其中通用单元电路二、三、九反向输入端有0.1uF电容，通用单元电路八反向输入端有4.7uF电容，可作带微分的环节。
以通用单元为例，现在搭建一个积分环节，比例常数为1s。我们可以选择常用元件100k、10uF，T=1k×10uF=1s，其中通用单元电路二是满足要求的，把对应100k和10uF的插针使用短路帽连接起来，锁零按钮按下去先对电容放电，然后用二号导线把正单位阶跃信号输入到积分单元的输入端，积分电路的输出端接入反向器单元，保证输入、输出方向的一致性。观察输出曲线，其具体电路如下图所示。
七、非线性单元
由两个含有非线性元件的电路组成，一个含有双向稳压管，另一个含有两个单向二极管并且需要外加正负15伏直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中10k、47k电位器由电位器组单元提供。例如47k电位器，既可由一号导线连接也可由二号导线连接电位器单元组中的可调电位器两个端点。
以连接死区非线性环节为例，输入端与正电源端、输入端与负电源端分别为两个10k可调电位器的固定端，分别用导线连接；正电源所连电位器的可调端与D1相连，另一个可调端与D2相连。然后使用低频函数信号发生器输出10Hz\\16v的正弦波，用导线连接到非线性环节的输入端。实验前断开电位器与电路的连线，用万用表测量R的阻值，然后再接入电路中。 八、零阶保持器
零阶保持器为实验主面板上U3单元。它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号
5
CR0R0uiR-++-++uo