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TD-ACC自动控制原理/计算机控制技术实验教程西安唐都科教仪器公司CopyrightReserved2005综述第一部分教学实验的主要设备1第一部分教学实验的主要设备“TD－ACC自动控制原理/计算机控制技术教学实验系统”是我公司最新推出的新型控制类教学实验设备，是“TDN－AC/ACS”在经过多年实际应用后的优化升级产品。此次升级主要集中在虚拟仪器、模拟实验平台、实验内容及调试软件这几个方面。虚拟仪器在测量精度、测量带宽、测量方式及测量手段上进行了较大的变革；模拟实验平台在原有的基础上进一步优化，使得整体布局更加合理化；实验内容方面进行了全面改版，引入了“智能控制”方面的实验；在控制计算机的开发调试环境方面，引入了汇编及C源码级集成开发环境。全面支持各大专院校进行“自动控制原理”、“计算机控制技术”、“智能控制”及“控制系统”等控制类课程的实验教学。下面就该系统的构成及特点做一介绍。1.系统构成及特点教学实验系统主要由控制计算机、开放式的模拟实验平台及一组先进的虚拟仪器构成。1．控制计算机(1)由8088CPU、存贮器及相应的接口电路构成控制计算机。该控制计算机通过RS－232C串口与PC微机相连，在PC微机上进行控制实验程序的开发及调试。(2)专门为控制计算机配备了C及汇编源码级集成开发环境，功能强大。具有单步、跳过、断点、连续、变量跟踪等调试功能。2．开放式的模拟实验平台：包括各种信号源、模拟对象、实际对象和过程通道等单元。各单元之间的连接以及单元内的元件的选择可由用户以多种方式自行操作，从而极大地提高了学生的实验设计和动手能力，避免了单纯验证式实验。实验平台上也安排了直流电机、步进电机、温控单元这样的一些真实对象，使得学生不仅仅停留在对模拟对象的实验研究上，也可以开展对真实对象的控制实验研究。其具体构成如下：(1)信号源①信号源：提供方波、斜波和抛物波，信号的幅值和频率均可调。②正弦波信号：提供正弦波信号，信号的幅值和频率均可调。③单次阶跃：通过按动按钮，可产生单次阶跃信号。调节电位器可改变信号的幅值。(2)运放环节①通用运放单元：提供6路独立的运算放大器单元，运放的负端作为信号输入，正端已通过电阻接地。②反相器单元：提供两路反相器，可以实现信号的反相和相加功能。(3)过程通道①采样保持单元：由采样保持器及单稳电路构成。②模数转换单元：由A/D模数转换电路构成，主要完成模拟量到数字量的转换。③数模转换单元：由D/A数模转换和采保电路构成，完成数字量到模拟量的转换。(4)真实对象综述第一部分教学实验的主要设备2①步进电机：采用35BYJ46型四项八拍步进电机，电压为DC12V。②直流电机：由直流电机及其测速、调速控制电路。③温度单元：由发热元件及测温元件组成。④电烤箱（选件）：由烤箱、测温元件及控制接口电路组成。⑤驱动单元：用来驱动直流电机、步进电机和温度单元。(5)其它单元①辅助单元：供搭接PI、PD、PID等典型环节用。②指示灯：用作实验现象指示。③非线性：非线性实验中构成非线性环节。④485通信：RS－485串行通迅接口，可以用于分布式控制系统等方面的实验。⑤PWM：将0～5V的电压信号转换成脉宽调制的脉冲输出。⑥电源：提供±12V/0.2A、＋5V/2A、－5V/0.2A和GND电源供用户使用。3．一组先进的虚拟仪器：系统提供了一组先进的虚拟仪器，即：双踪超低频数字存储示波器、频率特性分析仪和数字万用表。它们和模拟实验平台集成于一体，可满足控制实验教学过程中对信号测量、分析等各种要求，从而使系统具有极高的性价比。其主要指标如下：(1)双踪超低频数字存储示波器：实时地显示测量波形，并可对所测波形进行参数测量、打印和存盘。实时采样率为：2KHz，测量范围：2.5mV～30V，测量精度：8bit。(2)频率特性分析仪：可对正弦信号的幅值（±1V～±3V）、角频率（0.1rad/s～1000rad/s）进行设置，具有半自动扫频测量功能。测量完成后，自动显示波特图和时域响应波形，同时具有存盘、打印功能。(3)数字万用表：具有电阻（200Ω～2MΩ），电容（0.01uF～100uF），电压（2.5mV～30V）的测量功能。2．自动控制原理及计算机控制技术实验教学的内容为了满足高校在新世纪对控制类教学的需求，我们在原有的“TDN－AC/ACS实验指导书”的基础上做了较大的改编。改编后的实验教程内容由浅入深，层次分明。特别是引入了模糊控制、单神经元控制等新型的智能控制实验，以适应不同专业、不同层次、不同教学时数的需要。同时各章节力求做到原理、技术与实际应用并重，理论与实践结合，符合教学规律，增强学生的实际动手能力。(1)自动控制原理实验方面，全面地给出了线性控制系统的时域分析法、根轨迹法、频率域分析法以及系统校正和设计等方法的实验研究。开展了线性离散系统、非线性控制系统的实验研究。在现代控制理论方面，提供了状态空间分析实验。最后给出了一个模拟PID闭环温度控制实验，可以作为课程设计来安排。(2)计算机控制技术方面，先从过程通道和数据采集处理着手，再开展系统的数字程序控制、数字PID闭环控制、数字调节器直接设计方法的实验教学，随后又引入了智能控制技术方面的实验，使学生对新型的控制算法有所了解、认识。最后开展了控制系统应用实验，实验对象提供了快速（直流电机）和慢速（温度）两种，便于构成不同的闭环系统，让学生对闭环系统的整体构成有所认识，并可针对对象不同而选择不同的控制策略或控制参数。综述第一部分教学实验的主要设备33．系统配套提供的主要实验项目(一)自动控制原理1．线性系统的时域分析(1)典型环节的时域响应(2)典型系统的时域响应和稳定性分析(3)线性系统的校正2．线性系统的根轨迹分析3．线性系统的频率响应分析4．非线性系统的相平面分析(1)典型非线性环节(2)二阶非线性系统(3)三阶非线性系统5．离散系统的稳定性分析与校正(1)离散系统的稳定性分析(2)离散系统的校正6．线性系统的状态空间分析7．模拟PID闭环温度控制系统(二)计算机控制技术1．过程通道和数据采集处理(1)输入与输出通道(2)信号的采样与保持(3)数字滤波2．开环系统的数字程序控制(1)数字脉冲分配器和步进电机调速(2)数字PWM发生和直流电机调速3．数字PID闭环控制(1)数字PID控制算法(2)积分分离法PID控制(3)带死区的PID控制(4)简易工程法整定PID参数4．数字调节器直接设计方法(1)最小拍闭环系统控制(2)大林（Dahlin）算法5．智能控制技术(1)模糊方法实现闭环控制(2)单神经元自适应闭环控制6．控制系统应用(1)直流电机闭环调速控制系统(2)温度闭环控制系统自动控制原理第二部分自动控制原理4第二部分自动控制原理实验自动控制原理第1章线性系统的时域分析5第1章线性系统的时域分析时域分析法是在时间域内研究控制系统在各种典型试验信号作用下，系统响应（或输出）随时间变化规律的方法。因为它是一种直接在时间域中对系统进行分析的方法，所以具有直观、准确的优点，并且可以提供系统响应的全部信息。下面就实验中将要遇到的一些概念做一简单介绍。稳态分量和暂态分量：对于任何一个控制系统来说，它的微分方程的解，总是包括两部分：暂态分量和稳态分量。稳态分量反映了系统的稳态指标或误差,而暂态分量则提供了系统在过渡过程中的各项动态性能信息。稳态性能和暂态性能：稳态性能是指稳态误差，通常是在阶跃函数、斜坡函数或加速度函数作用下进行测定或计算的。若时间趋于无穷时，系统的输出量不等于输入量或输入量的确定函数，则系统存在稳态误差。稳态误差是系统控制精度或抗扰动能力的一种度量。暂态性能又称动态性能，指稳定系统在单位阶跃函数作用下，动态过程随时间t的变化状况的指标。其动态性能指标通常为：•延迟时间td：指响应曲线第一次达到其终值一半所需的时间。•上升时间tr：指响应从终值10％上升到终值90％所需的时间。对于有振荡的系统，亦可定义为响应从第一次上升到终值所需的时间。上升时间是系统响应速度的一种度量，上升时间越短，响应速度越快。•峰值时间tp：指响应超过其终值到达第一个峰值所需的时间。•调节时间ts：指响应到达并保持在终值±5％或±2％内所需的时间。•超调量δ％：指响应的最大偏离量h(tp)与终值h(∞)之差的百分比。上述五个动态性能指标基本上可以体现系统动态过程的特征。在实际应用中，常用的动态性能指标多为上升时间、调节时间和超调量。通常，用tr或tp评价系统的响应速度；用δ％评价系统的阻尼程度；而ts是反映系统响应振荡衰减的速度和阻尼程度的综合性能指标。应当指出，除简单的一、二阶系统外，要精确确定这些动态性能指标的解析表达式是很困难的。本章通过对典型环节、典型系统的时域特性的实验研究来加深对以上概念的认识和理解。1.1典型环节的时域响应1.1.1实验目的1．掌握各典型环节模拟电路的构成方法，掌握TD－ACC设备的使用方法。2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。1.1.2实验设备PC机一台，TD－ACC系列教学实验系统一套。自动控制原理第1章线性系统的时域分析61.1.3实验原理及内容下面列出了各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。1．比例环节（P）(1)方框图：KUi(S)Uo(S)图1.1－1(2)传递函数：K)S(Ui)S(Uo=(3)阶跃响应：Uo(t)=K(t≥0)其中K=R1/R0(4)模拟电路图：_UiR0R1_RR10K10KUo输出测量端反相器信号输入端比例环节R0=200K；R1=100K或200K图1.1－2(5)理想与实际阶跃响应对照曲线①取R0=200K；R1=100K。11/2Uo0tUi(t)Uo(t)理想阶跃响应曲线11/2Uo0tUi(t)Uo(t)实测阶跃响应曲线②取R0=200K；R1=200K。自动控制原理第1章线性系统的时域分析71Uo0tUi(t)Uo(t)理想阶跃响应曲线1Uo0tUi(t)Uo(t)实测阶跃响应曲线2．积分环节（I）(1)方框图：TSUi(S)Uo(S)1图1.1－3(2)传递函数：TS1)S(Ui)S(Uo=(3)阶跃响应：tT1)t(Uo=(t≥0)其中T=R0C(4)模拟电路图：_UiR0C_RR10K10KUo输出测量端反相器信号输入端积分环节R0=200K；C=1uF或2uF图1.1－4(5)理想与实际阶跃响应曲线对照①取R0=200K；C=1uF。1Uo0tUi(t)Uo(t)理想阶跃响应曲线0.2s1Uo0tUi(t)Uo(t)实测阶跃响应曲线0.2s10V无穷自动控制原理第1章线性系统的时域分析8②取R0=200K；C=2uF。1Uo0tUi(t)Uo(t)理想阶跃响应曲线0.4s1Uo0tUi(t)Uo(t)实测阶跃响应曲线0.4s10V无穷3．比例积分环节（PI）(1)方框图：TSUi(S)Uo(S)1+++K图1.1－5(2)传递函数：TS1K)S(Ui)S(Uo+=(3)阶跃响应：tT1K)t(Uo+=(t≥0)其中K=R1/R0；T=R0C(4)模拟电路图：见图1.1－6_UiR0R1_RR10K10KUo输出测量端反相器信号输入端比例积分环节R0=R1=200K；C=1uF或2uFC图1.1－6(5)理想与实际阶跃响应曲线对照①取R0=R1=200K；C=1uF。自动控制原理第1章线性系统的时域分析92Uo0tUi(t)Uo(t)理想阶跃响应曲线0.2s无穷12Uo0tUi(t)Uo(t)实测阶跃响应曲线0.2s110V②取R0=R1=200K；C=2uF。2Uo0tUi(t)Uo(t)理想阶跃响应曲线0.4s无穷12Uo0tUi(t)Uo(t)实测阶跃响应曲线0.4s110V4．惯性环节（T）(1)方框图：TS+1Ui(S)Uo(S)K图1.1－7(2)传递函数：1TSK)S(Ui)S(Uo+=。(3)模拟电路图：见图1.1－8_UiR0C_RR10K10KUo输出测量端反相器信