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。2ACT-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、功能丰富的上位机软件。PC
2、 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 PC 微机连接。1实验箱 ACT
3、-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 U8U16 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(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
4、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 260ms；S1 上拨、S2 下拨输出信号周期的调节范围为 0.26s；S1 下拨、S2 上拨输出信号周期的调节范围为 20600ms；S1 和 S2 均上拨输出信号周期的调节范围为 0.167s；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；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 015V；在第三种状态
5、时，斜坡信号的幅值调节范围为010V，抛物线信号的幅值调节范围为 02.5V。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 140Hz14KHz；当 S3 下拨时输出频率范围为2160Hz。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（
6、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 U7U5，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 U8U163U8U16 为由运算放大器与电阻，电容等器
7、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。 U9U16 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
8、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 U9U16 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
9、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4体采用“I1I6”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
10、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 ai, bj 110.()mnnsbbsWaa其中 ， 。10如出现 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 ()sKTss可见该 W(s)分子中 s 的阶高
11、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。对于频率特性实验，应满足 12图 2.2.3a 图 2.2.3b图 2.2.218根据 K 求取 Rx。这里的 Rx 可利用模拟电路单元的 220K 电位器，改变 Rx 即可改变 K2，从而改变 K，得到三种不同情况下的实验结果。该系统的阶跃响应如图 2.2.3 a、2.2.3b 和 2.2.3c 所示，它们分别对应系统处于不稳定、临界稳定和稳定的三种情况。图 2.2
12、.3c19实验四 线性系统串联校正一、实验目的1熟悉串联校正装置对线性系统稳定性和动态特性的影响。2掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术。二、实验内容1观测未校正系统的稳定性和动态特性。2按动态特性要求设计串联校正装置。3观测加串联校正装置后系统的稳定性和动态特性，并观测校正装置参数改变对系统性能的影响。4对线性系统串联校正进行计算机仿真研究，并对电路模拟与数字仿真结果进行比较研究。三、实验步骤1利用实验设备，设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路，完成该系统的稳定性和动态特性观测。提示：设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路，可参阅本实验附录的图 4.1.1 和图 4.1.2
13、，利用实验箱上的 U9、U11、U15 和 U8 单元连成。通过对该系统阶跃响应的观察，来完成对其稳定性和动态特性的研究，如何利用实验设备观测阶跃特性的具体操作方法，可参阅实验一的实验步骤 2。2参阅本实验的附录，按校正目标要求设计串联校正装置传递函数和模拟电路。3利用实验设备，设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路，完成该系统的稳定性和动态特性观测。提示：设计并连接一加串联校正后的二阶闭环系统的模拟电路，可参阅本实验附录的图 4.4.4，利用实验箱上的 U9、U14、U11、U15 和 U8 单元连成通过对该系统阶跃响应的观察，来完成对其稳定性和动态特性的研20究，如何利用实验设备
14、观测阶跃特性的具体操作方法，可参阅“实验一”的实验步骤 2。4改变串联校正装置的参数，对加校正后的二阶闭环系统进行调试，使其性能指标满足预定要求。提示：5利用上位机软件提供的软件仿真功能，完成线性系统串联校正的软件仿真研究，并对电路模拟与软件仿真结果进行比较研究。如何利用上位机软件提供的软件仿真功能，完成线性系统的软件仿真，其具体操作方法请参阅“实验一”的实验步骤 3。6分析实验结果，完成实验报告。四、附录1实验用未加校正的二阶闭环系统分析实验用未加校正二阶闭环系统的方块图和模拟电路，分别如图 4.1.1 和图 4.1.2 所示：其开环传递函数为： ()5250.2(1)(0.)GsSs其闭环
15、传递函数为：图 4.1.1图 4.1.22122()501()nWSGsss式中 ， ，7.n1.4n故未加校正时系统超调量为 ，210.63%pMe调节时间为 s，4snt静态速度误差系数 KV等于该 I 型系统的开环增益1/s，25v2串联校正的目标要求加串联校正装置后系统满足以下性能指标：（1）超调量 %pM（2）调节时间（过渡过程时间） s1t（3）校正后系统开环增益（静态速度误差系数） 1/s25Kv3串联校正装置的时域设计从对超调量要求可以得到 % ，于是有 21pe0.4。由 s 可以得到 。41snt4n因为要求 1/s，故令校正后开环传递函数仍包含一个积分环25Kv节，且放大
16、系数为 25。设串联校正装置的传递函数为 D(s),则加串联校正后系统的开环传递函数为 25()()0.1)DsGs采用相消法，令 （其中 T 为待确定参数） ，可以得T到加串联校正后的开环传递函数 220.5125()(.)(1)sDsGTsTsA这样，加校正后系统的闭环传递函数为2()() 51Wsss对校正后二阶系统进行分析，可以得到25nT1综合考虑校正后的要求，取 T=0.05s ,此时 1/s, ，2.36n0.45它们都能满足校正目标要求。最后得到校正环节的传递函数为0.51()sD从串联校正装置的传递函数可以设计其模拟电路。有关电路设计与校正效果请参见后面的频域设计。4串联校正
17、装置的频域设计根据对校正后系统的要求，可以得到期望的系统开环传递函数的对数频率特性，见图 4.4.1。根据未加校正系统的开环传递函数，可画出其相应的对数频率特性，如图 4.4.2 所示。图 4.4.123从期望的系统开环传递函数的对数幅频特性，减去未加校正系统开环传递函数的对数幅频特性，可以得到串联校正装置的对数幅频特性，见图4.4.3。从串联校正装置的对数幅频特性，可以得到它的传递函数： 0.51()cSG从串联校正装置的传递函数可以设计其模拟电路。图 4.4.4 给出已加入串联校正装置的系统模拟电路。图 4.4.2图 4.4.324在图 4.4.4 中，串联校正装置电路的参数可取R1390
18、 ，R 2R 3200 ，R 410 ，C4.7uF 。KK校正前后系统的阶跃响应曲线如图 4.4.5、4.4.6 所示:图 4.4.5 图 4.4.6图 4.4.425实验三 典型非线性环节的静态特性一、实验目的1了解并掌握典型非线性环节的静态特性。2了解并掌握典型非线性环节的电路模拟研究方法。二、实验内容1完成继电型非线性环节静特性的电路模拟研究。2完成饱和型非线性环节静特性的电路模拟研究。3完成具有死区特性的非线性环节静特性的电路模拟研究。4完成具有间隙特性的非线性环节静特性的电路模拟研究。三、实验步骤1利用实验设备，设计并连接继电型非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；并改变
19、参数，观测参数对静态特性的影响。参阅本实验附录 1,从图 5.1.1 和图 5.1.2 可知，利用实验箱上的单元U6 即可获得实验所需继电型非线性环节的模拟电路。单元电路中双向稳压管的稳压值为 5.1V，改变 U6 中的电位器的电阻接入值，即可改变继电特性参数 M，M 随阻值减小而减小。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，下面分两种情况说明测试方法。无上位机时，利用实验箱上的信号源单元 U2 所输出的正弦信号（或周期斜坡信号）作为环节输入，即连接箱上 U2 的“正弦波”与环节的输入端（对应图 5.1.2 的 Ui） 。然后用示波器观测该环节的输入与输出（对应图5.1.2 的 Ui
20、 和 Uo） 。注意调节 U2 的正弦波信号“频率”电位器 RP5 与“幅值”电位器 RP6，以保证观测到完整的波形。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26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。此时将 Ui 连到实验箱 U3 单元的 O1（D/A 通道的输出端）和 I1（A/D 通道的输入端） ，将Uo 连到实验箱 U3 单元的 I2（A/D 通道的输入端） ，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
21、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“通道 I2” 。点击“系统连接” （见界面左下角） ，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）时，可先选择“X-t” ，然后再选择“X-Y” ，在两种不同显示方式下都观察一下；选择“量程” （在“显示模式”下方）为 100ms/div。在选择“显示模式”为“X-t
22、”时，可点击“系统输入信号”和“采样通道 Y”框内的“显示” ；在选择“显示模式”为“X-Y”时，可点击“采样通道X”和“采样通道 Y”框内的“显示” 。进行实验设置，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”可为“正弦波” ，也可以为“周期斜坡信号” 。对“正弦波”：选择“输入波形幅值”为“5V” ，选择“零位偏移”为 0V，选择“输入波形周期”为“1000ms” ，选择“输入持续时间”为“1000ms”,选择信号不“连续” 。对“周期斜坡信号”：选择“输入波形幅值”为“10V” ，选择“零位偏移”为
23、5V，选择“输入波形占空比”为 100%，选择“输入波形周期”为“1000ms” ，选择“输入持续时间”为“1000ms” ，选择信号不“连续” 。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反映该非线性环节静态特性的波形。注意，采用不同测试信号看到的波形或曲线是不同的。改变环节参数，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反映参数改变对该非线性环节静态特性影响的波形。 ，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
24、。2利用实验设备，设计并连接饱和型非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的影响。27参阅本实验附录 2,从图 5.2.1 和图 5.2.2 可知，利用实验箱上的单元U7 即可获得实验所需饱和型非线性环节的模拟电路。单元电路中双向稳压管的稳压值为 2.4V，改变 U7 中的电位器的电阻接入值，即可改变饱和特性参数 K 与 M，K 与 M 随阻值减小而减小。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。3利用实验设备，设计并连接具有死区特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参
25、数对静态特性的影响。参阅本实验附录 3,从图 5.3.1 和图 5.3.2 可知，利用实验箱上的单元U5，将该单元中的拨键 S4 拨向上方即可获得实验所需具有死区特性的非线性环节的模拟电路。改变 U5 中的电阻 Rf 的阻值，即可改变死区特性线性部分斜率 K，K 随 Rf 增大而增大。改变 U5 中的电阻 R1（R2）的阻值，即可改变死区特性死区的宽度 ， 随 R1 增大而增大。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。4利用实验设备，设计并连接具有间隙特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试；并改变参数，观测参数对静态特性的
26、影响。参阅本实验附录 4,从图 5.4.1 和图 5.4.2 可知，利用实验箱上的单元U5，将该单元中的拨键 S4 拨向下方即可获得实验所需具有间隙特性的非线性环节的模拟电路。改变 U5 中的电容 Cf 的阻值，即可改变间隙特性线性部分斜率 K，K 随 Cf 增大而减小。改变 U5 中的电阻 R1（R2）的阻值，即可改变死区特性死区的宽度 ， 随 R1 增大而增大。可利用周期斜坡或正弦信号测试非线性环节的静态特性，具体操作方法请参阅本实验步骤 1，这里不再赘述。请注意，单元 U5 不含运放锁零电路，为避免电容上电荷累积影响实验结果，在每次实验启动前，务必对电容进行短接放电。5分析实验结果，完成
27、实验报告。四、附录1具有继电特性的非线性环节具有继电特性非线性环节的静态特性，即理想继电特性如图 5.1.1 所示。该环节的模拟电路如图 5.1.2 所示。继电特性参数 M，由双向稳压管的稳压值与后一级运放放大倍数之积决定。故改变图 5.1.2 中电位器接入电阻的数值即可改变 M。当阻值减小时，M 也随之减小。实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。28注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。通常选用周期斜坡信号作为测试信号时，选择在 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，选择在 X-t 显示模式下观测。2具有饱和特性的非线性环节具有饱和特性非线性环节的静态
28、特性，即理想饱和特性如图 5.2.1 所示：图 5.1.1图 5.2.1图 5.1.229该环节的模拟电路如图 5.2.2 所示：特性饱和部分的饱和值 M 等于稳压管的稳压值与后一级放大倍数的积，特性线性部分的斜率 K 等于两级运放放大倍数之积。故改变图 5.2.2 中的电位器接入电阻值时将同时改变 M 和 K，它们随阻值增大而增大。实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。通常选用周期斜坡信号作为测试信号时，选择在 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，选择在 X-t 显示模式下观测。3具有死区特性的非线性环节具有死区
29、特性非线性环节的静态特性，即理想死区特性如图 5.3.1 所示：图 5.3.1图 5.2.230该环节的模拟电路如图 5.3.2 所示：斜率 K 为： 0/fkR死区 ，式中 R2 的单位为 ，且2215().()3vkR2R 1（实际死区还要考虑二极管的压降值） 。实验时，可以用周期斜坡或正弦信号作为测试信号进行静态特性观测。注意信号频率的选择应足够低，如 1Hz。选用周期斜坡信号作为测试信号时，可在 X-Y 显示模式下观测；选用正弦信号作为测试信号时，可在 X-t显示模式下观测。4具有间隙特性的非线性环节具有间隙特性非线性环节的静态特性，即理想间隙特性如图 5.4.1 所示。该环节的模拟电路如图 5.4.2 所示。图中间隙特性的宽度 ,（实际死区还要考虑2215()0.()3Rv图 5.3.2
