北航自动控制原理实验 (非电专业)说明书

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概 述

北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院自动控制与测试教学实验中心是国家211工程建设项目、校级实验教学示范中心，其中的自动控制理论教学实验室面向全校开放，承担全校自动控制原理的本科生实验课教学。

本实验说明书所涉及的自动控制原理实验采取半实物仿真方式实现。半实物仿真一般是把数学模型、实体模型和系统的实际设备联系在一起进行运行，组成仿真系统。而在对此系统进行仿真时，因有实物介入仿真回路，要求仿真是实时进行的，仿真机必须在与真实系统同步的条件下，获取动态的输入信号，并实时地产生动态的输出响应。半实物仿真已经成为国防、工程领域内一种应用广泛的仿真技术，从某种程度上讲半实物仿真技术已经成为其整体科学技术水平的体现和代表。半实物仿真技术在一般的工业控制中更为常见，其控制器可以由计算机实现，将控制对象作为实物直接放置在仿真回路中，构造起半实物仿真系统。

实验系统硬件部分包括计算机、数据采集板和电子模拟机。电子模拟机用来实现系统模型（实物部分），数据采集板用来完成数字量及模拟量的转换以及信号的产生和数据的采集和处理，计算机用来实现综合的实验软件管理以及算法。

实验系统软件部分借助MATLAB软件实现，包括信号源的产生、数据的采集、控制算法和系统模型。自动控制教学实验中心自行开发了PCI数据采集板在MATLAB下的驱动程序，可实现在MATLAB下实时的数据输出和采集，该驱动程序是整个实验系统的核心。

基于半实物仿真技术的自动控制原理实验，倡导的是自主性和研究性的实验方法，实验分为基本实验内容和研究性实验内容两种。基本实验内容可以完成设定的实验包括：典型环节实验、频率特性测试、控制系统串联校正、PID控制器、状态反馈与观测器、采样系统研究实验、非线性环节实验等多种控制理论实验。研究性实验则非常灵活，借助硬件驱动可实现基本的数据的输入输出，MATLAB可实现控制算法和系统模型的构建，两者的结合可实现任何的实验系统，达到实验者进行相应控制理论研究的目的。实验者可在根据自身情况选择实验方式和方法。

自动控制原理实验以学生自主实验为主，教师指导为辅，因此要求学生实验前应完成相关部分的理论课程学习，具备一定的MATLAB基础，并进行提前预习！

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1 仪器设备简介

1.1 数据采集卡

数据采集卡可用于完成数字量和模拟量之间的相互转换，并可模拟量和数字量的输入输出。实验室所采用的是基于PCI总线的多功能模入模出接口卡，本卡具有12位精度的A/D和D/A，同时具备16路数字量输入和16路数字量输出。

1.2 电子模拟机

HHMN-1型电子模拟机用来对控制系统实现电子模拟，通过在电子模拟机上搭接模拟电路的方法来实现各种典型环节和控制系统的传递函数。

电子模拟机以积分器和加法器为基础，分为九个单独的运算放大器模块，配置了二极管、电位计、分压器、电阻、电容等部件，每个运放模块都相互独立，如果各部件之间有黑线连接则说明是连通的，不再需要导线连接，相反则需要用导线进行连接使用。模拟机后面有一个37针D型头接口和计算机内的数据采集板进行连接通信，模拟机上所有的共地点都已经连好，不再需要连接。模拟机右侧有10路A/D（模拟量输入采集），2路D/A（模拟量输出）的插孔，实验者可根据实验要求自行连接。在进行系统的输入输出端和模拟机接口进行连接时，应特别小心，不要接错，在连接好了以后要请老师检查后再接通电源。

模拟机右侧配有一个红色按钮，是电容放电（复位）按钮，每次开始实验采集数据前均要按下“复位”键，使每个积分器反馈回路中的电容通过按键的a、b接点放电，消除电容上的残余电荷，从而提高重复运算的精度，尽量消除零点和积分飘移对系统的影响，复位电路如图1

所示。

图1

1.3 实验导线

实验中所使用的导线，是一次压制成型的，导线插头采用自锁紧方式，插头插入后顺时针方向旋转一定角度即可锁紧，拔除时逆时针方向旋转后方可拔出，严禁拉着导线拔出，这样容易造成导线不易发现的损坏，给实验带来不必要的麻烦，同时造成财产的损失。另外，不可以带电插拔导线。

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2 电路基础知识

2.1 介绍运算放大器

运算放大器是一种用来完成各种数学运算的元件，如进行反号、加法和积分运算。运算放大器是一种直流放大器，它具有很高的增益，因此从放大器的输出端到反相输入端需要负反馈以保证放大器的稳定。运算放大器有两个输入端和一个输出端，通常所使用的是运放带（－）号的反相输入端，不可使用带（+）号的同相输入端。所以要注意运算放大器的极性，一个运算放大器将改变一次代数符号，尤其在使用多个运算放大器连接单位负反馈时一定不要接错。模拟机上配备的运算放大器芯片技术资料如下：

图2 op07管脚图 图3典型电路

主要电特性：

① 输入失调电压：85μv ⑤增益带宽积：0.6MHz ② 输入失调电压温飘：0.5Μv/℃ ⑥电源电压：±22V

③ 输入电阻：33MΩ ⑦输出电压：±11V

④ 电压增益：400V/Mv

典型环节的传递函数及其模拟电路：

① 比例放大环节：

传递函数为：RY(S)= K K=2 R1XS模拟运算电路为：

②积分环节：

传递函数为：Y(S)1= T=R1C XSTS

模拟运算电路为：

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③一阶惯性环节：

传递函数为：RY(S)K T=R2C K=2 = XSTS+1R1

模拟运算电路为：

④求和：

传递函数为：Y(S)= [K1X1(S)+K2X2(S)] K=

模拟运算电路为：

R3RK=3 R1R2

⑤比例-积分：

传递函数为：TS+1Y(S)= K2 XST1S+1

T1=(R1+R2)C T2=R1C K=R2 R1

模拟运算电路为：

⑥比例-微分：

传递函数为：TS+1Y(S)= Kd XSTS+1

Td=(R3+R2)C T=R4C K= R2+R3

R1

模拟运算电路为：

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2.2 电阻的测量

使用数字万用表测量电阻阻值时，应当注意以下几个方

面：首先应使用与希望值相接近的电阻量程，其次测量电阻时，要将模拟机的电源关上，带电测量电阻量出的阻值是不准确的。第三点是在测量电阻时一定要尽量保证对电阻进行单独测量，将电阻两端的导线拔去后，直接测量电阻的两端，以免受到其它电子元件的影响。

2.3 常见问题的排除方法：

问题一（使用不当）：由于运算放大器通常需要搭成负反

馈，以保证其工作稳定，因此在选择电阻和电容时，一定要注意不能够单独使用运算放大器输出端的电阻和电容（如图4所示方框内的部分）

。

图4

问题二（导线损坏）：检查导线是否损坏的方法是使用万

用表测量每根导线，察看每一根导线是否连通。

问题三（运放损坏）：判断运算放大器是否正常，较简单

的方法是在运算放大器上搭接反相器，分别测量其输入和输出的电压，因为反相器的传递函数为-1，其输出和输入的电压应正好相反（运放已经调零）

。测试电路的连接方法如下：

图5 图6

图5为电子模拟机左侧电源部分的连接方法，将+15V与阶跃信号的输入连接，阶跃信号的输出与反相器的输入连接，反相 …… 此处隐藏：2717字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……