工业自动化控制实验指导书

- 1 - 一、 组成和使用

1．实验箱的供电

实验箱的后方设有带保险丝管（1A）的220V单相交流电源三芯插座，另配有三芯插头电源线一根。箱内设有四只降压变压器，为实验板提供多组低压交流电源。

2．一块大型（435mm×325mm）单面敷铜印刷线路板，正面印有清晰的各部件及元器件的图形、线条和字符，并焊有实验所需的元器件。

该实验板包含着以下各部分内容：

（1）正面左下方装有电源总开关一只，控制总电源。

（2）100多个高可靠的自锁紧式、防转、叠插式插座。它们与固定器件、线路的连接已设计在印刷线路板上。

这类锁紧式插件，其插头与插座之间的导电接触面很大，接触电阻极其微小（接触电阻≤0.003Ω，使用寿命＞10000次以上），在插头插入时略加旋转后，即可获得极大的轴向锁紧力，拔出时，只要沿反方向略加旋转即可轻松地拔出，无需任何工具便可快捷插拔，同时插头与插头之间可以叠插，从而可形成一个立体步线空间，使用起来极为方便。

（3）扫频电源

采用可编程器件ispLSI1032和单片机AT89C51设计而成，可在15Hz～80KHz的全程范围内进行扫频输出，提供11档扫速，亦可选定点频输出。此外还有频标指示，亦可显示输出频率等。扫频电源的使用见实验指导书附录。

（4）直流稳压电源

提供一路15V和5V直流稳压电源，在电源总开关打开的前提下，只要打开信号源开关，就会有相应的电压输出。

（5）信号源

本实验箱的信号源包括两部分：阶跃信号发生器和函数信号发生器。

阶跃信号发生器：阶跃信号发生器主要为本实验箱提供单位阶跃信号而设计的。当按下白色按钮时,输出一负的阶跃信号,其幅值约 (-0.9V~-2.45V)之间可调。

函数信号发生器：函数信号发生器主要是为本实验箱中所需的超低频信号而 - 2 - 专门设计的。它由单片集成函数信号发生器ICL8038及外围电路组合而成。其输出频率范围为0.25Hz～1.55KHz，输出幅度峰峰值为0～10VP-P。

使用时只要开启“函数信号发生器”开关，此信号源即进入工作状态。

两个电位器旋钮用于输出信号的“幅度调节”（左）和“频率调节”（右）。

将上面一个短路帽放在1、2两脚处，输出信号为正弦波；将其置于3、4两脚处，则输出信号为三角波；将其置于4、5两脚处，则为方波输出。

将下面一个短路帽放在1、2两脚（即“f1”处），调节右边一个电位器旋钮（“频率调节”）则输出信号的频率范围为0.25Hz～14KHz；将其置于2、3两脚（即“f2”处），调节“频率调节”旋钮，则输出信号的频率范围为2.7Hz～155Hz；将其置于4、5脚（即“f3”处）则输出信号的频率范围为26Hz～1.55KHz。

（6）频率计

该系统在作频率特性测试实验时，需要用到超低频信号，若用示波器去读，显然很不方便。为了能直观地读出超低频信号的频率，我们采用了一个频率计。它采用单片机编程，能精确、直观地显示小数点后两位。

本频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，测频范围为0.1Hz～10KHz。

只要开启“函数信号发生器”处开关，频率计即进入待测状态。

将频率计处开关（内测/外测）置于“内测”，即可测量“函数信号发生器”本身的信号输出频率。将开关置于“外测”，则频率计显示由“输入”插口输入的被测信号的频率。

在使用过程中，如遇瞬时强干扰，频率计可能出现死锁，此时只要按一下复位“RES”键，即可自动恢复正常工作。

（8）直流数字电压表

直流数字电压表有三个档位。满度为2V量程,20V量程,200V量程，能完成对直流电压的准确测量,测量误差不超过5‰。

（9）交流毫伏表

交流毫伏表有三个档位。满度为200mV量程、2V量程、20V量程。它具有频带较宽（10Hz~400KHz）、精度高（不超过5‰）、数字显示和“真有效值”的特点、即使测试远离正弦波形状的窄脉冲信号，也能测得精确的有效值大小，其 - 3 - 适用的波峰因素范围达到10。

真有效值交流电压表由输入衰减器、阻抗变换器、定值放大器、真有效值AC/DC转换器、滤波器、A/D转换器和LED显示器组成。

输入衰减器用来将大于2V的信号衰减，定值放大器用来将小于200mV的信号放大。本机AC/DC转换由一块宽频带、高精度的真有效值转换器完成，它能将输入的交流信号——不论是正弦波、三角波、方波、锯齿波，甚至窄脉冲波，精确地转换成与其有效值大小等价的直流信号，再经滤波器滤波后加到A/D转换器，变成相应的数字信号，最后由LED显示出来。

（10）本实验箱附有充足的长短不一的实验专用连接导线一套。

二、 使用注意事项

1．使用前应先检查各电源是否正常，检查步骤为：

（1） 先关闭实验箱的所有电源开关，然后用随箱的三芯电源线接通实验箱的220V交流电源。

（2） 开启实验箱上的电源总开关，则开关指示灯被点亮。

（3）用万用表的直流电压档（或直接用面板上的直流数字电压表）测量面板上的15V和5V，看是否有正确的电压输出。

（4）开启函数信号发生器开关，则应有信号输出；当频率计打到内测时，应有相应的频率显示。

（5）开启交流毫伏表，数码管应被点亮。

（6）开启直流数字电压表，数码管应被点亮。

2．接线前务必熟悉实验线路的原理及实验方法。

3．实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关，严禁带电接线。接线完毕，检查无误后，才可进行实验。

4．实验自始至终，实验板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。

5．实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置到规定的位置。

6．实验时需用到外部交流供电的仪器，如示波器等，这些仪器的外壳应妥为接地。 - 4 - 实验一 控制系统典型环节的模拟

一、 实验目的

1）、熟悉超低频扫描示波器的使用方法

2）、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路

3）、测量典型环节的阶跃响应曲线

4）、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响

二、 实验仪器

1）、控制理论电子模拟实验箱一台

2）、超低频慢扫描示波器一台

3）、万用表一只

三、 实验原理

以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R、C构成。

基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：

由上式可求得由下列模拟电

路组成的典型环节的传递函数及

其单位阶跃响应。

1)、比例环节

比例环节的模拟电路如图1-2所示： 图1-1、运放的反馈连接

图1-2 比例环节 (1) )(12ZZuuSGio2=410820==12KKZZ)S(G - 5 - ）（2 1+= 1+1•= R1+==21212212TSKCSRRRCS/RCS/RZZ)S(G 2）惯性环节

取参考值R1=100K，R2=100K，C=1uF

图1-3、惯性环节

3）、积分环节

取参考值R=200K，C=1uF

图1-4、积分环节

4）、比例微分环节（PD），其接线图如图及阶跃响应如图1-5所示。

参考值R1=200K，R2=410K，C=0.1uF

）（3 1 1 /1)(12TSRCSRCSZZSG RC=T 积分时间常数式中CR=T , =K (4) 1+= 1+•= 1+==1D1211211212RR)ST(K)CSR(RRCS/RCS/RRZZ)S(GD其中 - 6 -

图1-5 比例微分环节

5）、比例积分环节，其接线图单位阶跃响应如图1-6所示。

参考值R1=100K R2=200K C=0.1uF

图1-6 比例积分环节

四、实验内容与步骤

1、分别画出比例、惯性、积分、和微分环节的电子电路图。

2、按下列各典型环节的传递函数，调节相应的模拟电路的参数。观察并

记录其单位阶跃响应波形。

1）、比例环节 G1(S)=1和G2(S)=2

2）、积分环节 G1(S)=1/S和G2(S)=1/（0.5S）

3）、比例微分环节 G1(S)=2+S和G2(S)=1+2S

4）、惯性环节 G1(S)=1/(S+1)和G2(S)=1/(0.5S+1)

5）、比例积分环节（PI）G（S）=1+1/S和G（S）=2（1+1/2S）

五、注意事项 CR=T , =K (5) 1+1= 1+1•=1+= 1+=1+==22122212112121212RR)ST(K)CSR(RRCSRRRCSR)CSR(RCS/RZZ)S(G式中 - 7 - 1）、输入的单位阶跃信号取自实验箱中的函数信号发生器。

2）、电子电路中的电阻取千欧，电容为微法。

六、实验报告要求

1）、画出典型环节的实验电路图，并注明相应的参数。

2）、画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。

3）、写出实验心得与体会。

七、实验思考题

1）、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？

2）、积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节?在什么条件下，又可以视为比例环节？

3）、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？

实验二 一阶系统的时域响应及参数测定

一、 实验目的

1）、观察一阶系统在单位阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应。

2）、根据一阶系统的单位阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。

二、 实验仪器

1）、控制理论电子模拟实验箱一台。

2）、双踪低频慢扫描示波器一台。

3）、万用表一只。

三、 实验原理

图2-1为一阶系统的模拟电路图。由该图可知io=i1-i2

根据上式，画出图2-2所示

的方框图，其中T=R0C。由图 图2-1一阶系统模拟电路图 CS/uΔCS/uRuR1-=Ru 1-=-u

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