自动控制原理实验指导书.docVIP

自动控制原理 实 验 指 导 书 自动化工程学院自动控制系 实验使用仪器及其连接方式 一、PC机 硬件要求： CPU Pentium、Pentium Pro、Pentium II、Pentium III、AMD Athlon或者更高； 内存 至少64MB，推荐256MB以上； 硬盘 至少预留500MB的硬盘空间； 支持RS-232串口通信。 软件要求： Microsoft Windows 98； Visual C++ 6.x。 Matlab 6.x 其中Visual C++软件环境可根据用户具体要求自行选择。 二、可选择的配套设备 模拟机 可用来进行控制律设计以及校正网络设计。 信号发生器 可用来提供各种输入信号，如阶跃信号、正弦信号等； 双线示波器 可用来观看系统的输入和输出曲线； 数字万用表 可用来精确测量系统的输入输出值。 三、电平转换器 电平转换器是XZ-IIC型做随动系统控制实验时所需用的信号转换器。 该电平转换器是把外界输入的模拟信号和系统能接收的信号进行转换，即把外界的模拟信号（当反馈比例为1时为-5V--+5V，如为其它则相应地增大或缩小）转换成0--+5V的转矩信号和方向信号（DIR）；同时把DSP输出的0—+5V的信号转换成-5V--+5V的模拟信号。也就是说，电机的转动对输入电压的符号无法识别，故需把输入电压的符号转换成系统能识别的逻辑信号，通过逻辑值来控制电机转动的方向，同时把电位器的反馈信号转换成有符号的电压值输出，如图1所示。 其转换特性如图2所示。 电平转换器有两个端口，一端引出三根线头，其中分别是：地线（GND）、控制线、反馈线，具体见引线上的标识。另一端是一个七芯插头，XZ-IIB型进行控制实验时，把它接于机箱后面标有“XS12K7P”字样的相应插口。 四、实验系统 旋转式倒立摆总体结构图如图3所示。 其主体包括旋臂，摆杆，电位器，直流力矩电机等。机箱内置DSP控制器，电源与驱动电路，变压器等。机箱外部有电源开关，电源插口以及通讯接口。支架的内部有电线，便于电位器的信号送到底板的控制器，并将反馈回来的控制信号返回给电机。倒立摆系统可以通过DSP独立控制；也可以通过DSP控制板上引出的通讯接口，由RS-232串行总线，使倒立摆与计算机相连，进行联机控制。 其中每个部位如图4所示：1.旋臂 2.摆杆 3.电位器 4.直流力矩电机 5.支架6.机箱 7.电源开关。 图4 旋转式倒立摆系统机械结构图 倒立摆的机械结构主要包括作为被控对象的摆杆，作为控制执行机构的直流力矩电机（包括旋臂），以及作为测量反馈元件的角位移电位器。 旋臂采用铝合金材料设计，重量较小，同时采用尽可能规则的形状。其中，主要器件的尺寸和型号如下： 机箱尺寸：360mm×240mm×90mm,旋臂尺寸：φ15mm×200mm,摆杆尺寸：φ15mm×250mm,支架高度：400mm。 旋臂质量（包括电位器）：200g；摆杆质量：50g。 测量电位器：WDD35D导电塑料电位器，阻值：1KΩ，独立线性度：0.1％，寿命达5000万转。有效电气转角345±2度，耐压500V，引出线头3个。 直流力矩电机：70LY53永磁直流力矩电机，堵转电压：Uf = 27V，满额电流：If = 2.26A，堵转力矩：Mf = 0.627Nm，最大空载转速：Nomax = 900r/min。 电源和两个测量信号V1、V2以四针插座形式直接与DSP电路板相连接，电源从DSP电路板引向电位器，电位器R1、R2分别与电机（旋臂）和摆杆的旋轴连接。 倒立摆系统经过改装可以成为随动系统，即把倒立摆的摆杆固定，并增加平衡装置，使之成为一个直流力矩电机直接拖动一个惯性负载，再用电位器反馈，形成的随动系统。随动系统有两种实验方式：一种是XZ-IIB型控制方式，即利用模拟机及相应的信号发生器、双线示波器来进行输入和输出，外界模拟信号与电机随动系统通过电平转换器进行连接，需要时也可以利用PC机获得相应输入输出的数据组和曲线；另一种是XZ-IIC型的联机控制方式，通过RS-232串行总线将PC机与倒立摆系统连接，利用PC程序中相应实验的参数设置对话框设置不同的参数进行控制（见图3），此时不能接通电平转换器的航空插头。 XZ-IIC型随动系统的总体结构图和机械结构图分别如图5和图6所示。 图5 随动系统的总体结构图 图6 随动系统机械结构图 第二章 实验仪器简介 本实验的理论基础主要是自动控制的经典控制和现代控制部分理论。 经典控制部分主要是有关控制系统的反馈控制稳定性的概念，时域性能的测试及分析，频域性能的测试及分析，以及优化性能指标的校正原理等。 现代控制部分主要是有关如何建立状态空间方程，并利用它来进行系统性能分析和控制律的设计。 旋转式倒