1、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn),湖南工學(xué)院電氣與信息工程系 羅雪蓮,目 錄,實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的模擬研究 實(shí)驗(yàn)二 典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性 實(shí)驗(yàn)三 控制系統(tǒng)的頻率特性 實(shí)驗(yàn)四 線性連續(xù)系統(tǒng)校正 實(shí)驗(yàn)五 采樣系統(tǒng)分析 附: 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)介紹,返回,實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)模擬研究,本實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、學(xué)習(xí)構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路，了解電路參數(shù)對(duì)環(huán)節(jié)特性影響。 2、熟悉各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)。 3、學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測(cè)量方法，并學(xué)會(huì)由階躍響應(yīng)曲線計(jì)算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 PC機(jī)一臺(tái)，TDN-AC系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。,返回,三實(shí)驗(yàn)原理及電路 下面列出了各典型環(huán)節(jié)的方框圖、傳遞函數(shù)、 模擬電路圖、

2、階躍響應(yīng)，實(shí)驗(yàn)前應(yīng)熟悉了解。 1、各環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞,返回,2、各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖及輸出響應(yīng),四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟,1、觀測(cè)比例、積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。 （1）實(shí)驗(yàn)接線 準(zhǔn)備：使運(yùn)放處于工作狀態(tài)。 將信號(hào)源單元（U1 SG）的ST端（插針）與+5V端（插針）用“短路塊”短接，使模擬電路中的場(chǎng)效應(yīng)管（3DJ6）夾斷，這時(shí)運(yùn)放處于工作狀態(tài) 階躍信號(hào)的產(chǎn)生； 電路可采用圖1-1所示電路，它由“單脈沖單元”（U13 SP）及“電位器單元”（U14 P）組成。 具體線路形成：在U13 SP單元中，將H1與+5V 插針用“短路塊”短接，H2 插針用排線接至U14 P單元的X

3、插針；在U14 P 單元中，將Z插針和GND插針用“短路塊”短接，最后由插座的Y端輸出信號(hào)。 以后實(shí)現(xiàn)再用到階躍信號(hào)時(shí)，方法同上，不再累贅。,（2）實(shí)驗(yàn)操作 按2中的各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好（先按比例,PID先不接）。將模擬電路輸入端（Ui）與階躍信號(hào)的輸出端Y相聯(lián)接；模擬電路的輸出端（U0）接至示波器。按下按鈕（或松平按扭）H 時(shí) ，用示波器觀測(cè)輸出端U0(t)的實(shí)際響應(yīng)曲線，且將結(jié)果記下。改變比例參數(shù)，重新觀測(cè)結(jié)果。同理得出積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的實(shí)際響應(yīng)曲線，它們的理想曲線和實(shí)際響應(yīng)曲線見(jiàn)表1-1。 2、觀察PID環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線 此時(shí)Ui采用U1 SG單元的周期性方波信

4、號(hào)（U1單元的ST 的插針改為與S 插針用“短路塊”短接，S11波段開(kāi)關(guān)置與“階躍信號(hào)”檔，“OUT”端的輸出電壓即為階躍信號(hào)電壓，信號(hào)周期由波段開(kāi)關(guān)S12與電位器W11調(diào)節(jié)，信號(hào)幅值由電位器W12調(diào)節(jié)。以信號(hào)幅值小、信號(hào)周期較長(zhǎng)比較適宜）。 參照2中的PID模擬電路圖，將PID環(huán)節(jié)搭接好。,將中產(chǎn)生的周期性方波加到PID環(huán)節(jié)的輸入端（Ui），用示波器觀測(cè)PID的輸出端（U0），改變電路參數(shù)，重新觀察并記錄。,實(shí)驗(yàn)二 典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性,本實(shí)驗(yàn)為驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn) 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、熟悉有關(guān)二階系統(tǒng)的特性和模擬仿真方法。 2、研究二階系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)阻尼比和無(wú)阻尼自然頻率n對(duì)過(guò)渡過(guò)程的影響。 3

5、、研究二階對(duì)象的三種阻尼比下的響應(yīng)曲線及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。 4、熟悉勞斯判據(jù)，用勞斯判據(jù)對(duì)三階系統(tǒng)進(jìn)行穩(wěn)定性分析。 二、實(shí)驗(yàn)設(shè)備 PC機(jī)一臺(tái)，TDN-AC系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。,三、實(shí)驗(yàn)原理及電路,返回,1、典型二階系統(tǒng) 典型二階系統(tǒng)的方塊圖及傳遞函數(shù) 圖2-1是典型二階系統(tǒng)原理方塊圖，其中T0=1s,T1=0.1s，K1分別為10、5、2、1。,圖2-2,2、典型三階系統(tǒng),典型三階系統(tǒng)的方塊圖：見(jiàn)圖2-3。,模擬電路圖：見(jiàn)圖2-4。,返回,圖2-4,開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為： （其中K=500/R） 系統(tǒng)的特征方程為1+G(S)H(S)=0 即S3+12S2+20S+20K=0由Routh判據(jù)得：041.7K

6、 系統(tǒng)穩(wěn)定 K=12，即R=41.7 K 系統(tǒng)臨界穩(wěn)定 K12，即R41.7 K 系統(tǒng)不穩(wěn)定,四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和步驟,1準(zhǔn)備 將“信號(hào)源單元”（U1 SG）的ST插針和+5V插針用“短路塊”短接，使運(yùn)算放大器反饋網(wǎng)絡(luò)上的場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6夾斷。 2階躍信號(hào)的產(chǎn)生 見(jiàn)實(shí)驗(yàn)一中的階躍信號(hào)的產(chǎn)生。將階躍信號(hào)加至輸入端，調(diào)節(jié)單次階躍單元中的電位器，按動(dòng)按鈕，用示波器觀察階躍信號(hào)，使其幅值為3V。 3典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試 按圖2-2接線，R=10K。 用示波器觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)C（t），測(cè)量并記錄超調(diào)量%，峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間。記錄表1中。,分別按R=20K;40K;100K改變系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益，觀察相應(yīng)的

7、階躍響應(yīng)C(t)，測(cè)量并記錄性能指標(biāo)(%)、tp和tS，及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并記錄測(cè)量值和計(jì)算值（實(shí)驗(yàn)前必須按公式計(jì)算出）進(jìn)行比較。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1中。,表1,PLC實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)接線提示,1交通顯示裝置模型 交通燈插孔TL1TL3為一組， TL4TL6為一組，其中 交通燈插孔TL1：綠燈 交通燈插孔TL2：黃燈 交通燈插孔TL3：紅燈 交通燈插孔TL4：綠燈 交通燈插孔TL5：黃燈 交通燈插孔TL6：紅燈,四、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備,1、EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 2、 EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 3、計(jì)算機(jī) 4、FX-20P-E編程器,返回,實(shí)驗(yàn)四 傳輸實(shí)驗(yàn),（本實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)）,

8、一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、掌握用PLC控制傳動(dòng)控制系統(tǒng)的方法； 2、熟悉PLC編程技巧及程序調(diào)試方法。訓(xùn)練解決工程實(shí)際控制問(wèn)題的能力。 3、掌握傳輸控制技巧 。,二設(shè)計(jì)要求,用PLC構(gòu)成傳動(dòng)控制系統(tǒng) ，具體要求如下： （1）按啟動(dòng)按鈕后，給出YS1信號(hào)，打開(kāi)出料倉(cāng)； （2）檢測(cè)各工位，在工位1時(shí)，停2秒，傳送帶1啟動(dòng)（啟動(dòng)傳送帶的輸出端子在仿真區(qū)SD2端）； （3）工位2時(shí)，停2秒，傳送帶2啟動(dòng)； （4）工位3時(shí)，停2秒，傳送帶3啟動(dòng)； （5）當(dāng)運(yùn)輸料車YS4亮2次以后，關(guān)閉YS1； （6）當(dāng)運(yùn)輸料車YS3亮?xí)r，表示料車裝滿，運(yùn)輸帶會(huì)自動(dòng)停止，此時(shí)應(yīng)啟動(dòng)聲光報(bào)警。3秒后自動(dòng)停止報(bào)警。 當(dāng)另一部料車來(lái)時(shí)

9、，重復(fù)（1）（6）。,三、提示：系統(tǒng)工藝要求,及PLC 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)硬件接線如下:,1傳輸裝置模型說(shuō)明 信號(hào)YSS1代表工位1 信號(hào)YSS2代表工位2 信號(hào)YSS3代表工位3 信號(hào)YS3代表運(yùn)輸料車裝滿 信號(hào)YS4代表傳送帶有 料裝入運(yùn)輸料車 SD2代表傳送帶啟動(dòng)信號(hào) YSI代表開(kāi)出料倉(cāng) LED為燈光報(bào)警發(fā)光管 FMQ為報(bào)警蜂鳴器,SD2,傳輸實(shí)驗(yàn)區(qū),仿真區(qū),YS1,YSS1,YSS2,YSS3,YS3,YS4,LED,FMQ,四、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備,1、EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 2、 EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 3、計(jì)算機(jī) 4、FX-20P-E編程器,返回,實(shí)驗(yàn)五 LED數(shù)碼顯

10、示實(shí)驗(yàn),（本實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)）,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、掌握用PLC控制LED數(shù)碼顯示系統(tǒng)的方法； 2、掌握PLC外部接線的方法。,二設(shè)計(jì)要求,用PLC控制LED數(shù)碼顯示系統(tǒng)，具體要求： 1、在面包板上搭建LED數(shù)碼顯示電路，對(duì)PLC編程，用10個(gè)按鍵分別傳送09十個(gè)數(shù)字，每按動(dòng)這十個(gè)鍵中的一個(gè)，則PLC控制LED數(shù)碼顯示電路顯示對(duì)應(yīng)的數(shù)碼。 2、根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)程序，寫出I/O分配表、繪制程序梯形圖 3、繪制PLC I/O接線圖。,三設(shè)計(jì)提示,1、LED數(shù)碼管有兩種顯示接線方式，一種是共陰，另一種為共陽(yáng)，當(dāng)發(fā)光二極管正向偏置時(shí)，發(fā)光管（LED）燈就亮。 2、 用PLC控制LED顯示有兩種方法，一種

11、是輸出4位BCD碼給LED顯示（如用BCD碼指令顯示）；另一種方法是由PLC編制程序進(jìn)行譯碼，來(lái)控制顯示ag段。,四、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備,1、EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 2、 EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 3、計(jì)算機(jī) 4、FX-20P-E編程器 5、面包板、數(shù)碼管、電阻（2K、1/4w）。,返回,實(shí)驗(yàn)六 功能指令實(shí)驗(yàn),（本實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)）,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、熟悉跳轉(zhuǎn)、分支指令的應(yīng)用 2、掌握數(shù)據(jù)處理：比較、傳送指令的使用 。 3、熟悉PLC編程技巧及程序調(diào)試方法。,二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容,1、利用跳轉(zhuǎn)、分支指令使PLC實(shí)現(xiàn)對(duì)兩組彩燈輪流閃爍的控制。 其編程要求：利用分支指令編程，使K1“接

12、通”時(shí)，LED燈PB01LED燈PB03輪流閃爍；使K1“斷開(kāi)”時(shí)，LED燈PB04LED燈PB06輪流閃爍。,2、利用比較、傳送指令使PLC實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)的傳送與數(shù)據(jù)大小的比較。 其編程要求：給S2賦值10H。由按鍵PB1PB3給S1賦不同值，S1、S2比較結(jié)果通過(guò)輸出顯示LED燈顯示。 按PB1給S1賦值00H，按PB2給S1賦值10H，按PB3給S1賦值20H。當(dāng)S1 S2，則LED燈PBO1亮；S1 S2，則LED燈PBO2亮；S1 = S2，則LED燈PBO3亮；S1 S2，則LED燈PBO4亮；S1 S2，則LED燈PBO5亮；S1S2，則LED燈PBO6亮。,三、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求,1寫出I

13、/O分配表； 2繪制所設(shè)計(jì)的程序梯形圖； 3記錄實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計(jì)要求。,四、實(shí)驗(yàn)儀器與設(shè)備,1、EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 2、 EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 3、計(jì)算機(jī) 4、FX-20P-E編程器,返回,實(shí)驗(yàn)七 電動(dòng)機(jī)自動(dòng)往復(fù)運(yùn)動(dòng),（本實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)）,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、掌握用PLC控制電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)軟件互鎖與硬件互鎖的方法； 2、掌握PLC外部接線的方法。,二設(shè)計(jì)要求,設(shè)計(jì)并制作電動(dòng)機(jī)往復(fù)運(yùn)動(dòng)電路，對(duì)PLC編程，實(shí)現(xiàn)PLC對(duì)電動(dòng)機(jī)的往復(fù)運(yùn)動(dòng)控制。 編程要求：交流電動(dòng)機(jī)起動(dòng)有正轉(zhuǎn)起動(dòng)和反轉(zhuǎn)起動(dòng)，而且正、反轉(zhuǎn)可切換，即在正轉(zhuǎn)時(shí)可直接按下反轉(zhuǎn)起動(dòng)按，電動(dòng)機(jī)即開(kāi)

14、始反轉(zhuǎn)，同時(shí)切斷正轉(zhuǎn)電路，反之亦可；并且要求電動(dòng)機(jī)能往復(fù)運(yùn)動(dòng)，往復(fù)運(yùn)動(dòng)由時(shí)間控制，即按下正轉(zhuǎn)起動(dòng)按鈕，電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)，正轉(zhuǎn)一段時(shí)間轉(zhuǎn)為反轉(zhuǎn)，反轉(zhuǎn)一段時(shí)間又轉(zhuǎn)為正轉(zhuǎn)，如此自動(dòng)往復(fù)。,三設(shè)計(jì)提示,1.用PLC控制交流電動(dòng)機(jī)的正反轉(zhuǎn)，除了軟件互鎖，硬件也要求互鎖。 2.正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)的方法：改變電源相序（兩根火線對(duì)調(diào)）。,1、正反轉(zhuǎn)基本控制電路原理圖：,在上圖中： 主電路： KM1主觸點(diǎn)接通正相序電源M正轉(zhuǎn)。 KM2主觸點(diǎn)接通反相序電源M反轉(zhuǎn)。 控制電路： SB1控制正轉(zhuǎn)，SB2控制反轉(zhuǎn)，SB3用于停止控制。 KM的常閉觸點(diǎn)用于互鎖控制，即使在接觸器故障情況下，也可以保證不發(fā)生主電路短路現(xiàn)象。,四、實(shí)驗(yàn)儀器

15、與設(shè)備,1、EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 2、 EL-PLC-型可編程控制器實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 3、計(jì)算機(jī) 4、FX-20P-E編程器 5、交流接觸器 6、三相異步電動(dòng)機(jī),五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求,1根據(jù)控制要求設(shè)計(jì)程序，寫出I/O分配表、繪制程序梯形圖； 2繪制主電路圖、PLC控制電路圖、PLC I/O接線圖。 3記錄實(shí)驗(yàn)操作結(jié)果 ，分析是否符合設(shè)計(jì)要求。,返回,實(shí)驗(yàn)八 廣告藝術(shù)燈控制器設(shè)計(jì),（本實(shí)驗(yàn)為研究創(chuàng)新型實(shí)驗(yàn)）,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1、掌握采用不同的編程思路實(shí)現(xiàn)用PLC控制廣告藝術(shù)燈系統(tǒng)的方法； 2、熟悉PLC編程技巧及程序調(diào)試方法。,二設(shè)計(jì)要求,用PLC控制廣告藝術(shù)燈電路系統(tǒng) ，編程要求： 某廣告

16、屏有6根燈管（用黃色LED發(fā)光管代替），16只流水燈，每4只燈為一組。在面包板上搭建LED發(fā)光管廣告藝術(shù)燈電路，對(duì)PLC編程，控制彩色LED發(fā)光管輪流閃爍，其具體要求如下： 1）該廣告屏中間6個(gè)燈管亮滅的時(shí)序?yàn)榈?根亮第2根亮第3根亮第6根亮，時(shí)間間隔為1秒，全亮后，顯示10秒，再反過(guò)來(lái)從651順序熄滅。全滅后，停2秒，再?gòu)牡?根燈管開(kāi)始亮起，順序點(diǎn)亮651，時(shí)間間隔為1秒，全亮后，顯示20秒，再?gòu)?26順序熄滅。全熄滅后，停2秒，再?gòu)念^開(kāi)始運(yùn)行，周而復(fù)始。 2）廣告屏四周的流水燈16只，4個(gè)一組，共分4組，每組燈間隔1秒向前移動(dòng)一次，且即從，移動(dòng)一段時(shí)間后（如30秒），再反過(guò)來(lái)移動(dòng)，即從，如此循環(huán)往復(fù)。 3）系統(tǒng)有單步/連續(xù)控制，有起動(dòng)和停止按鈕。 4）系統(tǒng)發(fā)光管的供電電源為24V。,三設(shè)計(jì)提示,設(shè)計(jì)方案提示 根據(jù)霓虹燈時(shí)序控制程序的任務(wù)和要求，可先設(shè)計(jì)霓虹燈中間6根燈管的控制程序。由題意可知，用6個(gè)PLC的輸出分別控制6個(gè)燈管。PLC控制程序可采用步進(jìn)順控指令來(lái)實(shí)現(xiàn)，也可采用移位指令和定時(shí)、計(jì)數(shù)指令組合起來(lái)設(shè)計(jì)該程序，或用基本指令加定時(shí)器