航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.doc

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航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 （能源與動(dòng)力學(xué)院用） 張?zhí)旌昃? 南京航空航天大學(xué)能源與動(dòng)力學(xué)院 2004年7月 目 錄 引 言 1 實(shí)驗(yàn)一、柱塞泵特性實(shí)驗(yàn) 2 實(shí)驗(yàn)二、離心泵特性實(shí)驗(yàn) 6 實(shí)驗(yàn)三、分油活門的壓力－位移特性實(shí)驗(yàn) 9 實(shí)驗(yàn)四、數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)） 12 附 DOS下定時(shí)的信號(hào)采集與輸出程序exp.c 17 實(shí)驗(yàn)五、被控對(duì)象的參數(shù)識(shí)別 22 實(shí)驗(yàn)六、單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)） 25 附錄：自動(dòng)控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用說明 29 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理 29 2 硬件使用說明 31 3 軟件使用說明 0  引 言 1．實(shí)驗(yàn)總體要求 實(shí)驗(yàn)是本課程重要的實(shí)踐性教學(xué)環(huán)節(jié)，是考核本課程學(xué)習(xí)成績(jī)的一個(gè)組成部分。通過實(shí)驗(yàn)，要求學(xué)生達(dá)到： （1）基本掌握典型控制元件及電子控制系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)方法； （2）了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器的基本工作原理，并掌握使用方法； （3）正確進(jìn)行實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的整理，對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析，并獨(dú)立寫出實(shí)驗(yàn)報(bào)告。 2．航空發(fā)動(dòng)機(jī)控制實(shí)驗(yàn)安排 分控制元件實(shí)驗(yàn)和控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)兩部分： （1）控制元件實(shí)驗(yàn) 柱塞泵特性實(shí)驗(yàn)（可作為容積式泵試驗(yàn)方法的參考材料） 離心泵特性實(shí)驗(yàn) 分油活門的壓力——位移特性實(shí)驗(yàn) 數(shù)字控制器的實(shí)現(xiàn)（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)） （2）控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn) 被控對(duì)象參數(shù)的參數(shù)識(shí)別 單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)）  實(shí)驗(yàn)一、柱塞泵特性實(shí)驗(yàn) （一） 實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1． 熟悉柱塞泵（容積泵）特性的實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)設(shè)備和測(cè)試儀器； 2． 通過實(shí)驗(yàn)繪制柱塞泵特性曲線，掌握容積式泵特性的一般變化規(guī)律； 3． 通過實(shí)驗(yàn)觀察柱塞泵供油脈動(dòng)所引起的壓力脈動(dòng)規(guī)律。 （二） 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1． 測(cè)定近似理論供油量特性曲線Q T = f（n）； 2． 測(cè)定實(shí)際供油量特性曲線Q=f（n）； 3． 測(cè)定供油量調(diào)節(jié)特性曲線Q=f（φ）； 4． 觀察供油脈動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)規(guī)律。 （三） 實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)設(shè)備為10千瓦燃油泵調(diào)節(jié)器聯(lián)合實(shí)驗(yàn)臺(tái)，其液壓主油路系統(tǒng)原理如圖1所示。 圖1-1 柱塞泵試驗(yàn)設(shè)備原理圖 主油路系統(tǒng)由油箱、增壓泵（葉片泵）、安全閥（溢流閥）、試驗(yàn)泵和調(diào)壓閥等組成。試驗(yàn)泵由直流發(fā)電機(jī)—電動(dòng)機(jī)組經(jīng)增速齒輪箱驅(qū)動(dòng)。改變電機(jī)的激磁電流即可進(jìn)行無級(jí)調(diào)速。試驗(yàn)泵進(jìn)口壓力可通過調(diào)節(jié)增壓泵旁路回油量確定。其出口壓力由調(diào)壓閥調(diào)節(jié)。 （四） 試驗(yàn)泵 試驗(yàn)泵為渦噴5發(fā)動(dòng)機(jī)燃油泵ZB—2C。它是點(diǎn)接觸斜柱塞式柱塞泵。經(jīng)改裝后可用手動(dòng)調(diào)節(jié)斜盤傾角φ，斜盤調(diào)節(jié)桿每移動(dòng)1mm相當(dāng)于斜盤傾角φ=18′。 試驗(yàn)泵的主要性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： nmax=3200rpm； a =130.5mm; pin =1.2bar； dz =14mm; pout=99bar； Z =7； Qmax=2940L/h； θ=15； （五） 測(cè)試儀器 測(cè)試儀器有轉(zhuǎn)速表、壓力表、浮子流量計(jì)（兩只并聯(lián)，本實(shí)驗(yàn)作為觀察流量用）、量筒（或稱油葫蘆，本實(shí)驗(yàn)用它計(jì)量流量）、秒表和示波器。 試驗(yàn)泵的流量用容積法測(cè)定，即計(jì)量流人量筒（油葫蘆）一定容積V的油液所需要的時(shí)間t，則流量為 Q=v/t 在測(cè)量泵的供油量時(shí)，應(yīng)關(guān)閉排葫閥門，使換向轉(zhuǎn)閥接通油葫蘆。計(jì)量完畢后將換向轉(zhuǎn)閥撥向油箱位置，并打開排葫閥門，使油葫蘆中的油液排向油箱，以便于進(jìn)行下一次的流量測(cè)定。 （六） 實(shí)驗(yàn)步驟和方法及數(shù)據(jù)記錄 1． 開車步驟 （1） 打開防火閥門、關(guān)浮閥門、增壓泵旁路調(diào)壓閥門；調(diào)壓閥門打開到最大位置；換向轉(zhuǎn)閥置于接通油箱位置；關(guān)閉排葫閥門；旋動(dòng)圓盤電阻器調(diào)至零位。 （2） 啟動(dòng)增壓閥。 （3） 啟動(dòng)直流電機(jī)組。待啟動(dòng)完成后（信號(hào)燈亮），旋動(dòng)圓盤電阻器，把試驗(yàn)泵的轉(zhuǎn)速調(diào)至試驗(yàn)最低轉(zhuǎn)速。 2． 作近似理論供油量特性QT=f(n)試驗(yàn) （1） 把斜盤傾角置于某一固定值（建議取調(diào)節(jié)桿位置為m=6mm）。調(diào)整增壓泵旁路調(diào)壓閥門和試驗(yàn)泵出口調(diào)壓閥門，使pin=pout(建議取pin=pout=2.5bar) 。 （2） 分別測(cè)量在某幾個(gè)轉(zhuǎn)速（取n=750,1000,1500,2000,2500rpm）下的供油總量V和相應(yīng)的時(shí)間t。測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于下表。 n (rpm) V（L） t（s） m= mm; Pin＝ bar； Pout＝ bar 。 3． 作實(shí)際供油量特性Q=f（n）試驗(yàn) （1） 仍把試驗(yàn)泵斜盤置于與第一個(gè)試驗(yàn)相同的固定值（m=6mm處）。調(diào)整調(diào)壓閥門。使試驗(yàn)泵進(jìn)出口壓力差保持恒定不變(建議取Pin＝2.5bar；Pout＝10bar)。 （2） 分別測(cè)量某幾個(gè)給定轉(zhuǎn)速（取n=750,1500,2000,2500rpm）下的供油總量V和相應(yīng)的時(shí)間t。測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于下表。 n (rpm) V（L） t（s） m= mm; Pin＝ bar； Pout＝ bar 。 4． 作供油調(diào)節(jié)特性Q=f(φ)試驗(yàn) （1） 仍取Pin＝2.5bar；Pout＝10bar；并保持轉(zhuǎn)速n＝2000rpm不變。 （2） 調(diào)節(jié)斜盤傾角（可取m＝2，4，6，8，10mm），分別測(cè)量每一傾角φ下的供油總量V和相應(yīng)的時(shí)間t，測(cè)量數(shù)據(jù)記錄于下表。  m (mm) V（L） t（s） n= rpm ; Pin＝ bar； Pout＝ bar 。 5.觀察供油脈動(dòng) （1） 在試驗(yàn)泵出口接上壓力傳感器，連接好二次指示儀器（示波器）。 （2） 在n＝2000rpm，m＝6mm，Pin＝2.5bar；Pout＝15bar下觀察供油脈動(dòng)引起的壓力脈動(dòng)波形。 （七） 思考題 1． 當(dāng)Pin 和φ不變，當(dāng)n增大（或減?。r(shí)，如何調(diào)節(jié)試驗(yàn)泵出口測(cè)壓閥門使 △P＝Pout －Pin保持不變？ 2． 當(dāng)Pin，φ及n不變時(shí)，要使△P增大(或減小)，如何調(diào)節(jié)泵出口調(diào)壓閥門？ 3． 若Pin和n不變，當(dāng)φ角增大（或減小）時(shí)，怎樣使△P保持不變？ 4． 對(duì)于本實(shí)驗(yàn)設(shè)備系統(tǒng)（圖2－1），在泵前和泵后測(cè)量供油量Q值有無區(qū)別？為什么？ 5． Q=f(φ)特性曲線是否通過坐標(biāo)原點(diǎn)（Q=0,φ=0）? 實(shí)驗(yàn)二、離心泵特性實(shí)驗(yàn) （一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1． 掌握離心泵（動(dòng)力式泵）的試驗(yàn)方法。了解實(shí)驗(yàn)設(shè)備和所用儀器。 2． 通過實(shí)驗(yàn)繪制離心泵的特性曲線并驗(yàn)證比例定律。 （二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測(cè)定n＝4000rpm和n＝5000rpm下離心泵的壓頭特性。 （三）實(shí)驗(yàn)設(shè)備 實(shí)驗(yàn)設(shè)備的系統(tǒng)原理如2所示。 圖2-1 離心泵試驗(yàn)設(shè)備原理圖 1． 主油路系統(tǒng)：由油箱、增壓泵（雙聯(lián)葉片泵）、溢流閥、試驗(yàn)泵（VP-4）等組成。試驗(yàn)泵由直流電機(jī)經(jīng)增速齒輪箱傳動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速采用可控硅進(jìn)行無級(jí)調(diào)節(jié)。在齒輪箱和試驗(yàn)泵之間安裝有轉(zhuǎn)速/扭矩傳感器，可測(cè)量扭矩和轉(zhuǎn)速。油液從油箱經(jīng)閥門（1）和油濾進(jìn)入葉片泵，增壓后輸給試驗(yàn)泵VP-4。從試驗(yàn)泵流出的油液經(jīng)渦輪流量計(jì)（二只并聯(lián)）回油箱。葉片泵進(jìn)出口間還按裝了一個(gè)低壓旁路溢流閥，用來調(diào)整試驗(yàn)泵進(jìn)口壓力。 2． 滑油系統(tǒng)：用來潤滑試驗(yàn)泵和齒輪箱的齒輪。主要由滑油箱、滑油泵和回油泵組成?；捅煤突赜捅醚b于齒輪箱中，由齒輪箱直接驅(qū)動(dòng)。 （四）試驗(yàn)泵 自行設(shè)計(jì)的氣心泵VP-4,葉輪為封閉式，葉片為徑向式。試驗(yàn)時(shí)使其在離心泵工況下工作。試驗(yàn)泵的主要技術(shù)性能： 額定轉(zhuǎn)速n＝21000rpm； 額定流量Q=20000L/h； 出口壓力Pout＝60bar； 比轉(zhuǎn)速ns＝46rpm； 工作介質(zhì)為煤油，ρ=780Kg/m3 。 （五）測(cè)量?jī)x器 壓力表，轉(zhuǎn)速傳感器及二次儀表（頻率計(jì)），渦輪流量計(jì)及二次儀表（頻率計(jì)）。實(shí)測(cè)轉(zhuǎn)速直接從轉(zhuǎn)速表讀出，實(shí)測(cè)流量Q需按流量?jī)x表的讀數(shù)fv進(jìn)行換算。對(duì)于LW-15渦輪流量計(jì)，平均儀表常數(shù)K＝6.8（L/h）/HZ,故 Q=Kfv＝6.8fv （六）實(shí)驗(yàn)步驟及數(shù)據(jù)記錄 1． 打開實(shí)驗(yàn)泵出口調(diào)節(jié)閥及開關(guān)（1）、（3）、（4），并接通電源。 2． 按電控柜上“油泵啟動(dòng)”按鈕啟動(dòng)增壓泵，并調(diào)節(jié)溢流閥使試驗(yàn)泵進(jìn)口壓力（壓力表1示值）在 0.5～1bar范圍內(nèi)。 3． 按電控柜上“主回路啟動(dòng)”按鈕啟動(dòng)直流電機(jī)。 4． 按電控柜上“調(diào)速器啟動(dòng)”按鈕開啟電機(jī)調(diào)速功能。旋轉(zhuǎn)電控柜上“轉(zhuǎn)速給定旋鈕”，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速。 5． 保持n不變，調(diào)整調(diào)壓閥開度，記錄不同Q下試驗(yàn)泵的進(jìn)出口壓力Pin（數(shù)顯壓力表1示值）和Pout。（數(shù)顯壓力表2示值），并把試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于下表。  n（rpm） n1=4000 n2=5000 fv （Hz） 700 500 300 200 100 0 700 500 300 200 100 0 Pout Pin 注：Pin（bar）＝0.1Pin（數(shù)顯壓力表1示值）, Pout(bar)=0.25Pout （數(shù)顯壓力表2示值） 6． 記錄實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)完畢后旋轉(zhuǎn)電控柜上“轉(zhuǎn)速給定”旋鈕，調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)速為0。 7． 按電控柜上“調(diào)速器停止”按鈕關(guān)閉電機(jī)調(diào)速功能。 8． 按電控柜上“主回路停止”按鈕關(guān)閉直流電機(jī)。 9． 按電控柜上“油泵停止”按鈕關(guān)閉增壓泵。 10． 關(guān)閉電源。 （七）實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 學(xué)生完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)撰寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括： 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)手段。 2．離心泵特性實(shí)驗(yàn)的記錄結(jié)果。 3．根據(jù)記錄結(jié)果畫出離心泵的壓力-流量特性曲線。 4．離心泵實(shí)驗(yàn)裝置的工作原理，重點(diǎn)說明直流電機(jī)調(diào)速系統(tǒng)的組成和工作原理。  實(shí)驗(yàn)三、分油活門的壓力－位移特性實(shí)驗(yàn) （一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．熟悉液壓放大元件的實(shí)驗(yàn)方法及實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器； 2．通過實(shí)驗(yàn)測(cè)定分油活門式液壓放大元件的壓力特性。 （二）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 測(cè)定帶旁通節(jié)流器的正開口分油活門的壓力特性曲線，即x曲線。 （三）實(shí)驗(yàn)裝置 實(shí)驗(yàn)裝置由試驗(yàn)件、夾具及恒壓油源等組成，如圖3所示。 圖3-1 分油活門試驗(yàn)裝置原理圖 1．試驗(yàn)件：渦噴六發(fā)動(dòng)機(jī)ZB-10A調(diào)節(jié)器中的分油活門，其結(jié)構(gòu)型式為帶旁通節(jié)流器的非對(duì)稱正開口四邊分油活門。主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下： 圓形窗口半徑 r=1.75mm; 窗口數(shù) N＝2； 開口量 U1=U1′=0.27mm，U2=U2′=0.09mm； 旁通節(jié)流器孔徑 ds＝ds′＝0.78mm 2．試驗(yàn)件的安裝及活門閥芯的位移調(diào)整 被試分活門安裝在試驗(yàn)夾具中?；铋T芯由絲桿和頂桿定位，通過旋轉(zhuǎn)絲桿即可調(diào)整活門芯的位移量。 3．參數(shù)測(cè)量及儀器 （1）用壓力表測(cè)量P1、P2、 P3； （2）用百分表測(cè)量活門芯位移XV(百分表每小格0.01mm)。 4．恒壓油源 恒壓油源由油箱、電機(jī)、油泵、油濾、溢流閥和調(diào)壓閥等組成。該油源用定量葉片泵和溢流閥實(shí)現(xiàn)恒壓供油。葉片泵的主要技術(shù)參數(shù)為：Np＝960rpm；Q=100L/min ；Pout＝63bar。 （四）實(shí)驗(yàn)方法、步驟及數(shù)據(jù)記錄 1．起動(dòng)油源電機(jī)，將供油壓力調(diào)整至PS=10bar。 2．調(diào)整絲桿使活門芯對(duì)中，觀察壓力表，當(dāng)P1=P2=5bar時(shí)，活門芯即處于中位。此時(shí)應(yīng)把百分表指針調(diào)整至零位。 3．旋轉(zhuǎn)絲桿使活門芯左移，分別測(cè)量XV為0.04mm、0.12mm、0.16mm、0.20mm時(shí)對(duì)應(yīng)的P1和P2的值。測(cè)試完畢后，反向旋轉(zhuǎn)絲桿使活門芯重新對(duì)中。 4．旋轉(zhuǎn)絲桿使活門芯右移，測(cè)量活門芯位置與左移時(shí)相同值對(duì)的P1和 P2值。 試驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄于下表。 活門芯位移（mm） 左移 中位 左移 P1(bar) P2(bar)_ （五）實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 學(xué)生完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)撰寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括： 1． 實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)手段。 2． 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及X曲線。 3． 根據(jù)實(shí)驗(yàn)體會(huì)，說明分油活門的放大能力。 4． 定性分析節(jié)流器孔徑ds和ds′對(duì)活門壓力特性的影響。  實(shí)驗(yàn)四、數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)） （一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．了解數(shù)字控制系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)過程； 2．掌握數(shù)字控制算法的編程方法； 3．理解數(shù)字控制的時(shí)序分配原理。 （二）實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備 1．AC－1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀　　　　 一臺(tái) 2．?dāng)?shù)字計(jì)算機(jī)（配有AD/DA卡） 　　　　 一臺(tái) 3．?dāng)?shù)字萬用表　　　　　　　　　　　　　 一塊 （三）數(shù)字控制系統(tǒng)和原理 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型如圖4-1所示。 圖4-1 被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型 被控對(duì)象是由AC-1自動(dòng)控制原理模擬學(xué)習(xí)機(jī)實(shí)現(xiàn)的，其電路原理如圖4-2所示。 數(shù)字控制系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器和D/A轉(zhuǎn)換器完成與指令信號(hào)和被控對(duì)象的信號(hào)接口，由數(shù)字計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)數(shù)字控制規(guī)律，提高控制系統(tǒng)的性能品質(zhì)，實(shí)驗(yàn)用的數(shù)字控制系統(tǒng)的原理結(jié)構(gòu)圖如圖4-3所示。 （四）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法 實(shí)驗(yàn)應(yīng)用軟件名為Control。 單擊桌面上如圖所示的“Control”圖標(biāo)，就可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)科目選擇界面，單擊“發(fā)動(dòng)機(jī)控制”按鈕，即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇界面，單擊“實(shí)驗(yàn)四 數(shù)字控制的實(shí)現(xiàn)”按鈕，即可進(jìn)入本實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用程序界面。可選擇如下實(shí)驗(yàn)內(nèi)容： 1．“模擬通道” 進(jìn)入“模擬通道”選項(xiàng)后，可進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換器、D/A轉(zhuǎn)換器的特性測(cè)試，用直接鍵入數(shù)值的方式可設(shè)定D/A轉(zhuǎn)換器＃0通道或＃1通道的輸出電壓值；用數(shù)字萬用表測(cè)量其輸出電壓值是否正確；同時(shí)將某通道輸出的電壓送入某A/D轉(zhuǎn)換器的輸入通道口，即可從屏幕上看到該通道的A/D轉(zhuǎn)換的電壓值。 一般需對(duì)D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器的零點(diǎn)、滿度、線性度進(jìn)行檢查和調(diào)整。 用鼠標(biāo)點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕或“暫?！卑粹o，可使A/D轉(zhuǎn)換器執(zhí)行或停止采樣。 用鼠標(biāo)單擊“程序”按鈕，可查看D/A轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器的應(yīng)用程序（不能改寫或保存此文件，僅作學(xué)習(xí)和參考）。 2．“定時(shí)中斷” 進(jìn)入“定時(shí)中斷”選項(xiàng)后，可對(duì)定時(shí)間隔進(jìn)行設(shè)定和測(cè)量。可直接輸入數(shù)值或用鼠標(biāo)點(diǎn)擊←、→按鈕來設(shè)定時(shí)間間隔，按下“執(zhí)行”按鈕，可用頻率計(jì)或示波器測(cè)定D/A轉(zhuǎn)換器輸出波形的周期或頻率，檢查與設(shè)定值是否一致。 用鼠標(biāo)點(diǎn)中“程序”按鈕，可查看定時(shí)器的程序（不能改寫或保存此文件，僅作學(xué)習(xí)和參考）。 3．“閉環(huán)控制” 在進(jìn)入“閉環(huán)控制”前，應(yīng)按照數(shù)字控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)圖（圖4－3）和被控對(duì)象電路原理圖（圖4－2）連接并檢查線路，使其連成數(shù)字閉環(huán)控制系統(tǒng)。進(jìn)入“閉環(huán)控制”選項(xiàng)后，按要求輸入相關(guān)參數(shù)，也可以通過手動(dòng)調(diào)節(jié)電位器改變其輸入電壓，點(diǎn)擊“執(zhí)行”按鈕，即可在“閉環(huán)控制”界面中的“實(shí)時(shí)曲線”窗口，觀看系統(tǒng)響應(yīng)曲線。 點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)保存”按鈕即可保存剛顯示的曲線，。 點(diǎn)擊“比例尺”按鈕，即可改變實(shí)時(shí)曲線的坐標(biāo)。 用鼠標(biāo)單擊“程序”按鈕，可查看閉環(huán)控制算法程序（不能改寫或保存此文件，僅作學(xué)習(xí)和參考）。 4.信號(hào)采集與輸出 搭建圖4-4所示的運(yùn)放電路，設(shè)計(jì)電路的增益，如增益為0.5。根據(jù)附錄中程序exp.c，設(shè)計(jì)并完成其中模擬量的輸入和數(shù)字量輸出功能。計(jì)算機(jī)12位數(shù)據(jù)采集卡的AD輸入范圍是-10～10v，DA輸出范圍是-10v～+10v。 實(shí)驗(yàn)要求將首先通過數(shù)據(jù)采集卡的DA功能輸出一模擬電壓ur作為圖4-4所示電路的輸入，然后定時(shí)采集該電路輸出電壓u給計(jì)算機(jī)。其次，通過鍵盤的鍵“↑”和“↓”改變ur的大小。如每按一次“↑”鍵表示ur增加1伏，每按一次“↓”鍵表示ur減小1伏。最后，上述DA輸出量ur和AD輸入量u的變化過程通過DOS圖形界面顯示。 （五）實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 學(xué)生完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)撰寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括： 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)手段。 2．“模擬通道”實(shí)驗(yàn)，含線路原理和實(shí)驗(yàn)結(jié)果，實(shí)驗(yàn)結(jié)果要分別給出DA的數(shù)字量、輸出的電壓值、AD采集的數(shù)字量、變換后的電壓值。 3．“定時(shí)中斷”實(shí)驗(yàn)，含原理和結(jié)果。 4．“閉環(huán)控制”實(shí)驗(yàn)，含原理和結(jié)果，并根據(jù)閉環(huán)控制程序畫出閉環(huán)控制流程圖。 5.“信號(hào)采集與輸出”實(shí)驗(yàn)，畫出主程序的流程圖，并給出所補(bǔ)充的按鍵處理、DA和AD的C語言源代碼。 6．實(shí)驗(yàn)總結(jié)，指出實(shí)現(xiàn)數(shù)字控制的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。  圖4-2 被控對(duì)象電模擬圖 圖4-3 數(shù)字控制系統(tǒng)原理結(jié)構(gòu)框圖 附 DOS下定時(shí)的信號(hào)采集與輸出程序exp.c #include"Stdio.h" #include #include #include #include #include #include #include #include #define base 0x230 void initdraw(); void draw(); void initialize (void); void interrupt timeint(void); void interrupt (*p)(void); void init8112pg(); void adc(); void dac(float da); int time50; float u,uk; float t; FILE *fp; float x,y,xs,ys,xk,yk; float ur; int i,j; void main() { int ch,i,j; unsigned int key; fp=fopen("OUT.dat","w"); /*打開文件*/ ur=6.0; x=45.0;ys=y=yk=380;xs=45.0;xk=45.0; clrscr(); /* 清屏*/ initialize(); initdraw(); dac(0); dac(ur); while(1) { if(kbhit()) { ch=getch(); … //實(shí)現(xiàn)按ESC退出程序； //實(shí)現(xiàn)按“↓”鍵（“↑”鍵）增加（減改）ur的大小。 //實(shí)現(xiàn)DA輸出。 } if(time50) /*每100ms刷新各個(gè)數(shù)據(jù)*/ { gotoxy(2,3); printf("ur=%6.2f u=%6.2f",ur,u); if(t>=20.0) continue; /*8s后不再執(zhí)行畫圖程序*/ draw(); time50=0; } for(i=0;i<10000;i++); adc(); } fclose(fp); /*關(guān)閉文件*/ setvect (0x08,p); /*中斷結(jié)束*/ } void interrupt timeint() /*中斷處理子程序*/ { static int a; a++; t+=0.05; if(a>=50); {time50=1;a=0;} outportb(0x20,0x20); /*寫中斷結(jié)束控制字*/ } void initialize(void) /*對(duì)8253的設(shè)置*/ {int T,k,nl,nh; T=1193280*0.05; /*確定采樣周期0.02s*/ nh=T/256; nl=T%256; outportb(0x43,0x54); /*計(jì)時(shí)器選擇工作方式3*/ outportb(0x40,nl); outportb(0x40,nh); p=getvect(0x08); /*保存原來中斷向量，IR0中斷方式08H*/ setvect(0x08,timeint); /*寫入中斷處理子程序地址*/ outportb(0x21,inportb(0x21)&0xfe); /*開中斷屏蔽*/ } void initdraw() /*畫圖程序初始化*/ { int i,gdriver,gmode; gdriver=VGA; gmode=VGAHI; i=1; initgraph(&gdriver,&gmode,"e:\\pan\\ad_exp\\bgi"); gotoxy(10,12); /*設(shè)置畫圖坐標(biāo)*/ printf("ur=green u=yellow"); setcolor(RED); line(50,380,550,380); /*畫x坐標(biāo)*/ gotoxy(70,25); printf("t(s)"); line(50,380,50,200); /*畫y坐標(biāo)*/ gotoxy(4,12); printf("u"); gotoxy(55,25); printf("8"); gotoxy(5,40); printf("500"); line(545,375,550,380); line(545,385,550,380); line(45,205,50,200); line(55,205,50,200); line(45,320,50,320); while(1) /*對(duì)橫坐標(biāo)進(jìn)行等分*/ { i++; line(50*i,375,50*i,385); if(i>=9) break; } moveto(50.0,380); } void draw() /*畫圖程序*/ {xs=xs+5.0; /*畫給定位置的曲線*/ x=x+5.0; xk=xk+5.0; setcolor(GREEN); moveto(xk,yk); yk=380-ur/10*120; lineto(xk+5.0,yk); setcolor(YELLOW); /*畫實(shí)際位置的曲線*/ moveto(x,y); y=380-u/10*120; lineto(x+5.0,y); } void init8112pg() { outportb(base+11,0x01); /*選擇軟件觸發(fā)*/ outportb(base+9,0x08); /*電壓范圍-10V到+10V*/ outportb(base+10,0x10); /*選擇A/D通道1*/ } void dac(float da) { int data; unsigned char high,low; /*high和low分別為DA輸出的高低字節(jié)*/ if(da>10.0)da=10.0; /*設(shè)定輸出范圍為-10v～+10v*/ if(da<-10.0)da=10.0; … //將要輸出的-10v～+10v的電壓量ur轉(zhuǎn)換為滿足DA輸出范圍0～+10v的量 //將上述模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量進(jìn)行DA輸出。 outportb(base+4,low); /*通道1D/A輸出低字節(jié)*/ outportb(base+5,high); /*通道1D/A輸出高字節(jié)*/ } void adc() { unsigned char high,low; int ad; outportb(base+10,0x10); /*選擇通道0*/ outportb(base+12,0); /*開始ad轉(zhuǎn)換*/ low=inportb(base+4); /*A/D輸出低字節(jié)*/ high=inportb(base+5); /*A/D輸出高字節(jié)*/ … //將AD采集到的數(shù)字量轉(zhuǎn)換為-10v～+10v電壓量，并將轉(zhuǎn)換結(jié)果賦值給u。 } 實(shí)驗(yàn)五、被控對(duì)象的參數(shù)識(shí)別 （一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．了解被控對(duì)象參數(shù)識(shí)別的基本過程； 2．理解參數(shù)識(shí)別的基本原理； 3．掌握參數(shù)識(shí)別的基本方法。 （二）實(shí)驗(yàn)設(shè)備 1．電動(dòng)位置/速度伺服機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體） 一套 2．AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀 一臺(tái) 3．?dāng)?shù)字計(jì)算機(jī)（配有AD/DA卡） 一臺(tái) 4．?dāng)?shù)字萬用表　　　　　　　　　　　　 一塊 （三）實(shí)驗(yàn)回路和原理 1．實(shí)驗(yàn)回路一 圖5-1 實(shí)驗(yàn)回路一 實(shí)驗(yàn)回路一如圖5-1所示，其中被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型為 式中， ，，，秒。 2．實(shí)驗(yàn)回路二 圖5-2 實(shí)驗(yàn)回路二 實(shí)驗(yàn)回路二如圖5-2所示。在該實(shí)驗(yàn)回路中，被控對(duì)象是電動(dòng)速度控制系統(tǒng)，計(jì)算機(jī)產(chǎn)生的激勵(lì)信號(hào)通過計(jì)算機(jī)的D/A轉(zhuǎn)換器輸出，在激勵(lì)信號(hào)的作用下，被控對(duì)象產(chǎn)生相應(yīng)的輸出響應(yīng)信號(hào)，經(jīng)由計(jì)算機(jī)A/D轉(zhuǎn)換器數(shù)據(jù)采集并進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，獲得被控對(duì)象的參數(shù)模型和非參數(shù)模型。 （四）實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及方法 1．測(cè)定電動(dòng)速度控制系統(tǒng)或給定模型的方波特性。 2．用“M序列”激勵(lì)信號(hào)輸入被控對(duì)象，選擇合適的激勵(lì)信號(hào)參數(shù)進(jìn)行系統(tǒng)識(shí)別。 3．實(shí)驗(yàn)應(yīng)用軟件名為Control。 單擊桌面上如圖所示的“Control”圖標(biāo)，就可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)科目選擇界面，單擊“發(fā)動(dòng)機(jī)控制”按鈕，即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇界面，單擊“實(shí)驗(yàn)五 被控對(duì)象參數(shù)識(shí)別”按鈕，即可進(jìn)入本實(shí)驗(yàn)的應(yīng)用程序界面。詳見《自動(dòng)控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用說明》的第三部分的“軟件使用方法舉例”。 根據(jù)所選擇的信號(hào)類型和信號(hào)參數(shù)，在單擊“開始測(cè)試”按鈕后，被控對(duì)象將在選取信號(hào)的激勵(lì)下運(yùn)轉(zhuǎn)。 在點(diǎn)擊“開始測(cè)試”按鈕前，可點(diǎn)擊“比例尺”按鈕，改變顯示圖形的坐標(biāo)。 當(dāng)運(yùn)行時(shí)間結(jié)束時(shí)，程序可自動(dòng)停止；也可在程序運(yùn)行過程中點(diǎn)擊“停止測(cè)試”按鈕，即可停止測(cè)試過程。 點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)保存”按鈕，即可保存剛顯示的曲線。 點(diǎn)擊“打印預(yù)覽”按鈕，可對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，并可選擇要打印的曲線。 由M序列激勵(lì)的過程，單擊“互相關(guān)函數(shù)計(jì)算”按鈕，可獲得被控對(duì)象的脈沖響應(yīng)和階躍響應(yīng)曲線，單擊“階躍函數(shù)計(jì)算”按鈕，可以獲得近似的被控對(duì)象參數(shù)模型及其“階躍響應(yīng)仿真曲線”。 （五）實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 學(xué)生完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)撰寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括： 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)手段。 2．實(shí)驗(yàn)原理，包括實(shí)驗(yàn)回路和相關(guān)電路。 3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分別給出各種辨識(shí)實(shí)驗(yàn)中使用的的激勵(lì)信號(hào)及參數(shù)、對(duì)象的輸出響應(yīng)、數(shù)值處理的方法及辨識(shí)結(jié)果。 4．實(shí)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)實(shí)驗(yàn)法建立對(duì)象數(shù)學(xué)模型的方法進(jìn)行總結(jié)。 實(shí)驗(yàn)六、單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定（設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)） （一）實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 1．掌握單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定的基本原理； 2．了解單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定的基本過程； 3．掌握單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定的基本方法。 （二）實(shí)驗(yàn)儀器設(shè)備 1．電動(dòng)位置/速度伺服機(jī)構(gòu)（轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體） 一套 2．AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀 一臺(tái) 3．?dāng)?shù)字計(jì)算機(jī)（配有AD/DA卡） 一臺(tái) 4．?dāng)?shù)字萬用表　　　　　　　　　　　　 一塊 （三）實(shí)驗(yàn)回路和原理 1．實(shí)驗(yàn)回路一 圖6-1 實(shí)驗(yàn)回路一 2．實(shí)驗(yàn)回路二 圖6-2 實(shí)驗(yàn)回路二 單回路閉環(huán)控制規(guī)律為： （1）比例：， （2）比例微分：，， ＝ （3）比例積分：, （4）比例積分微分： , （5）超前－滯后環(huán)節(jié)： 在上面的實(shí)驗(yàn)回路中，由計(jì)算機(jī)完成控制規(guī)律的實(shí)現(xiàn)，與AC-1自動(dòng)控制原理模擬學(xué)習(xí)機(jī)或?qū)嶋H物理對(duì)象構(gòu)成單回路控制系統(tǒng)。 （四）實(shí)驗(yàn)要求及方法 1．要求： 根據(jù)實(shí)驗(yàn)給定系統(tǒng)，通過參數(shù)整定，系統(tǒng)指標(biāo)應(yīng)達(dá)到如下要求： 調(diào)節(jié)時(shí)間（）：0.4～0.6秒 超調(diào)量（﹪）：≤15﹪ 無靜差 2．方法： （1） 首先選擇比例調(diào)節(jié)，取放大倍數(shù)K＝1，了解轉(zhuǎn)速閉環(huán)控制系統(tǒng)的基本特征。 （2）選擇控制規(guī)律，調(diào)整參數(shù)達(dá)到給定的系統(tǒng)指標(biāo)要求。 該實(shí)驗(yàn)由微機(jī)程序控制，應(yīng)用軟件名為“Control”。 單擊桌面上如圖所示的“Control”圖標(biāo)，就可以進(jìn)入實(shí)驗(yàn)科目選擇界面，單擊“發(fā)動(dòng)機(jī)控制”按鈕，即可進(jìn)入實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目選擇界面，單擊“實(shí)驗(yàn)六 單回路控制系統(tǒng)參數(shù)整定”按鈕，即可進(jìn)入軟件的使用環(huán)境。在應(yīng)用程序界面中選擇“參數(shù)整定”項(xiàng)，進(jìn)入“參數(shù)整定”菜單后，可選擇： 1）選擇控制規(guī)律（參數(shù)整定）：可選項(xiàng)為：比例、比例微分、比例積分、比例積分微分、超前滯后 2）參數(shù)設(shè)置： : 比例控制增益 : 積分放大系數(shù) : 微分放大系數(shù) : 超前滯后補(bǔ)償增益 : 超前時(shí)間常數(shù) : 滯后時(shí)間常數(shù) 給定電機(jī)轉(zhuǎn)速 控制運(yùn)行時(shí)間 (以上參數(shù)用鼠標(biāo)點(diǎn)中后直接輸入數(shù)據(jù)) 根據(jù)所選擇的控制規(guī)律和控制參數(shù)，在點(diǎn)擊“開始測(cè)試”按鈕后，被控對(duì)象將在選取的控制規(guī)律和控制參數(shù)作用下閉環(huán)運(yùn)行，微機(jī)屏幕上實(shí)時(shí)顯示控制過程曲線。 在點(diǎn)擊“開始測(cè)試”按鈕前，可點(diǎn)擊“比例尺”按鈕，改變顯示圖形的坐標(biāo)。 當(dāng)運(yùn)行時(shí)間結(jié)束時(shí)，程序可自動(dòng)停止；也可在程序運(yùn)行過程中點(diǎn)擊“停止測(cè)試”按鈕，即可停止測(cè)試過程。 點(diǎn)擊“數(shù)據(jù)保存”按鈕，即可保存剛顯示的曲線。 點(diǎn)擊“打印預(yù)覽”按鈕，可對(duì)實(shí)驗(yàn)過程的數(shù)據(jù)進(jìn)行回放，并可選擇要打印的曲線。 （五）實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 學(xué)生完成該項(xiàng)實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)撰寫一份實(shí)驗(yàn)報(bào)告，報(bào)告內(nèi)容包括： 1．實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮蛯?shí)驗(yàn)手段。 2．實(shí)驗(yàn)原理，包括實(shí)驗(yàn)回路和相關(guān)電路。 3．實(shí)驗(yàn)內(nèi)容，分別給出各種控制規(guī)律的及響應(yīng)的程序算法，并給出選定的控制參數(shù)及相應(yīng)的控制結(jié)果。 4．實(shí)驗(yàn)總結(jié)，對(duì)幾種控制規(guī)律的控制效果進(jìn)行分析比較。 附錄：自動(dòng)控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)使用說明 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作原理 1.1 系統(tǒng)組成 自動(dòng)控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)由主控計(jì)算機(jī)（PC機(jī)）、AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀和轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體三個(gè)部分組成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖F1-1所示。 AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀 轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體 主控計(jì)算機(jī) （PC機(jī)） RS232 AD/DA DI/DO CTR 伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng) 測(cè)速電機(jī) 光電編碼器 光電開關(guān)的信號(hào) 圖F1-1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu) 自動(dòng)控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的照片如圖F1-2所示。 AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀 主控計(jì)算機(jī) 轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體 圖F1-2 自動(dòng)控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 主控計(jì)算機(jī)是一臺(tái)普通的PC機(jī)（如圖F1-2所示），負(fù)責(zé)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的管理，并且與AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀構(gòu)成上、下位機(jī)分級(jí)控制系統(tǒng)。上位機(jī)和實(shí)驗(yàn)儀之間通過數(shù)據(jù)采集卡或RS232串行通信接口進(jìn)行信息的傳遞。主控計(jì)算機(jī)配置了一塊多功能數(shù)據(jù)采集卡，主要用于位置和速度信號(hào)的采集以及轉(zhuǎn)臺(tái)控制信號(hào)的傳遞，能夠?qū)崿F(xiàn)多通道高速信號(hào)采集和信號(hào)輸出功能。同時(shí)主控計(jì)算機(jī)中的上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)對(duì)整個(gè)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行控制，在各種控制功能的基礎(chǔ)上完成所有的教學(xué)實(shí)驗(yàn)。 AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀（如圖F1-3所示）又可稱為控制裝置或信號(hào)接口箱，它是一種基于高級(jí)單片機(jī)的嵌入式控制器，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體的直接控制，并提供主控計(jì)算機(jī)和轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)機(jī)之間的接口，具有電機(jī)驅(qū)動(dòng)、轉(zhuǎn)速和位置信號(hào)的調(diào)理、模擬校正和控制、工作模式設(shè)定、轉(zhuǎn)速和位置的指示等功能。整個(gè)AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀由變壓器 、主板 、數(shù)碼顯示板 、功率放大板 、電源板 、模擬機(jī)及其頂面板 、后端接線板 、前面板及控制箱體等組成。 實(shí)驗(yàn)儀上的 模擬計(jì)算機(jī) 實(shí)驗(yàn)儀的面板 圖F1-3 AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀 為了提高系統(tǒng)的集成度，在AC-1自動(dòng)控制綜合實(shí)驗(yàn)儀的上面板上設(shè)計(jì)了模擬機(jī)面板。模擬機(jī)由10個(gè)運(yùn)放和一系列的電阻、電容、二極管等元件組成，可以構(gòu)建線性電路、典型的非線性環(huán)節(jié)和各種動(dòng)態(tài)環(huán)節(jié)。這樣可以通過模擬機(jī)實(shí)現(xiàn)各種動(dòng)力學(xué)模擬系統(tǒng)或?qū)崿F(xiàn)基于模擬電路的控制器，以擴(kuò)展該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的功能。 轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體部分是AC-1自動(dòng)控制綜合試驗(yàn)儀的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性負(fù)載運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)反饋的電路接口。 1.2 電動(dòng)伺服系統(tǒng)的原理 電動(dòng)伺服系統(tǒng)是由單片機(jī)或主控計(jì)算機(jī)實(shí)現(xiàn)對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體進(jìn)行速度或位置閉環(huán)控制的系統(tǒng)。轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體部分是電動(dòng)伺服系統(tǒng)的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)慣性負(fù)載運(yùn)動(dòng)。在轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體上依次安裝了直流伺服電機(jī)、慣性負(fù)載轉(zhuǎn)盤、光電探頭、直流測(cè)速電機(jī)、光電編碼器等部件，如圖F1-4所示。轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體提供電機(jī)驅(qū)動(dòng)和狀態(tài)反饋的電路接口。其中直流伺服電機(jī)是我們的操縱對(duì)象，其余為傳感器。 考慮到轉(zhuǎn)速控制系統(tǒng)中有時(shí)采用光電或磁電轉(zhuǎn)速傳感器，轉(zhuǎn)盤采用鐵磁性材料，在負(fù)載轉(zhuǎn)盤的外周加工了等間距的齒牙，在臺(tái)體上安裝了光電探頭和磁感探頭用于轉(zhuǎn)速的測(cè)量。直流伺服電機(jī)的額定轉(zhuǎn)速為1500 r/min，額定工作電壓為28V。測(cè)速電機(jī)具有0.025V/r/min的靈敏度。光電編碼器具有1200線的分辨率。直流測(cè)速電機(jī)提供轉(zhuǎn)盤的速度信號(hào)，該信號(hào)一方面可以提供位置控制時(shí)的模擬校正，或模擬速度的閉環(huán)控制，另一方面通過單片機(jī)的A/D轉(zhuǎn)換或PC機(jī)上數(shù)據(jù)采集卡的A/D轉(zhuǎn)換，用于速度的數(shù)字閉環(huán)控制。光電編碼器用于提供位置信號(hào)和高頻轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)。轉(zhuǎn)速脈沖信號(hào)供單片機(jī)或數(shù)據(jù)采集卡的計(jì)數(shù)器進(jìn)行轉(zhuǎn)速的測(cè)量；光電編碼器的增量式編碼信號(hào)經(jīng)過4倍頻電路和增量計(jì)數(shù)器電路處理后得到位置信號(hào)的數(shù)字量，可供單片機(jī)或數(shù)據(jù)采集卡的開關(guān)量輸入接口讀取。 編碼器 測(cè)速電機(jī) 伺服電機(jī) 慣性負(fù)載轉(zhuǎn)盤 光電探頭 圖F1-4 轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)體 2 硬件使用說明 2.1 實(shí)驗(yàn)儀上的模擬計(jì)算機(jī) VI IV II III I一區(qū) V 圖F2-1 模擬計(jì)算機(jī)面板 模擬機(jī)計(jì)算機(jī)面板如圖F2-1所示。在模擬計(jì)算機(jī)面板上，最下面的兩個(gè)銀色金屬圓柱是兩個(gè)螺母，旋開這兩個(gè)螺母，就可以打開模擬機(jī)的面板了。非專業(yè)人員不要打開模擬機(jī)的機(jī)箱；如確實(shí)要打開，請(qǐng)?jiān)趯I(yè)人員的指導(dǎo)下進(jìn)行，否則可能損壞模擬機(jī)的重要部件。 下面分區(qū)介紹模擬機(jī)面板（序號(hào)與圖F2-1上的標(biāo)號(hào)一致）。 2.1.1 I區(qū)（多功能數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)接口區(qū)） I區(qū)為多功能數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)接口區(qū)，如圖F2-2所示，該區(qū)的各信號(hào)說明見表F2-1。 圖F2-2 I區(qū)（多功能數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)接口區(qū)） 表F2-1 I區(qū)（多功能數(shù)據(jù)采集卡信號(hào)接口區(qū)）信號(hào)說明 序號(hào) 代碼 信號(hào)名稱 輸入/出 1 CLK 數(shù)據(jù)采集卡上的8254芯片的時(shí)鐘輸入 輸入 2 GATE 數(shù)據(jù)采集卡上的8254的門控信號(hào)輸入 輸入 3 DO0 DO1 DO2 DO3 DO4 DO5 DO6 DO7 數(shù)字信號(hào)輸出通道0~7 輸出 4 DI0 DI1 DI2 DI3 DI4 DI5 DI6 DI7 數(shù)字信號(hào)輸入通道0~7 輸入 5 TOUT 數(shù)據(jù)采集卡上的8254輸出 輸出 6 DA0 DA1 數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出通道0 數(shù)/模轉(zhuǎn)換輸出通道1 輸出 7 AD0 AD1 AD2 AD3 AD4 AD5 AD6 AD7 模/數(shù)轉(zhuǎn)換輸入通道0~7 輸入 8 GND 數(shù)字地 輸入/輸出 9 AGND 模擬地 輸入/輸出 10 +15 +15V電源 輸出 11 -15 -15V電源 輸出 12 VCC +5V電源 輸出 13 -5 -5V電源 輸出 2.1.2 II區(qū)（電動(dòng)伺服系統(tǒng)的傳感器/驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口區(qū)） 表F2-2 II區(qū)（電動(dòng)伺服系統(tǒng)的傳感器/驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口區(qū)）信號(hào)說明 FU: 編碼盤四倍頻正轉(zhuǎn)信號(hào)(輸出) SET: 給定信號(hào)(輸出) FN: 編碼盤四倍頻轉(zhuǎn)速信號(hào)(輸出) OSET: 外部給定信號(hào)(輸入) SPDF: 速度反饋信號(hào)（輸入） -POS: 位置輸出（經(jīng)過電路調(diào)理，輸出) FD: 編碼盤四倍頻反轉(zhuǎn)信號(hào)，(輸出) -SPD: 速度輸出（經(jīng)過電路調(diào)理）(輸出) DXC: 光電開關(guān)，(輸出) VC: 驅(qū)動(dòng)電路控制信號(hào)，(輸出) II區(qū)為電動(dòng)伺服系統(tǒng)的傳感器/驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口區(qū)，如圖F2-3所示，該區(qū)的各信號(hào)說明見表F2-2。 圖F2-3 II區(qū)（電動(dòng)伺服系統(tǒng)的傳感器/驅(qū)動(dòng)信號(hào)接口區(qū)） 2.1.3 III區(qū)（電阻電容區(qū)） III區(qū)為電阻電容區(qū)，如圖F2-4所示。這是一組自由的電阻和電容，還提供了一個(gè)接地點(diǎn)，另外兩個(gè)是10kW的可變電阻，并且一端接地，例如在《〈自動(dòng)控制原理〉試驗(yàn)指導(dǎo)書》實(shí)驗(yàn)一的圖1-6中的二階系統(tǒng)模擬電路中就需要用到這樣的可變電阻。 2.1.4 IV區(qū)（運(yùn)算放大器區(qū)） IV區(qū)為運(yùn)算放大器區(qū)，如圖F2-5所示。這是一組運(yùn)算放大器，從A1到A6，它們的結(jié)構(gòu)非常類似，只有A1與其他五個(gè)有一點(diǎn)差別。在運(yùn)算放大器A1中，左上角有一個(gè)上下?lián)軇?dòng)開關(guān)（如圖F2-6所示），向下?lián)鼙硎疽胍粋€(gè)為-5V~+5V的電壓信號(hào)，一般用于階躍給定。如果你需要精確的電壓值，請(qǐng)斷開與之相連的電路后，用數(shù)字電壓表（或其他電壓表）量取。具體可以參考《〈自動(dòng)控制原理〉試驗(yàn)指導(dǎo)書》實(shí)驗(yàn)5中圖5-1的有關(guān)部分，需要指出的是：在測(cè)量電壓時(shí)請(qǐng)你一定要斷開電路，否則測(cè)不準(zhǔn)。 在圖F2-4 ~ F2-8中，元件之間凡是有線直接連接的表示它們是連通的，插點(diǎn)不影響連通性；若想要讓連通的元件不在所需的電路中，只需將其短接即可； 圖F2-4 電阻電容區(qū) 在每組運(yùn)算放大器中，左邊并列3個(gè)100kW歐的電阻，用于多個(gè)信號(hào)的疊加。如果只需用一個(gè)，建議選用最上面的一個(gè)。 2.1.5 V區(qū)（非線性和采樣區(qū)） V區(qū)為非線性區(qū)，如圖F2-7所示，用于非線性特性和采樣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)，具體可以參考實(shí)驗(yàn)四和實(shí)驗(yàn)五。 2.1.6 VI區(qū)（運(yùn)算放大器區(qū)） VI區(qū)為運(yùn)算放大器區(qū)，如圖F2-8所示。這是兩個(gè)運(yùn)算放大器，它們的結(jié)構(gòu)與IV區(qū)的六個(gè)運(yùn)算放大器的功能類似，以A7來說明這個(gè)運(yùn)算放大器的使用，K7是一個(gè)雙擲開關(guān)，向上表示K7接通。 圖F2-5 IV區(qū)（運(yùn)算放大器區(qū)） 圖F2-6 可調(diào)電壓輸出 圖2-7 VI區(qū)（非線性和采樣區(qū)） 圖F2-8 VI區(qū)（運(yùn)算放大器區(qū)） 2.2 實(shí)驗(yàn)儀的工作方式 2.2.1 前面板 圖F2-9 實(shí)驗(yàn)儀前面板圖 實(shí)驗(yàn)儀前面板主要用于工作狀態(tài)的設(shè)定，電流、電壓的顯示，位置清零等，如圖F2-9所示。 注意：計(jì)算機(jī)D/ A輸出口嚴(yán)禁短路 在打開電源前，一定先要檢查DA0和DA1（見圖F2-5），確定這兩個(gè)接口一定沒有直接與電源端或地端相連！否則可能將2000多元的增強(qiáng)型多功能數(shù)據(jù)采集卡（ACL-8112PG）損壞！其原因是：DA口是多功能數(shù)據(jù)采集卡的輸出端，如果直接與地或電源短接，會(huì)產(chǎn)生很強(qiáng)的電流，而ACL-8112PG卡的DA只能承受5mA以內(nèi)的電流，所以在打開電源前，一定先要檢查DA0和DA1，以確定這兩個(gè)接口沒有直接與電源端或地端相連！ 2.2.2 工作狀態(tài)的設(shè)定 系統(tǒng)工作的原理框圖如圖F2-10所示。圖中，開關(guān)JP1，JP2和JP3與前面板上的按鈕對(duì)應(yīng)（見圖F2-9），信號(hào)POS、SPD、SET、OSET、VC、SPDF與模擬機(jī)面板上II區(qū)的信號(hào)對(duì)應(yīng)（見圖F2-3）。 允許設(shè)定的選項(xiàng)包括：開環(huán)/閉環(huán)控制方式（JP1）、位置/速度工作方式（JP2）、手動(dòng)/自動(dòng)給定方式（JP3）、串口/外部輸入方式（JP4），其中，JP1、JP2和JP3是通過面板按鈕的操作由單片機(jī)控制繼電器的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)電路切換。JP4由單片機(jī)自動(dòng)控制繼電器的觸點(diǎn)來實(shí)現(xiàn)切換：當(dāng)后面板上的串口（見圖F2-11）有相應(yīng)的指令信號(hào)輸入時(shí)，JP4接通到ISET，其它情況接通到OSET。 圖F2-10中的“外部給定信號(hào)”可以來自PC機(jī)上數(shù)據(jù)采集卡的D/A輸出信號(hào)，也可以來自模擬計(jì)算機(jī)或信號(hào)發(fā)生器等其他設(shè)備?！笆謩?dòng)給定信號(hào)”來自前面板的手動(dòng)電位器。 轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)角度由碼盤測(cè)得，用于單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)字控制器的位置閉環(huán)，并由實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)部的單片機(jī)通過D/A轉(zhuǎn)換為模擬信號(hào)輸出（即位置信號(hào)POS）。轉(zhuǎn)動(dòng)角速度信號(hào)由測(cè)速電機(jī)測(cè)得，并通過實(shí)驗(yàn)儀內(nèi)部的信號(hào)調(diào)理電路輸出（即速度信號(hào)SPD），同時(shí)單片機(jī)通過對(duì)碼盤信號(hào)的微分獲得速度信號(hào)，用于前面板速度的顯示以及單片機(jī)內(nèi)部的數(shù)字控制器的速度閉環(huán)。 2.2.3 自動(dòng)控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的工作方式 （1）無上位機(jī)，手動(dòng)給定 ①速度開環(huán) 工作方式選擇速度，給定方式選擇手動(dòng)，控制方式選擇開環(huán)。通過電位器旋鈕給定一個(gè)速度值，直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 ②速度閉環(huán) 工作方式選擇速度，給定方式選擇手動(dòng)，控制方式選擇閉環(huán)，連接-SPD與SPDF信號(hào)。通過電位器旋鈕設(shè)定一個(gè)速度給定值，進(jìn)行模擬PID控制電機(jī)轉(zhuǎn)速。該方式下測(cè)速電機(jī)速度值（-SPD）用于速度反饋。 ③位置閉環(huán) 工作方式選擇位置，給定方式選擇手動(dòng)，控制方式選擇閉環(huán)，可連接-SPD與SPDF信號(hào)構(gòu)成速度反饋內(nèi)回路。通過電位器旋鈕設(shè)定一個(gè)位置給定值，進(jìn)行模擬PID控制電機(jī)位置。該方式下測(cè)速電機(jī)輸出值（-SPD）用于速度反饋，光電碼盤位置輸出值（-POS）用于位置反饋。 （2）有上位機(jī)，通過多功能數(shù)據(jù)采集卡 ①速度開環(huán) 速度開環(huán)工作方式主要用于對(duì)象特性的辨識(shí)實(shí)驗(yàn)。自動(dòng)控制綜合教學(xué)實(shí)驗(yàn)軟件提供方波信號(hào)、正弦波信號(hào)和M序列信號(hào)作為辨識(shí)實(shí)驗(yàn)的激勵(lì)，各種信號(hào)的特征參數(shù)允許在合理的范圍內(nèi)設(shè)置，可以分別進(jìn)行時(shí)域辨識(shí)法、頻域辨識(shí)法和相關(guān)分析法的辨識(shí)實(shí)驗(yàn)。 在此工作方式下，工作方式選擇速度，給定方式選擇自動(dòng)，控制方式選擇開環(huán)。上位機(jī)通過多功能卡給定一個(gè)速度值（連接DA0與OSET），直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 ②速度閉環(huán) 工作方式選擇速度，給定方式選擇自動(dòng)，控制方式選擇開環(huán)。連接DA0與OSET， 以及AD0和-SPD。在此工作方式下，上位機(jī)將A/D采集到的速度反饋值（-SPD）與速度給定值比較，構(gòu)成速度閉環(huán)，控制輸出由D/A輸出到OSET。 ③位置閉環(huán) 工作方式選擇位置，給定方式選擇自動(dòng)，控制方式選擇開環(huán)。連接DA0與OSET，AD0和-POS，以及AD1和-SPD。在此工作方式下，上位機(jī)將A/D采集到的位置反饋值（-POS）與位置給定值比較，構(gòu)成位置閉環(huán)，速度反饋值（-SPD）可用于構(gòu)成內(nèi)回路，控制輸出由D/A輸出到OSET。 （3）有上位機(jī)，串口參加反饋 當(dāng)有指令信號(hào)輸入到串口（后面板上）時(shí)，單片機(jī)與上位機(jī)建立通信。單片機(jī)將自動(dòng)把JP4切換到ISET。上位機(jī)送到單片機(jī)的信號(hào)有工作方式（如速度/位置控制方式、閉環(huán)由上位機(jī)或單片機(jī)實(shí)現(xiàn)等方式）、給定信號(hào)等，單片機(jī)送到上位機(jī)的信號(hào)有速度反饋和位置反饋信號(hào)。（具體請(qǐng)參照通信協(xié)議） ①速度開環(huán) 工作方式選擇速度，給定方式選擇自動(dòng)，控制方式選擇開環(huán)。上位機(jī)通過單片機(jī)給定一個(gè)速度值ISET，直接控制電機(jī)的轉(zhuǎn)速。 ②速度閉環(huán)，上位機(jī)給定速度信號(hào)，單片機(jī)內(nèi)部速度閉環(huán) 工作方式選擇速度，給定方式選擇自動(dòng)，控制方式選擇開環(huán)。上位機(jī)通過串口獲得速度反饋和位置反饋值，并給出速度給定值，送到單片機(jī)，由單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)成閉環(huán)。單片控制信號(hào)輸出到ISET。 ③速度閉環(huán)，上位機(jī)閉環(huán)，輸出控制信號(hào)到單片機(jī) 工作方式選擇速度，給定方式選擇自動(dòng)，控制方式選擇開環(huán)。上位機(jī)通過串口獲得速度反饋和位置反饋值，速度反饋值與給定信號(hào)比較，構(gòu)成閉環(huán)?？刂戚敵鐾ㄟ^串口送到單片機(jī)，由單片機(jī)輸出到ISET。 ④位置閉環(huán)，上位機(jī)給定位置信號(hào)，單片機(jī)內(nèi)部位置閉環(huán) 工作方式選擇位置，給定方式選擇自動(dòng)，控制方式選擇開環(huán)。上位機(jī)通過串口獲得速度反饋和位置反饋值，并給出位置反饋值，送到單片機(jī)，由單片機(jī)內(nèi)部構(gòu)成閉環(huán)，單片控制信號(hào)輸出到ISET。 外部給定信號(hào) 單片機(jī)給定信號(hào) 手動(dòng)給定信號(hào) 位置反饋 校正模塊 速度反饋校正模塊 校正模塊 驅(qū)動(dòng) 轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái) 速度 SPD 位置 POS JP3(給定方式) JP2(工作方式) SPDF (速度反饋校正) JP1(控制方式) OSET ISET 速度 位置 開環(huán) 閉環(huán) 手動(dòng) 自動(dòng) SPD