[报告精品]《测控技术与仪器专业》实验指导书.doc
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1、测控技术与仪器专业实验指导书 教研室 目录自动控制原理1实验一 一阶系统的时域性能指标的研究1实验二 一阶系统的阶跃响应分析4实验三 二阶系统的时域性能指标的研究6实验四 典型环节的频率特性的测试8实验五 系统的稳定性分析11实验六 三阶系统的串联校正13微机原理及应用16实验一 清零程序16实验二 数据区移动17实验三 拆字程序19实验四 拼字程序20实验五 找“零”个数21实验六 8255A并行口实验(一)方波22实验七 8255A并行口实验(二)PA输入,PB输出23实验八 简单I/O口扩展25实验九 D/A转换实验-方波27实验十 8259单级中断控制器实验29实验十一 8251串口实
2、验-自发自收33过程检测技术37实验一 热电偶的校验37实验二 光学高温计的使用39实验三 敞口容器的液位测量41实验四 电磁流量计的流量测量43实验五 XCZ101动圈表的校验45光电检测技术47实验一 光电接近传感器47实验二 检测圆周速度52现代检测技术55实验一 电阻应变式传感器55实验二 电阻应变式传感器单臂电桥测量电路57实验三 电阻应变式传感器半桥测量电路59实验四 模拟量电感式传感器特性曲线的确定62实验五 被测物体对模拟量电感传感器输出信号的影响66实验六 电容接近传感器73实验七 电感接近传感器76智能仪器设计基础82实验一 汇编语言程序设计82实验二 定时器实验83实验三
3、 A/D转换实验84实验四 利用0832设计波形发生器85实验五 8279键盘/显示实验86实验六 串行口通信实验87实验七 8255控制交通灯88实验八 继电器控制89实验九 步进电机控制90过程控制仪表及装置92实验一差压变送器校验92实验二温度变送器校验95实验三电动执行器实验97实验四模拟调节器实验99实验五电动调节阀的认识和校验102实验六 变频器的认识和校验104过程控制系统113实验一 被控对象的特性实验113实验二 被控对象特性对控制质量的影响114实验三 PID控制规律对控制质量的影响116实验四 串级控制系统118实验五 前馈控制系统120实验六 上水箱特性测试(调节器控制
4、)实验122实验七 上水箱特性测试(计算机控制)实验124实验八 一阶液位特性对象特性测试(调节器)实验126实验九 液位单闭环实验(调节器控制)128实验十 液位单闭环实验(计算机控制)131可编程控制器133实验一 熟悉STEP7软件及系统组态133实验二 简单的逻辑控制135实验三 交流电动机的Y-启动控制137实验四 定时器计数器应用138实验五 交通信号灯控制140单片机语言程序设计142实验一 输入/输出端口实验编程142实验二 中断源实验编程143实验三 定时/计数实验编程144实验四 时钟程序实验编程145实验五 键盘显示实验146实验六 ADC0809实验编程147实验七 双
5、机通信实验编程148实验八 8255实验编程149职业技能实训150直流电工仪表使用技能实训150交流电工仪表使用技能实训156测控技术与仪器专业程序实践163工程设计:基于回差继电器式的温度控制系统164仪表综合实习:自动化仪表专业仪表基础实习171第一章 基础实验171第二章 模拟仪表设计177第三章 数字仪表设计184实验一 一阶系统的时域性能指标的研究一、预习内容:掌握一阶系统的数学模型和阶跃响应的特点,熟练计算一阶系统的性能指标和结构参数,特别是一阶系统由阶跃响应曲线来读取性能指标。二、实验目的:1、 学习一阶系统中比例、积分和惯性环节的模拟方法和参数测定的方法。2、 通过仿真观察上
6、述三个典型环节阶跃响应曲线,了解参数变化对系统动态特性的影响。三、基本原理:一阶系统的单位阶跃响应曲线是一条由零开始的,按指数规律上升并最终趋于1的曲线。其响应曲线具有非振荡的特征,又称为非周期响应。由于一阶系统的阶跃响应没有超调,所以其性能指标主要是调节时间,它表示系统过渡过程的快慢。四、实验设备:PC机一台(含Windows98操作系统)、EWB仿真软件一套。五、实验内容:1、 比例环节:微分方程:C(t)=Kr(t)传递函数:C(s)/R(s)=K模拟线路如图1所示。由于输入信号r(t)是从运算放大器的反向端输入,输出信号与输入信号在相位上正好相反,传递函数中出现了负号。从输入端加入阶跃
7、信号,改变电阻R2观测不同的比例系数K时输出的波形并记录。2、 积分环节:微分方程:传递函数:模拟线路如图2所示。改变电阻R1和电容C的大小,可得到不同的积分时间常数T,输入阶跃信号,观测T=1s、0.1s时的输出波形,并记录结果。3、惯性环节:微分方程:传递函数:模拟线路如图3所示。从输入端加入阶跃信号,保持K= R2/ R1不变,分别观测T= R2C=1s、0.1s时的输出波形并记录。保持T=1s不变,分别观测K=1、2时输出的波形并记录。六、实验步骤:1、 比例环节:1) 进入EWB界面按图1连接好实验电路图。2) 将输入的阶跃信号设为1V,依次改变R2为50K、100 K、200 K、
8、500 K,观测系统的响应曲线,分别记录响应曲线的形状。2、 积分环节:1) 进入EWB界面按图2连接好实验电路图,取R0= R1=100 K。2) 观测C=1F和C=10F时的输出波形。3) 记录在不同积分时间下的波形,求出夹角及T。3、 惯性环节:1) 进入EWB界面按图3连接好实验电路图,取R0= R1=100 K,K= R2/ R1,T= R2C2) 保持K=1不变,分别测出T=0.1s和T=1s时输出波形。3) 保持T=1s不变,分别测出K=1、2 时的波形。4) 数据处理及分析。七、实验报告要求:1、 画出实验线路记录原始数据、测试数据及输出响应曲线。2、 对实验中出现的现象进行讨
9、论,对内容3从绘制的阶跃响应曲线上求出K、T,并与理论计算值比较。实验二 一阶系统的阶跃响应分析实验性质:验证性实验学时:2每组人数:1开出要求:必做一、实验目的:1、 掌握有源网络典型环节的结构形式。2、 观察分析一阶系统在阶跃输入信号作用下的输出响应。3、 加强对控制系统瞬态过程的认识。4、 进一步了解典型环节参数变化时对系统阶跃响应性能指标的影响。二、实验原理:1、 利用运算放大器和各种电子元件,模拟一阶系统的典型环节。2、 模拟一阶系统中惯性环节的电路原理图,如图1所示。三、实验设备:PC机一台(含Windows98操作系统)、EWB仿真软件一套。四、实验步骤:1、 进入EWB界面按图
10、1连接好实验电路图,电阻元件的取值按图中标示值选取。2、 将阶跃信号发生器的输出端与模拟电路的输入端相连。3、 将模拟信号的输出端连接到示波器上观察输出曲线。4、 按实验报告记录表上的要求,对电容元件选取不同的值,测量不同的系统参数下系统的输出响应在各时间点上的输出值。五、实验报告要求;1、 实验记录:把实验结果记录到表1中。 表1 一阶系统阶跃响应曲线在各时间点上的输出值实验参数时间/msT2T3T4T5TR1=200KC=1F输出/VR1=200KC=2F输出/V2、 实验结果分析:对测量结果进行分析,总结一阶系统在不同参数下阶跃响应曲线的变化规律。六、思考题:1、 由运算放大器组成的典型
11、环节是在什么条件下得到的?2、 惯性环节在什么条件下可近似为比例环节?在什么条件下可近似为积分环节?3、 如何在惯性环节、积分环节的阶跃响应曲线上求各自的时间常数?实验二 二阶系统的时域性能指标的研究一、预习内容:掌握二阶系统的数学模型和阶跃响应的特点,熟练计算二阶系统在欠阻尼情况下的性能指标和结构参数,特别是二阶系统在欠阻尼情况下由阶跃响应曲线来读取性能指标。二、实验目的:1、 熟悉EWB软件的使用方法。2、 通过仿真,观测二阶系统在欠阻尼情况下阶跃响应曲线,研究参数变化对动态特性的影响。三、实验原理:二阶系统的单位阶跃响应曲线呈衰减振荡,。其响应曲线具有振荡的特征,又称为振荡环节。其性能指
12、标主要是调节时间和超调量,调节时间表示系统过渡过程持续的时间,是系统快速性的一个指标,超调量反映系统响应过程的平稳性。四、实验设备:PC机一台(含Windows98操作系统)、EWB仿真软件一套。五、实验内容:标准二阶系统的微分方程:传递函数:模拟电路图如图1所示。图1与二阶系统标准形式相比:=1/2K= R1/ 2R2,n=1/T=1/ R1C 1同时改变C 1和C 2的大小,可改变无阻尼自然振荡的角频率n的大小,改变R2的大小可改变阻尼比的大小。1、 令T=0.1s(R1= R3=100 K。C 1= C 2=1F)分别设置阻尼比=0.1、0.5、0.7、1,观测输入同样的幅度的阶跃信号时
13、的输出波形,读出并记录各阻尼比时的超调量和调节时间(取误差带为0.05)并绘制阻尼比=0.5、0.7、1三种情况的输出响应曲线的波形。2、 令T=1s(R1= R3=100 K。C 1= C 2=10F),重复上述测试。六、实验步骤:1、 进入EWB界面按图1连接好实验电路图。2、令T=0.1s(R1= R3=100 K。C 1= C 2=1F)分别设置阻尼比=0.1、0.5、0.7、1,即R2=500 K、100 K、71 K、50 K时,观测记录各阻尼比时的超调量和调节时间(取误差带为0.05)并绘制阻尼比=0.5、0.7、1三种情况的输出响应曲线的波形。3、 令T=1s(R1= R3=1
14、00 K。C 1= C 2=10F),重复上述测试。七、实验报告要求:1、 画出实验线路图及波形图。2、 实验记录:将测量得到的不同系统参数下二阶系统的响应曲线各性能指标的值记录在下面的表格中。 表1 T=0.1s时二阶系统阶跃响应曲线各性能指标值tpp%ts(5%误差带)0.10.50.71表2 T=1s时二阶系统阶跃响应曲线各性能指标值tpp%ts(5%误差带)0.10.50.713、 实验结果分析:对测量结果进行分析,总结出二阶系统在不同系统参数下阶跃响应曲线的变化规律。4、 根据实验结果,分析二阶系统的调节时间和超调量与、n之间的关系。实验三 典型环节的频率特性的测试实验性质:综合性实
15、验学时:2每组人数:1开出要求:本科必做、专科选做一、预习内容: 典型环节的频率响应曲线的绘制方法。二、实验目的:1、巩固频率特性的概念。2、 根据频率响应结果绘制Bode图。三、实验原理:系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比(j)和相位差(j)随角频率(由0变到)变化的特性。而幅值比(j)和相位差(j)恰好是(j)函数的模和幅角。所以只要把系统的传递函数(s),令s= j,即可得到(j)。我们把(j)称为系统的频率特性或频率传递函数。当由0到变化时,(j)随频率的变化特性成为幅频特性,(j)随频率的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。四、实验设备:PC机
16、一台(含Windows98操作系统)、EWB仿真软件一套。五、实验步骤:(一)比例环节1、 在模拟工作平台上按图1连接比例环节的模拟电路图。2、 函数信号发生器作为输入信号,并设函数信号发生器输入信号的类型为“正弦波”,幅值为5V,频率为0.16Hz,此时角频率=2f=1rad/s。3、 确定要分析的节点,这里选择输出节点,设置电路节点标志。4、 选好待分析节点后点击Simulate(仿真)按钮,即可显示已选节点的频率特性。按Esc键,将停止仿真的运行。(二)积分环节1、 在模拟工作平台上按图2连接积分环节的模拟电路图。2、 重复上述2、3、4步(三)惯性环节1、 在模拟工作平台上按图3连接惯
17、性环节的模拟电路图。2、重复上述2、3、4步(四)二阶振荡环节1、 在模拟工作平台上按图4连接二阶振荡环节的模拟电路图。2、重复上述2、3、4步六、实验报告要求:观察自己所设计的系统在正弦信号作用下的稳态响应,画出系统开环对数幅频率特性和相频特性曲线。实验四 系统的稳定性分析一、预习内容:系统的稳定性分析的方法。二、实验目的:1、 掌握高阶系统的稳定性分析的方法。2、 在开环增益变化时研究高阶系统的阶跃响应。3、 加强对控制系统稳定性概念的认识。4、 进一步掌握系统稳定性分析的方法。三、实验原理:1、 利用运算放大器及各种电子元器件,模拟三阶系统,在系统参数变化的情况下,研究牲畜的阶跃响应。2
18、、 模拟三阶系统的电路原理如图所示。四、实验设备:PC机一台(含Windows98操作系统)、EWB仿真软件一套。五、实验步骤:1、 按图连好实验电路。2、 将阶跃信号信号发生器的输出端连到模拟信号的输入端。3、 将模拟信号的输出端连到示波器上。4、 按实验报告记录表上的要求,对电阻元件R7取不同的值,观测不同参数下三阶系统阶跃响应曲线的各性能指标和稳定性。六、实验报告要求:1、 实验记录:将测量得到的不同系统参数下的三阶系统阶跃响应曲线的各性能指标和稳定性记录到表中。表 模拟三阶系统阶跃响应曲线各性能指标值及稳定性实验参数K系统稳定状态p%ts(5%误差带)KKgR7=3018.33-8.8
19、09-3.71R7=4711.700.470.19R7=1005.5017.426.75R7=2002.7534.612.772、根据测量得到的各性能指标,做出电阻R7取不同值时的阶跃响应曲线。3、 验结果分析:对测量结果进行分析,总结三阶系统在不同系统参数下,阶跃响应曲线的变化规律及其对系统稳定性的影响。实验五 三阶系统的串联校正一、预习内容:了解三阶系统的典型结构以及串联校正的基本形式,并掌握串联超前校正、串联滞后校正的原理和结构图。二、实验目的:1、通过对模拟控制系统的调整,了解控制系统中校正装置的作用。2、了解系统开环放大倍数对系统稳定性的影响。三、实验基本原理:系统的校正就是给系统附
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