自动控制理论实验指导书(1).doc

目 录 第一章硬件资源1 第二章 软件的使用3 第三章 实验系统部分5实验一 典型环节及其阶跃响应5实验二 二阶系统阶跃响应8实验三 控制系统的稳定性分析11实验四 连续系统串联校正13第一章 硬件资源实验系统主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成如图1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。显示器计算机打印机实验箱电路AD/DA卡图1 实验系统构成实验箱面板如图2：图2实验箱面板下面主要介绍实验箱的构成：一、 系统电源EL-AT教学实验系统采用高性能开关电源作为系统的工作电源，其主要技术性能指标为：1 输入电压：AC 220V2 输出电压/电流：12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A3 输出功率：22W4 工作环境：540。二、 AD/DA采集卡AD/DA采集卡如图3采用ADUC812芯片做为采集芯片，负责采样数据及与上位机的通信，其采样位数为12位，采样率为10KHz。在卡上有一块32KBit的RAM62256，用来存储采集后的数据。AD/DA采集卡有两路输入（AD1、AD2）、输出（DA1、DA2），其输入和输出电压均为5V+5V。另外在AD/DA卡上有一个9针RS232串口插座用来连接AD/DA卡和计算机20针的插座用来和控制对象进行通讯图3 AD/DA采集卡三、 实验箱面板实验箱面板主要由以下几部分构成：1 实验模块本实验系统有七组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每个模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。这样通过对这七个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。2 AD/DA卡输入输出模块该区域是引出AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是DA1、DA2，AD1、AD2。25针的插座用来和控制对象连接。3 电源模块电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源端子，分别是12V、-12V、+5V、GND，这些端子给外扩模块提供电源。 第二章 软件的使用一、软件启动与使用说明1 软件启动在Windows桌面上,双击“ZK”快捷方式，便可启动软件如图4。数据测量采集结果显示菜单工具栏实验课题图4 软件启动界面2 实验前计算机与实验箱的通讯设置和测试用实验箱自带的串口线将实验箱后面的串口与计算机的串口连接，启动ZK“自动控制实验原理”软件。1）实验前通讯口的设置设置方法：点击系统设置串口设置如图5，在对话框内填入与计算机相连的串口值。图5串口设置对话框 2）实验前通讯口的测试 测试方法：接通电源点击系统设置通信串口测试如图6(a)，点击通信串口测试按钮，控制测试区内将出现0255个数据，如图6(b)，如果数据没有或不全，则说明通讯有故障，应检查计算机串口与实验箱的连接。图6 串口测试窗口 (a) 图6 串口测试窗口 (b) 3 软件使用说明A 实验课题在实验课题区域列出了本实验系统所能完成的实验课题，双击其中的一个课题，将弹出参数设置窗口。具体参数设置请参考实验说明部分。B 采集结果显示在该区域内主要是显示实验系统通过AD后的结果曲线。纵坐标是幅值轴，单位为(V),范围是：5V+5V, 横坐标是时间轴，单位为（ms）。C 数据测量数据测量是测量系统响应的测量工具如图7，鼠标单击单游标或双游标，然后单击测量按钮，即可在显示区显示测量线，测量线可以用鼠标拖动。在拖动过程中屏幕右下方将动态显示测量的结果。图7数据测量区域第三章 实验系统部分实验一 典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。二、实验仪器1 EL-AT自动控制系统实验箱一台2 计算机一台三、实验原理模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。四、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。 G（S）= -R2/R12. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。 G（S）= - K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。 G（S）=1/TS T=RC 4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。G（S）= - RCS5. 比例微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。 G（S）= -K（TS+1） K=R2/R1，T=R2C 五、实验步骤 1 启动计算机，在桌面双击图标 ZK(自动控制实验系统) 运行软件。2 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常 查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。3. 连接各个被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。检查无误后接通电源。4. 在实验课题下拉菜单中选择实验一典型环节及其阶跃响应 。5. 单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后，鼠标单击确认，等待屏幕的显示区显示实验结果。6. 观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。7. 记录波形及数据。六、实验报告1. 画出比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例微分环节的模拟电路图，并记录其响应曲线。2. 由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。七、预习要求1、阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。2、分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理。实验二 二阶系统阶跃响应一、实验目的1 研究二阶系统的特征参数，阻尼比z和无阻尼自然频率wn对系统动态性能的影响。定量分析 z 和wn与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。3 学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。 二、实验仪器1EL-AT型自动控制系统实验箱一台2计算机一台三、实验内容 典型二阶系统的闭环传递函数为 w2n j（S）= （1） s22zwnsw2n其中 z 和wn对系统的动态品质有决定的影响。构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：图2-1 二阶系统模拟电路图电路的结构图如图2-2：图2-2 二阶系统结构图系统闭环传递函数为 （2） 式中 T=RC，K=R2/R1。比较（1）、（2）二式，可得 wn=1/T=1/RC z=K/2=R2/2R1 （3） 由（3）式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。改变RC值可以改变无阻尼自然频率wn。今取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得实验所需的阻尼比。电阻R取100KW，电容C分别取1mf和0.1mf,可得两个无阻尼自然频率wn。四、实验步骤1 取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分别取z=0、0.25、0.5、0.75、1、2，即取R1=100KW，R2分别等于0、50KW、100KW、150KW、200KW、400KW。输入单位阶跃信号，测量不同的z 时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。2 取z=0.5。即电阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改变电路中的电容C=0.1mf(注意：二个电容值同时改变)。输入单位阶跃信号，测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量sp和调节时间Tn。五、实验报告1. 画出二阶系统的模拟电路图，讨论典型二阶系统性能指标与，n的关系。2. 把不同z和wn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。3. 根据实验步骤3画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。七、预习要求1了解模拟实验的基本原理，掌握时域性能指标的测量方法。 2按实验中二阶系统的给定参数，计算出不同、n下的性能指标的理论值。实验三 控制系统的稳定性分析 一、实验目的 1观察系统的不稳定现象。2研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。二、实验仪器1EL-AT型自动控制系统实验箱一台2计算机一台三、实验内容 系统模拟电路图如图3-1 图3-1 系统模拟电路图其开环传递函数为: G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K1=R3/R2，R2=100KW，R3=0500K；T=RC，R=100KW，C=C1=1mf或C=1mf C1=0.1mf两种情况。四、实验步骤 1.取C=C1=1mf，改变电位器阻值，使R3从0500 KW方向变化，此时相应的K=10K1。观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生等幅振荡时相应的R3及K值。观察R3取临界值左右时的响应曲线，并记录其波形。2.在步骤1条件下，使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况。改变电路中的电容C1 ，由1mf变成0.1mf，观察系统稳定性的变化。五、实验报告 1画出步骤1的模拟电路图。 2画出系统增幅或减幅振荡的波形图。 3计算系统的临界放大系数，并与步骤1中测得的临界放大系数相比较。六、预习要求1 分析实验系统电路，掌握其工作原理。2 理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。 实验四 连续系统串联校正一、实验目的1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。二、实验仪器1EL-AT型自动控制系统实验箱一台2计算机一台三、实验内容 1串联超前校正（1）系统模拟电路图如图4-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。图4-1 超前校正电路图 （2）系统结构图如图5-2图4-2 超前校正系统结构图图中 Gc1（s）=2 2（0.055s+1） Gc2（s）= 0.005s+1 2串联滞后校正（1） 模拟电路图如图4-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。图4-3 滞后校正模拟电路图（2）系统结构图示如图4-4 图4-4 滞后系统结构图图中 Gc1(s）=10 10（s+1） Gc2（s）= 11s+1 3串联超前滞后校正（1） 模拟电路图如图4-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前滞后校正。 图4-5 超前滞后校正模拟电路图（2） 系统结构图示如图4-6。图4-6超前滞后校正系统结构图图中 Gc1（s）=6 6（1.2s+1）（0.15s+1） Gc2（s）= （6s+1）（0.05s+1）四、实验步骤超前校正：1 连接被测量典型环节的模拟电路(图4-1)，开关s放在断开位置。系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts。2 开关s接通，重复步骤1，并将两次所测的波形进行比较。滞后校正：3 连接被测量典型环节的模拟电路(图4-3)，开关s放在断开位置。系统加入阶跃信号。测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts。4开关s接通，重复步骤1，并将两次所测的波形进