自动控制理论试验指导书4

1、格式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-HI型自动控制系统实验箱一台2.计算机一台三、实验原理1. 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。2

2、 .时域性能指标的测量方法：超调量 o %1) 启动计算机，在桌面双击图标自动控制实验系统运行软件。按钮，出2) 检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信 正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实 验。DA13) 连接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) 在实验项目的下拉列表中选择实验一典型环节及其阶跃响应5) 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的

3、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) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量：丫 丫% max 100%QC专业资料整理格式自动控制实验指导书10.p 与 Ts：95%稳态值所需的时间利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达 值，便可得到 Tp与Tso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：3.比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1I1 J(S =R2/R14.惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2(S = K/TS+1,T=R2C5.积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3 oC luft=RC 图 1-3(S

4、) =1/TS5专业资料整理6. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4lufVDt7.比例+ 微分环节的模拟电路及传递函数如图G( S) = RCS1-5 (未标明的C=0.1uf ) o(S)=K( TS+1)K=R2/R1，T=R2C8.比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6 。R1U1 100K100K Ci#K=r2/rV2A/D1(S) =K( 1+1/TS)，T=R2C五、实验步骤1.启动计算机，在桌面双击图标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 信正常后才可以继续进行实验。比例环节通信正常继续。如通信不正常查找原因使通3. 连接被测量典型环节的模

5、拟电路（图1-1）。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. 在实验项目的下拉列表中选择实验一一、典型环节及其阶跃响应。5. 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框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（由实验报告确定）。惯性环节8. 连接被测量典型环节的模拟电路（图1-2）。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。9. 实验步骤同 47

6、积分环节10.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-3）。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，将积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。9.实验步骤同47微分环节10.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-4）。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。11.实验步骤同 47比例+积分环节12.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-6）。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，将积分电容连在模拟开关上。检查无

7、误后接通电源。13.实验步骤同4714.测量系统的阶跃响应曲线，并记入上表六、实验报告11.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。12.将实验中测得的曲线、数据及理论计算值，整理列表七、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。格式自动控制实验指导书10.TS（秒）参数阶跃响应曲1线理论值实测值* . i. r LJ |L L 17JndR1=R2=比例环节100K惯性环节C=1uf积分环节微分环节 比例+微分K=1环节T=0.1S比例+积分环节R1=100K比例环节R2=200K惯性环节C=

8、1uf积分环节微分环节 比例+微分K=27十一H-丄亠丁环节l=1S比例+积分环节实验数扌居测试表（学生填写)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，阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响定量分析 和n与最大超调量Mp和调节时间 t S之间的关系。2 .进一步学习实验系统的使用方法3 .学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验仪器1 . EL-AT-HI型自动控制系统实验箱一台2 .计算机一台三、实验原理1. 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

9、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。2. 域性能指标的测量方法：超调量 0%1) 启动计算机，在桌面双击图标自动控制实验系统运行软件。2) 检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数，按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。3) 连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D

10、/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将两个积分电容连在模拟开关上。检查无误后接通电源。4) 在实验项目的下拉列表中选择实验二二阶系统阶跃响应。5) 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框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7专业资料整理格式自动控制实验指导书9.6)利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量:MAX- 丫OOT P 与 TP:0%=X 100% 丫OO利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达值，便可得到Tp与Tpo四、实验内容95%稳态值所需的时间(S)=2 n es

11、 （）2 2 + 2 ns + n典型二阶系统的闭环传递函数为其中和n对系统的动态品质有决定的影响。100K100KU2VD1R2=100K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6专业资料整理格式自动控制实验指导书10.系统闭环传递函数为（P （s）=U2 （s） /U1 （s）式中 T=RC K=R2/R1。比较（1八（2）二式，可得(2)n=1/T=1/RC=K/2=R2/2R1由（3）式可知，改变比值（3）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R 取 100K dr今

12、取 R1=200K R2=100K和200K ，可得实验所需的阻尼比。电阻容C分别取1 f和0.1 f,可得两个无阻尼自然频率n 五、实验步骤1. 连接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，将两个积分电容得两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。2. 启动计算机，在桌面双击图标自动控制实验系统运行软件。3. 测查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击旦 按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。

13、4. 在实验项目的下拉列表中选择实验二二阶系统阶跃响应,鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框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5. 取 n=10rad/s, 即令 R=100K，C=1 f ;分别取 =0.5、1、2，即取 R1=100K，R2分别等于 100K 、200K、400K 。输入阶跃信号，测量不同的时系统的阶跃响应，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。6. 取 =0.5。即电阻 R2取R仁R2=100K ；n=100rad/s, 即取R=100K ，改变电路中的电容C=0.1 f（

14、注意：二个电容值同时改变）。输入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p和调节时间 Tn。7. 取R=100K ;改变电路中的电容 C=1 f,R1=100K,调节电阻 R2=50K 。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录Tp和p的数值。15. 测量二阶系统的阶跃响应并记入表中：实验结果a %t mS _ t s ( mSfa rrix阶跃响应1曲线参数R2=50K R =100K Z =0.25 C =1 卩 fRi=100K 3 n=10rad/3检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如

15、无警告对话框出现表示通信13专业资料整理格式自动控制实验指导书10.正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。16. 在实验项目的下拉列表中选择实验三控制系统的稳定性分析,鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置目的电压U仁1000mV鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。17.取R3的值为 50K，100K，200K ，此时相应的K=10, 0=5, 10，20。观察不同15专业资料整理R3值时显示区内的输出波形（既U2的波形），找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值。再把电阻R3由大至小变化，即R3=200k ，100k ，50

16、k，观察不同R3值时显示区内的输出波形，找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K值，并观察U2的输出波形。18.在步骤 5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 C由1 f变成0.1 f，重复实验步骤4观察系统稳定性的变化。19.将实验结果添入下表中:参数系统响应曲线C=1ufR3=50KK=5R3=100KK=10R3=200KK=20C=0.1ufR3=50KK=5R3=100KK=10R3=200KK=20五、实验报告1 .画出步骤 5的模拟电路图。2 .画出系统增幅或减幅振荡的波形图。5中测得的临界放大系数相比较3 .计算系统的临界放大系数，并与步骤六、预

17、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、减幅振荡的条件格式自动控制实验指导书17.专业资料整理实验四系统频率特性测量一、实验目的1 .加深了解系统及元件频率特性的物理概念。2 .掌握系统及元件频率特性的测量方法。3 .掌握利用“李沙育图形法”测量系统频率特性的方法二、实验仪器1. EL-AT-HI型自动控制系统实验箱一台2. 计算机一台三、实验原理频率特性的测量方法：4-1连接起来16. 将正弦信号发生器、被测系统和数据采集卡按图图4-1频率特性测量电路17. 通过AD/DA 卡产生不同频率和幅值的正弦信号，并输入到被测系统中。18. AD/DA

18、卡采集被测系统的输出信号，并显示在计算机屏幕上。通过比较输入信号 和输出信号的不同，可以得到系统的频率响应特性。四、实验内容3. 模拟电路图及系统结构图分别如图4-2和图4-3 。WOR格式专业资料整理12格式自动控制实验指导书13.15专业资料整理c lufR10CK ri 卜500K* (!1100K1001/DI图4-2系统模拟电路图图4-3系统结构图2 .系统传递函数U2G(S)U1取R3=500k ，则系统传递函数为(S)5002(S)S +10S+500若输入信号U1 (t ) =U1sin t,则在稳态时，其输出信号为U2 (t )=U2sin ( t+ )改变输入信号角频率值，

19、便可测得二组U2/U1和 随 变化的数值，这个变化规律就是 系统的幅频特性和相频特性。五、实验步骤1.连接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，将将纯积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。2.启动计算机，在桌面双击图标自动控制实验系统运行软件。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。李沙育图3 .在实验项目的下拉列表中选择实验四四、系统频率特性测量, 鼠标单击钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选择李沙育图，然后

20、鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，如图44所示。测频率图4 .在实验项目的下拉列表中选择实验四四、系统频率特性测量 ,钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选 择时间电压图， 然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，测波特图5.在实验项目的下拉列表中选择实验四四、系统频率特性测量 ,50004000300020001000实验四 李秒育图X Y轴单位：imV 正弦信号涯：looo mV 3-6oHz 采样#衣I察周期数：i t采样频金：359 Hz.-1000 -2000 -ooo -40005000鼠标单击 按如图4 - 5所示。鼠标单击按4 6所示 000图4-4李沙育图50004000300020001000Q -1000 -2000 -0005000实验EB时间-电压團 轴单位：X o.ioms- V imV 正弦信号源：looo mV玉6口 Hz采徉10个周期-50000000图4 - 5手动方式测量波特图钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选 自动选项，然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。如图格式自动控制实验指导书#.Y1 -5000 .-5OOO1Q0C图4 6数据采集20.待数据米样结束后点击匡测奈氏图按钮即可以在显示区内显示出所测量的波特图。21.在完成步骤 6后，在