自动控制原理实验指导书2014-10

1、硬件的组成及使用一、直流稳压电源直流稳压电源主要用于给实验箱提供电源。有+5V/0.5A、及+24V/2.0A四路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主要用于温度控制单元。实验前，启动实验箱左侧的电源总开关。并根据需要将+5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。二、低频信号发生器低频信号发生器主要输出有正弦信号、方波信号等波形信号。输出频率由上位机设置，频率范围0.1 Hz 100Hz。可以通过幅度调节电位器来调节各个波形的幅度，而斜坡和抛物波信号还可以通过斜

2、率调节电位器来改变波形的斜率。三、阶跃信号发生器阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围约为-15V+15V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的钮子开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。注：单元的输出电压可通过实验箱上的直流数字电压表来进行测量。调节旋钮，产生单位阶跃信号。四、电阻测量单元可以通过输出的电压值来得到未知的电阻值，本单元可以在实验时方便地设置电位器的阻值。当钮子开关拨到×10k位置时，

3、所测量的电阻值等于输出的电压值乘以10，单位为千欧。当钮子开关拨到×100k位置时，所测量的电阻值等于输出的电压值乘以100，单位为千欧。注：为了得到一个较准确的电阻值，应该选择适当的档位，尽量保证输出的电压与1V更接近。五、交/直流数字电压表交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz400kHz）、精度高（1kHz时：±5）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。六、通用单元

4、电路通用单元电路具体有“通用单元1”“通用单元6”、“反相器单元”和“系统能控性与能观性分析”等单元。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过不同的接线，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51k、100k、200k、510k；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF。通用单元电路 七、采样保持器它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后再由零阶保持器输出的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。 八、数据采集卡采用

5、ADUC7021和CY68013芯片组成，支持4路AD（-10V+10V）采集，两路DA（-10V+10V）输出。采样频率为40k，转换精度为12位，配合上位机可进行常规信号采集显示、模拟量输出、频率特性分析等功能。注意事项：每次连接线路前要关闭电源总开关。按照实验指导书连接好线路后，仔细检查线路是否连接正确、电源有无接反。如确认无误后方可接通电源开始实验。实验一 典型环节的模拟研究一、实验目的1熟悉THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱的使用；2熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。二、实验设备1THKKL-6型

6、 控制理论及计算机控制技术实验箱；2示波器一台；三、实验内容1设计并组建各典型环节的模拟电路；2测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。四、实验步骤（单位阶跃输入）1比例（P）环节根据比例环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-1所示。图1-1 比例环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若比例系数K=1时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k。若比例系数K=2时，电路中的参数取：R1=100k，R2=200k。当ui为一单位阶跃信号时，用示波器观测并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。另外R2还可使用

7、可变电位器，以实现比例系数为任意的设定值。注：为了更好的观测实验曲线，实验时可适当调节软件上的时间轴刻度，以下实验相同。2积分（I）环节根据积分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-2所示。图1-2 积分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若积分时间常数T=1s时，电路中的参数取：R=100k，C=10uF(T=RC=100k×10uF=1s)；若积分时间常数T=0.1s时，电路中的参数取：R=100k，C=1uF(T=RC=100k×1uF=0.1s)；当ui为单位阶跃信号时，用示波器观测并记录相应T值时的输出响应

8、曲线，并与理论值进行比较。注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要对积分电容进行放电。当模拟电路中有电容需要放电时，实验时可先将阶跃信号发生器中的“自锁按钮”弹出，然后断开直流稳压电源中±15V/0.5A的“钮子开关”；3比例积分(PI)环节根据比例积分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如图1-3所示。图1-3 比例积分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若取比例系数K=1、积分时间常数T=1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100k×10uF=1s

9、)；若取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)。注：通过改变R2、R1、C的值可改变比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。当ui为单位阶跃信号时，用示波器观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。4比例微分(PD)环节根据比例微分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建其模拟电路，如图1-4所示。图1-4 比例微分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1s时，电路中的参数

10、取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=100k×1uF=0.1s)；若比例系数K=1、微分时间常数T=1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=100k×10uF=1s)；当ui为一单位阶跃信号时，用示波器观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。5比例积分微分(PID)环节根据比例积分微分环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建其相应的模拟电路，如图1-5所示。图1-5 比例积分微分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。

11、若比例系数K=2、积分时间常数TI =0.1s、微分时间常数TD =0.1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=1uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2，TI=R1C2=100k×1uF=0.1s，TD=R2C1=100k×1uF=0.1s)；若比例系数K=1.1、积分时间常数TI =1s、微分时间常数TD =0.1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=10uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=1.1，TI=R1C2=100k×10uF=1s，TD=R

12、2C1=100k×1uF=0.1s)；当ui为一单位阶跃信号时，用示波器观测并记录不同K、TI、TD值时的实验曲线，并与理论值进行比较。6惯性环节根据惯性环节的方框图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建其相应的模拟电路，如图1-6所示。图1-6 惯性环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中R0=200k。若比例系数K=1、时间常数T=1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100k×10uF=1s)。若比例系数K=1、时间常数T=0.1s时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K=

13、 R2/ R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)。通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。当ui为一单位阶跃信号时，用示波器软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。7根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。五、实验报告要求1画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。2写出各典型环节的传递函数。3根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。实验电路图传递函数理论波形（单位阶跃）实际观测波形1、比例（P）环节2、积分（I）环节3、比例积分(PI)环节4、比例微分(PD)环节5、比例积分微分(PID)环

14、节6、惯性环节六、实验思考题1用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？2积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？3在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？4为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？5为什么PD实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？实验二 典型系统的瞬态响应和稳定性一、实验目的1通过实验了解参数 (阻尼比)、(阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响；2通过实验，进一步研究系统的开环增益K或其它参数的变化对闭环系

15、统稳定性的影响。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2示波器。三、实验内容1观测二阶系统的阻尼比分别在0<<1，=1和>1三种情况下的单位阶跃响应曲线；2观测三阶系统的开环增益K为不同数值时的阶跃响应曲线。四、实验步骤（单位阶跃输入）注：由于实验电路中有积分环节，实验前一定要对积分电容进行放电。（一）典型二阶系统瞬态性能指标的测试1. 典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如2-1、如2-2所示。根据图2-2，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建模拟电路。图2-1 二阶系统的方框图图2-1 二阶系统的模拟电路图（C=1uF，R=100k）（电路参考单

16、元为：通用单元1、通用单元2、通用单元3、反相器单元、电位器组Rx0470k）2. 改变可调电位器Rx的大小（250k、70.7k、50k、25k），使系统分别处于欠阻尼状态、临界阻尼状态以及过阻尼状态。当系统输入一单位阶跃信号，在上列几种情况下，用示波器观测并记录不同值时的实验曲线以及相关动态性能指标（Mp%、tp、ts）。（二）典型三阶系统的性能1. 参考二阶系统，设计并组建三阶系统线性定常系统的实验电路。三阶系统的方框图如图2-3所示。图3-1 三阶系统的方框图2. 当系统输入一单位阶跃信号时，在下列几种情况下，用示波器观测并记录不同K值时（对应于衰减震荡、等幅震荡、发散）的实验响应曲线

17、。五、实验报告要求1画出二阶系统线性定常系统的实验电路，并写出闭环传递函数，表明电路中的各参数；2根据测得二阶系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益K和时间常数T对系统的动态性能的影响。二阶系统Rx参数观测曲线动态性能指标欠阻尼超调量上升时间调整时间理论值观测值临界阻尼过阻尼表中“”不需填3画出三阶系统线性定常系统的实验电路，并写出其闭环传递函数，表明电路中的各参数。4根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增益对系统动态特性及稳定性的影响。三阶系统稳定临界稳定不稳定Rx参数理论值观测值观测曲线六、实验思考题1如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？2在电路模拟系统中，如何实现负反馈

18、和单位负反馈？3为什么本实验中二阶系统对阶跃输入信号的稳态误差为零？4对三阶系统，为使系统能稳定工作，开环增益K应适量取大还是取小？ 附录三阶系统相关参数（只作参考）1若K=5时，系统稳定，此时电路中的RX取100k左右；2若K=12时，系统处于临界状态，此时电路中的RX取42.5k左右(实际值为47k左右)；3若K=20时，系统不稳定，此时电路中的RX取25k左右。实验三 控制系统的频率特性一、实验目的1了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法；2根据实验求得的频率特性曲线求取传递函数。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2PC机一台(含“THKKL-6”软件)

19、；3USB接口线。三、实验内容1惯性环节的频率特性测试；2二阶系统频率特性测试；3由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数；4用软件仿真的方法，求取惯性环节和二阶系统的频率特性。四、实验步骤（一）惯性环节1. 根据图5-1 惯性环节的电路图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路。其中电路的输入端接信号源的输出端，电路的输出端接示波器接口单元的通道2输入端；同时将信号源的输出端接示波器接口单元的通道1输入端。图5-1 惯性环节的电路图2. 设置终止频率为100rad/s。3. 点击软件的“开始分析”，既完成波特图的幅频特性及相频特性图；注：信号源的幅度调至最大。（二）二阶系统根

20、据图5-2所示二阶系统的电路图，选择实验箱上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路。图5-2 典型二阶系统的电路图（电路参考单元为：通用单元2、通用单元3、反相器单元、电位器组）1. 当时，设置终止频率为20rad/s。具体步骤请参考惯性环节的相关操作。2. 当时，设置终止频率为20rad/s。具体步骤请参考惯性环节的相关操作。注：当时，信号源的幅度调至最大。当时，信号源的幅度调至10Vp-p。五、实验报告要求1写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图；2把实验测得的数据和理论计算数据列表，绘出它们的Bode图；3用上位机实验时，根据由实验测得二阶系统闭环幅频特性曲线，据此写出该系

21、统的传递函数，并把计算所得的谐振峰值和谐振频率与实验结果相比较；4绘出被测环节和系统的幅频特性与相频特性曲线。六、实验思考题根据上位机测得的Bode图的幅频特性，就能确定系统（或环节）的相频特性，试问这在什么系统时才能实现？附录用虚拟示波器测试图5-3用虚拟示波器测试系统(环节)的频率特性可直接用软件测试出系统(环节)的频率特性，其中Ui信号由虚拟示波器扫频输出（直接点击开始分析即可）产生，并由信号发生器1（开关拨至正弦波）输出。测量频率特性时，信号发生器1的输出信号接到被测环节或系统的输入端和示波器接口的通道1。被测环节或系统的输出信号接示波器接口的通道2。实验四 采样系统分析一、实验目的1

22、熟悉用LF398组成的采样控制系统；2通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器ZOH的原理及其实现方法；3观察系统在阶跃作用下的稳态误差。研究开环增益k和采样周期T的变化对系统动态性能的影响。二、实验设备1THKKL-6型 控制理论及计算机控制技术实验箱；2PC机一台(含“THKKL-6”软件)；3USB接口线。三、实验内容1利用实验箱设计一个对象为二阶环节的模拟电路，并与采样电路组成一个数-模混合系统。2分别改变系统的开环增益k和采样周期TS，研究它们对系统动态性能及稳态精度的影响。四、实验步骤（一）零阶保持器本实验采用“采样-保持器”组件LF398，它具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能。图4-1为采样-保持电路。图中MC14538为单稳态电路