自动控制原理实验室实验指导书

1、目录前言3实验一 典型环节及其阶跃响应4实验二 二阶系统阶跃响应7实验三 设计性实验：控制系统的稳定性分析10实验四 系统频率特性测量11实验五 连续系统串联校正13实验六 数字PID控制16实验七 状态反馈与状态观测器19实验八 解耦控制22实验九 采样实验26实验十 非线性实验28预习报告30前言一、 自动控制理论实验的任务 自动控制理论实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是：1 通过实验进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法。2 学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术。3 提高应用计算机的能力及水平。二、 实验设备自动控制理论实验所使用的设备由计算机、A

2、/D，D/A接口板，模拟实验电路、打印机及其直流稳压电源组成（见下图），其中计算机根据不同的实验分别起信号产生与测量、显示、系统控制DA及数据处理的作用；模拟电路起被控对象的作用。显示器计算机打印机A/D，D/A模拟电路电源图 自动控制理论实验设备板上装有6个运算放大器，与电阻、电容相配合，可以构成多种特性的被控对象；在计算机箱内，插有A/D，D/A接口板，它起模拟信号与数字信号的转换作用；可根据软件产生不同的信号（阶跃、三角、正弦），直流稳压电源为12V，12V，为模拟电路供电；打印机可以把有关的信号及其图形记录下来，不过在一般情况下，作实验时并不连接打印机，需要时再连接。这样，一套实验设备

3、可以构成一个自动控制元件，也可以构成一个自动控制系统，并对其特性进行测量。所有的自动控制理论课实验都是在这套装置上完成的。三、 对参加实验学生的要求1. 阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确每次实验的目的，了解内容和方法。2. 按实验指导书要求进行接线和操作，经检查和指导老师同意后再通电。3. 在实验中注意观察，记录有关数据和图像，并由指导教师复查后才能结束实验。4. 实验后应断电，整理实验台，恢复到实验前的情况。5. 认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。字迹要清楚，画曲线要用坐标纸，结论要明确。6. 爱护实验设备，遵守实验室纪律。*注：本实验指导书适用于自动控

4、制原理A、自动控制原理B、现代控制理论等课程实验一 典型环节及其阶跃响应一、 实验目的1. 学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。2. 学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。二、 实验内容构成下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。1. 比例环节的模拟电路及其传递函数示于图1-1。 图 112. 惯性环节的模拟电路及其传递函数示于图1-2。 图 123. 积分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-3。图 134. 微分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-4。图 145. 比例加微分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-5。 图 156.

5、比例加积分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-6。 图 16三、软件使用：1. 在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2. 选择实验三：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。3. 参数设置：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。1） 采样周期设置：选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。最小周期0.01S。2） 采样点数设置：选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENT

6、ER确认输入完成。3） 输入阶跃信号幅值设置：选中输入电压菜单项，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入阶跃信号幅值，按ENTER确认输入完成。输入范围为02.5V。4. 运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。如想采集终止，请按ESC键。5. 退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实验。如想退出DOS，应按ESC。四、实验步骤1连接被测量典型环节的模拟电路及A/D，D/A连线，检查无误后接通电源。2启动计算机，运行AT.EXE，设置T和N。参考值：T=0.05妙，N=200。3观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据

7、。4记录波形及数据（由实验报告确定）。五、实验报告1画出惯性环节，积分环节，比例加微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的惯性环节，积分环节，比例加微分环节的响应曲线。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。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对系统动态性能的影响。定量分析和与最大超调量和调节时间之间的关系。2 进一步学习实验仪的使用方法。3 学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、 实验原理及电路典型二阶系统的传递函数为： （1）其中和对系统的动态品质有决定的影响。二阶系统模拟电路如图21图21电

8、路的结构图如图22图22经计算，系统闭环传递函数为 （2）式中 ，。比较（1），（2）二式，可得 （3）由（3）式可知，改变比值，可以改变二阶系统的阻尼比。改变值可以改变无阻尼自然频率。令取，（由电位器调节），可得实验所需的阻尼比。电阻取，电容分别取和，可得到两个无阻尼自然频率。三、 实验步骤1 了解实验仪，熟悉实验仪的使用方法。2 取，即令，；分别、0.25、0.5、0.7、1、2，即取，（由电位器 调节）分别等于0、。输入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量和调节时间的数值和响应的动态曲线，并与理论值比较。3 取，即取；，即取，注意：两个电容值同时改变，测量系统阶跃响应，并记录最大

9、超调量和调节时间。4 取，测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录和的数值。四、软件使用：1在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2选择实验三：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。3参数设置：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。1） 采样周期设置：选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。最小周期0.01S。2） 采样点数设置：选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按

10、ENTER确认输入完成。3） 输入阶跃信号幅度设置：选中输入电压菜单项，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入阶跃信号幅值，按ENTER确认输入完成。输入范围为02.5V。4 运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。如想采集终止，请按ESC键。5退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实验。如想退出DOS，应按ESC。五、实验预习要求 1通过理论分析分别求出实验步骤中所对应的和值下阶跃响应的最大超调量和调节时间以备与实验时比较。 2通读实验指导书，了解实验目的、要求、实验步骤和实验设备。六、实验报告 1画出二阶系统

11、的模拟电路图，并求参数、的表达式。 2把不同和条件下测量的和列表，根据测量结果得出响应结论。 3根据步骤3画出系统响应曲线，再由和计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。实验三 设计性实验：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。二实验内容：设计一个能方便的调节开环增益的至少3阶系统的模拟电路，通过调节增益观察其对系统稳定性的影响，并调节出临界稳定的相关参数；同时用稳定判据进行理论计算，并分析其结果的一致性。三实验条件： 自动控制原理实验箱、计算机、导线。四试验报告： 1写出所设计系统的数学模型。 2画出系统的模拟电路

12、图及写出各个器件的参数。 3调整系统放大系数，使系统各个状态（收敛、振荡、发散）至少出现一次，得出相应的模拟参数值，画出波形图。4计算系统的临界放大系数，并与测得的临界放大系数相比较，看是否一致。5仔细观察实验现象，认真记录实验中发现的问题、错误、故障及解决方法。五参考书目：自动控制原理，胡寿松，科学出版社软件使用：1 在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2 选择实验三：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。3 参数设置：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。1） 采样周期设置：选中采样周

13、期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。最小周期0.01S。2） 采样点数设置：选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER确认输入完成。3）输入阶跃信号幅度设置：选中输入电压菜单项，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入阶跃信号幅值，按ENTER确认输入完成。输入范围为02.5V。4 运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。如想采集终止，请按ESC键。5 退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实

14、验。如想退出DOS，应按ESC。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。二、 实验内容1. 模拟电路图及系统结构图分别如图41和图42图41K1U1U2图422系统传递函数 取，则系统传递函数为 （1）若输入信号，则在稳态时，其输出信号为。改变输入信号角频率值，便可得到二组和随变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。三、 软件使用1 在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2 选择实验三：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。3

15、 参数设置：按动光标上下键，移动高亮菜单项，按ENTER键将选中该菜单项。1） 频率参数设置：选中频率参数，在参数显示窗口中，“频率”的参数显示处将改变颜色，此时可输入正弦信号的频率：0.120hz。2） 幅度参数设置：选中幅度参数，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入正弦信号的幅度：02.5V。4 运行观测1） 单个频率点的响应波形观测，选中“频率响应”菜单项，将显示频率参数中设置频点的响应曲线。2） 画制波特图，选中“测波特图”菜单项，将自动测试各频率响应，并画出波特图，自动测试范围0.410hz.5 退出四、 实验报告1. 画出被测系统的模拟电路图，计算其传递函数

16、，根据传递函数绘制Bode图。2. 把上述测量数据列表，根据此数据画Bode图。3. 分析测量误差。实验五 连续系统串联校正一、实验目的1、 研究串连校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。2、 熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。二、系统模拟电路图及传递函数1、 串联超前校正1） 系统模拟电路图如图51，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正情况。图512） 系统结构图如图52U1U2图52图中 （1） （2）2、 串联滞后校正1） 系统模拟电路图如图53，图中开关S断开对应未校情况，接通对应滞后校正情况。图532） 系统结构图如图54U1U2图54图中 （3） （4）3、 串联滞后超前校

17、正1） 系统模拟电路如图55，图中开关S断开对应未校情况，接通对应滞后超前校正情况。图552）系统结构图示如图56U1U2图56图中 （5） （6）三、实验步骤1. 连接模拟电路图，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，并记录超调量和调节时间。2. 开关s接通重复步骤1。四、软件使用1在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2选择实验三：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。3 实验内容选择：1） 串联超前校正：选中“超前校正”菜单项，将进入超前校正实验2） 串联滞后校正：选中“滞后校正”菜单项，将进入滞

18、后校正实验3） 串联超前滞后校正：选中“超前滞后”菜单项，将进入超前滞后校正实验4 参数设置：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。1) 采样周期设置：选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。最小周期0.01S。2) 采样点数设置：选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER确认输入完成。3） 输入阶跃信号幅度设置：选中输入电压菜单项，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入阶跃信号幅值，按ENTER确认输入完成。输入

19、范围为02.5V。5 运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。如想采集终止，请按ESC键。6退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实验。如想退出DOS，应按ESC。五、实验报告1画出所做实验的模拟图，结构图。2给出校正前后的和。3绘出校正前后的Bode图，并从图上查出两种情况的相位稳定裕量和截至频率，分析校正结果。实验六 数字PID控制二、 实验目的1.研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2.研究采样周期T对系统特性的影响。3.研究I型系统及其系统的稳定误差。二、 实验内容1.系统结构图如图61T图61图中 2.开环系

20、统(被控对象)的模拟电路图分别如图62和图63，其中图62对应，图63对应。图62 图633.被控对象为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“I型”系统，被控对象为“I型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“II型”系统。4.当时（实际是方波），研究其过渡过程。5.PI调节器及PID调节器增益 (1)式中 ，不难看出PI调节器的增益，因此改变时，同时改变了闭环增益，如果不想改变，则应相应改变。采用PID调节器相同。6.“II型”系统要注意稳定性。对于，若采用PI调节器控制，其开环传递函数为 (2)为使闭环系统稳定，应满足，即。7.PID递推算法 如果PID调节器输入信

21、号为,其输送信号为，则离散的递推算法如下： (3)式中:采样时间三、软件使用1.在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2.选择实验三：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。3.参数设置：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。1) 采样周期设置：选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。最小周期0.01S。2) 采样点数设置：选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER

22、确认输入完成。3) 、参数设置：选中“、”菜单项，在参数显示窗口中，“”的参数显示处将改变颜色，输入的值，按Enter键确认，然后“” 的参数显示处将改变颜色，输入的值，按Enter键确认，然后“” 的参数显示处将改变颜色，输入的值，按Enter键确认。4.运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。如想采集终止，请按ESC键。5.退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实验。如想退出DOS，应按ESC。四、实验步骤1连接为对象的模拟电路图11-1及A/D、D/A信号线。检查无误后，接通 电源。2启动AT.exe程序3输入采样周期T（参考值

23、T=0.05）4输入参数、（参考、）5观察响应曲线。若不满意，改变、的数值和与其相对应的性能指标、的数值。6取满意的、值，观察有无稳态误差。7断开电源，连接模拟电路图11-2，并接上A/D、D/A信号线。8接通电源，重复28步骤。五、实验报告1画出所做实验的模拟电路图。2当被控对象为时，取过渡过程最满意的、，画出校正后的Bode图，查出相对稳定裕量和穿越频率。3比较对象为和对象时三角波输入下的稳态误差。4总结一种有效的选择、方法，以最快的速度获得满意的参数。预习报告认真预习实验，填写预习报告，老师在实验前检查，只有达到基本预习要求的学生才能进行实验；实验预习报告中需要补充的内容可以另外附页，实

24、验最后结束时实验预习报告与实验报告一起交给老师批阅。实验一预习报告1、 了解自动控制原理实验设备组成。2、 熟悉实验箱上硬件资源。3、 根据实验指导书熟悉自动控制系统模拟电路构成方法，分析典型环节的数学模型、阶跃响应以及模型参数对阶跃响应的影响，在实验中验证。表1 实验指导书给定参数典型环节的数学模型及其阶跃响应草图 典型环节传递函数理论分析草图比例环节惯性环节积分环节微分环节比例加微分环节比例加积分环节实验二预习报告1、 进一步了解实验设备、实验步骤，通过阅读实验指导书，了解实验目的、要求。2、 从实验指导书中分析实验二模拟电路图，得出系统的闭环传递函数，分析在模拟电路中如何调节参数和。表1系统传递函数阻尼系数=自然频率=3、 通过调节模拟参数，实现无阻尼、欠阻尼、临界阻尼、过阻尼四种情况，分析计算各自超调量和调节时间，在实验中与实