实验一引入PI控制器消除控制系统干扰

1、实验一：引入 PI 控制器消除控制系统干扰自动控制原理实验是 自动控制原理 理论课的一个重要组成部分， 是电子信息工程专业课程体系中基础的实验课程。 主要目标是训练学生最基本的实验技能， 通过实验， 加强学生的感性认识，从而巩固和加深自动控制原理课的课堂教学内容，提高学生实际工作技能，培养科学作风，学习MATLABF的SIMULINK仿真软件，培养学生对动态系统进行建模的分析、解决问题的能力。一、控制系统设计过程1. 根据对系统提出的技术要求, 确定控制系统的总体方案, 即确定系统的构成并选用和计算系统各组成部件的主要特性（ 如执行机构、测量部件等） 。2. 在系统方案及各组成部件已知的条件下

2、 , 通过理论分析或实验方法 , 建立系统不变部 分的数学模型, 并依条件进行必要简化 .3. 进行系统的静态设计, 主要是确定系统的静态放大系数并进行合理分配.4. 在静态设计的基础上, 进行动态设计, 一般应从检查系统的稳定性开始, 进而选择系统的校正方案及参数.5. 进行数学仿真研究, 并进一步修改和调整校正网络参数或形式, 在数学仿真研究时,除了研究线性模型时的系统特性外, 还应考虑系统中可能有的非线性特性, 研究它们对系统性能的影响.数学仿真可利用MATLA歆件实现。6. 确定校正网络的工程实现方法.超前校正装置具有相位超前和幅值扩张的特性, 能提供微分控制功能, 主要改善系统的动态

3、性能 , 滞后校正装置具有相位滞后和幅值压缩的特性, 能提供积分控制功能, 主要改善系统的稳态性能, 也可用于改善系统的平稳性, 但响应的速度受到影响. 滞后 - 超前校正兼具有滞后校正和超前校正的特性, 可全面改善系统的性能.对于校正元件: 由于运算放大器性能高 （高输入阻抗 , 输出阻抗低, 高增益等 ）, 参数调整方便, 价格便宜, 故串联校正几乎全部采用有源校正装置.二、MATLAB 简介MATLAB 语言是当今国际上科学界（尤其是自动控制领域） 最具影响力、也是最有活力的软件。 它起源于矩阵运算， 并已经发展成一种高度集成的计算机语言。 它提供了强大的科学运算、 灵活的程序设计流程、

4、 高质量的图形可视化与界面设计、 便捷的与其他程序和语言接口的功能。 MATLAB 语言在各国高校与研究单位起着重大的作用MATLAB 产品家族是美国 MathWorks 公司开发的用于概念设计,算法开发 ,建模仿真 ,实时实现的理想的集成环境。由于其完整的专业体系和先进的设计开发思路，使得 MATLAB 在多种领域都有广阔的应用空间， 特别是在 MATLAB 的主要应用方向 科学 计算、 建模仿真以及信息工程系统的设计开发上已经成为行业内的首选设计工具， 全球现有 超过五十万的企业用户和上千万的个人用户， 广泛的分布在航空航天， 金融财务， 机械化工， 电信，教育等各个行业。 在 MATLA

5、B 产品家族中， MATLAB 工具箱是整个体系的基座， 它是一个语言编程型（ M语言）开发平台，提供了体系中其他工具所需要的集成环境（比如 M 语言的解释器）。同时由于 MA TLAB 对矩阵和线性代数的支持使得工具箱本身也具有强大的数学计算能力。 MATLAB 产品体系的演化历程中最重要的一个体系变更是引入了 Simulink ，用来对动态系 统建模仿真。 其框图化的设计方式和良好的交互性， 对工程人员本身计算机操作与编程的熟 练程度的要求降到了最低，工程人员可以把更多的精力放到理论和技术的创新上去。 针对 控制逻辑的开发，协议栈的仿真等要求， MathWorks 公司在 Simulink

6、 平台上还提供了用于 描述复杂事件驱动系统的逻辑行为的建模仿真工具 Stateflow ，通过 Stateflow ，用户可以 用图形化的方式描述事件驱动系统的逻辑行为，并无缝的结合到 Simulink 的动态系统仿真 中。 在这样一个产品体系中，可以看到，由于MATLAB 及其丰富的 Toolbox 资源的支持，使得用户可以方便的进行具有开创性的建模与算法开发工作，并通过MATLAB 强大的图形和可视化能力反映算法的性能和指标。所得到的算法则可以在Simulink 环境中以模块化的方式实现，通过全系统建模，进行全系统的动态仿真以得到算法在系统中的动态验证。从 MATLAB 的产品体系可以看到

7、，应用 MATLAB 作为统一的集成开发平台结合第三方软硬件工具， 可以实现从算法开发到系统仿真优化再到硬件实现的完整过程。 这一平台在工业领域的典型应用有：1、 控制器及控制对象的设计开发 快速控制原型及硬件在回路仿真 （比如结合dSPACE硬件仿真机系统） 2、信号处理系统的设计开发 全系统仿真及快速原型验证（比如结合 TIDSP ）3、通信系统设计开发 Bit True 和 Cycle True 的算法验证（比如结合RadioLab3G 和Candence） 4、机电液一体化设计开发 全系统联合仿真（比如结合Easy5 和 Adams ）总之， MathWorks 致力于为工程师， 科研

8、工作者提供最好的语言， 最好的工具和环境，扩大工程师的视野，提高生产率，增进学习能力，进行开创性的研究工作。今天，MATLAB已经成为广大科研人员的最值得信赖的助手和朋友。三、实验目的学习自动控制原理的目的是把它作为一种手段，分析研究一个自动控制系统的特性，看它能否满足系统要求；同时，用来解决控制系统调试和使用中出现的问题，另一重要的目的是用它来帮助设计一个满足用户需要的控制系统。本设计性实验-“引入PI控制器消除控制系统干扰”的实验内容涉及自动控制原理 基础课程及 MATLABF白SIMULINK仿真软件等相关课程知识。 在自动控制理论课程中，对控制系统传递函数结构图给出了较详细的理论解释，

9、在干扰的作用下，系统输出会产生变化， 为消除干扰对其影响，引入PI控制器，调节动态参数，通过仿真软件实现对干扰消除的直观显示。通过本设计性实验使学生达到除自动控制原理外的SIMULINK仿真软件应用：1、熟悉SIMULINK的操作环境2、熟悉构建系统模型的方法数学3、掌握SIMULINK中子系统模块的建立与封装技术4、对系统给出的数学模型能转化为系统仿真模型并进行仿真分析。四、实验内容及步骤构建如图所示含有干扰作用的系统模型提示：a.仿真前对参数进行设置，然后选择SIMULINK菜单中的Parameters命令来设置仿真参数(选仿真终止时间为3S),再选择SIMULINK菜单中的Start命令

10、即可开始仿真。b.注意封装子系统(1)选中所有模块。选择 Edit命令下的Select All菜单项可以选中所有的模块。(2)建立子系统。选择 Edit命令下的Create Subsystem 菜单项，则可以由选定的模块和连接关系构造出子系统（ 3）封装子系统。选择子系统模块，再选择 Edit 命令下的 Mask Subsystem 菜单项 ,将打开一个对话框， 单击该对话框中的 Intialization 标签， 打开相应的选项卡， 在该选项卡中输入各个变量的提示Prompt 和变量名 Variable 。（ 4）子系统参数初始化。建立该子系统后，双击该图标，将打开一个对话框，在该对话框中填

11、写默认参数，然后将该子系统存盘备用。五、实验报告要求学生在规定时间内得到预定效果。首先，学生能自学与指定设计题目有关的资料。其次，学生针对实验课题提出的任务和要求，进行设计和构建结构图，最后写出总结报告。对于设计中出现的普遍问题教师要进行讲授， 在实验效果和学生成绩的评定方面着重审视其对实验思路和方法的分析体会上， 学生的实验报告根据实验项目内容可简可繁， 要求在实验报告中写出过程中碰到什么疑难和故障,又是怎样发现并采取什么措施解决的，还有什么不足之处， 对此自己有什么见解。 通过这一环节增加实验教学的科研氛围和培养学生敢于创新的意识，使学生开阔眼界，拓宽思路。六、 ：实验考核要求（ 1 ）仪

12、器使用：能否正确使用 TKKL-1 自动控制原理实验箱，仪器的接线是否正确，熟练程度如何，基本的测试方法是否掌握等；（ 2 ）软件使用：Matlab 仿真软件使用是否熟练；（ 3 ）电路连线：实验线路能否合理布局并正确连接；（ 4 ）实验能力：对实验中出现的问题及简单的故障能否分析排除，能否在规定时间内完成实验任务；（ 5 ）结果记录：看学生能否正确记录实验结果，实验数据是否正确，图形是否整洁，标注是否清楚（如幅值、频率、时间）等。实验二控制系统典型环节的模拟一、实验目的1、熟悉超低频扫描示波器的使用方法。2、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子模拟电路。3、测量典型环节的阶跃响应曲线。4、通

13、过本实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响。二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台2、超低频慢扫描示波器一台3、万用表一只三、实验原理以运算放大器为核心元件，由不同的输入R-C网络和反馈R-C网络构成控制系统的各种典型环节。四、实验内容1、画出比例、惯性、积分、微分环节的电子模拟电路图。2、观察并记录下列典型环节的阶跃响应波形。1)Gi(S)=1、G2(S)=2比例环节2)Gi(S)=1/S、G2(S)=1/(0.5S)积分环节3)G1(S)=S微分环节4)G(S)=1/(S+1)、G(s)=1/(0.5S+1)惯性环节五、实验报告要求1、画出四种典型环节的实验电路图、并注明参数

14、。2、测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应，并注明时间坐标轴。3、分析实验结果、写出心得体会。六、实验思考题1、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似推导出的？2、积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可近似地视为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？3、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数。比例环节GND微分环节GND惯性环节实验三一阶系统的时域响应及参数测定、实验目的1、观察一阶系统在阶跃和斜坡输入信号下的瞬态响应。2、根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的常数。、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台2、慢扫描示波器一台3、

15、万用表一只三、实验原理1TS 1图2-1为一阶系统的方框图。他的闭环传递函数为:(s)3=qh=qR(S) 1 G(S) 1 1/TS实验线路图如图2-2所示，其中R1=R2= R,时间常数T= RC。111,当r(t) =1,即R(S) =1/S ,则其输出为：C(S) = '1一，对上式S(TS 1) S S 1/Tt取拉氏反变换，得到： C(t)=1e3,它的阶跃响应曲线如图2-2所示。当t=T时,C(t) = 1 e,=0.632。这表示当C(t)上升到稳定值的63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T,根据这个原理，由图 2-2可测得一阶系统的时间常数To当 r(t)=

16、t, R(S) =1/S2,系统的输出为：c(S)=T+1一，对上 S2(TS 1) S2 S S 1/T_t_tt式取拉氏反变换，得到：C(t) =tT(1e斤)，由于 e(t) = t -(t -T(1-e5 )=T(1-e),所以当t-*30时，e(g) = ess=T。这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入，但有稳态误差存在，其误差的大小为系统的时间常数Toecc图2-1图2-2图2-3四、实验内容T为1S和0.1S时的响应曲线,1、根据图2-1所示的内容，设计相应的模拟试验线路图。2、当r(t)=-1V时，观察并记录一阶系统的时间常数并注明时间坐标轴。4、当r(t) =t时，观察并记录一阶

17、系统的时间常数T为1S和0.1S时的响应曲线。五、实验报告要求1、根据实验，画出一阶系统的时间常数T为1S和0.1S时的单位阶跃响应曲线，并由实测的曲线观察得时间常数 T。2、观察并记录一阶系统时间常数T为1S和0.1S时的斜坡响应曲线，并由实测的曲线观察得稳态误差ess,这一误差值与有终值定理求得的误差值是否相等？分析误差原因。六、实验思考题1、一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜坡输入的稳态误差为T?2、一阶系统的单位斜坡响应能否由其单位阶跃响应求得？试作出说明。七、注意事项1、观察单位阶跃响应用示波器的任意一个通道即可。2、r(t)=斜坡信号由函数信号发生器的三角波上升段模

18、拟，观察时，用示波器的CH1 通道观察斜坡信号，用 CH2通道观察一阶系统的斜坡响应。实验四PID控制器的动态特性、实验目的1、熟悉PI、PD、PID三种控制器的结构形式。2、通过实验，深入了解PI、PD、PID三种控制器的阶跃响应特性和相关参数对它们性 能的影响。、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台2、超低频慢扫描示波器一台3、万用表一只 三、实验原理Pk PD、PID三种控制器是工业控制系统中广泛应用的有源校正装置。其中 PD为超前 校正装置，它适用于稳态性能已满足要求，而动态性能较差的场合。PI为滞后校正装置，它能改变系统的稳态性能。PID是一种滞后一超前校正系统，它兼有 PI和PD两者的优点。图3-1<1 Vo图3-2图3-3图3-1为PD控制器的电路图，它的传递函数为:G(S) =Kp(TdS+1),其中 Kp = R/R, Td =RC图3-2为PI控制器的电路图，它的传递函数为：1G(S) = -Kp(1 + -)，其中 Kp = R / R , Td = R2c I D S图3-3为PI控制器的电路图，它的传递函数为：1G= -Kp”话+3 其中 Kp"1 + R2C2)/RC2，C' +