自动控制原理实验课件

1、自动控制原理实验教案自动控制原理实验教案名称 ：自动控制原理实验 指导实验教师：桂寒 系别 ：电气工程 班别：1101,1102总学时数：18 周 次 实 验 名 称 学时 性质 实 验 基 本 目 的 11 控制系统典型环节及其阶跃响应3基础必选 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。 12二阶系统阶跃响应 3基础必选 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。2、定量分析 和n与最大超调量Mp和调节时间Ts之间的关系。13控制系统的稳定性分析3基础必选 1、通过二阶、三阶系统的模拟电路实验，掌握线性定常系统动、静态

2、性能的一般测试方法。2、研究二阶、三阶系统的参数与其动、静态性能间的关系。14系统频率特性测量 3基础必选 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。15连续系统串联校正 3基础必选 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。16 数字PID控制实验 3基础综合 1、研究PID控制器的参数对系统稳定性和过渡过程的影响。2、掌握数字PID控制的实现方法和参数调整方法EA-AT试验系统的结构 控制系统的输入信号由计算机提供，通过数模转换控制系

3、统的输入信号由计算机提供，通过数模转换成模拟信号之后送至试验箱电路的输入端，该信号经过成模拟信号之后送至试验箱电路的输入端，该信号经过系统处理之后，将其转换成数字信号送回计算机进行输系统处理之后，将其转换成数字信号送回计算机进行输出显示。出显示。任务任务：通过显示波形来检验系统的功能是否和理论计算：通过显示波形来检验系统的功能是否和理论计算相符。相符。 计算机计算机AD实验箱电路实验箱电路DAVisual studio 6.0实验一实验一 控制系统典型环节及其阶跃响应控制系统典型环节及其阶跃响应 一、实验目的与要求实验目的与要求 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

4、性能指标的测量方法。 二二、重点与难点重点与难点 1 、注重实验数据的分析与处理，加强对实验现象的观察与理解。 2 、传递函数用电路来实现的方法。 三三、注意事项注意事项 实验的安全问题和实验设备的正确使用。三、实验原理 1、模拟实验的基本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，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，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。

5、再将输入信号加到模拟系统的输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。可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 与 的测量方法为: 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95%稳态值所需的时间值,便得到 与 . 理论计算方法:pTsTpTsTsTTTs3 2、时、时域性能指标的测量方法：域性能指标的测量方法： 构成比例环节、惯性环

6、节、积分环节、微分环节、比例+微分环节、比例+积分环节等6种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如图3.1-1所示，传递函数为:三、实验内容如何确定电阻值2惯性环节的模拟电路如图3.1-2所示，传递函数为 3积分环节的模拟电路如图3.1-3所示，传递函数为 4微分环节的模拟电路如图3.1-4所示，传递函数为5比例+微分环节的模拟电路如图3.1-5所示（未标明的C=0.01F），传递函数为 6比例+积分环节的模拟电路如图3.1-6所示，传递函数为四、实验步骤 1. 启动计算机,在桌面双击 “自动控制实验系统” 图标，运行软件。 2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常，

7、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比例环节 （1）按图3.1-1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，检查无误后接通电源。 （2）在实验课题下拉菜单中选择“典型环节及其阶跃响应 （3）鼠标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。 （4）观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。 （5）记录波形及数据。 4惯性环节 （1）按图3.1-2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，

8、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。 （2）实验步骤同3（2）（5）。 5积分环节 （1）按图3.1-3连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/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。 （2）实验步骤同3（2）（5）。 6微分环节 （1）按图3.1-4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，检查无误后接通电源。 （2）实验步骤同3（2）（5） 7比例+微分环节 （1）按图3.1-5连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入

9、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。 （2）实验步骤同3（2）（5）。 8比例+积分环节 （1）按图3.1-6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，检查无误后接通电源。 （2）实验步骤同3（2）（5）。8测量系统的阶跃响应曲线，并记入表3.1-1中。五、实验报告 1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。 2整理将实验中测得的曲线、数据及理论计算值，并列表。实验二实验二 二阶系统阶跃响应二阶系统阶跃响应 一、

10、实验目的一、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、实验仪器二、实验仪器 1EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2计算机一台 三、重点与难点三、重点与难点 1注重实验数据的分析与处理，加强对实验现象的观察与理解。 2根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。sT%nn五、实验原理五、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

11、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。四四、注意事项注意事项 实验的安全问题和实验设备的正确使用。 2、时域性能指标的测量方法： 超调量 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,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

12、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二二阶系统阶跃响应 。 5) 鼠标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。AR 2/1% 6) 利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出超调量： 与 的测量方法为: 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95%稳态值所需的时间值,便得到 与 . 理论计算方法:%100%YYYMAXpTsTpTsTsTTTs3三、实验内容 典型二阶系统的闭环传递函数为: 其中， 和 对系统的动态品质有决定的影响。

13、构成图3.2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应。电路的结构图如图3.2-2所示，系统闭环传递函数为: 式中，nRCT 12/ RRK 比较（3.2-1）、（3.2-2）二式，可得: 由（3.2-3）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n。 今取R1=200K，R2 =100K和200K，可得实验所需的阻尼比。电阻R取100K，电容C分别取1F和0.1F，可得两个无阻尼自然频率n。四、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，检查无误后接通电源。

14、 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。 4在实验课题下拉菜单中选择实验二“二阶系统阶跃响应”，单击该选项弹出实验课题参数窗口。5取n =10rad/s，即令R=100K，C=1F；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 和调节时间 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R1=R2 =100K；n =100rad/s

15、, 即取R=100K，改变电路中的电容C=0.1F（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 和调节时间 。 %sT%sT7取R=100K；改变电路中的电容C=1F，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 和 的数值。8测量二阶系统的阶跃响应并记入表3.2-1中。%pT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 和n条件下测量的 和 值列表，根据测量结果得出相应结论。 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

16、较。%sT%sT实验三 控制系统的稳定性分析 一、实验目的与要求一、实验目的与要求 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。 二重点与难点二重点与难点 1注重实验数据的分析与处理，加强对实验现象的观察与理解。 2系统的参数与其动、静态性能间的关系以及对稳定性概念的理解。 三、实验仪器三、实验仪器 1EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2计算机一台 三、注意事项三、注意事项 实验的安全问题和实验设备的正确使用。四、实验原理四、实验原理 系统模拟电路图如图3.3-1所示，其开环传递函数为： 图3.3-1系统模拟电路图五、实验步骤五、实验步骤 1连接被测量典型

17、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。 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。 4在实验课题下拉菜单中选择实验三“控制系统的稳定性分析”，弹出实验课题参数窗口。其中设置输入信源电压 U1 = 1V，点击确认观察波形。 5取R3的值为50K、100K、200K，此时相应的K = 10K1 = 5、10、20。观察不同R3值时显示区内的输出波形（即U2的波形），找到系统输出产生增幅振荡

18、时相 应的R3及K值。再把电阻R3由大至小变化，即R3 = 200K、100K、50K，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。 6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1F变成0.1F，重复实验步骤4观察系统稳定性的变化。 7将实验结果添入表3.3-1中。 四、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。 3计算系统的临界放大系数，并与步骤5中测得的临界放大系数相比较。实验四 系统频率特性测量 一、实验目的一、实验目的 1加深了解系统及元件频率特性的物理概念。

19、 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、实验仪器二、实验仪器 1.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 3.双踪示波器一台 三、注意事项三、注意事项 实验的安全问题和实验设备的正确使用。频率特性的测量方法：频率特性的测量方法： 1. 将正弦信号发生器、被测系统和示波器按图4-1连接起来。将示波器X和Y轴的输入选择开关，均打在“DC”输入状态，并调整X和Y轴的位移，使光点处于萤光屏上的坐标原点上。四四、实验原理实验原理 2. 选定信号发生器的频率，调节其输出衰减，使被测系统在避免饱和的情况下，输出幅度尽可能大。然后调节示

20、波器的X和Y轴输入幅值选择开关，使在所取信号幅度下，图象尽可能达到满刻度。 3. 根据萤光屏上的刻度及输入幅值选择开关指示的伏/格数，算出2Xm、2Yn及2ym，并进一步计算幅值比和相位差。 为读数方便，可将示波器X轴输入X-Y开关打在工作状态，使光点在荧光屏上只作垂直运动，此时可方便地读出2ym。同理，也可方便地读出2Xm。五、实验内容五、实验内容 1.模拟电路图及系统结构图分别如图4-2和图4-3。 2系统传递函数 取R3=500k，则系统传递函数为 若输入信号U1（t）=U1sint,则在稳态时，其输出信号为 改变输入信号角频率值，便可测得二组U2/U1和随变化的数值，这个变化规律就是系

21、统的幅频特性和相频特性。 3、李沙育图形法、李沙育图形法 将正弦信号作为输入信号，并和被测系统(或环节)的输出分别接到慢扫描示波器的X轴和Y轴上，如图1-3-2所示，就可以在示波器上显示李沙育图形。图图1-3-2李沙育图形测试频率特李沙育图形测试频率特 六、实验步骤六、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。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。则李沙

22、育图形的产生如图1-3-3所示图图1-3-3 李沙育图形测试频率特性李沙育图形测试频率特性(a)输入输出波形；输入输出波形；(b)示波器示波器X轴的输入波形轴的输入波形(c)示波器示波器Y轴的输入波形；轴的输入波形；(d)李沙育图形李沙育图形 图图45 数据采集数据采集 七、实验报告 1画出被测系统的结构和模拟电路图。 2画出被测系统的开环L()曲线与()曲线。 3整理表中的实验数据，并算出理论值和实测值。 4讨论李沙育图形法测量频率特性的精度实验五实验五 连续系统串联校正连续系统串联校正 一、实验目的一、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

23、校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。 二、实验仪器二、实验仪器 1EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2计算机一台 三、注意事项三、注意事项 实验的安全问题和实验设备的正确使用。三、实验内容三、实验内容 1串联超前校正（1）系统模拟电路图如图3.5-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。（2）系统结构图如图）系统结构图如图3.5-2 2串联滞后校正串联滞后校正 模拟电路图如图模拟电路图如图3.5-3，开关，开关s断开对应未校状态，接通对应断开对应未校状态，接通对应滞后校正。滞后校正。（2）系统结构图示如图3.5-4 3串联超前串联超前滞后校正滞后校正 模拟电路图如图模拟

24、电路图如图3.5-5，双刀开关断开对应未校状态，接通，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前对应超前滞后校正。滞后校正。 (2)系统结构图示如图5-6。图中 五、实验步骤五、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,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。超前校正：超前校正：（1）连接被测量典型环节的模拟电路(图3.5-1)。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。 (2)开关s放在断开位置。(3)选中 实验课题 连续系统串联校正超前

25、校正 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量p和调节时间ts。(4)开关s接通，重复步骤（3），将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入表3.5-1中。滞后校正：滞后校正：（1）连接被测量典型环节的模拟电路(图3.5-3)。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。检查无误后接通电源。 (2) 开关s放在断开位置。 (3) 选中 实验课题 连续系统串联校正滞后校正 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调

26、量p和调节时间ts。 (4) 开关s接通，重复步骤(3),将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入表3.5-2中： 超前超前-滞后校正滞后校正 (1) 连接被测量典型环节的模拟电路连接被测量典型环节的模拟电路(图图5-5)。电路的输入。电路的输入U1接接A/D、D/A卡的卡的DA1输出，电路的输出输出，电路的输出U2接接A/D、D/A卡的卡的AD1输入。检查无误后接通电源。输入。检查无误后接通电源。 (2) 开关开关s放在断开位置。放在断开位置。(3) 选中 实验课题 连续系统串联校正超前滞后校正 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响

27、应，并记录超调量p和调节时间ts。(4) 开关s接通，重复步骤13,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中： 实验说明：实验说明：1. 串联超前校正：实质是利用相位超前，通过选择适当参数使出现最大超前角时的频率接近系统幅值穿越频率，从而有效地增加系统地相角裕度，提高系统的相对稳定性。当系统有满意的稳态性能而动态响应不符合要求时，可采用超前校正。2. 串联滞后校正：利用校正后系统幅值穿越频率左移，如果使校正环节的最大滞后相角的频率远离校正后的幅值穿越频率而处于相当低的频率上，就可以使校正环节的相位滞后对相角裕度的影响尽可能小。特别当系统满足静态要求，不满足幅值裕度和相角裕度，而且相频特

28、性在幅值穿越频率附近相位变化明显时，采用滞后校正能够收到较好的效果。 六、实验报告六、实验报告 3. 串联超前滞后校正：如果单用超前校正相角不够大，不足以使相角裕度满足要求，而单用滞后校正幅值穿越频率又太小，保证不了响应速度时，则需用超前滞后校正。 说明：实验前，应要求学生用频率法分析实验中校正前后系统的参数变化。1计算串联校正装置的传递函数 Gc（s）和校正网络参数。2画出校正后系统的对数坐标图，并求出校正后系统的c及。3比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置的作用。实验六实验六 数字数字PID控制实验控制实验一、实验目的与要求一、实验目的与要求1、研究PID控制器的参数对系

29、统稳定性和过渡过程的影响。2、掌握数字PID控制的实现方法和参数调整方法二重点与难点二重点与难点1注意实验相关数据的分析与处理，加强对实验现象的观察与理解。2系统的校正作用及其实现方法，校正电路的实现。三注意事项三注意事项 实验的安全问题和实验设备的正确使用。四、实验内容四、实验内容 1、系统结构图如图3.6-1所示。图中，2开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图3.6-2和图3.6-3所示。其中图3.6-2对应Gp1(S)，图3.6-3对应Gp2(S)。 3被控对象Gp1(S)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Gp2(s)为“I型”系统，采用PI控

30、制或PID控制可使系统变成“II型”系统。 4当r(t) = 1(t)时（实际是方波），研究其过渡过程。 5PI调节器及PID调节器的增益 不难看出PI调结器的增益 ，因此在改变 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Gp2(S)，若采用PI调节器控制，其开环传递函数为: 为使用环系统稳定，应满足Ti 0.1，即Ki 10。 7PID递推算法。如果PID调节器输入信号为e(t)，其输送信号为u(t)，则离散的递推算法如下：五、实验步骤五、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，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连接被测量典型环节的模拟电路（图