《自动控制理论》实验指导书

《自动控制理论》实验指导书适用专业: 电气、测控、信息课程代码: 6001359总学时: 总学:编写单位: 电气信息学院:::批准时间: 年 月 日 《自动控制理论》实验指导书 《自动控制理论》实验指导书 --PAGE5-目 录实验一（实验代码1）典型系统的瞬态响应（和稳定)„„„„„„„„„„„„„ 2实验二（实验代码2）线性系统的频率响应分析„„„„„„„„„„„„„„„„ 7实验三（实验代码3）系统校正„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 12实验四（实验代码4）直流电机闭环调速„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„ 16实验一 典型系统的瞬态响应（和稳定性）一、实验目的和任务1、通过模拟实验，定性和定量地分析二阶系统的两个参数T和ζ对二阶系统动态性能的影响。2、通过模拟实验，定性和定量地分析系统开环增益K对系统稳定性的影响。3、观测系统处于稳定、临界稳定和不稳定情况下的输出响应的差别。二、实验内容1、观察二阶系统的阶跃响应，分析二阶系统的两个参数T和ζ对二阶系统动态性能的影响。2、观察三阶系统的阶跃响应，分析系统开环增益K对系统稳定性的影响。（选做）三、实验仪器、设备及材料TDN-AC/ACS教学实验系统、导线四、实验原理典型的二阶系统稳定性分析1-1所示。图1-11-2所示。（R10KΩ，50KΩ，160KΩ，200KΩ）理论分析

图1-2系统开环传递函数为：实验内容先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中(图1-2)，系统闭环传递函数为：其中自然振荡角频率：；阻尼比： 。典型的三阶系统稳定性分析（选做）1-3所示。所示。

图1-3图1-4理论分析系统的开环传函为:，系统的特征方程为:实验内容实验前由Routh判断得Routh行列式为：为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有得：五、主要技术重点、难点1、用示波器观察系统阶跃响应C(tσ％，峰值时间t和调节时间tp p s2、从系统阶跃响应C(t)波形分析系统稳定性六、实验步骤典型二阶系统瞬态性能指标的测试1-2R=。C(tMttP p S分别按R=50K；160K；200K；改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标M、t和t，及系统的稳定性。并将测量值和计算值(实验前必须按公式计算出)进行比较。将实验结果填P p S入表1-1中。（选做）1-41R=。观察系统的响应曲线，并记录波形。减小开环增益，观察响应曲线，并将实验结果填入表1-2七、 实验报告要求C()C(∞)计测计测计测算量算量算量值值值值值值参数M参数MptptsRK项目ωn阶跃响应曲线KΩl/sl/s100<ζ欠阻尼50ζ=1临界160阻尼ζ>1过阻200尼--PAGE6-R(KΩ)R(KΩ)K输出波形稳定性20（临界稳定RR100表1-2（选做）八、 实验注意事项1、作实验前要预习。2、实验内容较多，作实验时注意抓紧时间。九、 思考题1、在实验线路中如何确保系统实现负反馈？如果反馈回路中有偶数个运算放大器，则构成什么反馈？2、有那些措施能增加系统的稳定度？它们对系统的性能有什么影响？ 《自动控制理论》实验指导书 《自动控制理论》实验指导书 --PAGE17-实验二 线性系统的频率响应分析一、 实验目的和任务掌握波特图的绘制方法及由波特图来确定系统开环传函。掌握实验方法测量系统的波特图。二、 实验内容1、绘制波特图及由波特图来确定系统开环传函。2、实验方法测量系统的波特图三、 实验仪器、设备及材料PC机一台，TD-ACC+系列教学实验系统一套四、 实验原理频率特性当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率(ω由变至∞)而变化的特性。频率响应法的基本思想是：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而是其它形式的周期函数或非周期函数，但统在任意周期信号或非周期信号作用下的运动情况。线性系统的频率特性系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比）（ωjΦ和相位差）（ωjΦ∠随角频率(ω由0变到∞)变化的特性。而幅值比）（ωjΦ和相位差）（ωjΦ∠恰好是函数）（ωjΦ的模和幅角。所以只要把系统的传递函数）（sΦ，令ωjs=，即可得到）（ωjΦ。我们把）（ωjΦ称为系统的频率特性或频率传递函数。当ω由0到∞变化时，）（ωjΦ随频率ω的变化特性成为幅频特性，）（ωjΦ∠随频率ω的变化特性称为相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。频率特性的表达式的一组曲线。这两组曲线连同它们的坐标组成了对数坐标图。对数频率特性图的优点：①它把各串联环节幅值的乘除化为加减运算，简化了开环频率特性的计算与作图。点的性质，这些可使作图大为简化。③通过对数的表达式，可以在一张图上既能绘制出频率特性的中、高频率特性，又能清晰地画出其低频特性。直接测量和间接测量。直接频率特性的测量用来直接测量对象的输出频率特性，适用于时域响应曲线收敛的对象（如：惯性环节）减情况，就可得到对象的频率特性。间接频率特性的测量频率特性。举例说明间接和直接频率特性测量方法的使用。间接频率特性测量方法①对象为积分环节：1/0.1S由于积分环节的开环时域响应曲线不收敛，稳态幅值无法测出，我们采用间接测量方法，将其构成闭环，根据闭环时的反馈及误差的相互关系，得出积分环节的频率特性。②将积分环节构成单位负反馈，模拟电路构成如图2-1所示。③理论依据

图2-1图3.1-1所示的开环频率特性为：采用对数幅频特性和相频特性表示，则上式表示为：其中G(jw环节的波特图。CH1CH22-1中的反馈测量点和误的波特图。直接频率特性测量方法值和相位关系，就可得出环节的频率特性。①实验对象：选择一阶惯性其传函为②结构框图：如图所示③模拟电路图

图2-2图2-3CH1与信号源的幅值和相位关系，直接得出一阶惯性环节的频率特性。五、 实验内容及实验步一、实验内容本次实验利用教学实验系统提供的频率特性测试虚拟仪器进行测试，画出对象波特图。实验对象的结构框图模拟电路图

图2-4图2-5开环传函为： ，闭环传函： ，得转折频率。二、实验步骤此时接至示波器单元的“SL信号由虚拟仪器自动给出。2-5接线，检查无误后方可开启设备电源。将示波器单元的“SIN”接至图2-5中的信号输入端，“CH1”路表笔插至图2-5中的4输出端。打开集成软件中的频率特性测量界面弹出时域窗口点按钮在弹出的窗口中根据确认设置的各项参数后，点击按钮，发送一组参数，待测试完毕，显示时域波形，此时(3)，直到所有参数测量完毕。待所有参数测量完毕后，点按钮，弹出波特图窗口，观察所测得的波特图，该图由若点构成，幅频和相频上同一角频率下两个点对应一组参数下的测量结果。点击极坐标图按，可以得到对象的闭环极坐标图。根据所测图形可适当修改正弦波信号的角频率和幅值重新测量，达到满意的效果。31＃运放的输出端。按直接测量的参数根游标放在反馈和误差信号上。测得对象的开环波特图。测得对象的开环极坐标图。注意：测量过程中可能要适当加入反相器，滤除由运放所导致的相位问题。不合适，会导致测量误差较大。所以要适当地调整误差或反馈比例系数。六、 实验报告要求1、采用直接测量法测得二阶闭环系统的波特图为：2、采用直接测量法测得二阶闭环系统的极坐标图为：3、采用间接测量法测得二阶开环系统的波特图为：4、采用间接测量法测得二阶开环系统的极坐标图为：实验三系统校正一、 实验目的和任务1、学会分析校正装置对系统稳定性和暂态指标的影响。2、学会设计串联校正装置二、 实验内容σ％和调节时间tp s三、 实验仪器、设备及材料TDN-AC/ACS教学实验系统、导线四、 实验原理1、原系统的原理方框图：见图3-1R(s)R(s)+E(s)C(s)-20s(0.5s1)图3-1

%60%

6.32 p由闭环传函

n

4ss22s40 0.158 对应的模拟电路图：见图3-2图3-2

sK20l/sKv%25%2、设计串联校正装置，使系统满足性能指标：

pt 。Kv

s20l/s3．串联校正环节的理论推导由公式，设校正后的系统开环传函为 ，由期望值得：。校正后系统的闭环传函为：取ξ＝0.5，则T＝0.05s，ω

＝20满足ωn

≥10，得校正后开环传函为：n因为原系统开环传函为： ，且采用串联校正，所以串联校正环节的传函为：，加校正环节后的系统结构框图：见图3-3对应的模拟电路图：见图3-4

图3-3五、 主要技术重点、难点

图3-4分析校正装置对系统稳定性和暂态指标的影响。六、 实验步骤1、测量未校正系统的性能指标。3-2σ％和调节时间tp s来。2、测量校正系统的性能指标。3-4σ％和调节时间tp s若未达到，请仔细检查接线（包括阻容值。3、将测出的超调量σ％和调节时间t填入表3-1中，并绘制出相应的响应曲线。p sM（％）M（％）t（s）p响应曲线s校正前校正后表3-1八、 实验注意事项注意超调量σp％和调节时间ts的读取九、 思考题如何测量速度误差？怎样检测静态速度误差系数是否满足希望值？实验四直流电机闭环调速一、 实验目的和任务1、学会综合应用自动控制理论和其它学科的知识分析系统。2、熟悉单片机控制的电机闭环调速的基本原理。3、掌握自动控制的PID算法。二、 实验内容1、按图接线，了解电机闭环调速控制的基本原理。2、学习电机闭环调速控制的编程方法，掌握PID算法。3、分析PID算法中参数对控制结果的影响，记录控制效果最好的参数。三、 实验仪器、设备及材料TDN-AC/ACS教学实验系统、导线四、 实验原理直流电机闭环调速系统原理如图4-1所示，实验接线图如图4-2所示数字给定值 数字控制器

驱动单元电路

速度直流电机驱动单元电路4-14-2上图中，控制机算机“DOUT0”表示386EX的I/O管脚P1.4，输出PWM脉冲经动后控制直流电机表示386EX 内部主片8259的7号中断，用作测速中断。实验中，用系统的数字量输出端口“DOUT0”来模拟产生PMW脉宽调制信号，构成系统的控制量，经驱动电路驱动后控制电机运转。霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。在参数给定情况下，经PID运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。系统定时器定时1ms，作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。直流电机闭环调速控制系统实验的参考程序流程图及参考程序见附录。五、 主要技术重点、难点1、电机闭环调速控制的编程方法。2、PID算法中参数改变对控制结果的影响。六、 实验步骤参照CTangdu/example/ACC6-1-1.ASM，编写实验程序，编译、链接。按图4-2接线，检查无误后开启设备电源，将编译链接好的程序装载到控制机中。打开专用图形界面，运行程序，观察电机转速，分析其响应特性。Iband、比例系数KPP、积分系数数KDD的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0的状态应保持上次的状态。当DOU