自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)(1).doc

目 錄 第一章硬件資源1 第二章 軟件的使用3 第三章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部分5實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)5實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)8實(shí)驗(yàn)三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析11實(shí)驗(yàn)四 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正13第一章 硬件資源實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、AD/DA采集卡、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱、打印機(jī)（可選）組成如圖1，其中計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)分別起信號(hào)產(chǎn)生、測(cè)量、顯示、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的作用，打印機(jī)主要記錄各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，實(shí)驗(yàn)箱主要構(gòu)造被控模擬對(duì)象。顯示器計(jì)算機(jī)打印機(jī)實(shí)驗(yàn)箱電路AD/DA卡圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)箱面板如圖2：圖2實(shí)驗(yàn)箱面板下面主要介紹實(shí)驗(yàn)箱的構(gòu)成：一、 系統(tǒng)電源EL-AT教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用高性能開(kāi)關(guān)電源作為系統(tǒng)的工作電源，其主要技術(shù)性能指標(biāo)為：1 輸入電壓：AC 220V2 輸出電壓/電流：12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A3 輸出功率：22W4 工作環(huán)境：540。二、 AD/DA采集卡AD/DA采集卡如圖3采用ADUC812芯片做為采集芯片，負(fù)責(zé)采樣數(shù)據(jù)及與上位機(jī)的通信，其采樣位數(shù)為12位，采樣率為10KHz。在卡上有一塊32KBit的RAM62256，用來(lái)存儲(chǔ)采集后的數(shù)據(jù)。AD/DA采集卡有兩路輸入（AD1、AD2）、輸出（DA1、DA2），其輸入和輸出電壓均為5V+5V。另外在AD/DA卡上有一個(gè)9針RS232串口插座用來(lái)連接AD/DA卡和計(jì)算機(jī)20針的插座用來(lái)和控制對(duì)象進(jìn)行通訊圖3 AD/DA采集卡三、 實(shí)驗(yàn)箱面板實(shí)驗(yàn)箱面板主要由以下幾部分構(gòu)成：1 實(shí)驗(yàn)?zāi)K本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有七組由放大器、電阻、電容組成的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。每個(gè)模塊中都有一個(gè)由UA741構(gòu)成的放大器和若干個(gè)電阻、電容。這樣通過(guò)對(duì)這七個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的靈活組合便可構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)。2 AD/DA卡輸入輸出模塊該區(qū)域是引出AD/DA卡的輸入輸出端，一共引出兩路輸出端和兩路輸入端，分別是DA1、DA2，AD1、AD2。25針的插座用來(lái)和控制對(duì)象連接。3 電源模塊電源模塊有一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱電源開(kāi)關(guān)，有四個(gè)開(kāi)關(guān)電源提供的DC電源端子，分別是12V、-12V、+5V、GND，這些端子給外擴(kuò)模塊提供電源。 第二章 軟件的使用一、軟件啟動(dòng)與使用說(shuō)明1 軟件啟動(dòng)在Windows桌面上,雙擊“ZK”快捷方式，便可啟動(dòng)軟件如圖4。數(shù)據(jù)測(cè)量采集結(jié)果顯示菜單工具欄實(shí)驗(yàn)課題圖4 軟件啟動(dòng)界面2 實(shí)驗(yàn)前計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通訊設(shè)置和測(cè)試用實(shí)驗(yàn)箱自帶的串口線(xiàn)將實(shí)驗(yàn)箱后面的串口與計(jì)算機(jī)的串口連接，啟動(dòng)ZK“自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)原理”軟件。1）實(shí)驗(yàn)前通訊口的設(shè)置設(shè)置方法：點(diǎn)擊系統(tǒng)設(shè)置串口設(shè)置如圖5，在對(duì)話(huà)框內(nèi)填入與計(jì)算機(jī)相連的串口值。圖5串口設(shè)置對(duì)話(huà)框 2）實(shí)驗(yàn)前通訊口的測(cè)試 測(cè)試方法：接通電源點(diǎn)擊系統(tǒng)設(shè)置通信串口測(cè)試如圖6(a)，點(diǎn)擊通信串口測(cè)試按鈕，控制測(cè)試區(qū)內(nèi)將出現(xiàn)0255個(gè)數(shù)據(jù)，如圖6(b)，如果數(shù)據(jù)沒(méi)有或不全，則說(shuō)明通訊有故障，應(yīng)檢查計(jì)算機(jī)串口與實(shí)驗(yàn)箱的連接。圖6 串口測(cè)試窗口 (a) 圖6 串口測(cè)試窗口 (b) 3 軟件使用說(shuō)明A 實(shí)驗(yàn)課題在實(shí)驗(yàn)課題區(qū)域列出了本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)所能完成的實(shí)驗(yàn)課題，雙擊其中的一個(gè)課題，將彈出參數(shù)設(shè)置窗口。具體參數(shù)設(shè)置請(qǐng)參考實(shí)驗(yàn)說(shuō)明部分。B 采集結(jié)果顯示在該區(qū)域內(nèi)主要是顯示實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)通過(guò)AD后的結(jié)果曲線(xiàn)?？v坐標(biāo)是幅值軸，單位為(V),范圍是：5V+5V, 橫坐標(biāo)是時(shí)間軸，單位為（ms）。C 數(shù)據(jù)測(cè)量數(shù)據(jù)測(cè)量是測(cè)量系統(tǒng)響應(yīng)的測(cè)量工具如圖7，鼠標(biāo)單擊單游標(biāo)或雙游標(biāo)，然后單擊測(cè)量按鈕，即可在顯示區(qū)顯示測(cè)量線(xiàn)，測(cè)量線(xiàn)可以用鼠標(biāo)拖動(dòng)。在拖動(dòng)過(guò)程中屏幕右下方將動(dòng)態(tài)顯示測(cè)量的結(jié)果。圖7數(shù)據(jù)測(cè)量區(qū)域第三章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部分實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握控制模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1 EL-AT自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2 計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來(lái)模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運(yùn)算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來(lái)，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計(jì)算機(jī)等測(cè)量?jī)x器，測(cè)量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線(xiàn)及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路，并測(cè)量其階躍響應(yīng)：1. 比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-1。 G（S）= -R2/R12. 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-2。 G（S）= - K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C3. 積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-3。 G（S）=1/TS T=RC 4. 微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-4。G（S）= - RCS5. 比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-5（未標(biāo)明的C=0.01uf）。 G（S）= -K（TS+1） K=R2/R1，T=R2C 五、實(shí)驗(yàn)步驟 1 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) ZK(自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)) 運(yùn)行軟件。2 測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常 查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3. 連接各個(gè)被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無(wú)誤后接通電源。4. 在實(shí)驗(yàn)課題下拉菜單中選擇實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng) 。5. 單擊實(shí)驗(yàn)課題彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后，鼠標(biāo)單擊確認(rèn)，等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6. 觀(guān)測(cè)計(jì)算機(jī)屏幕顯示出的響應(yīng)曲線(xiàn)及數(shù)據(jù)。7. 記錄波形及數(shù)據(jù)。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 畫(huà)出比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖，并記錄其響應(yīng)曲線(xiàn)。2. 由階躍響應(yīng)曲線(xiàn)計(jì)算出慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計(jì)算的結(jié)果相比較。七、預(yù)習(xí)要求1、閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分，掌握時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。2、分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比z和無(wú)阻尼自然頻率wn對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。定量分析 z 和wn與最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時(shí)間tS之間的關(guān)系。3 學(xué)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線(xiàn)確定傳遞函數(shù)。 二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 w2n j（S）= （1） s22zwnsw2n其中 z 和wn對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)有決定的影響。構(gòu)成圖2-1典型二階系統(tǒng)的模擬電路，并測(cè)量其階躍響應(yīng)：圖2-1 二階系統(tǒng)模擬電路圖電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2：圖2-2 二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （2） 式中 T=RC，K=R2/R1。比較（1）、（2）二式，可得 wn=1/T=1/RC z=K/2=R2/2R1 （3） 由（3）式可知，改變比值R2/R1，可以改變二階系統(tǒng)的阻尼比。改變RC值可以改變無(wú)阻尼自然頻率wn。今取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得實(shí)驗(yàn)所需的阻尼比。電阻R取100KW，電容C分別取1mf和0.1mf,可得兩個(gè)無(wú)阻尼自然頻率wn。四、實(shí)驗(yàn)步驟1 取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分別取z=0、0.25、0.5、0.75、1、2，即取R1=100KW，R2分別等于0、50KW、100KW、150KW、200KW、400KW。輸入單位階躍信號(hào)，測(cè)量不同的z 時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時(shí)間Ts的數(shù)值和響應(yīng)動(dòng)態(tài)曲線(xiàn)，并與理論值比較。2 取z=0.5。即電阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改變電路中的電容C=0.1mf(注意：二個(gè)電容值同時(shí)改變)。輸入單位階躍信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時(shí)間Tn。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 畫(huà)出二階系統(tǒng)的模擬電路圖，討論典型二階系統(tǒng)性能指標(biāo)與，n的關(guān)系。2. 把不同z和wn條件下測(cè)量的Mp和ts值列表，根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。3. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)步驟3畫(huà)出系統(tǒng)響應(yīng)曲線(xiàn)，再由ts和Mp計(jì)算出傳遞函數(shù)，并與由模擬電路計(jì)算的傳遞函數(shù)相比較。七、預(yù)習(xí)要求1了解模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理，掌握時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。 2按實(shí)驗(yàn)中二階系統(tǒng)的給定參數(shù)，計(jì)算出不同、n下的性能指標(biāo)的理論值。實(shí)驗(yàn)三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1觀(guān)察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2研究系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 系統(tǒng)模擬電路圖如圖3-1 圖3-1 系統(tǒng)模擬電路圖其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為: G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K1=R3/R2，R2=100KW，R3=0500K；T=RC，R=100KW，C=C1=1mf或C=1mf C1=0.1mf兩種情況。四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.取C=C1=1mf，改變電位器阻值，使R3從0500 KW方向變化，此時(shí)相應(yīng)的K=10K1。觀(guān)察不同R3值時(shí)顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形(既U2的波形)，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩時(shí)相應(yīng)的R3及K值。觀(guān)察R3取臨界值左右時(shí)的響應(yīng)曲線(xiàn)，并記錄其波形。2.在步驟1條件下，使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，即工作在等幅振蕩情況。改變電路中的電容C1 ，由1mf變成0.1mf，觀(guān)察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1畫(huà)出步驟1的模擬電路圖。 2畫(huà)出系統(tǒng)增幅或減幅振蕩的波形圖。 3計(jì)算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與步驟1中測(cè)得的臨界放大系數(shù)相比較。六、預(yù)習(xí)要求1 分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路，掌握其工作原理。2 理論計(jì)算系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩、增幅振蕩、減幅振蕩的條件。 實(shí)驗(yàn)四 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 加深理解串聯(lián)校正裝置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的校正作用。2. 對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，并通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1串聯(lián)超前校正（1）系統(tǒng)模擬電路圖如圖4-1，圖中開(kāi)關(guān)S斷開(kāi)對(duì)應(yīng)未校情況，接通對(duì)應(yīng)超前校正。圖4-1 超前校正電路圖 （2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-2圖4-2 超前校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1（s）=2 2（0.055s+1） Gc2（s）= 0.005s+1 2串聯(lián)滯后校正（1） 模擬電路圖如圖4-3，開(kāi)關(guān)s斷開(kāi)對(duì)應(yīng)未校狀態(tài)，接通對(duì)應(yīng)滯后校正。圖4-3 滯后校正模擬電路圖（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖4-4 圖4-4 滯后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1(s）=10 10（s+1） Gc2（s）= 11s+1 3串聯(lián)超前滯后校正（1） 模擬電路圖如圖4-5，雙刀開(kāi)關(guān)斷開(kāi)對(duì)應(yīng)未校狀態(tài)，接通對(duì)應(yīng)超前滯后校正。 圖4-5 超前滯后校正模擬電路圖（2） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖4-6。圖4-6超前滯后校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1（s）=6 6（1.2s+1）（0.15s+1） Gc2（s）= （6s+1）（0.05s+1）四、實(shí)驗(yàn)步驟超前校正：1 連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖4-1)，開(kāi)關(guān)s放在斷開(kāi)位置。系統(tǒng)加入階躍信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。2 開(kāi)關(guān)s接通，重復(fù)步驟1，并將兩次所測(cè)的波形進(jìn)行比較。滯后校正：3 連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖4-3)，開(kāi)關(guān)s放在斷開(kāi)位置。系統(tǒng)加入階躍信號(hào)。測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。4開(kāi)關(guān)s接通，重復(fù)步驟1，并將兩次所測(cè)的波形進(jìn)