自動控制理論實驗指導(dǎo)書電子

1、 自動控制實驗指導(dǎo)書 38.前言 自動控制原理是自動化、自動控制、電子電氣技術(shù)等專業(yè)教學(xué)中的一門重要專業(yè)基礎(chǔ)課程。它可以處理時變、非線性以及多輸入、多輸出等復(fù)雜的控制系統(tǒng)等問題。本套EL-AT-III型自動控制實驗系統(tǒng)克服了以前做自動控制理論實驗時，連線復(fù)雜，連接不穩(wěn)定的缺點，通過對單元電路的靈活組合，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)?？梢允箤W(xué)生把主要精力集中在系統(tǒng)電路和系統(tǒng)特性的研究上。本系統(tǒng)采用DA/AD卡通過USB口和計算機(jī)連接實現(xiàn)信號源信號的輸出和系統(tǒng)響應(yīng)信號的采集，采集后的信號通過計算機(jī)顯示屏顯示，省去了外接信號源和示波器測量相應(yīng)信號的麻煩。EL-AT-III型自動控制實驗

2、系統(tǒng)支持自動控制理論課的所有實驗，通過這套儀器可使學(xué)生進(jìn)一步了解和掌握自動控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的分析方法和設(shè)計方法，學(xué)習(xí)和掌握系統(tǒng)模擬電路的構(gòu)成和測試技術(shù)，提高應(yīng)用計算機(jī)的能力和水平。本書分為三章，第一章為EL-AT-III型實驗箱硬件資源，主要介紹實驗箱的硬件組成和系統(tǒng)單元電路。第二章為系統(tǒng)集成操作軟件，主要介紹系統(tǒng)軟件的安裝，操作以及計算機(jī)和實驗箱的通訊設(shè)置。第三章為實驗系統(tǒng)部分，主要介紹各個實驗的電路組成，誓言原理和實驗步驟。另外，在附錄部分由部分實驗的說明和參考結(jié)果。目 錄第一章 硬件資源. .2第二章 軟件安裝及使用.5第三章 實驗系統(tǒng)部分. .11 實驗一 基本典型環(huán)節(jié)運(yùn)動

3、規(guī)律的模擬實驗 .12 實驗二 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性的模擬實驗.17 實驗三 控制系統(tǒng)高階網(wǎng)絡(luò)的研究.21 實驗四 控制系統(tǒng)的頻率特性模擬實驗.24 實驗五 控制系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)及校正裝置的模擬實驗.30 實驗六 狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測器.35 第一章 硬件資源EL-AT-III型實驗系統(tǒng)主要由計算機(jī)、AD/DA采集卡、自動控制原理實驗箱、打印機(jī)（可選）組成如圖1，其中計算機(jī)根據(jù)不同的實驗分別起信號產(chǎn)生、測量、顯示、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的作用，打印機(jī)主要記錄各種實驗數(shù)據(jù)和結(jié)果，實驗箱主要構(gòu)造被控模擬對象。顯示器計算機(jī)打印機(jī)實驗箱電路AD/DA卡圖1 實驗系統(tǒng)構(gòu)成實驗箱面板如圖2：圖2 實驗箱面板下面主要介紹

4、實驗箱的構(gòu)成：一、 系統(tǒng)電源EL-AT-III系統(tǒng)采用本公司生產(chǎn)的高性能開關(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EZUSB2131芯片做為主控芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和USB通信，用EPM7128作為SPI總線轉(zhuǎn)換，AD為TL1570I其采樣位數(shù)為10位，采樣率為1KHz。DA為MAX5159轉(zhuǎn)換位數(shù)為10位，轉(zhuǎn)換速率為1K。 AD/DA采集卡有兩路輸出（DA1、DA2）和兩路輸入（AD1、AD2），其輸

5、入和輸出電壓均為5V+5V。圖3 AD/DA采集卡三、 實驗箱面板實驗箱面板布局如圖4AD/DA卡輸入輸出模塊實驗?zāi)K1實驗?zāi)K2電源模塊模擬開關(guān)二極管區(qū)EL-CAT-II實驗?zāi)K3電阻、電容、二極管區(qū)實驗?zāi)K4變阻箱、變?nèi)菹淠K實驗?zāi)K5實驗?zāi)K8實驗?zāi)K6實驗?zāi)K7圖4 實驗箱面板布局實驗箱面板主要由以下幾部分構(gòu)成：1 實驗?zāi)K本實驗系統(tǒng)有八組由放大器、電阻、電容組成的實驗?zāi)K。每個模塊中都有一個由UA741構(gòu)成的放大器和若干個電阻、電容。這樣通過對這八個實驗?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 二極管，電阻、電容、二極管區(qū)這些區(qū)域主要提供實驗所需的二極管、電阻和

6、電容。3 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。有一個按鈕復(fù)位，按下一次對AD/DA卡進(jìn)行一次復(fù)位。20針的插座用來和控制對象連接。4 電源模塊電源模塊有一個實驗箱電源開關(guān)，有四個開關(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。5 變阻箱、變?nèi)菹淠K變阻箱、變?nèi)菹涫潜緦嶒炏到y(tǒng)的一個突出特點，只要按動數(shù)字旁邊的“”、“”按鈕便可調(diào)節(jié)電阻電容的值，而且電阻電容值可以直接讀出。第二章 軟件安裝及使用一、軟件安裝軟件安裝(分兩大部分)一、安裝應(yīng)用軟件1按照軟件提

7、示，一步一步完成安裝 圖1進(jìn)入安裝界面 圖2選擇安裝路徑 圖3單擊Install 圖4安裝完畢界面2完成應(yīng)用軟件的安裝; 應(yīng)用軟件會自動出現(xiàn)在“開始>程序”列表中。二、USB驅(qū)動安裝(操作系統(tǒng)不同安裝步驟有差別)Windows 2000 操作系統(tǒng)下：1通過USB硬件接口,連接實驗箱與計算機(jī)，計算機(jī)將自動顯示圖5 圖5 進(jìn)入安裝界面 圖6 選擇單選按鈕后，單擊下一步2圖6的驅(qū)動安裝文件在第一步安裝的應(yīng)用程序文件中，所以應(yīng)選擇第一步安裝應(yīng)用程序的路徑和文件名,然后單擊"確定",系統(tǒng)將會自動查找驅(qū)動安裝文件。 圖7 選擇如圖的復(fù)選按鈕后，單擊下一步 圖8選擇驅(qū)動安裝文件路徑

8、 圖9 單擊下一步 圖10安裝完成界面Windows XP 操作系統(tǒng)下：1 通過USB硬件接口,連接實驗箱與計算機(jī)，計算機(jī)將自動顯示圖12圖2的驅(qū)動安裝文件在第一步安裝的應(yīng)用程序文件中，所以應(yīng)選擇第一步安裝應(yīng)用程序的路徑和文件名,然后單擊"確定",系統(tǒng)將會自動搜索驅(qū)動安裝文件。圖11 選擇如圖的單選按鈕后，單擊下一步 圖12選擇驅(qū)動安裝文件路徑圖13單擊“仍然繼續(xù)” 圖14安裝完成界面應(yīng)用軟件和USB驅(qū)動都安裝完成后,可以運(yùn)行實驗系統(tǒng).Windows 98 操作系統(tǒng)下：1通過USB硬件接口,連接實驗箱與計算機(jī)，計算機(jī)將自動顯示圖1圖1 進(jìn)入安裝界面 圖2 選擇如圖的單選按鈕

9、后，單擊下一步2. 圖3的驅(qū)動安裝文件在第一步安裝的應(yīng)用程序文件中，所以應(yīng)選擇第一步安裝應(yīng)用程序的路徑和文件名,然后單擊"下一步",系統(tǒng)將會自動搜索驅(qū)動安裝文件。 圖3 選擇驅(qū)動安裝文件路徑 圖4 單擊下一步 圖5 安裝完成界面二、軟件啟動與使用說明1軟件啟動在Windows桌面上或“開始程序”中雙擊“快捷方式 到 Cybernation_A.exe”快捷方式，便可啟動軟件如圖152實驗前計算機(jī)與實驗箱的連接用實驗箱自帶的USB線將實驗箱后面的USB口與計算機(jī)的USB口連接，啟動“Cybernation_A”軟件。3 軟件使用說明本套軟件界面共分為三個組畫面A. 軟件說明和

10、實驗指導(dǎo)書畫面（如圖15）B. 數(shù)據(jù)采集顯示畫面（如圖16）圖15圖16下面介紹軟件具體操作和功能：一：工具欄按鈕：1.點擊或按F1可以選擇實驗項目作為當(dāng)前實驗項目，系統(tǒng)在指導(dǎo)書窗口顯示相應(yīng)的實驗指導(dǎo)書，在實驗進(jìn)行過程中處于禁止?fàn)顟B(tài)。2.點擊或按F2切換回"指導(dǎo)書"窗口。3.點擊或按F3切換到"示波器"窗口。4.點擊或按F4切換到"頻率特性"窗口。5.點擊或按F5開始放棄當(dāng)前實驗項目，在沒有選擇任何實驗項目的時候為禁止?fàn)顟B(tài)。6.點擊或按F6彈出"關(guān)于"對話框，顯示程序信息、版本號和版權(quán)信息。二：示波器操作：1.測量

11、 在"示波器"窗口單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇"測量"打開測量游標(biāo)（重復(fù)前述步驟隱藏測量游標(biāo)），拖動任一游標(biāo)到感興趣的位置，圖表區(qū)下方會顯示當(dāng)前游標(biāo)的位置和與同類的另一游標(biāo)之間距離的絕對值。如果想精確定位游標(biāo)只需用鼠標(biāo)左鍵單擊相應(yīng)的游標(biāo)位置欄并在編輯框中輸入合法值回車即可。2.快照在"示波器"窗口單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中選擇"快照"將當(dāng)前圖像復(fù)制到剪貼板，以便粘貼到畫圖或其他圖像編輯軟件中編輯和保存。3.打印目前尚不支持。4.線型 在"示波器"窗口單擊鼠標(biāo)右鍵，在彈出菜單中可點擊"

12、直線"、"折線"或"點線"來選擇數(shù)據(jù)點和數(shù)據(jù)點之間的連接方式，體會各種連接方式的差異。5.配色 用鼠標(biāo)左鍵雙擊圖表區(qū)除曲線之外的元素會彈出標(biāo)準(zhǔn)顏色對話框，用戶可以更改相應(yīng)元素的顏色（比如將網(wǎng)格顏色改成與背景相同顏色）。6.縮放 用鼠標(biāo)左鍵單擊圖表區(qū)刻度區(qū)的邊界刻度并在編輯框中輸入和法值回車即可改變當(dāng)前顯示范圍。第三章 實驗系統(tǒng)部分本套實驗系統(tǒng)一共提供了12個實驗：典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)頻率特性測量、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正、數(shù)字PID控制、狀態(tài)反饋及狀態(tài)觀測器實驗、解耦控制實驗、采樣系統(tǒng)實驗、非線性實驗、相軌

13、跡觀測實驗和數(shù)據(jù)采集實驗 。除了我們公司配套的這12個實驗外，各高?？勺约红`活地組合各種形式的實驗系統(tǒng)，以滿足教學(xué)的要求。實驗一 基本典型環(huán)節(jié)運(yùn)動規(guī)律的模擬實驗一、實驗?zāi)康?. 掌握控制模擬實驗的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系統(tǒng)時域性能指標(biāo)的測量方法。二、實驗儀器1 EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 計算機(jī)一臺三、實驗原理1模擬實驗的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實驗采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(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，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計算機(jī)等測量儀器

14、，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2 時域性能指標(biāo)的測量方法：超調(diào)量Ó %：1) 啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。2) 檢查USB線是否連接好，在實驗項目下拉框中選中任實驗，點擊按鈕，出 現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框設(shè)置好參數(shù)按確定按鈕，此時如無警告對話框出現(xiàn)表示通信正常，如出現(xiàn)警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。3) 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1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。檢查無誤后接通電源。4) 在實

15、驗項目的下拉列表中選擇實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng) 。5) 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果。6) 用軟件上的游標(biāo)測量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，代入下式算出超調(diào)量： TP與TS：利用軟件的游標(biāo)測量水平方向上從零到達(dá)最大值與從零到達(dá)95%穩(wěn)態(tài)值所需的時間值，便可得到TP與TS。 四、實驗內(nèi)容構(gòu)成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應(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

16、=RC3. 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=RC 6.比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-6。 G（S）=K（1+1/TS） K=R2/R1，T=RC五、實驗步驟 1.啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。2.測試計算機(jī)與實驗箱的通信是否正常,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)行實驗。比例環(huán)節(jié)3.連接被測量典型環(huán)

17、節(jié)的模擬電路(圖1-1)。電路的輸入U1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。檢查無誤后接通電源。4.在實驗項目的下拉列表中選擇實驗一一、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng) 。5.鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果6.觀測計算機(jī)屏幕顯示出的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。7.記錄波形及數(shù)據(jù)（由實驗報告確定）。慣性環(huán)節(jié)8.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-2)。電路的輸入U1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。檢查無誤后接通電源。9.實驗步驟同47積分環(huán)節(jié)1

18、0.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-3)。電路的輸入U1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，將積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。11.實驗步驟同47微分環(huán)節(jié)12.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-4)。電路的輸入U1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。檢查無誤后接通電源。13.實驗步驟同47比例+積分環(huán)節(jié)14.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-6)。電路的輸入U1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，將積分電容連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。15

19、.實驗步驟同4716. 測量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并記入上表。六、實驗報告1. 由階躍響應(yīng)曲線計算出慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計算的結(jié)果相比較。2. 將實驗中測得的曲線、數(shù)據(jù)及理論計算值，整理列表。七、預(yù)習(xí)要求1閱讀實驗原理部分，掌握時域性能指標(biāo)的測量方法。2分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。參數(shù)階躍響應(yīng)曲線TS（秒）理論值實測值R1=R2=100KC=1ufK=1 T=0.1S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)比例+積分環(huán)節(jié)R1=100KR2=200KC=1ufK=2 T=1S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)比例+積分環(huán)節(jié)實驗數(shù)據(jù)測試表(學(xué)生填寫)實

20、驗二 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性的模擬實驗一、實驗?zāi)康?1研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比z和無阻尼自然頻率wn對系統(tǒng)動態(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)時間tS之間的關(guān)系。 2進(jìn)一步學(xué)習(xí)實驗系統(tǒng)的使用方法 3學(xué)會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。二、實驗儀器1EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2計算機(jī)一臺三、實驗原理1模擬實驗的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實驗采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(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，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計算機(jī)等測量儀器，測量

21、系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2. 域性能指標(biāo)的測量方法：超調(diào)量Ó%：1）啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。2) 檢查USB線是否連接好，在實驗項目下拉框中選中實驗，點擊按鈕，出 現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框設(shè)置好參數(shù)，按確定按鈕，此時如無警告對話框出現(xiàn)表示通信正常，如出現(xiàn)警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。3) 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1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，將兩個積分電容連在模擬開關(guān)上。檢查無誤

22、后接通電源。4) 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng) 。5) 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果6) 利用軟件上的游標(biāo)測量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，代入下式算出超調(diào)量： YMAX - Y Ó%=×100% Y TP與TP：利用軟件的游標(biāo)測量水平方向上從零到達(dá)最大值與從零到達(dá)95%穩(wěn)態(tài)值所需的時間值，便可得到TP與TP。 四、實驗內(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對系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)有決定的影響。構(gòu)成圖2-1典型二

23、階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應(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值可以改變無阻尼自然頻率wn。今取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得實驗所需的阻尼比。電阻R取100KW，電容C分別取1mf和0.1mf,可得兩個無阻尼自然頻率wn。五、實驗步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸

24、出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將兩個積分電容得兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。3.測查USB線是否連接好，在實驗項目下拉框中選中任實驗，點擊按鈕，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框設(shè)置好參數(shù)按確定按鈕，此時如無警告對話框出現(xiàn)表示通信正常，如出現(xiàn)警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。4.在實驗項目的下拉列表中選擇實驗二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng), 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果5.取wn=10rad/s, 即令R=100KW

25、，C=1mf；分別取z=0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分別等于100KW、200KW、400KW。輸入階躍信號，測量不同的z時系統(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)時間Ts的數(shù)值和響應(yīng)動態(tài)曲線，并與理論值比較。6.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：二個電容值同時改變)。輸入階躍信號測量系統(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)時間Tn。7.取R=100KW；改變電路中的電容C=1mf,R1=100KW,調(diào)節(jié)電阻R2=50KW。輸入階躍信號測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，記

26、錄響應(yīng)曲線，特別要記錄Tp和sp的數(shù)值。8.測量二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)并記入表中： 實驗結(jié)果參數(shù)%tp（ms）ts（ms）階躍響應(yīng)曲線R =100KC =1fn=10rad/sR1=100KR2=0K=0R1=100KR2=50K=0.25R1=100KR2=100K=0.5R1=50KR2=200K=1R1=100KC1=C2=0.1fn=100rad/sR1= 100KR2=100K=0.5R1=50KR2=200K=1六、實驗報告1.畫出二階系統(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條件下測量的Mp和ts值列表，根據(jù)測量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。3.畫出系統(tǒng)響應(yīng)曲線，

27、再由ts和Mp計算出傳遞函數(shù)，并與由模擬電路計算的傳遞函數(shù)相比較。七、預(yù)習(xí)要求1. 閱讀實驗原理部分，掌握時域性能指標(biāo)的測量方法。2. 按實驗中二階系統(tǒng)的給定參數(shù)，計算出不同、n下的性能指標(biāo)的理論值。實驗三 控制系統(tǒng)的高階網(wǎng)絡(luò)的研究 一、實驗?zāi)康?1觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。二、實驗儀器1EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2計算機(jī)一臺三、實驗內(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

28、，C=1mf或C=0.1mf兩種情況。四、實驗步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1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，將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。3.檢查USB線是否連接好，在實驗項目下拉框中選中任實驗，點擊按鈕，出 現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框設(shè)置好參數(shù)按確定按鈕，此時如無警告對話框出現(xiàn)表示通信正常，如出現(xiàn)警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。4.在實驗項目的下拉列表中選擇實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框

29、。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置目的電壓U1=1000mV鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果。 5.取R3的值為50KW，100KW，200KW，此時相應(yīng)的K=10，K1=5，10，20。觀察不同R3值時顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形(既U2的波形)，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時相應(yīng)的R3及K值。再把電阻R3由大至小變化，即R3=200kW，100kW，50kW，觀察不同R3值時顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形, 找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩變化的R3及K值，并觀察U2的輸出波形。6.在步驟5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C由1mf變成0.1mf，重復(fù)實驗步驟4觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。7.

30、將實驗結(jié)果添入下表中：參數(shù)系統(tǒng)響應(yīng)曲線C=1ufR3=50KK=5R3=100KK=10R3=200KK=20C=0.1ufR3=50KK=5R3=100KK=10R3=200KK=20五、實驗報告 1畫出步驟5的模擬電路圖。 2畫出系統(tǒng)增幅或減幅振蕩的波形圖。 3計算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與步驟5中測得的臨界放大系數(shù)相比較。六、預(yù)習(xí)要求1 分析實驗系統(tǒng)電路，掌握其工作原理。2 理論計算系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩、增幅振蕩、減幅振蕩的條件。 實驗四 控制系統(tǒng)的頻率特性模擬實驗 一、實驗?zāi)康?1加深了解系統(tǒng)及元件頻率特性的物理概念。 2掌握系統(tǒng)及元件頻率特性的測量方法。 3掌握利用“李沙育圖形法”測量系統(tǒng)

31、頻率特性的方法。二、實驗儀器1.EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2.計算機(jī)一臺三、實驗原理頻率特性的測量方法： 被測系統(tǒng) DA1AD/DA卡 AD1 AD/DA卡 1. 將正弦信號發(fā)生器、被測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡按圖4-1連接起來。圖4-1 頻率特性測量電路2. 通過AD/DA卡產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦信號，并輸入到被測系統(tǒng)中。3. AD/DA卡采集被測系統(tǒng)的輸出信號，并顯示在計算機(jī)屏幕上。通過比較輸入信號和輸出信號的不同，可以得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。四、實驗內(nèi)容1.模擬電路圖及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖4-2和圖4-3。圖4-2 系統(tǒng)模擬電路圖圖 4-3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2系統(tǒng)傳遞函數(shù) 取R3=50

32、0kW，則系統(tǒng)傳遞函數(shù)為 U2（S） 500 G（S）= = U1（S） S2+10S+500 若輸入信號U1（t）=U1sinwt,則在穩(wěn)態(tài)時，其輸出信號為U2（t）=U2sin（wt+Y）改變輸入信號角頻率w值，便可測得二組U2/U1和Y隨w變化的數(shù)值，這個變化規(guī)律就是系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。五、實驗步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1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，將將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。測試計算機(jī)與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。

33、如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。 李沙育圖3在實驗項目的下拉列表中選擇實驗四四、系統(tǒng)頻率特性測量, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)并選擇李沙育圖，然后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果，如圖44所示。測頻率圖4在實驗項目的下拉列表中選擇實驗四四、系統(tǒng)頻率特性測量, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)并選擇時間電壓圖，然后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果，如圖45所示。測波特圖5. 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗四四、系統(tǒng)頻率特性測量, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置

34、對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)并選自動選項，然后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果。如圖46所示圖4-4 李沙育圖圖45 手動方式測量波特圖圖46 數(shù)據(jù)采集6. 待數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后點擊按鈕即可以在顯示區(qū)內(nèi)顯示出所測量的波特圖。測奈氏圖7.在完成步驟6后，在顯示區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，即出現(xiàn)奈氏圖。8.按下表所列頻率，測量各點頻率特性的實測值并計算相應(yīng)的理論值。F（Hz）（rad/s）理論值實測值L（）（）2Xm2yo2ymL（）（）李沙育圖形六、實驗報告1. 畫出被測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模擬電路圖。2. 畫出被測系統(tǒng)的開環(huán)L （）曲線與（）曲線。3. 整理表中的實驗數(shù)據(jù)，并算出理論值和實測值

35、。4. 討論李沙育圖形法測量頻率特性的精度。七、預(yù)習(xí)要求1. 閱讀實驗原理部分，掌握李沙育圖形法的基本原理及頻率特性的測量方法。2. 畫出被測系統(tǒng)的開環(huán) L （）曲線與（）曲線。3. 按表中給出格式選擇幾個頻率點，算出各點頻率特性的理論值。八：測量數(shù)據(jù)的說明實驗時信號源的頻率信號源的角頻率輸出幅值隨 變化的函數(shù)。輸出相位隨 變化的函數(shù)信號源峰谷值之差輸出信號的峰谷值之差當(dāng)信號源輸出為零時對應(yīng)輸出信號的正負(fù)幅值之差。其中 可以通過測量時間來得到， 在實驗中是時間量，通過計算可以轉(zhuǎn)化為 。李沙育圖信號源輸出信號對應(yīng)李沙育圖的時間電壓圖理論計算公式如下： 實驗五 控制系統(tǒng)動態(tài)品質(zhì)及校正裝置的模擬實驗

36、一、實驗?zāi)康?. 加深理解串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能的校正作用。2. 對給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計，并通過模擬實驗檢驗設(shè)計的正確性。二、實驗儀器1EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2計算機(jī)一臺三、實驗內(nèi)容 1串聯(lián)超前校正（1）系統(tǒng)模擬電路圖如圖5-1，圖中開關(guān)S斷開對應(yīng)未校情況，接通對應(yīng)超前校正。圖5-1 超前校正電路圖 （2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-2圖5-2 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5-3，開關(guān)s斷開對應(yīng)未校狀態(tài)，接通對應(yīng)滯后校正。圖5-3 滯后校正模擬電路圖（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如

37、圖5-4 圖5-4 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5-5，雙刀開關(guān)斷開對應(yīng)未校狀態(tài)，接通對應(yīng)超前滯后校正。 圖5-5 超前滯后校正模擬電路圖（2） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖5-6。圖5-6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、實驗步驟1.啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。2.測試計算機(jī)與實驗箱的通信是否正常,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)行實驗。超前校正：3.連接被

38、測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-1)。電路的輸入U1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，將將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。4.開關(guān)s放在斷開位置。-5.在實驗項目的下拉列表中選擇實驗五五、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正。鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。6.開關(guān)s接通，重復(fù)步驟5,將兩次所測的波形進(jìn)行比較。并將測量結(jié)果記入下表中： 超前校正系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）滯后校正：7.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬

39、電路(圖5-3)。電路的輸入U1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，將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。8.開關(guān)s放在斷開位置。9.在實驗項目的下拉列表中選擇實驗五五、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正。鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框，在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。10.開關(guān)s接通，重復(fù)步驟9,將兩次所測的波形進(jìn)行比較。并將測量結(jié)果記入下表中： 滯后校正系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）超前-滯后校正11.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-5

40、)。電路的輸入U1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，將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。12.開關(guān)s放在斷開位置。13.在實驗項目的下拉列表中選擇實驗五五、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正。鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框，在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。14.開關(guān)s接通，重復(fù)步驟13,將兩次所測的波形進(jìn)行比較。并將測量結(jié)果記入下表中：超前-滯后系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）五、實驗報告1計算串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù) Gc（s）和校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。2畫出校正后系統(tǒng)的對數(shù)坐標(biāo)圖，并求出校正后