自動控制原理實(shí)驗指導(dǎo)書

1、 0目目 錄錄實(shí)驗裝置簡介（3-4）實(shí)驗一 控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬（5-6）實(shí)驗二 一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)及參數(shù)測定（6-7）實(shí)驗三 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析（8-9）實(shí)驗四 頻率特性的測試 （9-13）實(shí)驗五 PID 控制器的動態(tài)特性（13-15）實(shí)驗六 典型非線性環(huán)節(jié)（15-18）實(shí)驗七 控制系統(tǒng)的動態(tài)校正（設(shè)計性實(shí)驗）（19）備注：本實(shí)驗指導(dǎo)書適用于自動化、電子、機(jī)設(shè)等專業(yè)，各專業(yè)可以根據(jù)實(shí)驗大綱選做實(shí)驗。 1THZK-1 型控制理論電子模擬實(shí)驗箱型控制理論電子模擬實(shí)驗箱自動控制技術(shù)廣泛應(yīng)用于工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)、交通運(yùn)輸和國防建設(shè)，因此一個國家自動控制的水平是衡量該國家的生產(chǎn)技術(shù)與科學(xué)水平先進(jìn)與否的一

2、項重要標(biāo)志。本模擬實(shí)驗裝置能完成高校自動控制原理課程的主要實(shí)驗內(nèi)容。它可以模擬控制工程中的各種典型環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)，并對控制系統(tǒng)進(jìn)行仿真研究，使學(xué)生通過實(shí)驗對自動控制理論有更深一步地理解，并提高分析與綜合系統(tǒng)的能力。本模擬實(shí)驗箱可分為信號源與頻率計，電源和典型環(huán)節(jié)實(shí)驗三大部分:一、 信號源與頻率計1 信號源部分 信號源部分包括階躍信號發(fā)生器，函數(shù)信號發(fā)生器，掃頻電源。 (1) 階躍信號發(fā)生器 當(dāng)按下按鈕時，輸出一負(fù)的階躍信號，其幅值約 (0.9V -2.45V)之間可調(diào)。(2) 函數(shù)信號發(fā)生器函數(shù)信號發(fā)生器主要是為本實(shí)驗裝置中所需的超低頻信號而專門設(shè)計的能輸出三種函數(shù)信號，每一種函數(shù)信號有三個頻

3、段可供選擇，三種信號分別為正弦波信號，三角波信號和方波信號。正弦波信號: 正弦波信號電壓的有效值在(07.5V)可調(diào)，頻率在(0.25Hz1.55KHz)可調(diào)，其中低頻段(0.25Hz14Hz)，中頻段(2.7Hz155Hz)可調(diào)，高頻段(26Hz1.55KHz)可調(diào)。三角波信號: 三角波信號輸出電壓的有效值在(03v)可調(diào)，頻率調(diào)節(jié)范圍與正弦波信號相一致。方波信號: 方波信號輸出電壓的有效值在(06.6v)可調(diào)，頻率調(diào)節(jié)范 2圍與正弦波信號相一致。 (3) 掃頻電源 掃描電源采用可編程邏輯器件 ispLSI1032E 和單片機(jī) AT89C51 設(shè)計而成，它的輸出為一頻率可調(diào)的正弦波信號，能在

4、 50Hz-80KHz 的全程范圍內(nèi)進(jìn)行掃頻輸出。該掃頻電源提供了 11 檔掃速，也可用手動點(diǎn)頻輸出，此外還有頻標(biāo)指示。2 頻率計該系統(tǒng)在作頻率特性測試實(shí)驗時，需要用到超低頻信號，若用示波器去讀，顯然很不方便。為了能直觀地讀出超低頻信號的頻率，我們采用了一個頻率計。它采用單片機(jī)編程，能精確、直觀地顯示小數(shù)點(diǎn)后兩位。二、 電源電源部分包括直流穩(wěn)壓電源，直流數(shù)字電壓表，交流數(shù)字電壓表。 (1) 直流穩(wěn)壓電源能輸出5v ，15v 的直流電壓。 (2) 直流數(shù)字電壓表有三個檔位。分別為 2v 檔，20v 檔，200v 檔。能完成對直流電壓的準(zhǔn)確測量，測量誤差不超過 1%。(3)交流數(shù)字電壓表也有三個檔

5、位，分別為 200mv 檔，2v 檔，20v 檔，能完成對交流電壓的準(zhǔn)確測量，測量誤差不超過 1%。三、 典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的模擬實(shí)驗典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)模擬實(shí)驗部分包括了自動控制系統(tǒng)中所有的部件，即包括加法器，慣性環(huán)節(jié)，積分環(huán)節(jié)，有源滯后-超前校正環(huán)節(jié)，非線性環(huán)節(jié)等。學(xué)生根據(jù)需要，可任意組成各種典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)的模擬。 3實(shí)驗一實(shí)驗一 控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬一、 實(shí)驗?zāi)康?、熟悉超低頻掃描示波器的使用方法；2、掌握用運(yùn)放組成控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的電子模擬電路；3、測量典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線；4、通過本實(shí)驗了解典型環(huán)節(jié)中參數(shù)的變化對輸出動態(tài)性能的影響。二、 實(shí)驗設(shè)備1、控制理論電子模擬實(shí)

6、驗箱一臺；2、超低頻慢掃描示波器一臺；3、萬用表一只。三、 實(shí)驗原理以運(yùn)算放大器為核心元件，由其不同的輸入 R-C 網(wǎng)絡(luò)和反饋 R-C 網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成控制系統(tǒng)的各種典型環(huán)節(jié)。四、 實(shí)驗內(nèi)容1、畫出比例、慣性、積分、微分的電子模擬電路圖。2、觀察并記錄下列典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)波形。 1) G1(S)=1，取 Ri =100K，Rf =100K；2) G1(S)=1/0.1S，取 Ri =100K，Cf =1uF；3) G1(S)=1/(0.1S+1)，取 Rf =100K，Rf =100K，Cf =1uF。五、 實(shí)驗報告要求1、畫出四種典型環(huán)節(jié)的實(shí)驗電路圖，并注明參數(shù)。2、測量并記錄各種典型環(huán)節(jié)的單位階

7、躍響應(yīng)，并注明時間坐標(biāo)軸。3、分析實(shí)驗結(jié)果，寫出心得體會。六、 實(shí)驗思考題1、用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時，其傳遞函數(shù)是在哪兩個假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？2、積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么?在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)?在什么條件下，又可以視為比例環(huán)節(jié)？ 4實(shí)驗二 一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)及參數(shù)測定一、 實(shí)驗?zāi)康?、觀察一階系統(tǒng)在階躍和斜坡輸入信號作用下的瞬態(tài)響應(yīng)；2、根據(jù)一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線確定一階系統(tǒng)的時間常數(shù)。二、 實(shí)驗設(shè)備1、控制理論電子模擬實(shí)驗箱一臺；2、雙蹤低頻慢掃描示波器一臺；3、萬用表一只。三、 實(shí)驗原理 11Ts( )C s( )R s圖 2-1 一階系統(tǒng)框圖圖 2-1 為

8、一階系統(tǒng)的框圖，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：( )1( )1C sR sTs令 r（t）=1(t)，即 R(s) =1/S，則其輸出為：1/( )1tc te 它的階躍響應(yīng)曲線如圖 2-2 所示。圖 2-2 一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線當(dāng) t=T 時，。這表示當(dāng)上升到穩(wěn)定值的 63.2%1/( )10.632Tc Te ( )c t 5時，對應(yīng)的時間就是一階系統(tǒng)的時間常數(shù) T，根據(jù)這個原理，由圖 2-2 可測得一階系統(tǒng)的時間常數(shù) T。當(dāng)，即，系統(tǒng)的輸出為：( )r tt2( )1/R ss2211( )1(1)TTC ss TssssT即：/( )(1)t Tc ttTe /( )( )(1)t Te tr

9、tTe所以當(dāng) t時，e（）=ess=T。這表明一階系統(tǒng)能跟蹤斜坡信號輸入，但有穩(wěn)態(tài)誤差存在。其誤差的大小為系統(tǒng)的時間常數(shù) T。四、 實(shí)驗內(nèi)容1、根據(jù)圖 2-1 所示的系統(tǒng)，設(shè)計相應(yīng)的模擬實(shí)驗線路圖。2、當(dāng) r（t）=1V 時，觀察并記錄一階系統(tǒng)的時間常數(shù) T 為 0.1S 時的瞬態(tài)響應(yīng)曲線，并標(biāo)注時間坐標(biāo)軸。3、當(dāng) r（t）= t 時，把輸入斜波的頻率調(diào)到最低 f=2 Hz，觀察并記錄一階系統(tǒng)時間常數(shù) T 為 0.1S 時的響應(yīng)曲線。五、 實(shí)驗報告1、根據(jù)實(shí)驗，畫出一階系統(tǒng)的時間常數(shù) T=0.1S 時的單位階躍響應(yīng)曲線，并由實(shí)測的曲線求得時間常數(shù) T。2、觀察并記錄一階系統(tǒng)的斜坡響應(yīng)曲線，并由

10、圖確定跟蹤誤差 ess，這一誤差值與由終值定理求得的值是否相等？分析產(chǎn)生誤差的原因。六、 實(shí)驗思考題1、一階系統(tǒng)為什么對階躍輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為零，而對單位斜坡輸入的穩(wěn)態(tài)誤差為 T？2、一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)在理論上能否由其單位階躍響應(yīng)求得？試說明之。 6實(shí)驗三實(shí)驗三 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析一、 實(shí)驗?zāi)康?、觀察在不同參數(shù)下二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并測出超調(diào) 量p、峰值時間 tp和調(diào)整時間 ts；2、研究增益 K 對二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。二、 實(shí)驗原理111TsK21T s( )R s( )C s圖 3-1 二階系統(tǒng)框圖圖 3-1 為二階系統(tǒng)的框圖，它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：21

11、 222211 2/()( )( )/()2nnnKTTC sR sss TKTTss由上式求得：1 2211f1f12f2f2/()=/4100R CR CnKTTTT KKwTT；=；三、 實(shí)驗內(nèi)容+-+-+-+741A741A741A100k100k100k100k100k470k200k0.1 F1 F階躍輸入w圖 3-2 二階系統(tǒng)原理圖根據(jù)圖 3-2，調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 w 的大?。╳ 取 1M 的電阻） ，顯然只要改變w 的電阻值，就能同時改變 n 和的值，調(diào)節(jié) w 值，觀察過阻尼(1)、臨 7界阻尼（=1）和欠阻尼（aE/(1-a)21K=-(1-a)R /R21tan =(1-a)R

12、 /R圖中 Ui0、和 K 為死區(qū)非線性的主要特征參數(shù)。改變電位器的電阻值，就能改變和 K。4、回環(huán)非線性特性實(shí)現(xiàn)回環(huán)非線性特性的模擬電路和其非線性特性曲線分別如圖 6-5（a）和（b）所示。圖 6-6(a) 模擬電路 圖 6-6(b) 特性曲線它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為：201(1)()ciiCUa UUC 1821tan(1)/a CC式中 Ui0=a E/（1-a） ，由上式可見，只要改變電阻 R1、R2的電阻值，就能改變特性的夾角。5、帶回環(huán)的繼電器特性實(shí)現(xiàn)帶回環(huán)繼電器特性的模擬電路和其特性曲線分別由圖 6-6（a）和圖 6-6（b）所示。圖 6-6(a) 模擬電路 圖 6-6(b) 特性曲線這

13、里運(yùn)算放大器接成正反饋。其反饋系數(shù)為 K=R1/（R1+R2） ，顯然，R2越小，正反饋的系數(shù) K 越大，說明正反饋越強(qiáng)。環(huán)寬的電壓 Ui0與輸出限幅電壓 M 和反饋系數(shù) K 有關(guān)，其關(guān)系為 Ui0=KM。四、 實(shí)驗步驟1、根據(jù)典型非線性環(huán)節(jié)設(shè)計相應(yīng)的模擬電路圖。2、調(diào)節(jié)信號發(fā)生器的周期為 1S 左右，按圖 6-1 接線。3、用示波器（或 XY 記錄儀）觀察并記錄各種典型非線性特性。4、調(diào)節(jié)相關(guān)參數(shù)，觀察它們對非線性特性的影響。五、 實(shí)驗思考題1、如果限幅電路改接在運(yùn)算放大器的反饋回路中，則非線性特性將發(fā)生什么變化。2、在帶回環(huán)的繼電器特性電路中，如何確定環(huán)寬電壓？ 19實(shí)驗七實(shí)驗七 自動控制系統(tǒng)的動態(tài)校正自動控制系統(tǒng)的動態(tài)校正一、 實(shí)驗?zāi)康?、要求學(xué)生根據(jù)要求，自行設(shè)計一校正裝置，并用本實(shí)驗箱構(gòu)成一模擬