自動控制原理實驗指導書

1、 0目目 錄錄實驗裝置簡介（3-4）實驗一 控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬（5-6）實驗二 一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)及參數(shù)測定（6-7）實驗三 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析（8-9）實驗四 頻率特性的測試 （9-13）實驗五 PID 控制器的動態(tài)特性（13-15）實驗六 典型非線性環(huán)節(jié)（15-18）實驗七 控制系統(tǒng)的動態(tài)校正（設(shè)計性實驗）（19）備注：本實驗指導書適用于自動化、電子、機設(shè)等專業(yè)，各專業(yè)可以根據(jù)實驗大綱選做實驗。 1THZK-1 型控制理論電子模擬實驗箱型控制理論電子模擬實驗箱自動控制技術(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)與科學水平先進與否的一

2、項重要標志。本模擬實驗裝置能完成高校自動控制原理課程的主要實驗內(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)進行仿真研究，使學生通過實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。本模擬實驗箱可分為信號源與頻率計，電源和典型環(huán)節(jié)實驗三大部分: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 當按下按鈕時，輸出一負的階躍信號，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 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)進行掃頻輸出。該掃頻電源提供了 11 檔掃速，也可用手動點頻輸出，此外還有頻標指示。2 頻率計該系統(tǒng)在作頻率特性測試實驗時，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。它采用單片機編程，能精確、直觀地顯示小數(shù)點后兩位。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)的模擬實驗典型環(huán)節(jié)與系統(tǒng)模擬實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實驗一實驗一 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、 實驗?zāi)康?、熟悉超低頻掃描示波器的使用方法；2、掌握用運放組成控制系統(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、 實驗設(shè)備1、控制理論電子模擬實

6、驗箱一臺；2、超低頻慢掃描示波器一臺；3、萬用表一只。三、 實驗原理以運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、 實驗報告要求1、畫出四種典型環(huán)節(jié)的實驗電路圖，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)，并注明時間坐標軸。3、分析實驗結(jié)果，寫出心得體會。六、 實驗思考題1、用運放模擬典型環(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實驗二 一階系統(tǒng)的時域響應(yīng)及參數(shù)測定一、 實驗?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、 實驗設(shè)備1、控制理論電子模擬實驗箱一臺；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 t=T 時，。這表示當上升到穩(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，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 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)的模擬實驗線路圖。2、當 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，并標注時間坐標軸。3、當 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、 實驗報告1、根據(jù)實驗，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實驗三實驗三 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)學表達式為：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。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、 實驗思考題1、如果限幅電路改接在運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實驗七實驗七 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、 實驗?zāi)康?、要求學生根據(jù)要求，自行設(shè)計一校正裝置，并用本實驗箱構(gòu)成一模擬