自動控制原理實驗指導書(給學生)

1、 自動控制原理實驗指導書劉 芹 仲愷農(nóng)業(yè)工程學院自動化學院自動化實驗室2014年12月 目錄實驗一 典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng) 1實驗二 典型系統(tǒng)的時域響應(yīng).10實驗三 典型系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析. 13實驗一 典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)一、 實驗?zāi)康?掌握各典型環(huán)節(jié)模擬電路的構(gòu)成方法，掌握TDACC設(shè)備的使用方法。2熟悉各種典型環(huán)節(jié)的理想階躍響應(yīng)曲線和實際階躍響應(yīng)曲線。3了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。二、 實驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC系列教學實驗系統(tǒng)一套。三、 實驗原理及內(nèi)容下面列出了各典型環(huán)節(jié)的方框圖、傳遞函數(shù)、模擬電路圖、階躍響應(yīng)，實驗前應(yīng)熟悉了解。1比例環(huán)節(jié) （P）(1) 方框圖： 圖11(2)

2、 傳遞函數(shù)：(3) 階躍響應(yīng)：Uo(t) = K ( t0 ) 其中K = R1 / R0 (4) 模擬電路圖：圖12(5) 理想與實際階躍響應(yīng)對照曲線 取R0 = 200K；R1 = 100K。 取R0 = 200K；R1 = 200K。2積分環(huán)節(jié)（I）(1) 方框圖：圖13(2) 傳遞函數(shù)：(3) 階躍響應(yīng)： ( t0 ) 其中T = R0C(4) 模擬電路圖：圖14(5) 理想與實際階躍響應(yīng)曲線對照 取R0 = 200K；C = 1uF。 取R0 = 200K；C = 2uF。3比例積分環(huán)節(jié)（PI）(1) 方框圖：圖15(2) 傳遞函數(shù)：(3) 階躍響應(yīng)： ( t0 ) 其中K = R1

3、/R0 ；T = R0C (4) 模擬電路圖：見圖1.16圖16(5) 理想與實際階躍響應(yīng)曲線對照 取R0 = R1 = 200K；C = 1uF。 取R0=R1=200K；C=2uF。 4慣性環(huán)節(jié)（T）(1) 方框圖：圖17(2) 傳遞函數(shù)：。(3) 模擬電路圖：見圖1.18圖18(4) 階躍響應(yīng)：，其中；。(5) 理想與實際階躍響應(yīng)曲線對照 取R0=R1=200K；C=1uF。 取R0=R1=200K；C=2uF。5比例微分環(huán)節(jié)（PD）(1) 方框圖：見圖1.19圖19(2) 傳遞函數(shù)：(3) 階躍響應(yīng)：。其中，為單位脈沖函數(shù)，這是一個面積為的脈沖函數(shù)，脈沖寬度為零，幅值為無窮大，在實際中

4、是得不到的。(4) 模擬電路圖：圖110(5) 理想與實際階躍響應(yīng)曲線對照 取R0 = R2 = 100K，R3 = 10K，C = 1uF；R1 = 100K。 取R0=R2=100K，R3=10K，C=1uF；R1=200K。 6比例積分微分環(huán)節(jié)（PID）(1) 方框圖圖111(2) 傳遞函數(shù)：(3) 階躍響應(yīng)：。其中為單位脈沖函數(shù)，；(4) 模擬電路圖：圖112(5) 理想與實際階躍響應(yīng)曲線對照 取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 100K。 取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 200

5、K。 四、 實驗步驟1觀察比例、積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線(1) 實驗接線 準備：將信號源單元的“ST”端（插針）與“5V”端（插針）用“短路塊”短接，使模擬電路中的場效應(yīng)管夾斷（每個運放單元均設(shè)置了鎖零場效應(yīng)管），這時運放處于無鎖零控制的工作狀態(tài)。 階躍信號的產(chǎn)生電路可采用圖113，具體接法：將“H1”與“5V”插針用“短路塊”短接，“H2”插針用排線接至“X”插針，“X”端原有的“短路塊”應(yīng)拔掉，再將“Z”插針和“GND”插針用“短路塊”短接，最后信號由大插孔“Y”端輸出。實驗中按動按鈕即可產(chǎn)生階躍信號，調(diào)節(jié)電位器可以改變階躍信號的幅值。以后實驗再用到階躍信號時，方法同上，不再

6、贅述。 圖113(2) 實驗操作 按模擬電路圖將線接好。將階躍信號加至輸入端，調(diào)節(jié)單次階躍單元中的電位器，按動按鈕，用示波器觀察階躍信號，使其幅值為1V左右。 用示波器的“CH1”和“CH2”表筆分別監(jiān)測模擬電路的輸入Ui端和輸出U0端，然后，按下按鈕（或松開按鈕），觀測輸出端的實際響應(yīng)曲線U0(t)，并將結(jié)果記下。 改變幾組參數(shù)，重新觀測結(jié)果。 用同樣的方法分別搭接積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖，用示波器觀測這些環(huán)節(jié)對階躍信號的實際響應(yīng)曲線，并將結(jié)果記下。2觀察PID環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線(1) 此時Ui采用信號源單元的周期性方波信號，具體實現(xiàn)如下：將信號源單元的“ST”的插針改為與

7、“S”插針短接，信號類型選擇開關(guān)置于“方波”檔，“OUT”端的輸出電壓即為階躍信號電壓。信號的周期由信號頻段選擇開關(guān)和調(diào)頻電位器來調(diào)節(jié)，幅值由調(diào)幅電位器來調(diào)節(jié)。以信號幅值小、信號周期較長比較適宜。(2) 參照1.1.3節(jié)的PID模擬電路圖，將PID環(huán)節(jié)搭接好。(3) 將 (1) 中產(chǎn)生的周期性方波信號加到PID環(huán)節(jié)的輸入端Ui ，用示波器的CH1路和CH2表筆監(jiān)測PID模擬電路的輸入Ui端和輸出U0端，可以觀測到PID環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。(4) 改變電路參數(shù)，重新觀察并記錄。實驗二 典型系統(tǒng)的時域響應(yīng) 一、 實驗?zāi)康?研究二階系統(tǒng)的特征參量（、n）對過渡過程的影響。2研究二階對象的三種阻尼比下

8、的響應(yīng)曲線及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。二、 實驗設(shè)備PC機一臺，TDACC系列教學實驗系統(tǒng)一套。三、 實驗原理及內(nèi)容 1典型的二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(1) 結(jié)構(gòu)框圖：見圖21圖21(2) 對應(yīng)的模擬電路圖圖22(3) 理論分析系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：；開環(huán)增益。(4) 實驗內(nèi)容先算出臨界阻尼、欠阻尼、過阻尼時電阻R的理論值，再將理論值應(yīng)用于模擬電路中，觀察二階系統(tǒng)的動態(tài)性能及穩(wěn)定性，應(yīng)與理論分析基本吻合。在此實驗中(圖22)， ， 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：其中自然振蕩角頻率：；阻尼比：。四、 實驗步驟1準備：將信號源單元的“ST”插針和“5V”插針用“短路塊”短接，使運算放大器反饋網(wǎng)絡(luò)上的場效應(yīng)管夾斷，無鎖零控制作用

9、。2. 階躍信號的產(chǎn)生：見實驗1中的階躍信號的產(chǎn)生。將階躍信號加至輸入端，調(diào)節(jié)單次階躍單元中的電位器，按動按鈕，用示波器觀察階躍信號，使其幅值為1V左右。3. 典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標的測試(1) 按模擬電路圖22接線，將階躍信號接至輸入端，取R = 10K。(2) 用示波器觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)C(t)，測量并記錄超調(diào)MP、峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間tS。(3) 分別按R = 50K；160K；200K；改變系統(tǒng)開環(huán)增益，觀察相應(yīng)的階躍響應(yīng)C(t)，測量并記錄性能指標MP、tp和tS，及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并將測量值和計算值進行比較（實驗前必須按公式計算出）。并將實驗結(jié)果填入表21中。表22中已填入了一組參

10、考測量值，可供對比用。五、 實驗現(xiàn)象分析1典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標實驗參考測試值見表22表21參數(shù)項目R(K)KnC(tp)C()Mp (%)Tp (s)ts (s)階躍響應(yīng)情況理論值測量值理論值測量值理論值測量值0<<1欠阻尼1臨界阻尼 > 1過阻尼 表22參數(shù)項目R(K)KnC(tp)C()Mp (%)tp (s)ts (s)階躍響應(yīng)情況理論值測量值理論值測量值理論值測量值0<<1欠阻尼1020101.4144430.320.381.61.5衰減振蕩5041.1111100.850.91.61.71臨界阻尼1602.51無1無無1.92.5單調(diào)指數(shù)> 1

11、過阻尼2001無1無無2.93.5單調(diào)指數(shù)其中， ，實驗三 線性系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析一、 實驗?zāi)康?熟悉Routh判據(jù)，用Routh判據(jù)對三階系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析。二、 實驗設(shè)備PC機一臺，TDACC系列教學實驗系統(tǒng)一套。三、 實驗原理及內(nèi)容 1典型的三階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 (1) 結(jié)構(gòu)框圖圖23(2) 模擬電路圖圖24(3) 理論分析系統(tǒng)的開環(huán)傳函為:(其中)， 系統(tǒng)的特征方程為:。(4) 實驗內(nèi)容實驗前由Routh判斷得Routh行列式為：S3 1 20S2 12 20KS1 (-5K/3)+20 0S0 20K 0為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，第一列各值應(yīng)為正數(shù)，所以有 得： 0 < K < 12

12、 R > 41.7K 系統(tǒng)穩(wěn)定 K = 12 R = 41.7K 系統(tǒng)臨界穩(wěn)定 K > 12 R < 41.7K 系統(tǒng)不穩(wěn)定四、 實驗步驟1準備：將信號源單元的“ST”插針和“5V”插針用“短路塊”短接，使運算放大器反饋網(wǎng)絡(luò)上的場效應(yīng)管夾斷，無鎖零控制作用。2. 階躍信號的產(chǎn)生：見實驗1中的階躍信號的產(chǎn)生。將階躍信號加至輸入端，調(diào)節(jié)單次階躍單元中的電位器，按動按鈕，用示波器觀察階躍信號，使其幅值為1V左右。3典型三階系統(tǒng)的性能(1) 按圖24接線，將階躍信號接至輸入端，取R = 30K。(2) 觀察系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并記錄波形。(3) 減小開環(huán)增益（R = 41.7K；100K），觀察階躍