自動控制理論試驗指導書

1、、八 、亠前言自動控制原理是自動化、自動控制、電子電氣技術等專業(yè)教學中的一門重要專業(yè)基 礎課程。它可以處理時變、非線性以及多輸入、多輸出等復雜的控制系統(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，連線復雜，連接不穩(wěn) 定的缺點，通過對單元電路的靈活組合，可構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 口和計算機連接實現(xiàn)信號源信號的輸出和系統(tǒng)響應 信號的采集，采集后的信號通過計算機顯示屏顯示，省去了外接信號源和示波器測量相 應信號的麻煩。 EL-AT-III 型自動控

2、制實驗系統(tǒng)支持自動控制理論課的所有實驗，通過這 套儀器可使學生進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 計方法，學習和掌握系統(tǒng)模擬電路的構成和測試技術，提高應用計算機的能力和水平。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 算機和實驗箱的通訊設置。第三章為實驗系統(tǒng)部分，主要介紹各個實驗的電路組成，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果。自動控制實驗指導書56.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

3、 .11實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應 12實驗二二階系統(tǒng)階躍響應 .17實驗三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 .21實驗四系統(tǒng)頻率特性測量 .24實驗五連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正 .30實驗六數(shù)字PID控制 .35實驗七采樣實驗 38第一章硬件資源EL-AT-HI型實驗系統(tǒng)主要由計算機、AD/DA采集卡、自動控制原理實驗箱、打印機 （可選）組成如圖1，其中計算機根據(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，打印機主要記錄各種實驗數(shù)據(jù)和結果，實驗箱主要構造被控模擬 對象。圖1實驗系統(tǒng)構成實驗箱面板如圖2 :圖2實驗箱面板F面主要介紹實驗箱的構成:系統(tǒng)電源EL-AT-III系統(tǒng)采用本公司生產(chǎn)的

4、高性能開關電源作為系統(tǒng)的工作電源，其主要技術 性能指標為：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：5C+ 40C。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， 負責數(shù)據(jù)采集和 USB通 信，用EPM7128作為SPI總線轉換，AD為TL1570I其采樣位數(shù)為10位，采樣率為1KHz。DA為MAX5159轉換位數(shù)為10位，轉換速率為1K。 AD/DA采集卡有兩路輸出 （DA1、 DA2 ）和兩路輸入（AD1、AD2 ）,其輸入和輸出電壓均為一 5V+5V

5、。圖3 AD/DA采集卡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模塊1實驗模塊2電源模塊模擬開關二極管區(qū)EL-CAT-II實驗模塊3電阻、電容、二極管區(qū)實驗模塊4變阻箱、變容箱模塊實驗模塊5實驗模塊8實驗模塊6實驗模塊7圖4實驗箱面板布局實驗箱面板主要由以下幾部分構成：1 .實驗模塊本實驗系統(tǒng)有八組由放大器、電阻、電容組成的實驗模塊。每個模塊中都有一個由UA741構成的放大器和若干個電阻、電容。這樣通過對這八個實驗模塊的靈 活組合便可構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、電阻和電容。3. AD/DA卡

6、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。有一個按鈕復位，按下一次對AD/DA卡進行一次復位。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，有四個開關電源提供的 DC電源端子，分別是+ 12V、-12V、+5V、GND，這些端子給外擴模塊提供電源。5. 變阻箱、變容箱模塊變阻箱、變容箱是本實驗系統(tǒng)的一個突出特點，只要按動數(shù)字旁邊的 “ +” 按鈕便可調節(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、安裝應用軟件1按照軟件提示，一步

7、一步完成安裝圖1進入安裝界面圖2選擇安裝路徑圖3單擊In stall圖4安裝完畢界面2 完成應用軟件的安裝；應用軟件會自動出現(xiàn)在“開始一程序”列表中。二、USB驅動安裝（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，計算機將自動顯示圖5圖5進入安裝界面謖岀殞Hrrt旺儆申盹與？frtt薩吿二作M占網(wǎng)呼.陰黑需器席二詔刖黔fl諾課蔚號;心 '諾f 莘低電略工石導irrt 二.= iTFJt于住I盤踽日隔運胄蚩：祁 r 土亍:巳燈嚴馮降冊序的吧：R*從亡準昨洛通注序ip圖6選擇單選按鈕后，單擊下一步2圖6的驅動安裝文件在第一步安裝

8、的應用程序文件中，所以應選擇第一步安裝應用程 序的路徑和文件名，然后單擊”確定",系統(tǒng)將會自動查找驅動安裝文件。圖7選擇如圖的復選按鈕后，單擊下一步圖8選擇驅動安裝文件路徑圖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，計算機將自動顯示圖12圖2的驅動安裝文件在第一步安裝的應用程序文件中，所以應選擇第一步安裝應用程 序的路徑和文件名，然后單擊”確定",系統(tǒng)將會自動搜索驅動安裝文件。圖11選擇如圖的單選按鈕后，單擊下一步；T2*ui'；W :.尼ir命E機nfl建電也.c-m* qj EmCTtgWTMtt

9、O；圖12選擇驅動安裝文件路徑圖13單擊“仍然繼續(xù)”圖14安裝完成界面應用軟件和USB驅動都安裝完成后，可以運行實驗系統(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，計算機將自動顯示圖1圖2選擇如圖的單選按鈕后， 單擊下一步圖1進入安裝界面2. 圖3的驅動安裝文件在第一步安裝的應用程序文件中，所以應選擇第一步安裝應用程 序的路徑和文件名，然后單擊”下一步",系統(tǒng)將會自動搜索驅動安裝文件。HI ?沖崔找宜繃UF血施甜襁豊It &I»TET廠;m誰爆哄r trt （U-Jjfl TWr"羈轉 u幽恤 J）r* U|F、耐、rt&g

10、t;嚴， “ 勺冃媲一 I二 r i | -手.取 >9faflivn*"耳31!再肚索逹工楚崗旳tUM B駅嗥千棗節(jié)垂疵:mtiigm 汁 fiuEDimnwK up£上乜曲1.：7?續(xù)廠| _|圖4單擊下一步圖3選擇驅動安裝文件路徑圖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 口與計算機的USB 口連接，啟動"Cybernation_A ” 軟

11、件。3 軟件使用說明本套軟件界面共分為三個組畫面A. 軟件說明和實驗指導書畫面（如圖 15）B. 數(shù)據(jù)采集顯示畫面（如圖 16） 自動控制理迄實起系統(tǒng)問憲驗頂目肝1:工具換盤"F71函上點擊或按F辺可以選擇實驗項目作対當前實驗項耳 系 統(tǒng)在指導書窗口縣示相巫的實驗指卑書，在實驗遊行過程 中處干禁止狀態(tài)。點擊或搜陀51切換叵r指導書簡口.點擊K或按F測切換到'示波器"窗口.點擊K或按國）1切換至頻率特性，窗口- I點擊K或搜F邊開抬/欣棄當前實驗項目，在沒有選擇任 何實唸項目的時候九禁止狀態(tài)-點擊1或彈出"關于壞寸話框，顯示程序信懇、版本 號和版權信息口就緒

12、大寫數(shù)孚廠圖151 自動控制理論實耋系統(tǒng)回實驗項目EF1JH |二工具扌定鈕！匡也固13O 200400 6oo 000 1000 12CU 1400 1600 1600 200050004000300020001000圖16F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前實驗項目，系統(tǒng)在指導書窗口顯示相應的實驗指導書，在實驗進行過程中處于禁止狀態(tài)。2囚 點擊或按F2切換回”指導書"窗口。3二 點擊或按F3切換到”示波器"窗口。4團 點擊或按F4切換到”頻率特性”窗口。5. U 點擊或按F5開始/放棄當前實驗項目， 在沒有選擇任何實驗項

13、目的時候為禁止狀態(tài)。6. 弓 點擊或按F6彈出"關于”對話框，顯示程序信息、版本號和版權信息。二:示波器操作：1. 測量在"示波器”窗口單擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇”測量”打開測量游標（重復前述步驟隱藏測量游標），拖動任一游標到感興趣的位置， 圖表區(qū)下方會顯示當前游標的位置和與同類的另一游標之間距離的 絕對值。如果想精確定位游標只需用鼠標左鍵單擊相應的游標位置欄 并在編輯框中輸入合法值回車即可。2. 快照 在"示波器"窗口單擊鼠標右鍵，在彈出菜單中選擇”快照”將當前圖像復制到剪貼板，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。

14、4. 線型在"示波器"窗口單擊鼠標右鍵，在彈出菜單中可點擊"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. 配色用鼠標左鍵雙擊圖表區(qū)除曲線之外的元素會彈出標準顏色對話框， 用戶可以更改相應元素的顏色（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、二階系統(tǒng)階躍響應、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)

15、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)，以滿足教學的要求。實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應、實驗目的1. 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)時域性能指標的測量方法。二、實驗儀器1 . EL-AT-HI型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2. 計算機一臺三、實驗原理1. 模擬實驗的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實驗采用復合網(wǎng)絡法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡和反饋網(wǎng)絡模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結構圖將這些模擬 環(huán)

16、節(jié)連接起來，便得到了相應的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端， 并利用計算機等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及性能 指標。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2 .時域性能指標的測量方法：超調量o %：1）啟動計算機，在桌面雙擊圖標自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。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)設置對話框設置好參數(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

17、，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典型環(huán)節(jié)及其階躍響應。5）鼠標單擊 上按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置 相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。6）用軟件上的游標測量響應曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，代入下式算出超調量：% Ymax 100%YT p與 Ts：利用軟件的游標測量水平方向上從零到達最大值與從零到達95%急態(tài)值所需的時間值，便可得到Tp與Ts。四、實驗內容構成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應:1.比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-1。2.3.E22O0KU2

18、A/D1園1-i慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖A/D1(S)=R2/R11-2。1-3。(S)=K/TS+1，T=R2CGT=RC4.微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖（S） =1/TS1-4。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 （未標明的 C=0.01uf ）。U2A/B16.比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖（S）= K（ TS+1）K=R2/R1, T=R2C1-6。（S）=K（ 1 + 1/TS），T=R2C五、實驗步驟1. 啟動計算機，在桌面雙擊圖標自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。2. 測試計算機與實驗箱的通信是否正常

19、，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)進行實驗。比例環(huán)節(jié)3. 連接被測量典型環(huán)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。5. 鼠標單擊土d按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置 相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果6. 觀測計算機屏幕顯示出的響應曲線及數(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

20、、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)10. 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

21、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上。檢查無誤后接通電源。15. 實驗步驟同4716. 測量系統(tǒng)的階躍響應曲線，并記入上表。六、實驗報告1. 由階躍響應曲線計算出慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計算的結 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、預習要求1 閱讀實驗原理部分，掌握時域性能指標的測量方法。2 分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。參數(shù)階躍響應曲線Ts （秒）理論值實測值比例環(huán)節(jié)R仁 R2=慣性環(huán)節(jié)100K積分環(huán)節(jié)C=1uf微分環(huán)節(jié)K=1比例+微分環(huán)節(jié)T=0.1S比例

22、+積分環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)R1=100K慣性環(huán)節(jié)R2=200K積分環(huán)節(jié)C=1uf微分環(huán)節(jié)K=2比例+微分環(huán)節(jié)T=1S比例+積分環(huán)節(jié)實驗數(shù)據(jù)測試表（學生填寫）實驗二二階系統(tǒng)階躍響應一、實驗目的1 研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比和無阻尼自然頻率 n對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。定量分析和n與最大超調量Mp和調節(jié)時間ts之間的關系。2 進一步學習實驗系統(tǒng)的使用方法3 學會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應曲線確定傳遞函數(shù)。二、實驗儀器1 EL-AT-HI型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 計算機一臺三、實驗原理1. 模擬實驗的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實驗采用復合網(wǎng)絡法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡和反饋網(wǎng)絡模擬各種典型環(huán)節(jié)

23、，然后按照給定系統(tǒng)的結構圖將這些模擬 環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端， 并利用計算機等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及性能 指標。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2. 域性能指標的測量方法：超調量o %1） 啟動計算機，在桌面雙擊圖標自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。2）檢查USB線是否連接好，在實驗項目下拉框中選中實驗，點擊創(chuàng)按鈕，出現(xiàn)參數(shù)設置對話框設置好參數(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)進行實驗。3）連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的

24、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 上。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二二階系統(tǒng)階躍響應。5）鼠標單擊 上按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置 相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果6）利用軟件上的游標測量響應曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，代入下式算出超調量：YMAX - Y 80 %X 100%Y8T p 與 Tp：95%穩(wěn)態(tài)值所需的利用軟件的游標測量水平方向上從零到達最大值與從零到達時間值，便可得到Tp與Tp。四、實驗內容典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為2n(

25、S)= s2 2+ 2 nS + n(1)構成圖2-1典型二階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應:圖2-1二階系統(tǒng)模擬電路圖電路的結構圖如圖 2-2 :圖2-2二階系統(tǒng)結構圖系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為1/T1cp Cs）=LJ2 Cs） /U1 （s）=孑+（N/T）S + 1A?（2）式中 T=RC，K=R2/R1。比較（1）、（ 2）二式，可得n = 1/T=1/RC=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n。今取R1=200K R2=100K和200K，可得實驗所需的阻尼比。電阻R取100K，電容C分別取1 f和

26、0.1 f,可得兩個無阻尼自然頻率no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，將兩個積分電容得兩端連在模擬開關上。 檢查無誤后接通電源。2. 啟動計算機，在桌面雙擊圖標自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。3. 測查USB線是否連接好，在實驗項目下拉框中選中任實驗，點擊二J按鈕，出現(xiàn)參數(shù)設置對話框設置好參數(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,鼠標單擊 按鈕，彈出實驗課題參數(shù)

27、設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果5. 取 n=10rad/s, 即令 R=100K，C=1 f ;分別取 =0.5、1、2，即取 R1=100K，R2分別等于100K、200K、400K。輸入階躍信號，測量不同的時系統(tǒng)的階躍響應， 并由顯示的波形記錄最大超調量Mp和調節(jié)時間Ts的數(shù)值和響應動態(tài)曲線，并與理論值比較。6. 取=0.5。即電阻 R2取 R仁R2=100K ； n=100rad/s,即取 R=100K，改變電路中的電容C=0.1 f（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，并由顯示的波形記錄最大超調量p和調節(jié)

28、時間Tn。7. 取R=100K ；改變電路中的電容 C=1 f,R1=100K ,調節(jié)電阻R2=50K 。輸入階躍信號測量系統(tǒng)階躍響應，記錄響應曲線，特別要記錄Tp和p的數(shù)值。8.測量二階系統(tǒng)的階躍響應并記入表中:實驗結果參數(shù)(T %tp (ms)ts (ms)階躍響應曲線R=100KC =1 卩 f3 n=10rad/sR1=100KR2=0KZ =0R1=100KR2=50KZ =0.25R1=100KR2=100KZ =0.5R1=50KR2=200KZ =1R1=100KC1=C2=0.1 3 f3 n=100rad/sR1= 100KR2=100KZ =0.5R1=50KR2=200

29、KZ =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)性能指標與Z,3n的關系。2. 把不同 和n條件下測量的Mp和ts值列表，根據(jù)測量結果得出相應結論。3. 畫出系統(tǒng)響應曲線，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、預習要求1. 閱讀實驗原理部分，掌握時域性能指標的測量方法。2. 按實驗中二階系統(tǒng)的給定參數(shù)，計算出不同Z、3n下的性能指標的理論值。實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析一、實驗目的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1 . EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 .計算機一臺三、實驗

30、內容系統(tǒng)模擬電路圖如圖3-1100K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 K仁R3/R2 , R2=100K , R3=0- 500K; T=RC R=100K , C=1 f 或 C=0.1 f 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上。檢 查無誤后接通電源。2. 啟動計算機，在桌面雙擊圖標自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。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)

31、設置對話框設置好參數(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,鼠標單擊創(chuàng)按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置目的電壓5= 1000mV鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。5. 取R3的值為50K , 100K , 200K，此時相應的 K=10, 0=5, 10, 20。觀察不同 R3值時顯示區(qū)內的輸出波形(既U2的波形)，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時相應的 R3及K值。再把電阻 R3由大至小變化，即 R3=200k , 100k , 5

32、0k ，觀察不同 R3值時顯示區(qū)內的輸出波形，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1 f變成0.1 f,重復實驗步驟4觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。7將實驗結果添入下表中:參數(shù)系統(tǒng)響應曲線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、預習

33、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。實驗四系統(tǒng)頻率特性測量一、實驗目的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)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. 計算機一臺三、實驗原理頻率特性的測量方法：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，并顯示在計算機屏幕上。

34、通過比較輸入信號 和輸出信號的不同，可以得到系統(tǒng)的頻率響應特性。四、實驗內容1. 模擬電路圖及系統(tǒng)結構圖分別如圖4-2和圖4-3 。U1圖4-3系統(tǒng)結構圖2 系統(tǒng)傳遞函數(shù)U2取R3=500k，則系統(tǒng)傳遞函數(shù)為(S)500U1(S)=2(S)S +10S+500若輸入信號U1(t)=U1sin t,則在穩(wěn)態(tài)時，其輸出信號為U2( t)=U2sin ( t+ )改變輸入信號角頻率值，便可測得二組 U2/U1和 隨 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AD

35、1輸入，將將純積分電容兩端連在模擬開關上。檢查無誤后接通電源。2. 啟動計算機，在桌面雙擊圖標自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。測試計算機與實 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,鼠標單擊二J按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置相應的實驗參數(shù)并 選擇李沙育圖，然后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果，如圖4-4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,鼠標單擊創(chuàng)按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置相應的實驗參數(shù)并選

36、擇時間電壓圖，然后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果，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,鼠標單擊 二寸按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置相應的實驗參數(shù)并選自動選項，然后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。如圖4- 6 所示5000實殮四 李沙育圖X V軸單垃:xmV400D正弦信號源:1OOO mV 3.60 He3000采樣丿觀坯周期數(shù)：12000采樣頻率：357 Hz1000 -1000"2000-30000005口口05000 -4000 -3000 -2000 -LCI00 1000 2000 30

37、00 4000 5000-5000 X -5000 Y25 口 口50001100001000035o 2?00 5400 8100 10600125001620018900216002430027000實驗四時間-電壓圖 軸單位；X ononis- ? iniV 正弦信號聽;looamV 3-6dHz采樣idF周期圖4-4李沙育圖500040003ooo2COO10000-1000-2QQQ-5000圖45手動方式測量波特圖 looo 2000 2000 4ooo sooc 6ooo 7000 8ooo gooo ioooo5000實臉四時間-電壓圏 軸單位；X axioms- V1U1Y4

38、000 正弦信縣證；looomV lo.ooHz3000采樣ID個周期2000looo Hz1000-2000-3口-4000-5000 IX10 X21000010000Y15000 Y2 500010000圖4 6數(shù)據(jù)采集6.待數(shù)據(jù)采樣結束后點擊 也 按鈕即可以在顯示區(qū)內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的理論值。F（Hz）3(rad/s )理論值實測值L（3）©（3）2Xm2yo2ymL（3）©（3）李沙育圖形六、實驗報告1. 畫出被測系統(tǒng)的結構和模擬電路圖。2.

39、畫出被測系統(tǒng)的開環(huán) L （3）曲線與0（3 ）曲線。3. 整理表中的實驗數(shù)據(jù)，并算出理論值和實測值。4. 討論李沙育圖形法測量頻率特性的精度。七、預習要求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 （3）曲線與0（3 ）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F實驗時信號源的頻率2 F信號源的角頻率L（）輸出幅值隨變化的函數(shù)。（）輸出相位隨 變化的函數(shù)2Xm信號源峰谷值之差2Ym輸出信號的峰谷值之差2Y0當信號源輸出為零時對應輸出信號的正負幅值之差。其中（可以通過測量時間來得到，T（）在實驗

40、中是時間量，通過計算可以轉化 為（）。理論計算公式如下:L()2n2Ymarctg2)2(2n )2實驗五連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實驗目的1. 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)進行串聯(lián)校正設計，并通過模擬實驗檢驗設計的正確性。二、實驗儀器1. EL-AT-HI型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 .計算機一臺三、實驗內容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S斷開對應未校情況， 接通對應超前校正。圖5-1超前校正電路圖(2 )系統(tǒng)結構圖如圖5-2圖5-2超前校正系統(tǒng)結構圖圖中2Gc2Gc1s)=0.005S+1(s)=2(0.055S+1)2 .串聯(lián)滯后校

41、正(1)模擬電路圖如圖5-3，開關s斷開對應未校狀態(tài)，接通對應滯后校正。(2)系統(tǒng)結構圖示如圖5-4圖中10131IT2 、S0 D5SH0 1S+1圖5-4滯后系統(tǒng)結構圖Gc1(s10Gc211s+1)=10(s+1)(s)=3 .串聯(lián)超前一滯后校正(1) 模擬電路圖如圖5-5，雙刀開關斷開對應未校狀態(tài)，接通對應超前一滯后校正。圖中101T1SJQ. Q1S*17圖5-6超前一滯后校正系統(tǒng)結構圖Gc16Gc2(s)=6(s)=(1.2S+1)( 0.15S+1)(6s+1)( 0.05S+1)四、實驗步驟1.啟動計算機，在桌面雙擊圖標自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。2. 測試計算機與實驗箱的通信是

42、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)進行實驗。超前校正:3. 連接被測量典型環(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 開關上。檢查無誤后接通電源。4. 開關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。鼠標單擊丄按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標 單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果，并記錄超調量p和調節(jié)時間ts。6.開關s接通，重復步驟5,將兩次所測的波形進行比較。并將測量結果記入下

43、表中:超前校正系統(tǒng)指標校正前校正后階躍響應曲線S %Tp （秒）Ts （秒）滯后校正：7. 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（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 關上。檢查無誤后接通電源。8. 開關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。鼠標單擊丄按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框，在參數(shù)設置對話框中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標 單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果，并記錄超調量p和調節(jié)時間ts。10. 開關s接通，重復步驟9,將兩次所測的波形進行比較。并將測量結果記入

44、下表中：滯后校正系統(tǒng) 指標""、一-校正前校正后階躍響應曲線S %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)。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 關上。檢查無誤后接通電源。12. 開關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。鼠標單擊 創(chuàng)按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框，在參數(shù)設置對話框中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果，并記錄超調量 p和調節(jié)時間ts。14. 開關s接通，重復步驟1

45、3,將兩次所測的波形進行比較。并將測量結果記入下表 中：''-一超前-滯后系統(tǒng)指標校正前校正后階躍響應曲線S %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)絡參數(shù)。2. 畫出校正后系統(tǒng)的對數(shù)坐標圖，并求出校正后系統(tǒng)的3c及v'。3比較校正前后系統(tǒng)的階躍響應曲線及性能指標，說明校正裝置的作用。六、預習要求1 .閱讀實驗二的實驗報告，明確校正前系統(tǒng)的3C及V。2. 計算串聯(lián)超前校正裝置的傳遞函數(shù)Gc (s)和校正網(wǎng)絡參數(shù)，并求出校正后系統(tǒng)的3 C及V。實驗六 數(shù)字PID控制一、實驗目的1 .研究PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過

46、程的影響。2 .研究采樣周期T對系統(tǒng)特性的影響。3 研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。二、實驗儀器1 . EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 .計算機一臺三、實驗內容6-1 圖。1 .系統(tǒng)結構圖如圖6-1系統(tǒng)結構圖圖中 GcGhGp1(s) =Kp (1+Ki/s+Kds )(s) = (1 e-TS) /s(s) =5/ ( 0.5s+1 ) (0.1s+1 )Gp2(s) =1/ (s (0.1s+1 )2 .開環(huán)系統(tǒng)(被控制對象)的模擬電路圖如圖6-2和圖6-3，其中圖6-2對應GP1(s),圖 6-3 對應 Gp2( s )。圖6-2開環(huán)系統(tǒng)結構圖1圖6-3開環(huán)系統(tǒng)結構圖23 被

47、控對象 GP1( s)為“ 0型”系統(tǒng)，采用 PI控制或PID控制，可使系統(tǒng)變?yōu)椤?I型”系統(tǒng)，被控對象Gp2( s)為“I型”系統(tǒng)，采用PI控制或PID控制可使系統(tǒng)變成 “II 型”系統(tǒng)。4 當r( t ) =1( t )時(實際是方波)，研究其過渡過程。5 . PI調節(jié)器及PID調節(jié)器的增益Gc=KpK1(s) =Kp (1+K1/s )(1/k1 ) s+1) /s=K(TiS+1)/s式中K=KpKi , Ti= (1/K1 )不難看出PI調節(jié)器的增益K=KpKi，因此在改變 Ki時，同時改變了閉環(huán)增益K,如果不想改變K,則應相應改變Kp。采用PID調節(jié)器相同。6 . “II型”系統(tǒng)要

48、注意穩(wěn)定性。對于Gp2(s),若采用PI調節(jié)器控制，其開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s) =Gc (s) Gp2 (s)=K(Tis+1 ) /s 1/s (0.1s+1 )為使用環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，應滿足 Ti>0.1 ,即K1<107 . PID遞推算法如果PID調節(jié)器輸入信號為 e (t)，其輸送信號為u (t),則離散的遞推算法如下：u (k) =u (k-1 ) +q0e (k) +q1e (k-1 ) +q2e (k-2 ) 其中 q0=Kp (1+KiT+ ( Kd/T)q1= Kp (1+ ( 2Kd/T)q2=Kp （Kd/T）T-采樣周期四、實驗步驟1. 啟動計算機，在桌面雙擊圖標

49、自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。2. 測試計算機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)進行實驗。3. 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖6-2）。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。4. 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗六六、數(shù)字PID控制,鼠標單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設置對話框。在參數(shù)設置對話框中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果5. 輸入?yún)?shù) Kp, Ki, Kd（參考值 Kp=1, Ki=0.02, kd=1 ）。6. 參數(shù)設置完成點擊確認后觀察響應曲線

50、。若不滿意，改變Kp, Ki, Kd的數(shù)值和與其相對應的性能指標p、ts的數(shù)值。7. 取滿意的Kp,Ki,Kd值，觀查有無穩(wěn)態(tài)誤差。8. 斷開電源，連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖6-3）。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 模擬開關上。檢查無誤后接通電源。9. 重復4-7步驟。10. 計算Kp， Ki， Kd取不同的數(shù)值時對應的p、ts的數(shù)值，測量系統(tǒng)的階躍響應曲線及時域性能指標，記入表中:參數(shù)一實驗結果S %Tp階躍響應曲線KpKiKd五、實驗報告1 畫出所做實驗的模擬電路圖。2 .當被控對象為 Gp1（ s時）取過渡過程為最滿意時的Kp, Ki, Kd,畫出校正后的Bode圖，查出相穩(wěn)定裕量和穿越頻率 c。3 .總結一種有效的選擇Kp, Ki, Kd 方法，以最快的速度獲得滿意的參數(shù)。六、預習要求1. 熟悉PID控制器系統(tǒng)的組成。2. 熟悉PID控制器的參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。實驗七采樣定理實驗、實驗目的1. 了解采樣過程和信號恢復過程。2. 了解采樣器和零階保持器的電路結構。3. 驗證采樣