自動控制原理實驗教程

1、自動控制理論實驗指導(dǎo)書徐焜主編杜佳璐 審閱自動控制實驗指導(dǎo)書實 驗 守 則1. 實驗前必須充分做好預(yù)習(xí)，包括實驗內(nèi)容、方法以及實驗線路， 完成有關(guān)的理論計算以及實驗設(shè)備的使用方法。2. 連接線路或改變接線時，必須在關(guān)斷電源的情況下進(jìn)行。3. 實驗結(jié)果經(jīng)指導(dǎo)老師檢查，同意后才可拆除線路并整理放好離 開。4. 認(rèn)真寫實驗報告。報告內(nèi)容必須按每次實驗具體要求書寫，切 不可相互抄襲。預(yù)習(xí)不符合要求者不準(zhǔn)參加實驗。2自動控制實驗指導(dǎo)書目 錄第一部分 實驗系統(tǒng)概述 .1一. 實驗系統(tǒng)硬件資源 1二. 實驗系統(tǒng)軟件 .2第二部分自動控理論實驗.6實驗一典型環(huán)節(jié)的模擬及其階躍響應(yīng) 6實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)

2、.11實驗三 系統(tǒng)頻率特性測量 .14實驗四連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正 .18實驗五典型非線性環(huán)節(jié)實驗 21實驗六 非線性系統(tǒng)相平面法研究 .24實驗七 采樣定理實驗 .26實驗八 狀態(tài)反饋的設(shè)計與實現(xiàn) .291自動控制實驗指導(dǎo)書第一部分實驗系統(tǒng)概述一.實驗系統(tǒng)硬件資源自控理論EL-AT-II型實驗系統(tǒng)主要由計算機、AD/DA采集卡、自動控制理論實驗箱 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， AD/DA采集卡負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和計算機USB 口通信，實驗箱主要構(gòu)造被控模擬對象。實驗箱電路AD/DA 卡計算機圖1實驗系統(tǒng)構(gòu)成實驗箱、面板實驗面板主要由以下幾部

3、分構(gòu)成，如圖2:AD/DA 卡輸入輸出模塊模擬仿真模塊1運算放大器X 1電阻：1K X 2、50K X 2100KX 4、200K X 4電容：0.1 g X 3、1 g X 2二極EL-C模擬仿真模塊3 運算放大器x 1 電阻:1K X 3、10K x 2100K X 2、200K X 2電容:0.1 gf X 3、1 試 X2電阻、電容、二變阻箱、變0kQ990 g9模擬仿真模塊5運算放大器X 1電阻:1K X 3、10K X 2100K X 2、200K X 2電容:0.01 gX 2、0.1 gX 3、 1 g X 1模擬仿真模塊6 運算放大器X 1電阻:1K X 2、10K X 25

4、0K X 2、100K X 2200K X 2、300K X 2 電容:0.01 gX 20.1 g X 2、1 g1模擬仿真模塊2運算放大器X 1電阻：1K X 2、50K X 2100K X 3、200K X 2 電容：0.1 g X 2、1 g X 2電源模塊模擬開關(guān)模擬開關(guān)X3組管區(qū)AT-II極管、穩(wěn)壓管區(qū)模擬仿真模塊4運算放大器X 1電阻:1K X 3、10K X 2100K X 2、200K X 2電容:0.1 g X 3、1 g X 2容箱模塊9 kQX 2g X 1模擬仿真模塊8 運算放大器X 1 電阻:1K X 3、10K X 2100K X 2、200K X 2 電容:0.

5、01 gX 2、0.1 gX 3、1 gX 1模擬仿真模塊7運算放大器X 1電阻:1K X 2、10K X 250K X 2、100K X 2200K X 2、300K X 2電容:0.01 gX 20.1 g X 2、1 gX 1圖2實驗箱面板布局(1) 模擬仿真模塊本實驗系統(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)。二極管、穩(wěn)壓管、電阻、電容區(qū)2自動控制實驗指導(dǎo)書口回區(qū)實驗項目EF13 :軟件使用拒南三11工具按檢畫已固0 3-_A該區(qū)域主要是為模

6、擬非線性環(huán)節(jié)提供所需元件。(2) 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DA1、DA2、兩路輸入端AD1、 AD2。有一個按鈕復(fù)位鍵，可對AD/DA卡進(jìn)行復(fù)位。做時域分析實驗時，DA1輸出階躍信號，AD1為系統(tǒng)輸出數(shù)據(jù)采集口(相當(dāng)于示波器的 Y 軸輸入端)。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，這些端子給外擴模塊提供電源。(5) 模擬開關(guān)模塊模擬開關(guān)是專門為積分電容放電而設(shè)定的，實驗時需將積分電容并接在模擬開關(guān)上。(6) 變阻箱、變?nèi)菹淠K：該模塊有2個變阻箱、1個變?nèi)菹洹?/p>

7、只要按動變阻箱、變?nèi)菹鋽?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。二.實驗系統(tǒng)軟件1. 軟件啟動接通實驗箱電源，在Windows桌面上或“開始程序”中雙擊“Cybernation_A.exe 快捷方 式，便可啟動軟件如圖3所示。2. 軟件使用說明(1)本套軟件界面共分為三個組畫面： 軟件說明界面(如圖3)自動控制理論實驗系統(tǒng)自動控制實驗指導(dǎo)書自動控制實驗指導(dǎo)書1.1F2.運缶4.6.6.點擊K或搜F坊可以選擇實驗項目作次I當(dāng)前實驗項已 系 統(tǒng)在指號書窗口顯示相應(yīng)的實驗指導(dǎo)書，在買驗進(jìn)行過程 中外干華I卜狀本原擊u或按底id換回指導(dǎo)書簡口.點擊E或按F3切換

8、到*示淤器窗口.點擊K或援F仍切換到頻率特性窗口 - I點擊K或搜F胡開始/蹶棄當(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).雖擊K或ISrea弾出夕關(guān)于*對話框，顯示程彤信息L版本 號和版楓信息大肓數(shù)字圖3軟件說明界面自動控制實驗指導(dǎo)書在該界面中，在該界面中介紹工具按鈕的功能等。下面介紹根據(jù)按鈕的功能：a. *點擊或按F1可以選擇實驗項目作為當(dāng)前實驗項目，在實驗進(jìn)行過程中處于禁止?fàn)顟B(tài)。b. 點擊或按F2切換回”指導(dǎo)書窗口。c 點擊或按F3切換到”示波器窗口。點擊或按F4切換到”頻率特性窗口。巳卜 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)?態(tài)。f. 點

9、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。 數(shù)據(jù)采集顯示界面（如圖4）圖4數(shù)據(jù)采集及顯示界面在該界面中可做如下操作：a. 測量：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)），此時XI、X2和Y1、Y2游標(biāo)顯示為虛線，可拖動任一游標(biāo)， 圖表區(qū)下方會顯示當(dāng)前游標(biāo)的位置和與同類游標(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。b. 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。c. 線型：在示波器窗

10、口單擊鼠標(biāo)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。d. 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）。巳縮放：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合法數(shù)值回車即可改變當(dāng)前顯示范圍。 實驗參數(shù)設(shè)置對話框界面A.時域分析實驗參數(shù)設(shè)置對話框界面（如圖A）5自動控制實驗指導(dǎo)書#自動控制實驗指導(dǎo)書B.頻率特性實驗參數(shù)設(shè)置對話界面（B圖）B圖頻率特性實驗參數(shù)設(shè)置采集茶蛛；r嚴(yán)周嘶）響應(yīng)A圖時域分析實驗參數(shù)設(shè)置目標(biāo)電壓：A/D、D/A卡的DA1端輸

11、出階躍信號的幅值；間隔：A/D、D/A卡采集AD1輸入端信號時間間隔（采樣周期）；點數(shù)：1次階躍響應(yīng)A/D、D/A卡采集數(shù)據(jù)個數(shù)。階躍響應(yīng)信號時間=間隔數(shù)X點數(shù)如果數(shù)據(jù)采集顯示界面X軸有10個格，那么每個格對應(yīng)的時間是：（間隔數(shù)X點數(shù)）/10。:將要在X軸上顯示5周（可設(shè)定）的正弦波曲線。自動：選定自動選項，系統(tǒng)將按照軟件設(shè)定的1組頻率進(jìn)行自動測試。顯示不同頻率的時間 電壓曲線，測試結(jié)束后顯示Bode圖和Nyquist圖。C.非線性環(huán)節(jié)實驗參數(shù)設(shè)置對話界面（圖C）C圖非線性環(huán)節(jié)實驗參數(shù)設(shè)置現(xiàn)場：可在該文本編輯框中填寫需要的內(nèi)容，該內(nèi)容將顯示在數(shù)據(jù)采集及顯示界面的圖表區(qū) 上方。D. 采集實驗參數(shù)

12、設(shè)置對話界面（圖D）D圖采樣實驗參數(shù)設(shè)置 將在實驗項目中介紹。6自動控制實驗指導(dǎo)書第二部分自動控制理論實驗部分實驗一典型環(huán)節(jié)的模擬及其階躍響應(yīng)一、實驗?zāi)康?. 通過實驗熟悉并掌握本實驗系統(tǒng)的使用方法。2. 掌握用運算放大器構(gòu)成各種典型環(huán)節(jié)的方法。3. 熟悉各種典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其特性。二、實驗要求1. 實驗前復(fù)習(xí)教材中的有關(guān)內(nèi)容，做好預(yù)習(xí)報告。2. 按實驗步驟進(jìn)行實驗，畫出實驗線路圖，如實記錄原始數(shù)據(jù)與輸出波形圖。3. 解釋實驗中出現(xiàn)的各種現(xiàn)象，并將實驗結(jié)果與理論值進(jìn)行比較分析。4. 綜合以上方面，完成實驗報告。實驗報告書寫要整齊、規(guī)范。三、實驗儀器1. EL-AT-II型自動控制系統(tǒng)實驗箱

13、一臺2計算機一臺四、實驗原理典型環(huán)節(jié)模擬實驗是利運算放大器的基本特性（開環(huán)增益高、輸入阻抗大、輸出阻抗小等）設(shè)置不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和輸出網(wǎng)絡(luò)來模擬各種典型環(huán)節(jié)。將輸入信號加到典型環(huán)節(jié)的輸入端，并利用計算機等測量儀器，測量得典型環(huán)節(jié)輸出，便可得到典型環(huán)節(jié)的動態(tài)響應(yīng)曲線。五、實驗內(nèi)容與步驟本項實驗內(nèi)容主要是構(gòu)成多種典型環(huán)節(jié)的模擬電路，觀察各典型環(huán)節(jié)的動態(tài)特性以及參數(shù)變化對其動態(tài)特性的影響。以下只給岀各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)以及所對應(yīng)的模擬電路圖。傳遞函數(shù)的參數(shù)與模擬電路中元件參數(shù)的關(guān)系由實驗者求出，電路元件參數(shù)具體數(shù)值根據(jù)圖 2實驗箱面板布局圖自己設(shè)定。1比例環(huán)節(jié)比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-1。

14、圖中，R1、R2的值自定。B2G(s)二-K實驗步驟:(1) 啟動計算機，(2) 連接被測典型環(huán)節(jié)模擬電路(圖1-1 )。電路的輸入U1和輸出U2分別接A/D、D/A卡輸 入輸出模塊中的DA1輸出和AD1輸入。檢查無誤后接通實驗箱電源。(3) 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)。(4) 鼠標(biāo)單擊空按鈕，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) 觀測計算機屏幕顯示出的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。記錄波形，根據(jù)波形得到實際K值記入表1-1中。(6) 雙擊顯示器右下腳 呑，在彈出的窗口點擊停止按鈕，停止USB mass

15、Divce使用。然 后關(guān)斷實驗箱的電源。2. 慣性環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-2。電路元件參數(shù)數(shù)值自定。G(s) = -KTS + 1實驗步驟:(1) 連接被測典型環(huán)節(jié)模擬電路(圖1-2 )。電路的輸入U1和輸出U2分別接A/D、D/A卡 輸入輸出模塊中的DA1輸出和AD1輸入。檢查無誤后接通實驗箱電源。(2) 、(3)同比例環(huán)節(jié)實驗步驟(3)、(4)相同。(3) 觀測計算機屏幕顯示出的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。記錄波形和實驗數(shù)據(jù)K、T值。(4) 與比例環(huán)節(jié)實驗步驟(6)相同。3. 積分環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-3。電路元件參數(shù)數(shù)值自定。VI 丄卜夠1吩G(S)=-rttsJ

16、 U 1-3實驗步驟：(1) 連接被測典型環(huán)節(jié)模擬電路(圖1-3 )。將積分電容并接到模擬開關(guān)上。電路的輸入 U1 和輸出U2分別接A/D、D/A卡輸入輸出模塊中的DA1輸出和AD1輸入。檢查無誤后 接通實驗箱電源。(2) 、(3)同比例環(huán)節(jié)實驗步驟(3)、(4)相同。(4) 觀測計算機屏幕顯示出的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。記錄波形和實驗數(shù)據(jù) T值。(5) 與比例環(huán)節(jié)實驗步驟(6)相同。4. 微分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-4。電路元件參數(shù)數(shù)值自定。G(s) = -TS11自動控制實驗指導(dǎo)書#自動控制實驗指導(dǎo)書實驗步驟:(1)連接被測典型環(huán)節(jié)模擬電路(圖1-4 )。電路的輸入U1和輸出U2分

17、別接A/D、D/A卡 輸入輸出模塊中的DA1輸出和AD1輸入。檢查無誤后接通實驗箱電源。 同比例環(huán)節(jié)實驗步驟 相同。5. 比例+微分環(huán)節(jié)比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-5。電路元件參數(shù)數(shù)值自定。G(s) = - K(TS +1)#自動控制實驗指導(dǎo)書#自動控制實驗指導(dǎo)書實驗步驟：(1)連接被測典型環(huán)節(jié)模擬電路(圖1-5 )。電路的輸入U1和輸出U2分別接A/D、D/A卡12自動控制實驗指導(dǎo)書輸入輸出模塊中的DA1輸出和AD1輸入。檢查無誤后接通實驗箱電源。 同比例環(huán)節(jié)實驗步驟 相同。6. 比例+積分環(huán)節(jié)比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-6。電路元件參數(shù)數(shù)值自定。G(s) = -

18、K(1 +丄)TS實驗步驟:(1) 連接被測典型環(huán)節(jié)模擬電路(圖1-6 )。將積分電容并接到模擬開關(guān)上。電路的輸入 U1 和輸出U2分別接A/D、D/A卡輸入輸出模塊中的DA1輸出和AD1輸入。檢查無誤后 接通實驗箱電源。(2) (5)同比例環(huán)節(jié)實驗步驟(3)(6)相同。表1 1模擬環(huán)節(jié)電路元件參數(shù)值傳遞函數(shù)參數(shù)值階躍響應(yīng)曲線理論值實測值比例環(huán)節(jié)K=K=慣性環(huán)節(jié)K=T=K=T=積分環(huán)節(jié)T= T=微分環(huán)節(jié)T= T=比例+微分K=T=K=T=比例+積分K=T=K=T=六、預(yù)習(xí)要求1. 認(rèn)真閱讀實驗指導(dǎo)書，包括第一部分。知道如何從階躍響應(yīng)曲線求取慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán) 節(jié)的時間常數(shù)T。實驗前選定典型環(huán)節(jié)模

19、擬電路的元件（電阻、電容）參數(shù)，推導(dǎo)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)參數(shù)與模擬 電路電阻、電容值的關(guān)系。14自動控制實驗指導(dǎo)書實驗二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)、實驗?zāi)康?. 掌握運用各種不同的典型環(huán)節(jié)組成并模擬二階系統(tǒng)的方法。2. 研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比Z和自然頻率曲與系統(tǒng)動結(jié)構(gòu)之間的關(guān)系。3. 進(jìn)一步學(xué)習(xí)實驗系統(tǒng)的使用方法。4. 學(xué)會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。二、實驗要求1. 根據(jù)實驗?zāi)康模频钩龈鳝h(huán)節(jié)傳遞函數(shù)以及系統(tǒng)的開還與閉環(huán)傳遞函數(shù)。2. 自擬詳細(xì)可行的實驗步驟，并按步驟繪出實驗線路，標(biāo)出原始數(shù)據(jù)，畫出輸出波形圖。3. 將不同阻尼比Z值的階躍響應(yīng)曲線圖加以比較，并與理論分析結(jié)果加以對照。4. 回答思

20、考問題，寫出對本實驗的體會和建議。5. 綜合以上方面，完成實驗報告。實驗報告書寫要整齊、規(guī)范。三、實驗儀器1. EL-AT-II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(fù)合網(wǎng)絡(luò)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(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(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

21、Op%、峰值時間tp、調(diào)節(jié)時間ts。(1) 在數(shù)據(jù)采集顯示畫面，點擊鼠標(biāo)右鍵在彈出菜單中選擇”測量打開測量游標(biāo)(虛線為游標(biāo)尺)如圖2- 1。重復(fù)前述步驟將隱藏測量游標(biāo)。(2) 拖動丫軸兩個游標(biāo)Y1和Y2,測量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，計算出超調(diào)量op%。拖動X軸游標(biāo)測量水平方向上從零到達(dá)最大值與從零到達(dá)95%急態(tài)值所需的時間值，便可 得峰值時間tp、調(diào)節(jié)時間ts。16自動控制實驗指導(dǎo)書5000ims- V imVY1X2-405998595000圖2 15 口口1口口d igoo 2口g 巧口口 300035004口口口 45口 5口口口17自動控制實驗指導(dǎo)書#自動控制實驗指導(dǎo)書四、實驗內(nèi)容

22、1模擬典型二階系統(tǒng)，其閉環(huán)傳遞函數(shù)為:W(s)=S22ZwS#自動控制實驗指導(dǎo)書根據(jù)傳遞函數(shù)畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，并根據(jù)其結(jié)構(gòu)圖和實驗箱所提供的電阻、電容值繪出系統(tǒng)模 擬電路圖。2. 根據(jù)系統(tǒng)模擬電路圖，連接二階系統(tǒng)。觀測二階系統(tǒng)不同系統(tǒng)參數(shù)值的階躍響應(yīng)，測出超調(diào)量、峰值時間和調(diào)節(jié)時間，并記入表2 1。研究參數(shù)變化對動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。表1 1指標(biāo)值參數(shù)值op%tpts階躍響應(yīng)曲線理論值實測值理論值實測值理論值實測值=10 rad/sZ=0,在此寫明電路 中電阻、電容值Z=0.25同上Z=0.5同上Z=1 同上g-100 rad/sZ=0.5同上z=1 同上五、實驗步驟：自擬詳細(xì)可行的實驗步驟。

23、六、預(yù)習(xí)要求1. 掌握模擬仿真實驗的原理以及時域性能指標(biāo)的測試方法。2. 按照實驗中給出的參數(shù)，計算出時域性能指標(biāo)的理論值。3. 畫出實驗結(jié)構(gòu)圖。根據(jù)結(jié)構(gòu)圖畫出實驗線路圖，標(biāo)注元件符號，計算出系統(tǒng)不同參數(shù)下 模擬電路元件的參數(shù)值并填入表中。七、思考題1. 阻尼比Z對系統(tǒng)動態(tài)性能如何影響？2. 積分時間常數(shù)T改變后，超調(diào)量與調(diào)節(jié)時間ts如何變化？實驗中，最少可用幾個運算放大器模擬二階系統(tǒng)？為什么？18自動控制實驗指導(dǎo)書實驗三系統(tǒng)頻率特性測量、實驗?zāi)康?. 掌握頻率特性的基本測試方法，進(jìn)一步理解頻率特性的物理意義。2. 根據(jù)系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性，確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。3. 掌握二階系統(tǒng)的頻域指標(biāo)與時域

24、指標(biāo)的對應(yīng)關(guān)系。、實驗儀器1. EL-AT-II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.輸入、輸出波形直接測試法頻率特性的測量原理，如圖3-1所示。由信號發(fā)生器提供正弦輸入信號，每調(diào)定一個頻率, 待輸出穩(wěn)定后，即可在雙線記錄儀器獲得一組輸入和輸出波形，如圖 3-2所示。低頻信號被測對象y(t)雙線記錄4 aP 發(fā)生器儀器圖3-1頻率特性測量原理幅頻特性G(j恥進(jìn))相頻特性ZG(j 3)=-蟲 3) X360b(3)2.李沙育圖形法將被測對象的輸入信號x(t)和輸出信號y(t) 分別接到示波器的X軸和Y軸，在示波器通常會 顯示出一個橢圓圖形，如圖3-3所示。設(shè)被測對象的輸入和輸出量分

25、別為x(t)=Xmsi nwt圖3-2輸入和輸出波形頻19自動控制實驗指導(dǎo)書y(t)=YmSin t+?( Q幅頻特性：y(t)G(j 訓(xùn)二2Ym(Q)2Xm)相頻特性：當(dāng)t=2nn寸，(n=0,1,2 )X(t) = Xm sinQ = Xm sin2n 冗=0Y(t)=Y(3)=Ym(3)sinQ+ 以 q)sin(K q)=Yo(q)Ym( q)2Ym(q) = sin-1Yo( Q)Ym(Q)=sin-12Yo(q)2Ym(Q)(3-1)式(3-1)對于橢圓長軸在第一、三象限適用；當(dāng)橢圓長軸在第二、四象限時，相位計算公式為:畑=180o-sin-1 韻(3-2)20自動控制實驗指導(dǎo)書應(yīng)

26、該指出的是，輸出大多是滯后于輸入的，Y(t)滯后于X(t),在這種情況下橢圓是逆時針運動， 所以，用上兩式(3-1)、(3-2)計算出的結(jié)果需加一個負(fù)號。如果橢圓是順時針運動，Y(t)超前于X(t), 計算結(jié)果應(yīng)為正。這里取2Xm(Q、2Ym(Q和2Yo( Q只是為了便于測量。3. 測試頻率的選取選取合適的實驗測試頻率的范圍是準(zhǔn)確確定系統(tǒng)頻率特性的關(guān)鍵。因為控制系統(tǒng)都為低通濾波器，在頻率很低時，系統(tǒng)的輸出基本能完全復(fù)現(xiàn)輸入信號。通常，取被測對象轉(zhuǎn)折頻率的1/10作為起始測試實驗頻率。如果被測對象的轉(zhuǎn)折頻率無法知道，則應(yīng)先確定最大測試頻率，首先逐 漸增大輸入信號頻率，直到輸出信號幅值Ym只有q=

27、 0時幅值Y(0)/(50100,此時的頻率確定為 QaP測試頻率可在0OHa;范圍內(nèi)取若干各測試點。四、實驗內(nèi)容及步驟被測系統(tǒng)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-5所示。得轉(zhuǎn)角頻率10.05=20(rad /s)Z = 0.25閉環(huán)傳遞函數(shù)為：“、4001=S + 10S + 400 = 0.052S+ 2 X0.05 X0.25S + 11 根據(jù)被測系統(tǒng)傳遞函數(shù)，畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖和相應(yīng)的系統(tǒng)模擬電路圖。2. 畫出實驗線路圖。3. 確定輸入正弦信號的頻率變化范圍和測試點。4. 用李沙育圖形法測試系統(tǒng)頻率特性，并記錄數(shù)據(jù)表3-1中（也可用輸入、輸出波形直接測 試法測試系統(tǒng)頻率特性）。5. 測試系統(tǒng)的階躍響應(yīng)。實

28、驗步驟1連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。系統(tǒng)電路的輸入 U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，系統(tǒng)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，在桌面雙擊圖標(biāo)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(jìn)行實驗。3在實驗項目的下拉列表中選擇實驗系統(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3-4所示。4. 測試系統(tǒng)階躍響應(yīng)步驟

29、同實驗二。-5000 -4000-3000 -sooo -iooo o iooo 2000 gooo 4000 50005000 驗四 李秒苒圖XY軸單位4000正弦信導(dǎo)濾：3,60 Hz300系祥#觀察周期數(shù)：2 12000采祥頻率：359 Hz0I -1000 、一. ;-2000 *-3000-斗 000-50001.00001 口 OOOXi=500 X2=Y1 =5000 Y2=-5000圖3-4李沙育圖五、實驗報告1. 畫出被測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)、模擬電路圖及實驗線路圖。2. 根據(jù)實測數(shù)據(jù)，畫出Bode圖，求出峰值Mr、峰值頻率g,并與理論值進(jìn)行比較。3. 整理表中的實驗數(shù)據(jù)，并算出理論值

30、和實測值。4. 從階躍響應(yīng)曲線中求出超調(diào)量cp%根據(jù)實驗得到Mr值計算出cp%將以上兩個勺勺結(jié)果進(jìn)行比較，分析二階系統(tǒng)的頻域指標(biāo)與時域指標(biāo)的關(guān)系。5. 討論李沙育圖形法測量頻率特性的精度。表3 1f0=2 nlg a2Xrn( 02Ym( 02Yo( 0:A(0“、.-i 2Yo(0)0)= sin:(2Ym(0)六、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)a( 0曲線與匕a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。畫出系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、模擬電路圖及實驗線路圖。23自動控制實驗指導(dǎo)書24自動控制實驗指導(dǎo)書實驗四

31、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正、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。、實驗儀器1. EL-AT-II型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2計算機一臺三、實驗原理校正就是指在系統(tǒng)中加入一些裝置(其參數(shù)可根據(jù)需要調(diào)整)，使系統(tǒng)特性發(fā)生變化，從而滿 足性能要求的系統(tǒng)，按照規(guī)定的性能指標(biāo)確定校正裝置的型式和參數(shù)。四、實驗內(nèi)容1.串聯(lián)超前校正設(shè)計5已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：Go(S)=0.2S(0.5S + 1)要求系統(tǒng)滿足以下性能指標(biāo)：op% 25(1/s)o校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4-1 o圖中Gc(s)為校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，其模擬電路

32、如圖4-2所示，傳遞U15Gc(s)10.5S + 10.2S+_.: 1u2圖4-1超前校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖函數(shù)為Gc(s)= KTiS + 1T2S + 1_ R2 + R3=&=(膽 +RJC; T2R2 + R3當(dāng)Gc(s)= 1時，即為未校正系統(tǒng)。系統(tǒng)的輸入和輸出分別接A/D、D/A卡的DA1輸出和AD1輸入。(1)根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)電路的參數(shù)。25自動控制實驗指導(dǎo)書(2)根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，畫出實驗?zāi)M電路圖，標(biāo)明元件參 數(shù)值。 測試系統(tǒng)校正前、后的階躍響應(yīng)指標(biāo)和響應(yīng)曲線，記入表4-1中。表4-1項目校正前校正后qp%tp階 躍 響 應(yīng) 曲 線2. 串聯(lián)滯后校正 已知單位反饋系

33、統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為1G(S)=0.1S(0.1S + 1)(0.2S+1)當(dāng)輸入為單位斜波信號時，系統(tǒng)應(yīng)滿足以下指標(biāo)：Y 紹0 度；Kg10dB ; Kv 為0(1/s。校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4-3。圖中Gc(s)為校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)，其模擬電路如圖4-4所示,26自動控制實驗指導(dǎo)書#自動控制實驗指導(dǎo)書0.1S + 1Gc(s)_1_0.2S + 1_1_0.1Su2#自動控制實驗指導(dǎo)書圖4-3滯后前校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)的輸入和輸出分別接A/D、D/A卡的DA1輸出和AD1輸入。(1) 根據(jù)系統(tǒng)的性能要求，設(shè)計校正網(wǎng)絡(luò)電路的參數(shù)。(2) 根據(jù)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，畫出實驗?zāi)M電路圖，標(biāo)明元件參數(shù)值。 測試校正前、

34、后的階躍響應(yīng)指標(biāo)和曲線，記入表4-1中。五、實驗步驟：自擬六、實驗報告27自動控制實驗指導(dǎo)書1. 畫出實驗系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖、模擬電路圖及實驗線路圖。2. 校正設(shè)計的要求和設(shè)計過程。3. 求出校正前后系統(tǒng)時域和頻域指標(biāo)。4比較校正前后系統(tǒng)響應(yīng)曲線和性能指標(biāo)，分析校正的作用及特點。表4-2項目校正前校正后qp%tp階 躍 響 應(yīng) 曲 線七、預(yù)習(xí)要求1. 畫出系統(tǒng)模擬電路圖和實驗線路圖。2. 計算串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)和校正網(wǎng) 絡(luò)模擬電路參數(shù)。八、思考題1. 加超前校正和滯后校正的作用是什么？并結(jié)合實驗加以解釋。2. 有源校正網(wǎng)絡(luò)和無源校正網(wǎng)絡(luò)各有什么特點和不同？3. 如何根據(jù)校正網(wǎng)絡(luò)模擬電路寫出傳遞函數(shù)

35、？對于二階系統(tǒng)，穩(wěn)態(tài)誤差如何測得？28自動控制實驗指導(dǎo)書實驗五典型非線性環(huán)節(jié)實驗一、實驗?zāi)康?. 了解非線性環(huán)節(jié)的特性。2. 掌握非線性環(huán)節(jié)的模擬結(jié)構(gòu)。二、實驗儀器1. EL-AT-II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. 非線性特性的測量方法非線性特性的測量線路如圖5-1所示。三角波發(fā)生器的輸出DA1接至被測非線性環(huán)節(jié)的輸入 端，而非線性環(huán)節(jié)的輸出接至AD/DA卡的采集輸入端AD1這樣運行軟件，可以從軟件界面上看 到輸入和輸出波形。5-1非線性特性測量電路29自動控制實驗指導(dǎo)書四、實驗內(nèi)容1. 死區(qū)特性死區(qū)特性模擬電路及輸出特性曲線如圖5-2所示。改變R1、R2的阻值可改變死

36、區(qū)寬度M2. 飽和特性、繼電器特性和滯環(huán)繼電器特性飽和特性、繼電器特性和滯環(huán)繼電器特性的模擬電路及輸出特性曲線如圖 5-4。改變R1、R2R3 R4的阻值，使a的值大于、等于、小于1,即可得到不同的模擬繼電器特性。L0五、實驗步驟1. 啟動計算機，在桌面雙擊圖標(biāo)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(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. 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗非線性實驗。5.

37、 鼠標(biāo)單擊空按鈕，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)果結(jié)果。6. 觀測顯示的波形及數(shù)據(jù)（由實驗報告確定），記入表5-1中。表5-1參數(shù)模擬環(huán)節(jié)R1 R2 R3 R4特性曲線死區(qū)特性飽和特性理想繼電器特性滯環(huán)繼電器特性六實驗報告1. 畫出典型非線性環(huán)節(jié)的模擬電路圖及實測特性曲線。2. 調(diào)節(jié)電路參數(shù)，觀測并討論參數(shù)對非線性特性的影響。七、預(yù)習(xí)要求1. 閱讀實驗原理及實驗內(nèi)容，掌握各種典型非線性環(huán)節(jié)特性的模擬方法和非線性特性曲線 的測量方法。分析非線性環(huán)節(jié)模擬電路，求出電路元件參數(shù)與非線性環(huán)節(jié)特性的關(guān)系。31自動控制實驗指導(dǎo)書實

38、驗六非線性系統(tǒng)相平面法研究、實驗?zāi)康?. 了解相平面分析法，由相軌跡圖分析系統(tǒng)的各項動態(tài)、靜態(tài)性能。2. 用相平面法分析典型非線性系統(tǒng)的性能指標(biāo)。、實驗儀器1. EL-AT-II型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2. 計算機一臺三、實驗原理相平面圖表征系統(tǒng)在各種初始條件下的運動過程，相軌跡則表征系統(tǒng)在某個初始條件下的運 動過程，相軌跡可用圖解法求得，也可用實驗法直接獲得。當(dāng)改變階躍信號的幅值，即改變系統(tǒng) 的初始條件時，便可獲得一系列相軌跡。根據(jù)相軌跡的形狀和位置就能分析系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn) 態(tài)誤差。將帶有飽和特性的模擬電路引入線性系統(tǒng)中，便構(gòu)成非線性系統(tǒng)。飽和特性的飽和電壓為 2.5V。四、實驗內(nèi)容1.

39、二階線性系統(tǒng)相平面圖測量，其系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖6-1。圖6-1線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖32自動控制實驗指導(dǎo)書#自動控制實驗指導(dǎo)書(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)圖畫出系統(tǒng)模擬電路圖。e接A/D、D/A卡的AD1端，e接AD2端。 分別輸入兩個不同幅值的階躍信號，測量系統(tǒng)的相軌跡圖和超調(diào)量cp%。2. 飽和特性非線性系統(tǒng)相平面測量和分析，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6-2。R(s).#自動控制實驗指導(dǎo)書#自動控制實驗指導(dǎo)書圖6-2非線性系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖33自動控制實驗指導(dǎo)書(1)根據(jù)結(jié)構(gòu)圖畫出系統(tǒng)模擬電路圖。e接A/D、D/A卡的AD1端，e接AD2端。 分別輸入兩個不同幅值的階躍信號，測量系統(tǒng)的相軌跡圖和超調(diào)量cp%。表6-1項目線性系統(tǒng)非線性系

40、統(tǒng)1(t)=1 伏1(t)=5 伏1(t)=1 伏1(t)=5 伏c%振蕩 次數(shù)相 平 面 圖四、實驗步驟自擬五、實驗報告1. 畫出系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和模擬電路圖。2 .繪制相軌跡圖，并從中求出超調(diào)量，分析非線性特性對系統(tǒng)性能的影響3. 計算系統(tǒng)的相軌跡點，并且和實驗結(jié)果比較。4. 說明相軌跡與階躍響應(yīng)曲線的關(guān)系。六、預(yù)習(xí)要求1 .預(yù)習(xí)圖解法分析非線性的方法。2 .畫出系統(tǒng)模擬電路圖和實驗線路圖。?3. 在模擬電路中確定e信號點。七、思考題1. 在具有飽和特性的系統(tǒng)中，分別輸入一個大幅值和一個幅值的階躍信號，系統(tǒng)的輸出響 應(yīng)曲線有何不同，為什么？2你在實驗中觀察到的奇點是什么類型？能否用實驗方法觀察

41、到其它奇點？實驗七采樣定理實驗、實驗?zāi)康?. 了解采樣過程和信號恢復(fù)過程，并掌握基本原理。2. 驗證采樣定理。、實驗儀器1. EL-AT-II型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 計算機一臺三、實驗原理采樣保持器的結(jié)構(gòu)圖如圖7-1所示。圖中，x(t)為正弦輸入信號，x*(t)為采樣器輸出信號，Xh(t) 為零階保持器輸出信號。(1-e-TS)/S為零階保持器的傳遞函數(shù)。*DA1 x(s)x (s).“TS1- exs)慣性AD2TS環(huán)節(jié)圖7-1采樣一零階保持器結(jié)構(gòu)圖在本實驗中，A/D、D/A卡的DA1端輸出正弦信號x(t), AD1是采樣器的輸入端，采樣器輸出 信號x*(t)由A/D、D/A卡內(nèi)部送到計

42、算機顯示屏顯示。當(dāng)選則采樣實驗參數(shù)設(shè)置對話框(如圖7-2 ) 中的“恢復(fù)”時，A/D、D/A卡的DA2端為零階保持器輸出信號冷。7-2圖采樣實驗參數(shù)設(shè)置四、實驗內(nèi)容1.正弦信號測試U1E/A1沁)Y1Vd 1 5Hz圖7-3正弦信號測試圖2.采樣過程0 OLuf3.采樣保持U1D/A1A/D1)EMzA/C圖7-4采樣測試圖U2 二 K蚯口Y2圖7-5采樣保持測試圖4.驗證采樣定理實驗線路同采樣恢復(fù)實驗，改變采樣時間間隔，從10MS以次加大，取其 值為20mS,30mS,100mS!察Xh（t）波形，對比輸入信號頻率與采樣頻率之間的關(guān)系。五、實驗步驟1. 啟動計算機，在桌面雙擊圖標(biāo)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(jìn)行實驗。檢測信息3. 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖7-3）。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，