自控原理实验指导书G

1绪论实验特点实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法和操作技能，特别着重于对学生能力的培养，包括自学能力、动手能力、数据分析处理能力、运用理论解决实际问题的能力、初步科研实验能力、文字表达能力等。实验中学生可灵活运用所学的理论知识，学会分析和解决实验中出现的问题。培养实践动手能力，同时验证理论。加强理论与实验的统一，实践─理论─再实践可使认识不断提高，深化，并进一步有新发现，有新创新。实验进行方式为了提高效率，讲求实效，取得预期的收获，实验建议按以下方式进行。一、实验预习：预习是实验前重要准备工作，是保证实验顺利进行的必要步骤，也是培养学生独立工作能力，提高实验质量与效率的重要环节。要求做到：1.实验前应复习有关课程的章节，熟悉有关理论知识。2.认真阅读实验指导及有关实验装置介绍，了解实验目的、内容、要求和实验原理。明确实验过程中应注意的问题。有些内容可到实验室对照实物预习（如熟悉所有仪器设备，抄录仪器设备型号等)。3.画出实验线路图，明确接线方式，拟出实验步骤，列出实验时需记录的各项数据表格。算出事先需要计算的数据。4.实验预习需实验前每人写一份预习报告，预测实验结果及大致趋势，做到心中有数。二、实验进行整个实验过程中必须严肃认真，集中精力及时做好实验。21.预习检查，严格把关：实验开始前由指导教师检查预习质量(包括对本次实验的理解，认识及预习报告)，当确认已做好了实验前的准备工作方可开始实验，对于因没有预习而对本次实验的目的、内容、方法、要求了解很差的同学，拒绝其实验。2.按图接线，力求简明：根据拟定的的实验线路及选用的仪表设备，按图接线，力求简单明了。3.确保安全，检查无误：为确保安全，线路接好后请指导教师检查确认无误后方可通电。4.按照计划，操作测试：按实验步骤，由简到繁，逐步进行操作测试，实验中要严格遵守操作规程和注意事项。仔细观察实验中的现象，认真做好数据测试工作，并结合理论分析与预测趋势相比较，判断数据的合理性。做到实验内容完整，数据正确。5.认真负责，完成实验：实验完毕，应将记录数据交指导教师审阅，经指导教师认可签字后才允许拆线，整理现场，并做到物归原处。三、实验报告实验报告是实验工作的总结，提高和最后成果，也是对学生分析能力和工作能力的进一步培养锻炼，因此必须独立书写，每人一份，应对实验数据及实验中观察和发现的问题，进一步整理讨论、分析研究，得出结论，写出心得体会，以便积累一定的实际经验。编写实验报告应具严肃认真的科学态度，报告要求条理清楚，简明扼要，字迹端正，图表整洁，分析认真，结论明确。实验报告内容主要包括以下几方面：1.实验名称、专业班级、组别、姓名、同组同学姓名、实验日期。2.列出实验仪器的型号。3.实验目的和要求。4.绘出实验时所用的线路图。5.写出实验项目，调试步骤，总结调试方法。6.整理实验数据，在记录的表格上应注明试验条件。7.画出实验所得的曲线波形，对这些数据和图形加以分析总结，得出明确结论。8.分析讨论实验中遇到的问题。写出心得体会以及合理化建议和改进措施。3实验一典型环节的模拟研究实验学时：2实验类型：验证实验要求：选修一、实验目的：１、学习典型环节的模拟电路的构成方法及参数测试方法。２、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。３、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。４、学习超低频示波器和超低频信号发生器的使用方法。二、实验仪器：１、电子模拟装置１台自制２、超低频双踪示波器１台型号DF4313D３、函数信号发生器１台型号JY8112D三、实验原理和电路：本实验是利用运算放大器的基本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等），设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。典型环节方块图及其模拟电路如下：１、比例（Ｐ）环节微分方程c(t)＝kr(t)传递函数K)s(R)s(C模拟电路如图1-1所示:K)s(R)s(C12RRKR1＝51KR0＝270KR2＝51K、510Kr(t)R0图1--1C(t)R2R14由于输入信号r(t)是从运算放大器的反相端输入，所以输出信号在相位上正好相反，传递函数中出现负号。有时为了观测方便，也可以在输出端串一个反相器如图1-2所示。R0信号发生器模拟电路Y1Y2510K510K图1--2从输入端加入阶跃信号，观测不同的比例系数Ｋ时的输出波形，并作记录。(绘制曲线时，应将输入、输出信号绘制于同一坐标系中，以下记录波形时都这样处理)。２、积分(I)环节微分方程)t(r)t(d)t(dcT传递函数Ts1)s(R)s(C模拟电路如图1-3所示:Ts1)s(R)s(C其中:T=R1C改变电阻R1或电容C的大小,可以得到不同的积分时间常数T。输入阶跃信号，观测T=0.5秒、5秒时的输出波形,并作记录。３、惯性(T)环节(一阶系统)微分方程)t(kr)t(cdt)t(dc.T传递函数1TsK)s(R)s(C模拟电路如图1-4所示:图1--4r(t)R0C(t)R1CR2r(t)R0图1C(t)R1C3--51TsK)s(R)s(C其中:12RRKT=R2C从输入端加入阶跃信号(或方波信号)。①保持k=1不变,分别观测T=0.5秒、5秒时的输出波形,并作记录。②保持T=R2C=0.5秒不变,分别观测K=1,10时的输出波形,并作记录。波形记录应比较准确，特别是时间刻度的测定。４、比例积分(PI)环节传递函数TS1K)S(R)S(C模拟电路如图1-5所示:)TS1K()S(R)S(C其中:12RRKT=R1C５、比例微分(PD)环节传递函数)TSK()S(R)S(C模拟电路如图1-6所示:)TSK()S(R)S(C其中:132RRRCRRRRT3232四、实验步骤１、检查电源是否接好。２、按模拟线路图接线,仔细检查,确认接线无误后方能接通电源开始进行测试。附实验记录表格(供参考)r(t)图1--5C(t)CR2R0R1r(t)R0C(t)R1CR2R3R4图1--66环节P（R2=510K）I（R1=510K）R1=R1=C=C=阶跃响应波形理想实测环节T（R2=510K）PIPDC=1ufR1=R2=R1=R1=R1=C=C=阶跃响应波形理想实测注:模拟装置、超低频信号发生器及示波器的使用方法请参考附录1-1,1-2,1-3。五、实验报告：写出实验报告一份，至少包括下述各项内容。１、应有本实验的原理方块图，实际接线图及相应的文字说明。２、将实验所得数据、曲线整理成便于阅读、对比的一览表。３、写出实验后的收获、心得体会和对实验的意见建议。7实验二：二阶系统阶跃响应分析实验学时：2实验类型：设计实验要求：必修一、实验目的：1、学会用电子模拟装置(以集成运算放大器为主体)构成一个闭环模拟二阶系统的方法。2、掌握测试二阶系统时域性能指标的方法。3、通过实验进一步加深对二阶系统特性的认识和理解以及系统参数对系统特性的影响。4、掌握各种仪器的使用。二、实验仪器：1、电子模拟装置1台自制2、超低频双踪示波器1台型号DF4313D3、超低频信号发生器1台型号JY8112D4、万用表1只型号DT-830三、实验原理：二阶系统的原理方框图如图2-1所示1ks21kTsr(t)C(t)ttC(t)r(t)图2-1二阶系统原理方块图(0ζ1)一个二阶系统外加一个阶跃输入时，即有一个输出响应，它表征了该系统的控制特性。当系统的参数变化时，其控制特性也随之变化。决定一个二阶系统特性的主要参数有二个，一个是阻尼比ζ，另一个是无阻尼自振频率8ωn。当这两个参数变化时,二阶系统阶跃响应的诸特征量(如最大超调量σp，调节时间ts等)都将随之变化。当系统的其它参数固定不变时，可以通过改变系统的放大倍数Ｋ来选取所需的ζ和ωn值。（建议惯性时间T=0.5S）系统的闭环传递函数为：122212kkKTSSkkTSSK其中ζ和ωn的表达式分别为：112TKnKT对应于不同的阻尼比ζ时的二阶系统单位阶跃响应曲线（理论曲线）如图2-2所示:图2-2二阶系统的单位阶跃响应曲线四、实验要求：本实验所用的闭环模拟二阶系统实验电路是在电子模拟装置上用运算放大器分别组成一个积分环节，一个惯性环节，然后串联构成闭合回路而成，其原理结构如图2-1所示，注意，实际的实验电路不是原理方块图的简单组合。二阶系统的实验电路图由学生实验前设计。构成系统诸环节的放大倍数Ki（i=1、2、……）中至少有一个应是可调的，以便在实验时选取不同的阻尼比ζ值。五、实验内容与方法：１、用超低频双踪示波器同时观察并大致描绘二阶系统的阶跃响应曲线与理论曲线作比较；２、在超低频双踪示波器上分别记下对应于不同ζ值时表征系统阶跃响应的主要性能指标，9过渡过程时间ts，最大超调量σp以及振荡次数N等，并与理论计算比较；３、选择一个ζ值（最好是欠阻尼状态），在教师指导下，用智能信号测试仪记录其阶跃输入与响应曲线，并对响应曲线作分析。上述实验中所须不同的ζ值原则上均可通过改变系统的放大倍数K值来实现，ts值可通过示波器读出。六、实验预习要求：１、进一步加深了解电子模拟装置的使用方法，附录1-1中绘出了电子模拟放大装置的面板图，该装置有八个运算放大器，模拟运算单元。２、根据实验要求，设计好电子模拟装置组成的闭环模拟二阶系统实验电路图，并绘出它与示波器的连接图。３、根据实验内容，应先复习课堂教学有关内容，深入地了解二阶系统的特性及各参数对特性的影响，预先正确地确定实验所需的ζ值、ωn，并计算出相应的放大倍数K值，以及考虑实验时如何实现这个值，注意确定K值所用元件参数要以所提供的实验器材为依据，不能随意选择。４、拟出实验步骤。５、熟悉示波器等测试仪器的使用方法，参考附录1-2、3。上述2、3、4项在实验前未完成者或在规定时间内未修改正确者均取消其实验资格，并按实验不及格计。七、参考书：１、《自动控制原理》李友善编，国防工业出版社，2000.10２、《模拟电子技术基础》童诗白等主编，高等教育出版社，2002.5八、注意事项：１、电源不得接错，电子模拟装置上运算放大器以及构成系统后的输出均不得短路，以免烧坏运算放大器。２、实验时输入信号不要过大，以免引起运放饱和。九、实验报告要求：写出实验报告一份，可根据实验的结果收获与体会等自行编制，但至少应包括下述各项内容。10１、应有本实验的原理方框图，实际接线图及相应的文字说明。２、将实验所得数据、曲线整理成便于阅读、对比的一览表。３、将系统参数变化所得不同阶跃响应特征量的理论计算值与实验测得值列于一个表中。４、完成实验所必须的元件参数计算结果以及实验方法。11实验三线性控制系统稳态误差分析实验学时：2实验类型：设计实验要求：必修一、实验目的：１、了解系统在各种不同点控制信号作用下的稳态误差；２、观察作用于不点的扰动信号对系统形成的稳态误差。二、实验仪器：１、电子模拟装置１台自制２、超低频双踪示波器１台型号DF4313D３、超低频信号发生器１台型号JY8112D4、万用表1只型号DT-830三、实验原理：对于稳定的控制系统来说，稳态性能的优劣一般是根据反应某些典型输入信号的稳态误差来评价的，所以需要对系统的稳态误差进行讨论。设系统结构图如图3-1所示:R(s)F(s)C(s)1()Gs2()Gs()Hs图3-1系统结构图一般定义)()()()()(1SHSHSCSRLte12或)]S(C)S(H)S(R[L)t(e1为误差信号若H(s)=1时,则e(t)=L-1〔R(S)-C(S)〕,就可以比较方便地通过观察输入信号与输出信号之差来分析系统的稳态误差ess,为此,本实验的控制系统采用单位反馈系统,其方块图如图3-2所示。此时，E(S)=ε(S),它是一个二阶系统。1ks21kTsR(s)C(s)E(s)图3-2二阶系统方块图系统的误差：E(s)=R(s)-C(s)=)()1()1(])()(1)[(sRKTssTsssRsCsR=φe(s)=)()1()1(sRKTssTss利用终值定理,得系统稳态误差稳