3自动控制原理实验指导书

1自动控制原理实验指导书浙江海洋学院机电工程学院二○一二年三月2前言一、自动控制理论实验的任务自动控制理论实验是自动控制理论课的一部分，它的任务是：1.通过实验进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法。2.学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术。3.提高应用计算机的能力及水平。二、实验设备自动控制理论实验所使用的设备由计算机、A/DD/A接口板、模拟实验电路以及直流稳压电源组成（见图1），其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制及数据处理的作用，模拟电路起被控对象的作用。图1板上装有8个运算放大器，与电阻、电容相配合，可以构成多种特性的被控对象；板上有A/D、D/A模块，它起模拟信号与数字信号的转换作用；可根据实验需要产生不同的信号（阶跃、斜波、抛物波、正弦波），直流稳压电源为+12V、-12V，为模拟电路供电；箱子背后有跟计算机相连接的串口通讯。这样，一套实验设备可以构成一个自动控制元件，也可以构成一个自动控制系统，并对其特性进行测量。所有的自动控制理论课实验都是在这套装置上完成的。三、对参加实验学生的要求1.阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确每次实验的目的，了解实验内容和方法。2.按实验指导书要求进行接线和操作，经检查和指导教师同意后再通电。3.在实验中注意观察，记录有关数据和图像，并由指导教师复查后才能结束实验。4.实验后应断电，整理实验台，恢复到实验前的情况。5.认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线，并分析实验结果。字迹要清楚，画曲计算机显示器D/AA/D模拟电路±12V电源3线用坐标纸，结论要明确。6.爱护实验设备，遵守实验室设备。目录实验一典型环节的模拟研究.......................................................................................................4实验二典型系统瞬态响应和稳定性...........................................................................................8实验三系统校正.....................................................................................................................14实验四控制系统的频率特性.....................................................................................................17实验八采样系统分析.................................................................................................................30实验九采样控制系统的校正.....................................................................................................33实验十状态反馈.........................................................................................................................364实验一典型环节的模拟研究一、实验目的1.学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。2.学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。二、实验方框图及电路图1.各典型环节的方块图及传递函数典型环节名称方块图传递函数比例（P）)(SUi)(SUOKKsUsUiO)()(积分（I）TS1)(SUi)(SUOTSsUsUiO1)()(比例积分（PI）TS1K)(SUi)(SUOTSKsUsUiO1)()(比例微分（PD）)(SUi)(SUOKTS1)1()()(TSKsUsUiO惯性环节（T）)(SUi)(SUO1TSK1)()(TSKsUsUiO5比例积分微分（PID）STi1STdPK)(SUi)(SUOSTSTKsUsUdiPiO1)()(2.各典型环节的模拟电路图及输入响应各典型环节名称模拟电路图输出响应比例（P）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-Dec-2005SheetofFile:E:\yejiying\实验室\自动控制原理实验指导书\MyDesign.ddbDrawnBy:51KR10KR10KUo51KR0UiR1KtUO)((0t)其中01/RRK积分（I）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-Dec-2005SheetofFile:E:\yejiying\实验室\自动控制原理实验指导书\MyDesign.ddbDrawnBy:51KR10KR10KCUo51KR0UiTttUO/)((0t)其中CRT0比例积分（PI）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-Dec-2005SheetofFile:E:\yejiying\实验室\自动控制原理实验指导书\MyDesign.ddbDrawnBy:R10KR10KCUoR0UiR10K测量点TtKtUO/)((0t)其中01/RRKCRT0比例微分（PD）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-Dec-2005SheetofFile:E:\yejiying\实验室\自动控制原理实验指导书\MyDesign.ddbDrawnBy:R10KR10KUoR0UiR1R3CR2KtKTtUO)()(其中)(t为单位脉冲函数021)(RRRK1212()RRTCRR6惯性环节（T）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:9-Dec-2005SheetofFile:E:\yejiying\实验室\自动控制原理实验指导书\MyDesign.ddbDrawnBy:R10KR10KCUoR0UiR1)1()(/TtOeKtU其中01/RRKCRT1各典型环节名称模拟电路图输出响应比例积分微分（PID）123456ABCD654321DCBATitleNumberRevisionSizeBDate:12-Dec-2005SheetofFile:E:\yejiying\实验室\自动控制原理实验指导书\MyDesign.ddbDrawnBy:R10KR10KUoR0UiR1R3C2R2C其中)(t为单位脉冲函数01/RRKPCRTi00221/RCRRTd三、实验内容及步骤（1）观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。①准备：使运放处于工作状态。将信号源单元（1USG）的ST端（插针）与＋5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态。②阶跃信号的产生：电路可采用图1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（13USP）及“电位器单元”（14UP）组成。图1—1单脉冲信号iPdOTtKtTtU)()(7具体线路形成：在13USP单元中，将H1与+5V插针用“短路块”短接，H2插针用排线接至14UP单元的X插针；在14UP单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。以后实验若再用到阶跃信号时，方法同上，不再叙述。实验步骤：①按2中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例）。（PID先不接）②将模拟电路输入端（1U）与阶跃信号的输出端Y相联接；模拟电路的输出端（0U）接至示波器。③按下按钮（或松开按钮）H时，用示波器观测输出端的实际响应曲线)(0tU，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。④同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线。（2）观测PID环节的响应曲线。实验步骤：①此时1U采用1USG单元的周期性方波信号（1U单元的ST的插针改为与S插针用“短路块”短接，11S波段开关置于“阶跃信号”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关12S和电位器11W调节，信号幅值由电位器12W调节。以信号幅值小。信号周期较长比较适宜）。②参照2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。③将①中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（1U），用示波器观测PID输出端（0U），改变电路参数，重新观察并记录。四、实验报告（1）画出比例、积分、比例积分、比例微分、惯性环节及比例积分微分环节的模拟电路图，记录各典型环节的响应曲线。（2）分析各典型环节的传递函数。（3）计算各典型环节的输出响应公式。（4）由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路图计算的传递函数相比较。8实验二典型系统瞬态响应和稳定性一、实验目的1.研究二阶系统的特征参数、阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响。定量分析和n与最大超调量PM和调节时间st之间的关系。1．典型二阶系统①典型二阶系统的方块图及传递函数图2—1是典型二阶系统原理方块图，其中0T＝1S，1T=0.1S，1K分别为10、5、2.5、1。图2—1典型二阶系统方块图开环传函：其中K=01/TK=1K=开环增益闭环传函：其中表2-1列出有关二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼，过阻尼）下具体参数的表达式，以便计算理论值。表2-101+11KK=1K/0T=1Kn)11.0()1()(11SSKSTSKSG2222)(nnnwwSwSW110/21TKT011/TTKwn111STKST01)(SR)(SE)(SC110/nwKTT9C②模拟电路图：见图2—2图2—2典型二阶系统模拟电路图2.典型三阶系统①典型三阶系统的方块图：见图2—3图2—3典型三阶系统方块图开环传递函数为：)11.0(/100)101()(1SSRSSKSG122STKST01)(SR)(SC111STK200K200K500K200KR1uF100K10K10Kr(t)C(t)测量点2uF-C(t)R=10K,40K,100K10其中，021/TKKK（开环增益）模拟电路图：见图2—4图2—4典型三阶系统模拟电路图开环传函为(其中K＝510/R)3.实验内容及步骤准备：将“信号源单元”（1USG）的ST端（插针）与＋5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态。（1）典型二阶系统瞬态性能指标的测试①按图2—2接线，R=10K。②用示波器观察系统阶跃响应)(tC，测量并记录超调量PM，峰值时间pt和调节时间st。记录表2中。③分别按R=20K；40K；100K改变系统开环增益，观察相应的阶跃响应)(tC，测量并记录性能指标PM、pt和st，及系统的稳定性。并将测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。表2参数项目R千欧K(1/S)Wn(1/S))(tpC)(C(%)PM)(stp)(sts测量计算测量计算测量计算)1)(1()()(21STSTSKSHSG)12.0)(11.0(/510)()(SSSRSHSG200K200K500K200K100K1uF100K10K10KU(i)C(t)测量点200KR47