自动控制原理实验室实验指导书

目录前言..................................................................................................................................................2实验一典型环节及其阶跃响应...................................................................................................3实验二二阶系统阶跃响应...........................................................................................................6实验三设计性实验：控制系统的稳定性分析...........................................................................9实验四系统频率特性测量.........................................................................................................10实验五连续系统串联校正.........................................................................................................12实验六数字PID控制................................................................................................................15实验七状态反馈与状态观测器...................................................................错误!未定义书签。实验八解耦控制...........................................................................................错误!未定义书签。实验九采样实验...........................................................................................错误!未定义书签。实验十非线性实验.......................................................................................错误!未定义书签。预习报告.........................................................................................................................................182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程的一部分，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/D，D/A接口板，模拟实验电路、打印机及其直流稳压电源组成（见下图），其中计算机根据不同的实验分别起信号产生与测量、显示、系统控制DA及数据处理的作用；模拟电路起被控对象的作用。图自动控制理论实验设备板上装有6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；在计算机箱内，插有A/D，D/A接口板，它起模拟信号与数字信号的转换作用；可根据软件产生不同的信号（阶跃、三角、正弦），直流稳压电源为＋12V，－12V，为模拟电路供电；打印机可以把有关的信号及其图形记录下来，不过在一般情况下，作实验时并不连接打印机，需要时再连接。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，经检查和指导老师同意后再通电。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，画曲线要用坐标纸，结论要明确。6.爱护实验设备，遵守实验室纪律。*注：本实验指导书适用于自动控制原理A、自动控制原理B、现代控制理论等课程显示器计算机打印机A/D，D/A模拟电路V12电源3实验一典型环节及其阶跃响应一、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、实验内容构成下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。1.比例环节的模拟电路及其传递函数示于图1-1。12)(RRsG图1－12.惯性环节的模拟电路及其传递函数示于图1-2。1)(TSKsG12RRKCRT2图1－23.积分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-3。TSsG1)(RCT图1－34.微分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-4。R1100KR2200KU1D/A1U2A/D1C1ufR1100KR2200KU1D/A1U2A/D1R1100KU1D/A1U2A/D1C1uf4RCSsG)(图1－45.比例加微分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-5。)1()(TSKsG12RRKCRT2图1－56.比例加积分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-6。)11()(TsKsG12RRKCRT2图1－6三、软件使用：1.在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2.选择实验三：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。3.参数设置：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。1）采样周期设置：选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。最小周期0.01S。2）采样点数设置：选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER确认输入完成。3）输入阶跃信号幅值设置：选中输入电压菜单项，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入阶跃信号幅值，按ENTER确认输入完成。输入R2100KU1D/A1U2A/D1C1ufC10.01ufR1100KR2100KU1D/A1U2A/D1C10.01ufC1ufR1100KR2100KU1D/A1U2A/D1C1uf5范围为0~2.5V。4.运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。如想采集终止，请按ESC键。5.退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实验。如想退出DOS，应按ESC。四、实验步骤1．连接被测量典型环节的模拟电路及A/D，D/A连线，检查无误后接通电源。2．启动计算机，运行AT.EXE，设置T和N。参考值：T=0.05妙，N=200。3．观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据。4．记录波形及数据（由实验报告确定）。五、实验报告1．画出惯性环节，积分环节，比例加微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的惯性环节，积分环节，比例加微分环节的响应曲线。2．由阶跃响应曲线计算出惯性环节，积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。6实验二二阶系统阶跃响应一、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p和调节时间st之间的关系。2．进一步学习实验仪的使用方法。3．学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验原理及电路典型二阶系统的传递函数为：2222)(nnnss（1）其中和n对系统的动态品质有决定的影响。二阶系统模拟电路如图2－1图2－1电路的结构图如图2－2图2－2经计算，系统闭环传递函数为RCS112RRRCS1－－R100KU1D/A1U2A/D1R100KR100KR100KU2A/D1R1100KR2500KR100KR100KC1ufC1uf72221)(1)(1)(2)(TsTKsTsUsUs（2）式中RCT，12RRK。比较（1），（2）二式，可得RCTn111222RRK（3）由（3）式可知，改变比值12RR，可以改变二阶系统的阻尼比。改变RC值可以改变无阻尼自然频率n。令取KR2001，KR500~02（2R由电位器调节），可得实验所需的阻尼比。电阻R取K100，电容C分别取f1和f1.0，可得到两个无阻尼自然频率n。三、实验步骤1．了解实验仪，熟悉实验仪的使用方法。2．取sradn10，即令KR100，fC1；分别0、0.25、0.5、0.7、1、2，即取KR1001，2R（2R由电位器调节）分别等于0、K50、K100、K140、K200、K400。输入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量p和调节时间st的数值和响应的动态曲线，并与理论值比较。3．取5.0，即取KRR10021；sradn100，即取KR100，fC1.0注意：两个电容值同时改变，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量p和调节时间st。4．取KR100，fC1，KR1001，KR502，测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录st和p的数值。四、软件使用：1．在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2．选择实验三：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。3．参数设置：按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。1）采样周期设置：选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。最小周期0.01S。2）采样点数设置：选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER确认输入完成。3）输入阶跃信号幅度设置：选中输入电压菜单项，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入阶跃信号幅值，按ENTER确认输入完成。输入范围为0~2.5V。4．运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。如想采集终止，请按ESC键。5．退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实验。如想退出DOS，应按ESC。五、实验预习要求81．通过理论分析分别求出实验步骤中所对应的和n值下阶跃响应的最大超调量p和调节时间st以备与实验时比较。2．通读实验指导书，了解实验目的、要求、实验步骤和实验设备。六、实验报告1．画出二阶系统的模拟电路图，并求参数、n的表达式。2．把不同和n条件下测量的p和st列表，根据测量结果得出响应结论。3．根据步骤3画出系统响应曲线，再由st和p计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。9实验三设计性实验：控制系统的稳定性分析一．实验目的：1．观察系统的