自动控制理论实验指导书仿真部分Word格式文档下载.docx

1、 G（S）= K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C3积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。 G（S）=1/TS T=RC 4微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。G（S）= RCS5比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。 G（S）= K（TS+1） K=R2/R1，T=R2C 6比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6。 G（S）=K（1+1/TS）五、实验步骤1启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。比例环节3连接被测量典型环节的模拟电路（图1-1）。4在实验课题下拉菜单中选择实

2、验一典型环节及其阶跃响应 。5鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。6观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。7记录波形及数据（由实验报告确定）。惯性环节8连接被测量典型环节的模拟电路（图1-2）。9实验步骤同47。积分环节10连接被测量典型环节的模拟电路（图1-3）。11实验步骤同47。微分环节12连接被测量典型环节的模拟电路（图1-4）。13实验步骤同47。比例+积分环节14连接被测量典型环节的模拟电路（图1-6）。15实验步骤同47。16测量系统的阶跃响应曲线，并记入表1-1。六、实验报告1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。2将实验中测得的曲线、

3、数据及理论计算值，整理列表。七、预习要求1阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。2分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理。表 1-1参数阶跃响应曲线tS（秒）理论值实测值R1=R2=100KC=1ufK=1 T=0.1S比例+微分环节R1=100KR2=200KK=2 T=1S实验二 二阶系统阶跃响应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。定量分析和与最大超调量和调节时间之间的关系。2进一步学习实验系统的使用方法3学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。1EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台。2计算机一台。1模拟实验的基本原理：2. 域性能指标的测量方法

4、：2） 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。4）在实验课题下拉菜单中选择实验二二阶系统阶跃响应 。6）利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出超调量：典型二阶系统的闭环传递函数为： （1）其中对系统的动态品质有决定的影响。构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：图2-1 二阶系统模拟电路图电路的结构图如图2-2：系统闭环传递函数为 （2）图2-2 二阶系统结构图式中：T=RC，K=R2/R1。比较（1）、（2）二式，可得， （3） 由（3）式可知，改变比值R2/R1，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取R1=200K，R2=

5、100K和200K，可得实验所需的阻尼比。电阻R取100K，电容C分别取1f和0.1f,可得两个无阻尼自然频率1连接被测量典型环节的模拟电路。2启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。3测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。4在实验课题下拉菜单中选择实验二二阶系统阶跃响应, 鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。5取n=10rad/s, 即令R=100K，C=1f；分别取=0.5、1、2，即取R1=100K，R2分别等于100K、200K、400K。输入阶跃信号，测量不同的时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比

6、较。6取=0.5。即电阻R2取R1=R2=100K；n=100rad/s, 即取R=100K，改变电路中的电容C=0.1f（注意：二个电容值同时改变）。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量p和调节时间Tn。7取R=100K；改变电路中的电容C=1f,R1=100K,调节电阻R2=50K。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录的数值。8测量二阶系统的阶跃响应并记入表2-1中。1画出二阶系统的模拟电路图，讨论典型二阶系统性能指标与，n的关系。2把不同和n条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。3画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并

7、与由模拟电路计算的传递函数相比较。2按实验中二阶系统的给定参数，计算出不同、n下的性能指标的理论值。表2-1 实验结果%tp（ms）ts（ms）R =100KC =1fn=10rad/sR2=0K=0R2=50K=0.25R2=100K=0.5R1=50K=1C1=C2=0.1fn=100rad/sR1= 100K实验三 控制系统的稳定性分析1观察系统的不稳定现象。2研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。三、实验内容 系统模拟电路图如图3-1。 图3-1 系统模拟电路图其开环传递函数为: G（s）=10K/s（0.1s+1）（Ts+1）式中 K1=R3/R2，R2=100K，R3=0500

8、K；T=RC，R=100K，C=1f或C=0.1f两种情况。四、实验步骤4在实验课题下拉菜单中选择实验三控制系统的稳定性分析, 鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。其中设置输入信源电压U1=1V,点击确认观察波形。5取R3的值为50K，100K，200K，此时相应的K=10K1=5，10，20。观察不同R3值时显示区内的输出波形（既U2的波形），找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值。再把电阻R3由大至小变化，即R3=200k，100k，50k，观察不同R3值时显示区内的输出波形, 找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K值，并观察U2的输出波形。6在步骤5条件下，使系统工作在不稳定状态，即

9、工作在等幅振荡情况。改变电路中的电容C由1f变成0.1f，重复实验步骤4观察系统稳定性的变化。7将实验结果添入下表中：系统响应曲线R3=50KK=5R3=100KK=10R3=200KK=20C=0.1uf五、实验报告 1画出步骤5的模拟电路图。 2画出系统增幅或减幅振荡的波形图。 3计算系统的临界放大系数，并与步骤5中测得的临界放大系数相比较。六、预习要求1分析实验系统电路，掌握其工作原理。2理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。实验四 系统频率特性测量 1加深了解系统及元件频率特性的物理概念。 2掌握系统及元件频率特性的测量方法。 3掌握利用“李沙育图形法”测量系统频率特性的

10、方法。3双踪示波器一台频率特性的测量方法：1将正弦信号发生器、被测系统和示波器按图4-1连接起来。将示波器X和Y轴的输入选择开关，均打在“DC”输入状态，并调整X和Y轴的位移，使光点处于萤光屏上的坐标原点上。图4-1 频率特性测量电路2选定信号发生器的频率，调节其输出衰减，使被测系统在避免饱和的情况下，输出幅度尽可能大。然后调节示波器的X和Y轴输入幅值选择开关，使在所取信号幅度下，图象尽可能达到满刻度。3根据萤光屏上的刻度及输入幅值选择开关指示的伏/格数，算出2Xm、2Yn及2ym，并进一步计算幅值比和相位差。为读数方便，可将示波器X轴输入X-Y开关打在工作状态，使光点在荧光屏上只作垂直运动，

11、此时可方便地读出2ym。同理，也可方便地读出2Xm。1模拟电路图及系统结构图分别如图4-2和图4-3。图4-2 系统模拟电路图图 4-3 系统结构图2系统传递函数：取R3=500k，则系统传递函数为若输入信号U1（t）=U1sint,则在稳态时，其输出信号为U2（t）=U2sin（t+），改变输入信号角频率值，便可测得二组U2/U1和随变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。测频率图4选中 实验课题系统频率特性测量手动方式 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。参数设置完成后点确认等待观察波形，如图44所示。图4-4 手动方式测量波特图测波特图5. 在测量波特图的过程中首先应选择

12、实验课题系统频率特性测量自动方式数据采集 采集信息。如图45所示。图4-5 数据采集6. 待数据采样结束后点击 实验课题系统频率特性测量自动方式波特图观测 即可以在显示区内显示出所测量的波特图。测奈氏图7在测量波特图的过程中首先应选择 实验课题系统频率特性测量自动方式数据采集 采集信息。8待数据采样结束后点击 实验课题系统频率特性测量自动方式奈氏图观测 即可以在显示区内显示出所测量的奈氏图。9按表4-1所列频率，测量各点频率特性的实测值并计算相应的理论值。 表 4-1F（Hz）（rad/s）L（）（）2Xm2yo2ym李沙育图形1画出被测系统的结构和模拟电路图。2画出被测系统的开环曲线与曲线。

13、3整理表中的实验数据，并算出理论值和实测值。4讨论李沙育图形法测量频率特性的精度。1阅读实验原理部分，掌握李沙育图形法的基本原理及频率特性的测量方法。3. 按表中给出格式选择几个频率点，算出各点频率特性的理论值。 实验五 连续系统串联校正1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。1串联超前校正（1）系统模拟电路图如图5-1所示，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。图5-1 超前校正电路图（2）系统结构图如图5-2所示。图5-2 超前校正系统结构图图中 2串联滞后校正模拟电路图如图5-3所示，开关s断开对应未校

14、状态，接通对应滞后校正。图5-3 滞后校正模拟电路图（2）系统结构图示如图5-4。图5-4 滞后系统结构图图中 3串联超前滞后校正模拟电路图如图5-5。双刀开关断开对应未校正状态，接通对应超前滞后校正。图5-5 超前滞后校正模拟电路图系统结构图示如图5-6。图5-6超前滞后校正系统结构图 四、实验步骤超前校正：3连接被测量典型环节的模拟电路（图5-1）。4开关s放在断开位置。5选中 实验课题 连续系统串联校正超前校正 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量p和调节时间ts。6开关s接通，重复步骤5,将两次所测的波形进行比较

15、。并将测量结果记入下表5-1中。滞后校正：7连接被测量典型环节的模拟电路（图5-3）。8开关s放在断开位置。表 5-1 超前校正系统指标校正前校正后%Tp（秒）Ts（秒）9选中 实验课题 连续系统串联校正滞后校正 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。10开关s接通，重复步骤9,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表5-2中。表5-2 滞后校正系统超前-滞后校正11连接被测量典型环节的模拟电路（图5-5）。12开关s放在断开位置。13选中 实验课题 连续系统串联校正超前滞后校正 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。14开关s接通，重复步骤13,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下

16、表5-3中：表 5-3超前-滞后系统1计算串联校正装置的传递函数和校正网络参数。2画出校正后系统的对数坐标图，并求出校正后系统的及3比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置的作用。1阅读实验二的实验报告，明确校正前系统的2计算串联超前校正装置的传递函数 Gc（s）和校正网络参数，并求出校正后系统的实验六 数字PID控制 1研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。 2研究采样周期T对系统特性的影响。 3研究I型系统及系统的稳定误差。1系统结构图如6-1图。图6-1 系统结构图图中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp1（s）=5

17、/（0.5s+1）（0.1s+1） Gp2（s）=1/（s（0.1s+1）2 开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图6-2和图6-3，其中图6-2对应GP1（s）,图6-3对应Gp2（s）。图6-2 开环系统结构图1 图6-3开环系统结构图23被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“I型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II型”系统。4当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。5PI调节器及PID调节器的增益 Gc（s）=Kp（1+K1/s） =KpK1（1/k1）s+1） /s =K（Tis+1）

18、/s式中 K=KpKi,Ti=（1/K1）不难看出PI调结器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。采用PID调节器相同。6“II型”系统要注意稳定性。对于Gp2（s）,若采用PI调节器控制，其开环传递函数为 G（s）=Gc（s）Gp2（s） =K（Tis+1）/s1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足Ti0.1，即K1107PID递推算法 如果PID调节器输入信号为e（t），其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下： 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-采样周期四、实验步骤 3连接被测量典型环节的模拟电路（图6-2）。4在实验课题下拉菜单中选择实验六数字PID控制, 鼠标单击实验课题将弹出实验课题参数设置窗口。5输入参数Kp,