自动控制理论实验指导书.docx

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自动控制理论实验指导书

自动控制理论实验指导书1-4（总18页）

实验一典型环节及其阶跃响应

一、实验目的

1.掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。

2.掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器

1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台

2．计算机一台

三、实验原理

1．模拟实验的基本原理：

控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。

再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

2．时域性能指标的测量方法：

超调量ó%：

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）检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击

按钮，出

现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信

正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3）连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1

输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

4）在实验项目的下拉列表中选择实验一[典型环节及其阶跃响应]。

5）鼠标单击

按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

6）用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量：

TP与TS：

利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到TP与TS。

四、实验内容

构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

1.比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。

G（S）=?

R2/R1

2.惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。

G（S）=?

K/TS+1

K=R2/R1，T=R2C

3.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）=?

RCS

5.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=）。

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）

K=R2/R1，T=R2C

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。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

比例环节

3.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-1）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

4.在实验项目的下拉列表中选择实验一[一、典型环节及其阶跃响应]。

5.鼠标单击

按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置

相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果

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）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

9.实验步骤同4～7

积分环节

10.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-3）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将积分电容两端连在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

11.实验步骤同4～7

微分环节

12.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-4）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

13.实验步骤同4～7

比例+积分环节

14.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-6）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将积分电容连在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

15.实验步骤同4～7

16.测量系统的阶跃响应曲线，并记入上表。

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、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。

参数

阶跃响应曲线

TS（秒）

理论值

实测值

R1=R2=

100K

C=1uf

K=1T=

比例环节

惯性环节

积分环节

微分环节

比例+微分环节

比例+积分环节

R1=100K

R2=200K

C=1uf

K=2T=1S

比例环节

惯性环节

积分环节

微分环节

比例+微分环节

比例+积分环节

实验数据测试表（学生填写）

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Mp和调节时间tS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。

二、实验仪器

1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台

2．计算机一台

三、实验原理

1．模拟实验的基本原理：

控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。

再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

2.域性能指标的测量方法：

超调量ó%：

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）检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中实验，点击

按钮，出

现参数设置对话框设置好参数，按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3）连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输

出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将两个积分电容连在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

4）在实验项目的下拉列表中选择实验二[二阶系统阶跃响应]。

5）鼠标单击

按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果

6）利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量：

YMAX-Y∞

ó%=——————×100%

Y∞

TP与TP：

利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到TP与TP。

四、实验内容

典型二阶系统的闭环传递函数为

?

2n

?

（S）=

（1）

s2＋2?

?

ns＋?

2n

其中?

和?

n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：

图2-2二阶系统结构图

系统闭环传递函数为

（2）

式中T=RC，K=R2/R1。

比较

（1）、

（2）二式，可得

?

n=1/T=1/RC

?

=K/2=R2/2R1（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?

n。

今取R1=200K，R2=100K?

和200K?

，可得实验所需的阻尼比。

电阻R取100K?

，电容C分别取1?

f和?

f,可得两个无阻尼自然频率?

n。

五、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将两个积分电容得两端连在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

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.测查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击

按钮，出

现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信

正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。

4.在实验项目的下拉列表中选择实验二[二阶系统阶跃响应],鼠标单击

按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果

5.取?

n=10rad/s,即令R=100K?

，C=1?

f；分别取?

=、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，并与理论值比较。

6.取?

=。

即电阻R2取R1=R2=100K?

；?

n=100rad/s,即取R=100K?

，改变电路中的电容C=?

f（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=1?

f,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Tp和?

p的数值。

8.测量二阶系统的阶跃响应并记入表中：

实验结果

参数

σ%

tp（ms）

ts（ms）

阶跃响应曲线

R=100K

C=1μf

ωn=10rad/s

R1=100K

R2=0K

ζ=0

R1=100K

R2=50K

ζ=

R1=100K

R2=100K

ζ=

R1=50K

R2=200K

ζ=1

R1=100K

C1=C2=μf

ωn=100rad/s

R1=100K

R2=100K

ζ=

R1=50K

R2=200K

ζ=1

六、实验报告

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ζ，ωn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，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。

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.按实验中二阶系统的给定参数，计算出不同ζ、ωn下的性能指标的理论值。

实验三控制系统的稳定性分析

一、实验目的

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。

二、实验仪器

1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台

2．计算机一台

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+1）（Ts+1）

式中K1=R3/R2，R2=100K?

，R3=0～500K；T=RC，R=100K?

，C=1?

f或C=?

f两种情况。

四、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端连在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

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.检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击

按钮，出

现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信

正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。

4.在实验项目的下拉列表中选择实验三[控制系统的稳定性分析],鼠标单击

按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置目的电压U1=1000mV鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

5.取R3的值为50K?

，100K?

，200K?

，此时相应的K=10，K1=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，即工作在等幅振荡情况。

改变电路中的电容C由1?

f变成?

f，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：

参数

系统响应曲线

C=1uf

R3=50K

K=5

R3=100K

K=10

R3=200K

K=20

C=

R3=50K

K=5

R3=100K

K=10

R3=200K

K=20

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

一、实验目的

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方法。

二、实验仪器

型自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

三、实验原理

频率特性的测量方法：

1.将正弦信号发生器、被测系统和数据采集卡按图4-1连接起来。

图4-1频率特性测量电路

2.通过AD/DA卡产生不同频率和幅值的正弦信号，并输入到被测系统中。

3.AD/DA卡采集被测系统的输出信号，并显示在计算机屏幕上。

通过比较输入信号和输出信号的不同，可以得到系统的频率响应特性。

四、实验内容

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

U2（S）500

G（S）==

U1（S）S2+10S+500

若输入信号U1（t）=U1sin?

t,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。

五、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将将纯积分电容两端连在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

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。

测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

李沙育图

3．在实验项目的下拉列表中选择实验四[四、系统频率特性测量],鼠标单击

按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选择李沙育图，然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，如图4－4所示。

测频率图

4．在实验项目的下拉列表中选择实验四[四、系统频率特性测量],鼠标单击

按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选择时间电压图，然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，如图4－5所示。

测波特图

5.在实验项目的下拉列表中选择实验四[四、系统频率特性测量],鼠标单击

按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选

自动选项，然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

如图4－6所示

图4-4李沙育图

图4－5手动方式测量波特图

图4－6数据采集

6.待数据采样结束后点击

按钮即可以在显示区内显示出所测量的波特图。

测奈氏图

7.在完成步骤6后，在显示区单击鼠标右键，即出现奈氏图。

8.按下表所列频率，测量各点频率特性的实测值并计算相应的理论值。

F

（Hz）

ω（rad/s）

理论值

实测值

L（ω）

φ（ω）

2Xm

2yo

2ym

L（ω）

φ（ω）

李沙育图形

六、实验报告

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L（ω）曲线与φ（ω）曲线。

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。

七、预习要求

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。

2.画出被测系统的开环L（ω）曲线与φ（ω）曲线。

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。

八：

测量数据的说明

实验时信号源的频率

信号源的角频率

输出幅值随变化的函数。

输出相位随变化的函数

信号源峰谷值之差

输出信号的峰谷值之差

当信号源输出为零时对应输出信号的正负幅值之差。

其中可以通过测量时间来得到，在实验中是时间量，通过计算可以转化为。

李沙育图

对应李沙育图的时间电压图

理论计算公式如下：