自动控制原理综合实验指导书(20141025).doc

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控制理论综合实验报告

班级

学号

姓名

同组人

上交日期年月日

自动控制原理

综合实验指导书

天津科技大学电子信息与自动化学院

自动化工程系

2014/10bydaifz

目录

前言......................................................................................................................................1

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................................................................................................7

实验三控制系统的稳定性分析......................................................................................12

实验四系统根轨迹法数字仿真分析..............................................................................15

实验五系统频率特性数字仿真分析..............................................................................18

实验六控制系统综合实验..............................................................................................23

实验七系统频率特性测量..............................................................................................25

附录一MATLAB应用简介............................................................................................29

1.利用MATLAB进行时域分析............................................................................29

2.利用MATLAB进行根轨迹分析........................................................................32

3.利用MATLAB绘制系统的频率特性图............................................................35

附录二SIMULINK简介..................................................................................................39

1.SIMULINK概述...................................................................................................39

2.功能模块的处理...................................................................................................47

附录三EL－AT－III试验箱的软件使用说明...............................................................49

附录四EL－AT－III实验箱的布局图...........................................................................52

附录五实验报告撰写须知..............................................................................................56

前言

一、概述

研究一个控制系统的运动，一般采用两种方法来进行研究。

一种方法是应用理论分析方法来分析系统运动的性能，以获得系统设计的依据。

另一种方法是通过实验研究，以获得所设计系统的运动规律与系统的各项性能。

这是通过运动曲线与实验数据来展现的。

控制系统的两种研究方法互为补充，互为验证，两者缺一不可。

在控制系统的实验研究中，可以在实际物理系统上来进行，也可以通过物理装置模型来进行研究。

当前，由于控制系统的对象规模越来越大，对象结构越来越复杂，对象的种类越来越多，因此在控制系统的设计过程中，控制系统的仿真研究也就基本上取代了物理系统的实验研究。

一般只有到了控制系统设计的最后阶段——系统调试阶段，才有可能进行实际系统实验。

控制系统的仿真研究方法有两种，一种方法是模拟仿真方法，另一种方法是数字仿真。

在自动控制原理综合实验中，我们将分别采用数字仿真的基本原理和模拟仿真的基本原理，设计出合理的控制系统的仿真试验，为自动控制理论知识的进一步掌握和运用打下坚实的基础。

二、自动控制原理综合实验的任务

自动控制原理综合实验是自动控制理论课的一部分。

实验任务是：

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.学习和掌握MATLAB语言和SIMULINK仿真环境。

4.提高分析问题及解决问题的能力。

5.提高动手能力、应用计算机的能力和水平。

三、实验设备

自动控制原理综合实验所使用的设备由计算机、EL－AT－III试验箱、万用表、电阻、电容等组成。

四、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，画曲线用坐标纸，结论要明确。

6.爱护实验设备、遵守实验室规定。

7.实验报告封皮采用标准的“控制理论综合实验报告”（该指导书的第一页）。

自带U盘将各自实验的输出结果拷贝回去整理在报告中。

五、几点说明

1.有关用MATLAB语言进行系统时域分析、根轨迹绘制及频率特性分析的内容，请参见附录一。

2.有关用SIMULINK仿真环境进行系统时域分析、系统校正分析的内容请参见附录二。

3.有关EL－AT－III试验箱的软件使用说明请参见附录三。

4.有关EL－AT－III实验箱的布局图请参见附录四。

5.实验报告的撰写须知（包括公式、图表等的格式）参见附录五。

实验一典型环节及其阶跃响应

一、实验目的

1.掌握控制系统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：

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一实验，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：

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=R2·C

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．比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。

G（S）=K（1+1/（TS））

K=R2/R1，T=R2·C

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

比例+积分环节

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，将积分电容连在模拟开关上。

检查无误后接通电源。

13.实验步骤同4～7。

14.测量系统的阶跃响应曲线，并记入下表。

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。

表1-1典型环节及其阶跃响应实验结果

参数

阶跃响应曲线

K、T（秒）

理论值

实测值

R1=R2=

100K

C=1uf

K=1T=0.1S

比例环节

惯性环节

积分环节

比例+积分环节

R1=100K

R2=200K

C=1uf

K=2T=0.2S

比例环节

惯性环节

积分环节

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z和无阻尼自然频率wn对系统动态性能的影响。

定量分析z和wn与最大超调量和调节时间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：

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一实验，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：

四、实验内容

典型二阶系统的闭环传递函数为

w2n

j（S）=

（1）

s2＋2zwns＋w2n

其中z和wn对系统的动态品质有决定的影响。

构成的典型二阶系统的模拟电路如图2-1所示，并测量其阶跃响应：

图2-1二阶系统模拟电路图

系统的结构图如图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

wn=1/T=1/RC

z=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wn。

取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得实验所需的阻尼比。

电阻R取100KW，电容C分别取1mf和0.1mf,可得两个无阻尼自然频率wn。

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一实验，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wn=10rad/s,即令R=100KW，C=1mf；分别取z=0，0.25，0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分别等于0、50KW、100KW、200KW、400KW。

输入阶跃信号，测量不同的z时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。

6.取z=0.5。

即电阻R1=R2=100KW；wn=100rad/s,即取R=100KW，改变电路中的电容C=0.1mf（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和调节时间Ts。

7.取R=100KW；改变电路中的电容C=1mf,R1=100KW,调节电阻R2=200KW。

输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录峰值时间Tp和的数值。

8.测量二阶系统的阶跃响应并记入表中（如果以上步骤中的各数值与下表不同，则以下表中的取值为实验数据）：

表2-1二阶系统阶跃响应实验结果

实验结果

参数

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=0.25

R1=100K

R2=100K

ζ=0.5

R1=100K

R2=200K

ζ=1

R1=100K

R2=400K

ζ=2

R1=100K

C1=0.1μf

ωn=100rad/s

R1=100K

R2=100K

ζ=0.5

R1=100K

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z和wn条件下测量的和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）=10K1/（s（0.1s+1）（Ts+1））

式中K1=R3/R2，R2=100KW，R3=0～500K；T=RC，R=100KW，C=1mf或C=0.1mf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一实验，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50KW，200KW，300KW，此时相应的K=0.5，2，3。

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=300kW，200kW，50kW，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1mf变成0.1mf，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（如果以上步骤中的各数值与下表不同，则以下表中的取值为实验数据）：

表3-1控制系统的稳定性分析实验结果

参数

系统响应曲线

C=1uf

R3=50K

K=0.5

R3=200K

K=2

R3=300K

K=3

C=0.1uf

R3=300K

R3=200K

R3=50K

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。

实验四系统根轨迹法数字仿真分析