自动控制理论实验指导书仿真部分Word格式文档下载.docx

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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=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4～7。

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4～7。

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）。

15．实验步骤同4～7。

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、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=

100K

C=1uf

K=1T=0.1S

比例+微分环节

R1=100K

R2=200K

K=2T=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。

1．EL-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：

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=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ξ=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ξ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ξ=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ξ，ωn的关系。

2．把不同ξ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。

2．按实验中二阶系统的给定参数，计算出不同ξ、ωn下的性能指标的理论值。

表2-1

实验结果

σ%

tp（ms）

ts（ms）

R=100K

C=1μf

ωn=10rad/s

R2=0K

ξ=0

R2=50K

ξ=0.25

R2=100K

ξ=0.5

R1=50K

ξ=1

C1=C2=0.1μf

ωn=100rad/s

R1=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=0～500K；

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=50K

K=5

R3=100K

K=10

R3=200K

K=20

C=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，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4－4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[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4－5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4-1

F

（Hz）

ω（rad/s）

L（ω）

φ（ω）

2Xm

2yo

2ym

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。

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。

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

δ%

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）=（1－e-TS）/s

Gp1（s）=5/（（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2

3．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。

5．PI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）/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）/s·

1/s（0.1s+1）

为使用环系统稳定，应满足Ti>

0.1，即K1<

10

7．PID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,