自控实验指导书.docx
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自控实验指导书
目录
硬件资源………………………………………..………..….1
软件的使用………………………………..……………..…4
实验系统部分………………………………………………6
实验一典型环节及其阶跃响应…………...6
实验二二阶系统阶跃响应……………………..8
实验三连续系统串联校正………………….….10
第一章硬件资源
EL-AT-III型实验系统主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成如图1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。
图1实验系统构成
实验箱面板如图2：
图2实验箱面板
下面主要介绍实验箱的构成：
一、系统电源
系统采用高性能开关电源作为系统的工作电源，其主要技术性能指标为：
1．输入电压：
AC220V
2．输出电压/电流：
＋12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A
3．输出功率：
22W
4．工作环境：
－5℃～＋40℃。
二、AD/DA采集卡
AD/DA采集卡如图3采用CYGNAL的C8051F410/2芯片做为主控芯片，负责数据采集和USB通信，AD采样位数为12位，采样率最大为10MHz。
DA转换位数为12位。
AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和两路输入（AD1、AD2），其输入和输出电压均为－5V～+5V。
图3AD/DA采集卡
三、实验箱面板
实验箱面板主要由以下几部分构成：
1．实验模块
本实验系统有八组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。
每个模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。
这样通过对这八个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。
2．二极管，电阻、电容、二极管区
这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。
3．AD/DA卡输入输出模块
该区域是引出AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是DA1、DA2，AD1、AD2。
有一个按钮复位，按下一次对AD/DA卡进行一次复位。
20针的插座用来和控制对象连接。
4．电源模块
电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源端子，分别是＋12V、-12V、+5V、GND，这些端子给外扩模块提供电源。
5．变阻箱、变容箱模块
变阻箱、变容箱是本实验系统的一个突出特点，只要按动数字旁边的“＋”、“－”按钮便可调节电阻电容的值，而且电阻电容值可以直接读出。
第二章软件使用
二、软件启动与使用说明
1．软件启动
在Windows桌面上双击图标[自动控制理论]运行软件，便可启动软件如图5
2．实验前计算机与实验箱的连接
用实验箱自带的USB线将实验箱后面的USB口与计算机的USB口连接。
软件使用说明
本套软件界面共分为三个组画面
A.软件说明和实验指导书画面（如图4）
B.数据采集显示画面（如图5）
图4
图5
下面介绍软件具体操作和功能：
一：
工具栏按钮：
1.
点击〖或按F1〗可以选择实验项目作为当前实验项目，系统在指导书窗口显示相应的实验指导书，在实验进行过程中处于禁止状态。
2.
点击〖或按F2〗切换回"指导书"窗口。
3.
点击〖或按F3〗切换到"示波器"窗口。
4.
点击〖或按F4〗切换到"频率特性"窗口。
5.
点击〖或按F5〗开始／放弃当前实验项目，在没有选择任何实验项目的时候为禁止状态。
6.
点击〖或按F6〗弹出"关于"对话框，显示程序信息、版本号和版权信息。
二：
示波器操作：
1.测量在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"测量"打开测量游标（重复前述步骤隐藏测量游标），拖动任一游标到感兴趣的位置，图表区下方会显示当前游标的位置和与同类的另一游标之间距离的绝对值。
如果想精确定位游标只需用鼠标左键单击相应的游标位置栏并在编辑框中输入合法值回车即可。
2.快照在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"快照"将当前图像复制到剪贴板，以便粘贴到画图或其他图像编辑软件中编辑和保存。
3.打印目前尚不支持。
4.线型在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中可点击"直线"、"折线"或"点线"来选择数据点和数据点之间的连接方式，体会各种连接方式的差异。
5.配色用鼠标左键双击图表区除曲线之外的元素会弹出标准颜色对话框，用户可以更改相应元素的颜色（比如将网格颜色改成与背景相同颜色）。
6.缩放用鼠标左键单击图表区刻度区的边界刻度并在编辑框中输入和法值回车即可改变当前显示范围。
第三章实验系统部分
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。
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=0.01uf）。
G（S）=K（TS+1）
K=R2/R1，T=R1C
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。
3.连接各个被测量典型环节的模拟电路。
电路的输入U1接DA1，电路的输出U2接AD1。
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）。
六、实验报告
1.画出比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例微分环节的模拟电路图，并记录其响应曲线。
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。
七、预习要求
阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。
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．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
控制系统模拟实验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。
四、实验内容
典型二阶系统的闭环传递函数为
2n
（S）=
（1）
s2＋2ns＋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
根据二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。
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。
.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。
五、实验步骤
1.取n=10rad/s,即令R=100K，C=1f；分别取=0、0.25、0.5、1、2，即取R1=100K，R2分别等于0、50K、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。
2.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Ts。
六、实验报告
1.画出二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数，
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。
实验三连续系统串联校正
一、实验目的
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。
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
1．串联超前校正
（1）系统模拟电路图如图3-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。
图3-1超前校正电路图
（2）系统结构图如图3-2
图3-2超前校正系统结构图
图中Gc1（s）=2
2（0.055s+1）
Gc2（s）=
0.005s+1
2．串联滞后校正
（1）模拟电路图如图3-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。
图3-3滞后校正模拟电路图
（2）系统结构图示如图3-4
图3-4滞后系统结构图
图中Gc1（s）=5
5（s+1）
Gc2（s）=
6s+1
3．串联超前—滞后校正
（1）
模拟电路图如图5-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前—滞后校正。
图3-5超前—滞后校正模拟电路图
（2）系统结构图示如图3-6。
图3-6超前—滞后校正系统结构图
图中Gc1（s）=6
6（1.2s+1）（0.15s+1）
Gc2（s）=
（6s+1）（0.05s+1）
四、实验步骤
超前校正：
1．连接被测量典型环节的模拟电路（图5-1），开关s放在断开位置。
2．系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录超调量p和调节时间ts。
3．开关s接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较。
滞后校正：
4．连接被测量典型环节的模拟电路（图5-3），开关s放在断开位置。
系统加入阶跃信号。
测量系统阶跃响应，并记录超调量p和调节时间ts。
5．开关s接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较
超前--滞后校正
6.接被测量典型环节的模拟电路（图5-5）。
双刀开关放在断开位置。
系统加入阶跃信号。
测量系统阶跃响应，并记录超调量p和调节时间ts
7．双刀开关接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较。
五、实验报告
1．计算串联校正装置的传递函数Gc（s）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ωc′及γ′。
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。
六、预习要求
1．阅读实验二的实验报告，明确校正前系统的ωc及γ。
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ωc′及γ′。
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