自动控制原理实验指导书1docxWord格式文档下载.docx
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扫描电源采用可编程逻辑器件ispLSI1032E和单片机AT89C51设计而成,它的输出为一频率可调的正弦波信号，能在50Hz-80KHz的全程范围内进行扫频输出。
该扫频电源提供了11档扫速，也可用手动点频输出，此外述有频标指示。
2频率计
该系统在作频率特性测试实验时，需要用到超低频信号，若用示波器去读，显然很不方便。
为了能直观地读出超低频信号的频率，我们采用了一个频率计。
它采用单片机编程，能精确、直观地显示小数点后两位。
二、电源
电源部分包括直流稳压电源，直流数字电压表，交流数字电压表。
（1）直流稳压电源能输出±
5v,±
15v的直流电压。
（2）直流数字电压表冇三个档位。
分别为2v档，20v档，200v档。
能完成对直流电压的准确测量，测量误差不超过1%。
（3）交流数字电压表也有三个档位，分别为200niv档，2v档，20v档，能完成对交流电压的准确测量，测量误差不超过1%。
三、典型环节与系统的模拟实验
典型环节与系统模拟实验部分包括了自动控制系统中所有的部件，即包括加法器，惯性环节，积分环节，有源滞后-超前校正环节，非线性环节等。
学生根据需要，可任意组成各种典型环节与系统的模拟。
实验一控制系统典型环节的模拟
一、实验目的
1、熟悉超低频扫描示波器的使用方法；
2、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子模拟电路；
3、测量典型坏节的阶跃响应曲线；
4、通过本实验了解典型环节小参数的变化对输岀动态性能的影响。
二、实验设备
1、控制理论电了模拟实验箱一台；
2、超低频慢扫描示波器一台；
3、力用表一只。
三、实验原理
以运算放大器为核心元件，由其不同的输入R-C网络和反馈R-C网络构成控制系统的各种典型环节。
卩q、实验内容
1、画出比例、惯性、积分、微分的电子模拟电路图。
2、观察并记录下列典型坏节的阶跃响应波形。
1）G1（S）=1,取Ri二100KQ,Rf二100KQ；
2）G1（S）=1/O.IS,取&
二100KQ,Cf=luF；
3）G1（S）=1/（O・1S+1）,取Rf二100KQ,Rf=lOOKQ,Cf=luFo
五、实验报告要求
1、闹出四种典型环节的实验电路图，并注明参数。
2、测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应，并注明时间坐标轴。
3、分析实验结果，写出心得体会。
六、实验思考题
1、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出
的？
2、积分环节和惯性环节主要差别是什么？
在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节?
在什么条件下，乂可以视为比例环节?
实验二一阶系统的时域响应及参数测定
1、观察一阶系统在阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应;
2、根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的吋间常数。
1、控制理论电子模拟实验箱一台；
2、双踪低频慢扫描示波器一台；
3、万用表一只。
R（s）
■
1
C（s）
Ts+1
图2-1一阶系统框图
图2-1为一阶系统的框图，它的闭坏传递函数为:
C（s）二1
R（s）—Ts+1
令r（t）=l（t）,即R（s）二1/S,则其输出为:
c⑴=1一严
它的阶跃响应曲线如图2-2所示。
1■
0.632-
图2-2—阶系统阶跃响应曲线
当t二T吋，c（T）=l-e-1/r=0.632o这表示当c（r）上升到稳定值的63.2%
时，对应的吋间就是一阶系统的吋间常数T,根据这个原理，由图2-2可测得一阶系统的时间常数T。
当r（t）=t,即/?
（5）=1/52,系统的输出为:
1TT+
T
所以当tf8吋，e（8）=ess=To这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入，但有稳态误差存在。
其误差的大小为系统的时间常数T。
四、实验内容
1、根据图2-1所示的系统，设计相应的模拟实验线路图。
2、当r（t）二IV时，观察并记录一阶系统的时间常数T为0.1S时的瞬态响应曲线，并标注时间坐标轴。
3、当r（t）=t时，把输入斜波的频率调到最低f二2Hz,观察并记录
一阶系统时间常数T为0.1S时的响应曲线。
五、实验报告
1、根据实验，画出一阶系统的时间常数T二0.1S时的单位阶跃响应曲线,
并由实测的曲线求得时间常数T。
2、观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由图确定跟踪课差％,这
一误差值与由终值定理求得的值是否相等？
分析产生误差的原因。
1、一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误丼为零，而对单位斜坡输入的稳
态误差为T?
2、一•阶系统的单位斜坡响应在理论上能否由其单位阶跃响应求得？
试说明之。
实验三二阶系统的瞬态响应分析
1、观察在不同参数下二阶系统的阶跃响应曲线，并测出超调量6、峰值时间tp和调整时间ts；
2、研究增益K对二阶系统阶跃响应的影响。
二、实验原理
图3-1二阶系统框图
图3-1为二阶系统的框图，它的闭环传递函数为：
C（s）_K/g）,©
2
~1
R（s）s2+s/T}+K/（耳匚）s1+2gqs+“J
由上式求得：
©
=JK/（7禺）；
口TJ4T、K；
K=100+w；
7；
=RflCfl；
=Rj2Cf2
三、实验内容
图3-2二阶系统原理图
根据图3-2,调节可调电阻w的大小（w取1M的电阻），显然只要改变w的电阻值，就能同时改变an和g的值，调节w值，观察过阻尼（01）、临界
阻尼（g二1）和欠阻尼（g〈l）三种情况下的阶跃响应曲线并记录下来，标注峰值时间如调整时间匕和超调量Op的值；
当R趋于无穷大时，使于0,输岀波形为等邮振荡。
令r（t）=1V,记录等幅振荡、衰减振荡及无振荡时的W值，算出K值;
在示波器上观察不同K值下的瞬态响应曲线；
并由图记下相应的J和ts的值。
四、实验报告
1、I出i岀二阶系统在等幅振荡、衰减振荡及无振荡时的3条瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。
2、对应不同的电阻值，计算三种情况下的g和3n值。
据此，求得相应的动态性能指标。
八。
和并与实验所得出的结果作比较。
实验四系统频率特性的测试
1、学习频率响应的实验测试方法；
2、学习用示波器测量相位差的方法。
2、双踪慢扫描示波器一台。
三、实验内容
1、频率特性测试原理。
根据频率特性表达式知道，当输入信号频率变化时，被测系统输出量和输入量的幅值比，相位差都在变化。
用万用表测出输出电压和输入电压，两者之比就是幅值比，输出、输入之间的和位差的测量可用图4-1李沙冇图形法测量。
图4-1李沙育图形
用示波器可以测量两个同频率的正弦信号x（t）、y（t）,将输入信号加到
示波器X轴输入端，输出正弦信号为y（t）,将它加到示波器y轴的输入端,在示波器屏幕上形成的图形与相位差的关系如表一所示：
表一李沙育图形与相位的关系
滞后
相位
李沙育图形
计算公式
光点运
动方向
0°
厂
3，
arcsin（2Y/2B）
逆时针
90°
J
、
180-arcsin（2Y/2B）
180°
V
r
+arcsin（2Y/2B）
顺时针
270°
360°
+arcsin（2Y/2B）
C
K.
p
2、RC电路的频率特性的测试线路。
图4-2频率特性测试线路图
系统频率特性的测试线路如图4-2所示。
3、频率特性测试电路图。
频率特性测试被测系统RC电路如图4-3a和
CR电路图4-4b。
ab
图4-3频率特性测试电路图
4、将信号发生器的输入正弦信号的电压调到一定值，用示波器测量输岀x（）和输入XiZ间的相位差。
按卜表改变输入信号的频率，测量对应的相位差和输出电压峰值，把可调电阻W的值调到100KQ,测出2Y,2B值填入表二屮。
调节W值，观测李沙育图形的变化。
农二频率特性测量农
F（H）
2HZ（频率）
4HZ（频率）
RC
CR
2Y
2B
计算①
1、求出RC和CR网络的传递函数，并求出它们的相频特性。
2、将计算出的相频特性和实验得出的结果进行比较。
实验五PID控制器的动态特性
1、熟悉PI、PD和PID三种控制器的结构形式;
2、通过实验，深入了解PT、PD和PH）三种控制器的阶跃响应特性和相关参数对它们性能的影响。
2、慢扫描示波器一台；
PI、PD和PID三种控制器是工业控制系统中广泛应用的有源校正装置。
其中PD为超前校正装置，它适用于稳态性能已满足要求，而动态性能较差的场合。
PI为滞后校正装置，它能改变系统的稳态性能。
PID是一种滞后一超前校正装置，它兼冇PI和PD两者的优点。
1、PI控制器
R2=20KQC2=l//F
图5-1PI控制器电路图
图5-2为P1控制器的电路图，它的传递函数为
式中Kp=R2/R,,T2二R2C2。
2、PD控制器
图5-2PD控制器电路图
图5-1为PD控制器的电路图，它的传递函数为
G（s）=_K®
+l）
式中心二R2/R1,Td二RG。
3、PID控制器
图5-3PID控制器电路图
图5-3为P1D控制器的电路图，它的传递函数为:
gg）=m+i）e+i）
TisI
=_gi+!
—+
1（可+讣5+6
=-Kp（l+—+Tds）
式中Ti~RiCi9T2二R2C2,Tj—R1C2
Kp二（Ti+t2）/Ti，Ti二Ti+dTD二（T!
T2）/（Ti+t2）
RlIOOKQ,ClIuF,&
二20KQ,C2=luF
1、令ufIV,分别测试RfIOOKQ,R2=20KQ,C=luF时的PD控制器的输出波形。
2、令uflV,分别测试R尸20KQ,R・2二20KQ,C=luF时的PI控制器的输出波形。
3、令ur=lV,R产100KQ,R2=20KQ,C^luF,C2=luF测试PID控制器的输出波形。
1、根据三种控制器的传递函数，画出它们在单-位阶跃信号作用下的理想输出波形图。
2、根据实验，画出三种控制器的单位阶跃响应曲线，并与理想输岀波形作一分析比较。
六、实验思考题
为什么由实验得到的PD和PID输出波形与它们的理想波形有很大的不同？
实验六典型非线性系统的模拟
1、了解典型非线性环节的模拟方法；
2、掌握非线性特性的测量方法。
2、低频双踪示波器一台；
3^万用表一只。
图6-1为非线性特性的测量接线图。
正弦信号的输出同时接到非线性环节的输入端和示波器的X轴，非线性环节的输出接至示波器的Y轴。
X轴选择开关置于停止扫描位置，这样在示波器上就能显示出相应的非线性特性。
图6-1非线性特性测量接线图
要测试的非线性特性有下列五种，现分别叙述如下：
1、继电器特性
实现继电器特性的模拟电路与其特性曲线分别由图6-2（a）和图6-2（b）
+E
模拟电路图6-6（b）特性曲线
调节两只电位器的滑动臂，就可调节输出的限幅值Mo
2、饱和特性
实现饱和非线性特性的模拟电路和特性曲线分别由图6-3（a）和图6-3
（b）所示。
它的数学表达式为
|Ui|<
|Ui0|,tan^=R2/R1叫引5|
调节可调电阻值，观测并记录特性曲线的变化情况。
3、死区特性
实现死区非线性特性的模拟电路和特性曲线分别由图6-4（a）和图6-4（b）
它的数学表达式为:
当lUj^aE/d-a）时，K=0；
当|Uj|>
aE/（l・a）时，K=-（l-a）R2/RPtan^=（l-a）R2/R,o
图中Um、6和K为死区非线性的主要特征参数。
改变电位器的电阻值,就能改变0和Ko
4、冋环非线性特性
实现冋环非线性特性的模拟电路和其非线性特性曲线分别如图6-5（a）和（b）所示。
uo
—d）（S±
SJ
^=tanZ[（l-6Z）C2/C,]
式中Ui0=aE/（1-a）,由上式可见,只要改变电阻R】、R2的电阻值,就能改变特性的夹角0。
5、带冋环的继电器特性
实现带冋环继电器特性的模拟电路和其特性曲线分别由图6-6（a）和图
6-6（b）所示。
这里运算放大器接成正反馈。
其反馈系数为K=R./（R1+R2）,显然，R2越小，正反馈的系数K越大，说明正反馈越强。
环宽的电压Up与输岀限幅电压M和反馈系数K有关，其关系为Ui0=KMo
四、实验步骤
1、根据典型非线性环节设计相应的模拟电路图。
2、调节信号发生器的周期为1S左右，按图6-1接线。
3、用示波器（或X-Y记录仪）观察并记录各种典型非线性特性。
4、调节相关参数，观察它们对非线性特性的影响。
五、实验思考题
1、如果限幅电路改接在运算放大器的反馈冋路屮，则非线性特性将发生什么变化。
2、在带回环的继电器特性电路中，如何确定环宽电压？
实验七自动控制系统的动态校正
1、要求学生根据要求，自行设计一校止装置，并用本实验箱构成一模拟系统进行实验校正和实际调试、使学生深刻认识到校正装置在系统中的重要性。
2、掌握工程中常用的低阶系统的工程设计方法。
三、实验要求
学生t己设计实验原理，在自己设计的系统中可以对系统的主要参数进行修止、也可以吊联或并联校止装置对系统的性能进行改善。
系统可以是一阶的，也是二阶的，自己设计实验线路图，设让实验步骤，阐明实验结果和实验心得。
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