《自动控制原理》实验指导书1.docx

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《自动控制原理》实验指导书1

自动化专业

《自动控制原理》

实验指导书

潘东波赵亦欣编

西南大学计算机与信息科学学院

2006年8月20日

目　次

实验装置说明1

实验1典型环节及其阶跃响应4

实验2二阶系统的阶跃响应8

实验3控制系统的稳定性分析11

实验4系统频率特性测量14

实验5连续系统串联校正18

实验6数字PID控制24

实验装置说明

一、系统概述

自动控制系统实验装置由用于模拟被控对象的实验箱、计算机、通信网络组成，可模拟自动控制原理中常见的典型被控对象及控制规律，实现对一、二阶系统的响应、稳定性分析、频率特性测量、串联校正、PID控制等多种控制理论及控制方法的分析与设计，即可成为自动化专业本科、专科、高职的自动控制系统实验教学装置，也可成为教师、研究生和科研人员对离散控制系统、非线性控制系统及计算机控制系统研究的模拟装置和实验平台。

学生通过本实验，可以掌握：

（1）测定被控对象特性的方法；

（2）实验法建立被控对象数学模型的方法；

（3）实验法验证控制系统原理的方法；

（4）实验法分析控制系统原理的方法；

（5）控制系统的参数整定；

（6）控制系统的参数对控制品质的影响；

（7）控制系统的分析与计算、综合与设计等能力。

二、自控原理实验平台

自控原理实验平台主要由计算机、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

实验箱主要由以下几部分构成：

1、系统电源

自控原理实验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）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℃。

2、AD/DA采集卡

AD/DA采集卡主要负责数据采集和USB通信，AD采样位数为10位，采样率为1KHz。

DA转换位数为10位，转换速率为1K。

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

3、实验箱面板

实验箱面板主要用于构建模拟的被控对象，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。

三、实验要求及安全操作规程

1、实验前的准备

实验前应复习教材中有关章节，认真研读实验指导书，了解实验目的、项目、方法、步骤，明确实验过程中应注意的问题，并按实验项目准备记录。

实验项目与教材内容的对应为

（1）二阶系统的阶跃响应；（配合教材中“控制系统的时域分析法”章节的内容）

（2）控制系统的稳定性分析；（配合教材中“控制系统的时域分析法”、“频率响应法”二个章节的内容）

（3）系统频率特性测量；（配合教材中“频率响应法”章节的内容）

（4）连续系统串联校正；（配合教材中“自动控制系统的设计”章节的内容）

2、实验安全操作规程

（1）实验之前确保所有电源开关均处于“关”的位置；

（2）接线或拆线必须在切断电源的情况下进行，连接完成后经严格检查，并经指导老师确认后，方可接通电源；

（3）实验过程中，需要小心操作设备、卡口等组件，避免损坏设备和装置；

（4）实验完毕，需关闭所有设备电源，拆除连接，并经指导老师确认后，方可离开。

实验1典型环节及其阶跃响应

一、实验目的

1.学习实验仪器的基本使用技能及方法。

2.掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。

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Δ%：

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。

C1du1/dt=C2du2/dt+U2/R;CU1’=-U2/R

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）。

R1R2*C1*U1’+R2U1=R1U2+R1R2C2U2’

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“典型环节及其阶跃响应”。

5.鼠标单击运行按钮，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.测量各环节的阶跃响应曲线，并记入下表。

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

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。

实验2二阶系统的阶跃响应

一、实验目的

1．学习实验系统的使用方法；

2．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；

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．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Δ%：

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∞

Δ%=——————×100%

Y∞

上升时间TP：

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

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。

图1-1二阶系统模拟电路图

构成图1-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

电路的结构图如图1-2：

图1-2二阶系统结构图

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=200KΩ，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，运行“自动控制实验系统”软件。

3.测查USB线是否连接好，确保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“二阶系统阶跃响应”,点击运行按钮，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=1f；分别取=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=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=0.25

R1=100K

R2=100K

ζ=0.5

R1=50K

R2=200K

ζ=1

R1=100K

C1=C2=0.1μf

ωn=100rad/s

R1=100K

R2=100K

ζ=0.5

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3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．自动控制系统实验箱一台

2．计算机一台

三、实验原理

2.稳定性的概念及判别

任何系统在扰动作用下都会偏离原平衡状态,产生初始偏差。

所谓稳定性，是指系统在扰动消失后，由初始偏差状态恢复到原平衡状态的性能。

对于一个线性系统，若在初始扰动的影响下，其动态过程随时间的推移逐渐衰减并趋于零（或原平衡工作点），则称该系统稳定；若在扰动作用下，其动态过程随时间的推移而发散，则称系统不稳定。

在经典控制理论中，线性系统稳定的充分必要条件是：

闭环系统特征方程的所有根均具有负实部；或者说，闭环传递函数的极点均严格位于左半S平面。

3.二阶系统的稳定性

典型二阶系统的闭环传递函数为

2n

（S）=

s2＋2ns＋2n

其两个根（闭环极点）为：

根据系统稳定的充分必要条件，二阶系统的稳定性完全取决于的值：

当<0时，闭环极点为正，位于S平面的右半平面，故系统不稳定；

当=0时，系统有一对纯虚根，此时系统等幅振荡，处于临界稳定状态；

当>0时，闭环极点为负，位于S平面的左半平面，故系统稳定。

四、实验内容

系统模拟电路图如图2-1

图2-1系统模拟电路图

其开环传递函数为:

G（s）=K/Ts（TSs+1）（Ts+1）

式中K=R3/R2，R2=100K，R3=0～500K；T=RC，R=100K，C=1f或C=0.1f两种情况。

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，运行“自动控制实验系统”软件。

3.检查USB线是否连接好，确保实验箱与计算机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“控制系统的稳定性分析”,点击运行按钮，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：

参数

系统响应曲线

C=1uf

R3=50K

K=5

R3=100K

K=10

R3=200K

K=20

C=0.1uf

R3=50K

K=5

R3=100K

K=10

R3=200K

K=20

六、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。

七、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4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

1.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3-1连接起来。

图

43-1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3-2和图3-3。

图3-2系统模拟电路图

图3-3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

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。

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，运行“自动控制实验系统”软件。

确保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“系统频率特性测量”,点击运行按钮，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3－4所示。

测频率图

4．在实验项目的下拉列表中选择实验“系统频率特性测量”,点击运行按钮，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3－5所示。

测波特图

5.在实验项目的下拉列表中选择实验“系统频率特性测量”,点击运行按钮，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3－6所示

图3-4李沙育图

图3－5手动方式测量波特图

图3－6数据采集

7．数据采样结束后点击频率特性按钮即可以在显示区内显示出所测量的波特图。

测奈氏图

8．在完成步骤6后，在显示区单击鼠标右键，即出现奈氏图。

9．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

L（ω）

φ（ω）

2Xm

2yo

2ym

L（ω）

φ（ω）

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。

实验5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．自动控制系统实验箱一台

2．计算机一台

三、实验原理

1．系统的设计与校正

设计控制系统的目的，是将构成控制器的各元件与被控对象适当组合起来，使之满足表征控制精度、阻尼程度和响应速度的性能指标要求。

如果通过调整放大器增益后仍然不能全面满足设计要求的性能指标，就需要在系统中增加一些参数及特性可按需要改变的校正装置，使系统性能全面满足设计要求。

这就是控制系统设计中的校正问题。

按照校正装置在系统中的连接方式，控制系统校正方式可分为串联校正、反馈校正、前馈校正和复合校正。

而按照控制装置在系统中的作用，又可采用比例、积分、微分等基本控制规律，以及这些控制规律的组合。

2．基本控制规律

∙比例控制器

比例控制器实质上是一个具有可调增益的放大器。

在信号变换过程中，比例控制器只改变信号的增益而不影响其相位。

在串联校正中，加大控制器增益，可以提高系统的开环增益，减小系统稳态误差，从而提高系统的控制精度，但会降低系统的相对稳定性，甚至可能造成闭环系统不稳定。

∙比例-微分控制器

比例-微分控制器中的微分控制规律，能反应输入信号的变化趋势，产生有效的早期修正信号，以增加系统的阻尼程度，从而改善系统的稳定性。

在串联校正中，可使系统增加一个负的开环零点，使系统的相角裕度提高，从而有助于系统动态性能的改善。

∙积分控制器

在串联校正中，采用积分控制器可以提高系统的型别（无差度），有利于系统稳态性能的提高，但积分控制使系统增加了一个位于原点的开环极点，使信号产生90o的相角滞后，于系统的稳定性不利。

∙比例-积分控制器

在串联校正时，比例-积分控制器相当于在系统中增加了一个位于原点的开环极点，同时也增加了一个位于S