自动控制理论实验指导书.docx

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自动控制理论实验指导书

目录

第一章硬件资源……………………………...…………………………..…………………..2

第二章软件安装及使用……………………………………………………...……………….5

第三章实验系统部分………………………...……………………………………………...11

实验一典型环节及其阶跃响应…………………………….……………………………12

实验二二阶系统阶跃响应…………………………………….………………………....17

实验三控制系统的稳定性分析……………………………….……………………..…..21

实验四系统频率特性测量…………………………………….………………………....23

实验五连续系统串联校正…………………………………….………………………....27

实验六数字PID控制…………………………………………………………………....32

实验七状态反馈与状态观测器…………………………….……………………….…...35

实验八解耦控制……………………………………………….…………………….…...38

实验九采样实验……………………………………………….………………………....41

实验十非线性实验…………………………………………….…………………………44

实验十一相轨迹实验…………………………………………….……………………....48

附录一实验说明及参考答案………………………….……………………………………50

附录二AD/DA卡调试说明……………………….….….…………...….………………….69

第一章硬件资源

EL-AT-II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

EL-AT-II系统采用本公司生产的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ADUC812芯片做为采集芯片，负责采样数据及与上位机的通信，其采样位数为12位，采样率为10KHz。

在卡上有一块32KBit的RAM62256，用来存储采集后的数据。

AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和四路输入（AD1、AD2、AD3、AD4），其输入和输出电压均为－5V～+5V。

图3AD/DA采集卡

另外在AD/DA卡上有一个9针RS232串口插座用来连接AD/DA卡和计算机，20针的插座用来和控制对象进行通讯。

三、实验箱面板

实验箱面板布局如图4

AD/DA卡输入输出模块

实验模块1

实验模块2

电源模块

二极管区

EL-CAT-II

实验模块3

电阻、电容、二极管区

实验模块4

变阻箱、变容箱模块

实验模块5

实验模块8

实验模块6

实验模块7

图4实验箱面板布局

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。

第二章软件安装及使用

一、软件安装

1．

将实验仪器自带的光盘放入计算机光驱，进入软件安装目录[光盘驱动器：

\自动控制\winat。

2．

启动软件安装程序setup.exe，如下图：

图1进入安装界面图2选择安装路径

3．

按照软件提示，一步一步完成安装，如下图：

图3显示安装进程图4安装完毕界面

4．软件安装完毕后，会在桌面和“开始－程序”中自动生成“自动控制实验系统”快捷方式。

二、软件启动与使用说明

1．软件启动

在Windows桌面上或“开始－程序”中双击“自动控制实验原理”快捷方式，便可启动软件如图5。

图5软件启动界面

2．实验前计算机与实验箱的通讯设置和测试

用实验箱自带的串口线将实验箱后面的串口与计算机的串口连接，启动“自动控制实验原理”软件。

1）实验前通讯口的设置

设置方法：

点击[系统设置－串口设置]如图6，在对话框内填入与计算机相连的串口值。

图6串口设置对话框

2）实验前通讯口的测试

测试方法：

接通电源点击[系统设置－通信串口测试]如图7，点击通信串口测试按钮，控制测试区内将出现0－255个数据，如图8，如果数据没有或不全，则说明通讯有故障，应检查计算机串口与实验箱的连接

图7串口测试窗口（a）图8串口测试窗口（b）

3．软件使用说明

本套软件界面共分为四个区域如图9：

A.菜单工具栏区域；

B.实验课题区域；

C.采集结果显示区域；

D.

数据测量区域；

图9软件界面分配

下面介绍软件的各个区域功能：

A.菜单工具栏

1）实验课题（ALT+T）

在该菜单下选择所做的实验课题项目。

鼠标单击实验课题名称即可进入相应的实验。

2）系统设置（ALT+M）

串口设置：

设置实验中所使用的串口。

所设定的串口标号应与计算机实际所使用的一致。

通信串口测试：

测试实验系统与计算机的通信是否正常。

在实验之前k可以进行串口通信测试，在确认串口通信正常后才可以进行实验。

测试方法是鼠标单击对话框中的通信串口测试按钮，如果通信正常，所示的空白区内将有信息返回，如果通信不正常则无返回信息。

测试DA信源：

这项功能主要测试DA是否有信号输出。

鼠标单击该选项出现如图10的对话框。

在该对话框中设置要测试的信源（DA1、DA2），信源的类型、频率以及幅值。

然后点击测试按钮，用测量工具在实验箱上的DA处测试输出信号，比较测试信号和设定值是否一致，如果一致，说明DA输出正确，否则检查硬件。

图10测试DA信源对话框

3）实验数据（ALT+F）

打开数据：

打开已经保存的实验数据。

选择该菜单选项后出现如图11所示的对话窗口。

在该窗口中选择打开文件的路径和文件名，点击确定按钮即可打开一个已保存的实验数据

图11打开实验数据对话窗口

保存数据：

保存当前的实验数据。

选择保存文件的路径和文件名，点击确定按钮即可保存当前的实验数据。

打印：

将实验的结果在打印机上打印输出。

鼠标单击该选项后弹出如图12所示的对话窗口。

打印数据信息的来源有两种途径。

（1）打印当前内存中的数据；

（2）打印已经保存过的数据；

两种不同的打印方式可以通过对话窗口进行选择。

图12数据打印对话窗口

打印设置：

设置打印时的相关信息。

鼠标打击将弹出如图13所示的对话窗口。

将需要打印的信息填入相应的空白处。

填写完成后单击确认按钮保存。

保存完成后单击退出按钮退出该对话窗口。

图13打印设置对话窗口

4）查看（ALT+V）

课题资料：

选择该项将显示自控原理课题的基本资料。

其中包括实验所用的基本原理、电路及相应的实验说明。

工具栏：

切换工具栏的打开与关闭。

状态栏：

切换状态栏的打开与关闭。

5）帮助（ALT+H）

该菜单说明本“自动控制原理”软件的版本。

B.实验课题

在实验课题区域列出了本实验系统所能完成的实验课题，双击其中的一个课题，将弹出参数设置窗口。

具体参数设置请参考实验说明部分。

图14实验课题区域

C.采集结果显示

在该区域内主要是显示实验系统通过AD后的结果曲线。

纵坐标是幅值轴，单位为（V）,范围是：

－5V—+5V,横坐标是时间轴，单位为（ms）。

D.数据测量

数据测量是测量系统响应的测量工具如图15，鼠标单击单游标或双游标，然后单击测量按钮，即可在显示区显示测量线，测量线可以用鼠标拖动。

在拖动的过程中屏幕右下方将动态显示测量的结果。

图15数据测量区域

第三章实验系统部分

本套实验系统一共提供了11个实验：

典型环节及其阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统的稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字PID控制、状态反馈及状态观测器实验、解耦控制实验、采样系统实验、非线性实验、相轨迹观测实验。

除了我们公司配套的这11个实验外，各高校可自己灵活地组合各种形式的实验系统，以满足教学的要求。

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-II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Ó%：

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。

在参数设置窗口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：

YMAX-Y∞

Ó%=——————×100%

Y∞

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。

G（S）=RCS

5.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）

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。

在参数设置窗口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。

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。

检查无误后接通电源。

15.实验步骤同4～7

16.测量系统的阶跃响应曲线，并记入上表。

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。

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

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．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-II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Ó%：

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）在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应]。

5）鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。

在参数设置窗口中设置相应的

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，带入下式算出超调

量：

YMAX-Y∞

Ó%=——————×100%

Y∞

TP与TP：

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。

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：

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

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=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。

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。

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=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-II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）=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

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。

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。

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：

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

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

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.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

3.双踪示波器一台

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.