自控实验说明及参考答案.docx
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自控实验说明及参考答案
实验说明及参考答案
实验一典型环节及其阶跃响应
一、实验说明
典型环节的概念对系统建模、分析和研究很有用，但应强调典型环节的数学模型都是对各种物理系统元、部件的机理和特性高度理想化以后的结果，重要的是，在一定的条件下，典型模型的确能在一定程度上忠实地描述那些元、部件物理过程的本质特征。
模拟典型环节是有条件的，即是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器：
1．输入阻抗为∞，进入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零；
2．电压增益为∞；
3．通频带为∞；
4．输入和输出之间呈线性；
在实际模拟环节注意：
1．实际运算放大器输出幅值受其电源限制是非线性的，实际运算放大器是有惯性的；
2．对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节，只要控制了输入量的大小或是输入量施加的时间的长短（对积分或比例积分环节），不使其输出在工作期间内达到饱和，则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免。
但对模拟比例微分环节和微分环节的影响则无法避免，其模拟输出只能达到有限的最高饱和值。
3．实际运放有惯性，它对所有模拟惯性环节的暂态响应都有影响，但情况又有较大的不同。
二、实验参考曲线
1．比例环节2.惯性环节
3．积分环节4.比例微分环节
实验二二阶系统阶跃响应
实验数据表：
1．取n＝10rad/s，即令R＝100KΩ，C=1uf；分别取ζ＝0、0.25、0.5、1，及取R1=100KΩ,R2分别等于0、50KΩ、100KΩ、200KΩ。
ζ
R2（KΩ）
Mp（理论值）
Ts（理论值）
Mp（观测值）
Ts（观测值）
0
0
0.25
50
44.5％
1.2
0.5
100
16.3％
0.6
1
200
2．取n＝100rad/s，即令R＝100KΩ，C=0.1uf；分别取ζ＝0、0.25、0.5、1，及取R1=100KΩ,R2分别等于0、50KΩ、100KΩ、200KΩ。
3．实验参考曲线如图所示（实验时每次只有一条曲线）
实验三控制系统的稳定性分析
一、实验说明：
（1）熟悉闭环系统稳定和不稳定现象，并加深理解线性系统稳定性只与其结构和参量有关，而与外作用无关；
（2）老斯稳定判据的应用；
（3）了解系统开环增益与其时间常数的关系，进而理解人为地增大某时间常数（使各时间常数在数值上错开）是提高系统临界开环增益地一种有效方法；
（4）在实验中，要求实验前计算不同时间常数配合下的系统临界开环增益，并与实验结果对比分析、讨论。
T=RC＝0.1，系统临界开环增益K=2,K=R3/R2,R2=100K,R3=200K（小于200K时系统稳定）
T=RC=0.01,系统临界开环增益K=11,K=R3/R2,R2=100K,R3=1120K（小于1100K系统稳定）
二、实验参考：
调整电路中R3至系统响应呈等幅振荡，测量记录此时电阻数值。
R3取临界值及临界值左右时的响应曲线如图：
系统临界值时的响应曲线系统小于临界值时的响应曲线
系统大于临界值时的响应曲线
实验四系统频率特性测量
一、实验说明
本实验原理是在被测对象的输入端加上正弦信号，待输出稳定后，在输出端可得到与输入端同濒率的正弦信号，但其幅值和相位与输入端信号不同。
如果在足够的频率范围内测出输出信号与输入信号的幅值比和相角差，便可得到被测对象的频率特性，进一步可确定被测对象的参数。
二、实验观测参考：
1．单个频率点的响应波形的手动测量观测，如图所示：
2．单个频率点的响应波形的自动测量观测，如图所示：
3．波特图的观测，如图所示：
4．奈氏图的观测，如图所示：
实验五连续系统串联校正
实验说明：
1．串联超前校正：
实质是利用相位超前，通过选择适当参数使出现最大超前角时的频率接近系统幅值穿越频率，从而有效地增加系统地相角裕度，提高系统的相对稳定性。
当系统有满意的稳态性能而动态响应不符合要求时，可采用超前校正。
实验观测：
校正前后系统响应
超前校正前系统响应曲线
超前校正后系统响应曲线
2．串联滞后校正：
利用校正后系统幅值穿越频率左移，如果使校正环节的最大滞后相角的频率远离校正后的幅值穿越频率而处于相当低的频率上，就可以使校正环节的相位滞后对相角裕度的影响尽可能小。
特别当系统满足静态要求，不满足幅值裕度和相角裕度，而且相频特性在幅值穿越频率附近相位变化明显时，采用滞后校正能够收到较好的效果。
实验观测：
校正前后的系统响应
滞后校正前系统响应曲线
滞后校正后系统响应曲线
3．串联超前－滞后校正：
如果单用超前校正相角不够大，不足以使相角裕度满足要求，而单用滞后校正幅值穿越频率又太小，保证不了响应速度时，则需用超前－滞后校正。
实验观测：
校正前后的统响应
超前－滞后校正前系统响应曲线
超前－滞后校正后系统响应曲线
说明：
实验前，应要求学生用频率法分析实验中校正前后系统的参数变化。
实验六数字PID控制
一、实验说明：
比例－积分（PI）控制规律：
它的作用相当于在系统中增加了一个开环极点和开环零点。
位于原点的极点可提高系统的稳态性能，而增加的零点则可缓和和极点对系统稳定性产生的不利影响。
比例－积分－微分（PID）控制规律：
它的作用与PI控制器相比，除了同样具有提高系统稳态性能的优点外，由于系统多一个负实部零点，还对提高系统的动态性能又更大的优越性。
工程设计中有许多中方法，如对于一个特定的被控对象，在纯比例控制的作用下改变比例系数可求出产生临界振荡的振荡周期Tu和临界比例系数Ku。
根据Ziegler－Nichols条件有T=0.1Tu；Ti=0.125Tu。
从而根据性能要求调节参数。
工程方法有很多，此处不再一一介绍。
二、实验参考（每次实验只有一条曲线）：
K、P、I参数不同时的各种响应曲线：
实验七状态反馈与状态观测器
一、实验说明：
给定控制系统，通过设计反馈增益阵使闭环系统具有期望的极点，从而达到适当的性能，这就是极点配置问题。
但极点配置问题是基于状态反馈，因此状态必须可测，当状态不可测时，则应设计状态观测器。
设计的状态观测器也应具有适当的频率特性，因此也可指定其极点位置，从而使状态观测器的设计转换为极点配置问题。
对于状态观测器的设计包括：
全阶和最小阶状态观测器的设计。
设计方法此处不再细述。
要求学生通过实验，掌握极点配置的方法和状态观测器的设计方法。
二、实验观测：
阶跃响应曲线
阶跃跟踪响应
实验八解耦控制
一、实验说明：
有关系统耦合的现象和解耦的意义需要学生掌握，并掌握解耦的基本方法，实验中可以根据情况在原实验指导书的基础上，改变耦合系统。
二、实验观测：
1．耦合系统特性：
2．解耦系统开环特性：
3．解耦系统闭环特性：
实验九采样系统
一、实验说明：
采样系统比较重要的概念是采样定理的理解和掌握，并应该掌握零阶保持器的原理。
二、实验观测：
1．信号源：
2．采样过程：
3．采样恢复：
4．验证采样定理：
实验十非线性实验
一、实验说明：
通过实验要求学生了解并掌握典型非线性环节的模拟方法。
掌握典型非线性环节的波形特点及参数对静特性的影响。
二、实验观测
1．继电器特性：
2．饱和特性：
3．死去特性：
4．滞环特性：
实验十一相轨迹观测实验
一、实验说明：
相平面图表征系统在各种初始条件下的运动过程，相轨迹则表征系统在某个初始条件下的运动过程，要求学生掌握用相轨迹法分析系统响应的方法。
二、实验观测：
附录二串口AD/DA卡调试说明
1.程序下载
下载时必须先将跳线JP1短接，再上电，此时指示灯一直亮，表明芯片处于下
载模式.ADUC812要用专门软件（DOWNLOAD.EXE）下载编程,DOWNLOAD.EXE的用法如下:
DOWNLOADfilename.hex/c:
1（COM1口）
DOWNLOADfilename.hex/c:
2（COM2口）
下载电缆同三合一实验箱电缆
下载完成后，关电将JP1断开，使处于正常工作模式。
2.JP1断开后重新上电，此时指示灯应先亮2秒左右再灭，即表示芯片工作正常
如果灯一直亮，可能原因如下：
1）程序下载不正确，检查下载电缆、芯片ICL232等下载线路。
2）外部扩展RAM（62256，74LS373）有问题，使外部RAM读写测试通不过，灯就会一直亮。
3）外部基准电压超过芯片极限电压5.3V，使芯片出错，检查T1过孔处电
压，可调节VR6降低电压。
3.调基准电压
调节电阻VR6,使测试点T1过孔的电压精确等于5.0V。
在T1电压精确调整之后,调节VR5使芯片U7第8脚电压为-5.0V，此时U5、U6的1、7、8、14脚输出应为2.5V左右
4.DA+5V调整
将P1,P2均接到GND,重新启动单片机,进入+5V调整模式。
用表量DA0,DA1输出,分别调节VR4,VR1使输出为+5V。
5.DA0V较准
P1,P2悬空,重启动单片机,进入正常工作模式。
调节VR3,VR2,使DA0,DA1输出为0V。
6.DA-5V较准
P1空,P2接GND,重启进入-5V校验模式。
经过上两步校准,此时DA0,DA1输出应为-5V左右,差别不大时就不要调VR1,VR2,VR3,VR4,否则前两步要重新调整。
7.AD通道测试
P1接GND,P2空,重启进入AD通道测试模式。
开始DA0,DA1电压应分别为+2.5V,-2.5V左右,用导线将DA0连至AD0,此时DA1电压由-2.5变成+2.5V（在此模式下软件内设计成将AD通道采集的数送到DA1）,说明AD0通道采集正确,其它通道按同样方法可测。
说明:
指示灯在正常工作时应熄灭,其他模式都一直亮。
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