《自动控制理论A》实验指导书071016.docx
《《自动控制理论A》实验指导书071016.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《《自动控制理论A》实验指导书071016.docx（17页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
《自动控制理论A》实验指导书071016
《自动控制理论》
实验指导书
适用专业:
电气、测控、信息
课程代码:
8402500、8402510
总学时:
总学分:
编写单位:
电气信息学院
编写人:
王军舒欣梅
审核人:
审批人:
批准时间:
年月日
目录
实验预习……………………………………………………………………………………2
实验一（实验代码1）典型系统的瞬态响应和稳定性………………………………………4
实验二（实验代码2）二阶系统动态特性、根轨迹和频率特性分析………………………8
实验三（实验代码3）系统校正………………………………………………………………11
实验四（实验代码4）直流电机闭环调速……………………………………………………14
主要参考文献…………………………………………………………………………………16
实验预习
一、系统软件操作说明
1、进入系统
本课程采用TDN-AC/ACS实验系统。
开启PC微机及实验平台的电源开关，随即进入ACS子目录，键入ACS并回车，屏幕显示如下：
图1集成操作软件引导界面
根据你所使用的通讯端口选择键入1或2，便可进入ACS系统集成软件环境。
2、示波器界面及操作
界面如下图2所示。
分为功能键提示栏、波形显示窗口、数据显示窗口和命令/提示栏四个部分。
功能键提示栏显示功能键提示，当前可用的功能键用黑色显示。
不可用的用灰色显示。
数据显示窗口显示两路信号当前的电压值。
CH1显示第一路，CH2显示第二路。
第一路的电压值及波形用黄色显示，第二路用绿色显示。
显示数据乘以0.1即为实际电压值，单位伏特。
波形显示窗口显示波形曲线。
命令/提示栏接受用户的命令并显示提示信息。
图2示波器功能界面
F1_Run:
运行。
进入示波器功能后，先要运行程序然后观测波形。
此时可将示波器探头接在想要检测的地方，按F1键，观测该处的波形。
F2_Stop:
终止程序运行。
当程序运行后，可用“F2”终止程序运行。
注意：
终止程序后波形不会保留。
如果需要保留屏幕上的波形，可用“F3_Pause”。
F3_Pause:
暂停。
在波形显示时可用“F3”保留屏幕上的波形，此时命令/提示栏显示“Pause”，用“←”键和“→”键可移动游标测量波形数据（游标显示为一条白线）。
CH1及CH2数据显示窗会分别显示出游标所在位置两路信号的电压值，同时，波形显示窗会分别显示出游标所在位置两路信号的电压值，同时，波形窗口左下方用黄色显示出游标所在处距窗口最左边的时间值，单位为毫秒。
如果希望继续显示波形，可用“F4_Continue”功能键。
注意：
暂停时程序任在运行。
F4_Continue:
继续显示波形。
当处于暂停状态时可用“F4”键继续波形的显示。
F5_Scale+:
可将波形横向拉开。
F6_Scale_:
可将波形横向压缩。
F8_Return:
返回，退出示波器功能。
注意：
程序运行或暂停时都不可用“F8”键返回。
只有按下“F2_Stop”后，即没有程序运行时才可返回。
二、系统实验平台说明
1、实验中有关注意事项
（1）使运放处于工作状态。
将信号源单元（U1SG）的ST端（插针）与＋5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态。
（2）阶跃信号的产生。
电路可采用图3所示电路，它由“单脉冲单元”（U13SP）及“电位器单元”（U14P）组成。
在（U13SP）单元中，将H1与+5V插针用“短路块”短接，H2插针用排线接至（U14P）单元的X插针；在（U14P）单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。
图3阶跃信号的产生
（3）对于搭接被控对象时，输入和反馈回路中的电阻应尽可能利用实验板上的电位器来实现。
（4）实验用的导线，导线头不应拔得太长，以防线线短路。
实验一典型系统的瞬态响应和稳定性
一、实验目的和任务
1、通过模拟实验，定性和定量地分析二阶系统的两个参数T和ζ对二阶系统动态性能的影响。
2、通过模拟实验，定性和定量地分析系统开环增益K对系统稳定性的影响。
3、观测系统处于稳定、临界稳定和不稳定情况下的输出响应的差别。
二、实验内容
1、观察二阶系统的阶跃响应，分析二阶系统的两个参数T和ζ对二阶系统动态性能的影响。
2、观察三阶系统的阶跃响应，分析系统开环增益K对系统稳定性的影响。
三、实验仪器、设备及材料
TDN-AC/ACS教学实验系统、导线
四、实验原理
1、典型二阶系统的方块图及传函
图1-1图是典型二阶系统原理方块图，其中
分别为10、5、2.5、1。
图1－1
开环传函：
，其中
＝开环增益
闭环传函：
，其中
2、
模拟电路图：
见图1－2
图1－2
3、典型三阶系统
典型三阶系统的方块图见图1-3所示：
图1-3
开环传递函数为：
其中
（开环增益）
4、模拟电路图：
见图1-4所示：
图1-4
开环传函为
其中K=510/R
系统的特征方程为
由Routh判据，得
五、主要技术重点、难点
1、用示波器观察系统阶跃响应C（t）时，超调量Mp，峰值时间tp和调节时间ts的测量。
2、从系统阶跃响应C（t）波形分析系统稳定性
六、实验步骤
准备：
将信号源单元（U1SG）的插针和＋5V插针用“短路块”短接。
1、按图1－2接线，
。
2、用示波器观察系统阶跃响应C（t），测量并记录超调量Mp，峰值时间tp和调节时间ts，把结果记录在表1－1中。
3、分别按
改变系统开环增益，观察相应的阶跃响应C（t），测量并记录性能指标Mp、tp、ts，绘制出阶跃响应曲线。
并将测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。
4、按图2－2接线，
。
5、观察系统的阶跃响应，并记录波形。
6、减小开环增益（
）,观察系统的阶跃响应，记录波形。
7、将记录的波形绘制在表1－2中，并作出稳定性判定。
七、实验报告要求
表1－1
参数
项目
R
KΩ
K
l/s
ωn
l/s
ζ
C（tp）
C（∞）
Mp
tp
ts
阶跃响应曲线
计算值
测量值
计算值
测量值
计算值
测量值
0<ζ<1
10
20
ζ=1
40
ζ>1
100
表1－2
R（KΩ）
K
输出波形
稳定性
30
42.6
100
八、实验注意事项
1、作实验前要预习。
2、实验内容较多，作实验时注意抓紧时间。
九、思考题
1、在实验线路中如何确保系统实现负反馈？
如果反馈回路中有偶数个运算放大器，则构成什么反馈？
2、有那些措施能增加系统的稳定度？
它们对系统的性能有什么影响？
实验二二阶系统动态特性、根轨迹和频率特性分析
一、实验目的和任务
1、学会用MATLAB分析系统的阶跃相应，。
2、学会用MATLAB绘制系统的根轨迹。
3、学会用MATLAB进行频率特性分析，绘制Bode图和Nyquist
二、实验内容
4、应用MATLAB函数进行系统阶跃响应分析。
5、应用MATLAB函数绘制系统和分析根轨迹。
6、应用MATLAB函数绘制系统Nyquist频率曲线并判断稳定性。
7、应用MATLAB函数绘制和分析系统bode图。
三、实验仪器、设备及材料
装有MATLAB软件的计算机一台
四、实验原理
实验中应用的函数介绍：
1、step函数：
可计算出连续系统的单位阶跃相应，可用来分析超调量和调节时间等二阶性能指标。
格式：
step（num,den）
2、rlocus函数：
可得到连续系统的单输入单输出根轨迹。
格式：
rlocus（num,den）
3、bode函数：
可计算出连续时间系统的幅频和相频响应曲线，可用来分析系统的增益裕量、相位裕量、直接增益、带宽、扰动抑制及稳定性等特性。
格式：
bode（num,den）
4、nyquist函数，可计算出连续时间函数系统的Nyquist频率曲线，可用来分析包括增益裕量、相位裕量及稳定性在内的系统特性。
格式：
nyquist（num,den）
各函数中num和den分别指传递函数的分子和分母多项式由高阶到低阶排列的多项式系数。
如传递函数
，num=[21]，den=[132]。
五、主要技术重点、难点
应用MATLAB函数进行阶跃响应分析和绘制根轨迹、Nyquist频率曲线、bode图
六、实验步骤
1、对典型二阶系统
，ωn＝6，绘制出ζ取0.1，0.5，1.0，2.0时二阶系统的单位阶跃响应曲线，将结果填入表2-1。
2、已知开环传递函数如表2-2所示，绘制出系统根轨迹图，判断该系统稳定范围。
3、对典型二阶系统
，ωn＝6，绘制出ζ取0.1，0.5，1.0时二阶系统的Bode图，将结果填入表2-3，比较各条曲线的差别。
4、已知开环传递函数如表2-4所示，绘制出系统Nyquist曲线，将结果填入表2-4，用乃氏判据判断闭环系统稳定性。
七、实验报告要求
表2-1（单位阶跃响应）
参数
单位阶跃响应
ωn＝6
ζ=0.1
ζ=0.5
ζ=1.0
ζ=2.0
表2-2（根轨迹）
开环传递函数
系统根轨迹图
K的稳定范围
表2-3（bode图部分）
参数
Bode图幅相频特性
ωn＝6
ζ=0.1
ζ=0.5
ζ=1
表2-4（Nyquist图部分）
开环传递函数
Nyquist曲线
稳定性
八、实验注意事项
1、实验前需要学习MATLAB软件相关函数内容，熟悉各个函数的使用。
2、注意对绘制的图形进行分析。
九、思考题
典型二阶系统参数ζ改变对时域响应走势有什么影响？
如何利用bode图设计系统以获得理想的中频特性和稳态性能。
实验三系统校正
一、实验目的和任务
1、学会分析校正装置对系统稳定性和暂态指标的影响。
2、学会设计串联校正装置
二、实验内容
观察一个二阶系统校正前后的阶跃响应曲线，分析超调量σp％和调节时间ts的变化情况。
三、实验仪器、设备及材料
TDN-AC/ACS教学实验系统、导线
四、实验原理
1、原系统的原理方块图：
见图3－1
图3－1
由闭环传函
要求设计串联校正装置，使系统满足性能指标：
。
由理论推导得，校正网络得传递函数为：
所以校正后的方块图如图3－2所示：
图3-2
2、原系统及校正后的模拟电路图，见图3-3及图3-4
图3-3
图3-4
五、主要技术重点、难点
分析校正装置对系统稳定性和暂态指标的影响。
六、实验步骤
1、测量未校正系统的性能指标。
（1）按图3-3接线。
（2）加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp和调节时间ts，将曲线及参数记录下来。
2、测量校正系统的性能指标。
（1）按图3-4接线。
（2）加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp和调节时间ts，看是否达到期望值，若未达到，请仔细检查接线（包括阻容值）。
3、将测出的超调量Mp和调节时间ts填入表3-1中，并绘制出相应的响应曲线。
七、实验报告要求
Mp
ts（s）
响应曲线
校正前
校正后
表3-1
八、实验注意事项
注意超调量Mp和调节时间ts的读取
九、思考题
如何测量速度误差？
怎样检测静态速度误差系数是否满足希望值？
实验四直流电机闭环调速
一、实验目的和任务
1、学会综合应用自动控制理论和其它学科的知识分析系统。
2、熟悉单片机控制的电机闭环调速的基本原理。
3、掌握自动控制的PID算法。
二、实验内容
1、按图接线，了解电机闭环调速控制的基本原理。
2、学习电机闭环调速控制的编程方法，掌握PID算法。
3、分析PID算法中参数对控制结果的影响，记录控制效果最好的参数。
三、实验仪器、设备及材料
TDN-AC/ACS教学实验系统、导线
四、实验原理
直流电机闭环调速系统原理如图4-1所示，实验接线图如图4-2所示
图4-1
A
图4-2
TDN-AC/ACS系统的8255PB10脉冲信号为控制量，经驱动电路驱动电机运转。
霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量，在参数给定的情况下，经PID运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。
其中OPCLK为1.1625MHz的时钟信号，经8253的2号通道分频输出1ms的方波，接入8259产生IRQ6中断，作为系统采样时钟；PB10产生PWM脉冲计时及转速累加，8259的IRQ7中断用于测量电机转速。
五、主要技术重点、难点
1、电机闭环调速控制的编程方法。
2、PID算法中参数改变对控制结果的影响。
六、实验步骤
1、按图接线。
串口通讯成功后，进入欢迎界面显示“Welcometoyou”。
2、按下F5键“Load”，载入程序。
这时在屏幕最下方，显示出内容和需要键入的内容分别如下：
显示内容
键入内容
Filename:
EXP1.EXE回车
CS:
0000回车
IP：
2000回车
Loadok
3、键入成功后，显示Loadok!
在示波器F7-Wave界面下运行程序。
按下F1，在屏幕最下方，显示内容和需要键入的内容分别如下：
显示内容
键入内容
CS：
0000H
IP：
2000H
之后即可以看到风扇转动。
从界面上可看到输出波形。
4、观察并记录波形，分析其响应特性，填入表4-2中。
5、按F8返回欢迎界面，输入：
D0239：
0000（回车）可看到
0239：
00001430006000601010
（TS）SPEC=0030HIBAND=0060HKPP=1060H
0239：
0008000200……
KII=0010HKDD=0020H
其中地址所对应参数的意义如下，分析这些参数在控制中的作用。
表4－1实验程序参数表
符号
取值范围
名称及作用
IBAND
0000H-007FH
积分分量值：
PID算法中积分分离值
KPP
0000H-1FFFH
比例系数：
PID算法中比例项系数值
KII
0000H-1FFFH
积分系数：
PID算法中积分项系数值
KDD
0000H-1FFFH
微分系数：
PID算法中微分项系数值
6、输入E0239，即可在相应位置上修改参数IBAND、KPP、KII、KDD值。
例如：
用E0239：
0000命令可以从第一个数据开始修改这些值，按空格继续修改下一个值，按减号修改上一个值，按回车确认。
观察修改后的响应特性，选择一组较好的控制参数，并记录在表4-2中。
七、实验报告要求
1、观察电机转速及示波器上给定值与反馈值的波形，分析其响应特性，结果记录在表4-2中。
2、记录较好的一组较好的控制参数，结果记录在表4-2中。
表4-2实验结果
项目参数
IBAND
KPP
KII
KDD
超调
稳定<2%时间
例程中参数响应特性
0060H
1060H
1010H
0020H
去掉IBAND
0000H
1060H
1010H
0020H
自测一组较好参数
3、分析参数IBAND、KPP、KII、KDD对响应特性的影响。
八、实验注意事项
注意汇编程序其段地址CS:
0000，偏移地址IP:
2000，应与宏汇编程序设定相符。
九、思考题
在程序中，PID算法是怎么实现的？
主要参考文献
[1]自动控制理论（第2版）邹伯敏主编，机械工业出版社，2004
[2]自动控制理论晁勤等编，重庆大学出版社，2001年
[3]薛定宇著.控制系统计算机辅助设计—MATLAB语言与应用（第2版）.北京:
清华大学出版社,2006
升级会员 