自动控制理论实验指导书新.docx
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自动控制理论实验指导书新
前言
自动控制原理是自动化、自动控制、电子电气技术等专业教学中的一门重要专业基础课程。
它可以处理时变、非线性以及多输入、多输出等复杂的控制系统等问题。
本套EL-AT-II型自动控制实验系统克服了以前做自动控制理论实验时，连线复杂，连接不稳定的缺点，通过对单元电路的灵活组合，可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。
可以使学生把主要精力集中在系统电路和系统特性的研究上。
本系统采用DA/AD卡通过USB口和计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集后的信号通过计算机显示屏显示，省去了外接信号源和示波器测量相应信号的麻烦。
EL-AT-II型自动控制实验系统支持自动控制理论课的所有实验，通过这套仪器可使学生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法，学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术，提高应用计算机的能力和水平。
本书分为三章，第一章为EL-AT-II型实验箱硬件资源，主要介绍实验箱的硬件组成和系统单元电路。
第二章为系统集成操作软件，主要介绍系统软件的安装，操作以及计算机和实验箱的通讯设置。
第三章为实验系统部分，主要介绍各个实验的电路组成，誓言原理和实验步骤。
另外，在附录部分由部分实验的说明和参考结果。
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………………………...……………………………………………..10
实验一典型环节及其阶跃响应…………………………….……………………………11
实验二二阶系统阶跃响应…………………………………….………………………....16
实验三控制系统的稳定性分析……………………………….……………………..…..20
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……………………………………………….………………………....42
实验十非线性实验…………………………………………….…………………………45
实验十一相轨迹实验…………………………………………….……………………....49
附录一实验说明及参考答案………………………….……………………………………51
附录二AD/DA卡调试说明……………………….….….…………...….………………….70
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EZUSB2131芯片做为主控芯片，负责数据采集和USB通信，用EPM7128作为SPI总线转换，AD为TL1570I其采样位数为12位，采样率为10KHz。
DA为MAX5159转换位数为12位，转换速率为10K。
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
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
模拟开关
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
软件安装（分两大部分）
一、安装应用软件
1．按照软件提示，一步一步完成安装
图1进入安装界面图2选择安装路径
图3单击Install图4安装完毕界面
2．完成应用软件的安装;应用软件会自动出现在“开始—>程序”列表中。
二、USB驱动安装（操作系统不同安装步骤有差别）
Windows2000操作系统下：
1．通过USB硬件接口,连接实验箱与计算机，计算机将自动显示图5
图5进入安装界面图6选择单选按钮后，单击下一步
2．图6的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中，所以应选择第一步安装应用程序的路径和文件名,然后单击"确定",系统将会自动查找驱动安装文件。
．
图7选择如图的复选按钮后，单击下一步图8选择驱动安装文件路径
图9单击下一步图10安装完成界面
WindowsXP操作系统下：
1．通过USB硬件接口,连接实验箱与计算机，计算机将自动显示图1
2．图2的驱动安装文件在第一步安装的应用程序文件中，所以应选择第一步安装应用程序的路径和文件名,然后单击"确定",系统将会自动搜索驱动安装文件。
图11选择如图的单选按钮后，单击下一步图12选择驱动安装文件路径
图13单击“仍然继续”图14安装完成界面
应用软件和USB驱动都安装完成后,可以运行实验系统.
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“快捷方式到Cybernation_A.exe”快捷方式，便可启动软件如图15
2．实验前计算机与实验箱的连接
用实验箱自带的USB线将实验箱后面的USB口与计算机的USB口连接，启
动“Cybernation_A”软件。
3．软件使用说明
本套软件界面共分为三个组画面
A.软件说明和实验指导书画面（如图15）
B.数据采集显示画面（如图16）
图15
图16
下面介绍软件具体操作和功能：
一：
工具栏按钮：
1.
点击〖或按F1〗可以选择实验项目作为当前实验项目，系统在指导书窗口显示相应的实验指导书，在实验进行过程中处于禁止状态。
2.
点击〖或按F2〗切换回"指导书"窗口。
3.
点击〖或按F3〗切换到"示波器"窗口。
4.
点击〖或按F4〗切换到"?
"窗口。
5.
点击〖或按F5〗开始／放弃当前实验项目，在没有选择任何实验项目的时候为禁止状态。
6.
点击〖或按F6〗弹出"关于"对话框，显示程序信息、版本号和版权信息。
二：
示波器操作：
1.测量在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"测量"打开测量游标（重复前述步骤隐藏测量游标），拖动任一游标到感兴趣的位置，图表区下方会显示当前游标的位置和与同类的另一游标之间距离的绝对值。
如果想精确定位游标只需用鼠标左键单击相应的游标位置栏并在编辑框中输入合法值回车即可。
2.快照在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择"快照"将当前图像复制到剪贴板，以便粘贴到画图或其他图像编辑软件中编辑和保存。
3.打印目前尚不支持。
4.线型在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中可点击"直线"、"折线"或"点线"来选择数据点和数据点之间的连接方式，体会各种连接方式的差异。
5.配色用鼠标左键双击图表区除曲线之外的元素会弹出标准颜色对话框，用户可以更改相应元素的颜色（比如将网格颜色改成与背景相同颜色）。
6.缩放用鼠标左键单击图表区刻度区的边界刻度并在编辑框中输入和法值回车即可改变当前显示范围。
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）检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击
按钮，出
现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信
正常，如出现警告表示通信不正常，找出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
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）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。
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.在实验项目的下拉列表中选择实验一[一、典型环节及其阶跃响应]。
5.鼠标单击
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）检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击
按钮，出
现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信
正常，如出现警告表示通信不正常，找出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，将两个积分电容连在模拟开关上。
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二[二阶系统阶跃响应]。
5）鼠标单击
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）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∞
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，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，在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。
3.测查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击
按钮，出
现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信
正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因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[二阶系统阶跃响应],鼠标单击
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，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，在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。
3.检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击
按钮，出
现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信
正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因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三[控制系统的稳定性分析],鼠标单击
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=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
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