自动控制原理实验指导书2008.doc

目 录第一章 自动控制原理实验1实验一 典型环节模拟方法及动态特性1实验二 典型二阶系统的动态特性4实验三 典型调节规律的模拟电路设计及动态特性测试6实验四 调节系统的稳态误差分析8实验五 三阶系统模拟电路设计及动态特性和稳定性分析10实验六 单回路系统中的PI调节器参数改变对系统稳定性影响12实验七 典型非线性环节的模拟方法14实验八 线性系统的相平面分析16第二章 控制理论实验箱及DS3042M（40M）示波器简介18第一节 自动控制理论实验箱的简介18第二节 数字存储示波器简介19第一章 自动控制原理实验实验一 典型环节模拟方法及动态特性一、实验目的1、 掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法。2、 通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性。二、实验设备及器材配置1、 自动控制理论实验系统。 2、 数字存储示波器。3、 数字万用表。4、 各种长度联接导线。三、实验内容分别模拟比例环节、积分环节、实际微分环节、惯性环节，输入阶跃信号，观察变化情况。 1、比例环节Vo100KVRR图1-1 实验模拟电路见图1-1所示 传递函数： 阶跃输入信号：2V实验参数：（1） R=100K R=100K（2） R=100K R=200K2、积分环节 实验模拟电路见图1-2所示100KRVVo 。C图1-2 传递函数： ，其中T=RC 阶跃输入信号：2V 实验参数：（1） R=100K C=1f（2） R=100K C=2f3、实际微分环节 实验模拟电路见图1-3所示RCRVVo100K图1-3 传递函数： 其中 T=RC K=阶跃输入信号：2V 实验参数：（1） R=100K R=100K C=1f（2）R=100KR=200K C=1f4、惯性环节VoRR100KVC图1-4实验模拟电路见图1-4所示传递函数：其中 T=RC K= 阶跃输入：2V 实验参数：（1） R=100K R=100K C=1f（2） R=100K R=100K C=2f四、实验步骤1、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节。2、利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，并研究参数改变对典型环节阶跃特性的影响。绘出响应曲线。 3、分析实验结果，完成实验报告。实验二 典型二阶系统的动态特性一、实验目的1、学习和掌握二阶系统动态性能指标的测试方法2、了解二阶系统动态指标和阻尼比的关系。3、研究二阶系统参数改变对系统动态性能和稳定性的影响二、实验设备及器材配置1、自动控制理论实验系统。 2、数字存储示波器。3、数字万用表。4、各种长度联接导线。三、实验内容观测二阶系统的阶跃响应曲线，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。V100KR。100K100K。100K 。1f1f100K100KRVo100K1、典型二阶系统的模拟电路图：2、典型二阶系统的方块图：+-KVoV 方块图中的具体参数请同学自己算出并填进去3、实验参数： R 510K100K100K100K100KR100K100K200K330K510K 4、输入信号信号：2V 四、实验步骤：1、按典型二阶系统的模拟电路图在实验设备上接好线，分别观察各组参数的阶跃响应曲线，并记录响应曲线。2、计算各组参数的阻尼比、超调量、调整时间和衰减率的值，并填写下表。3、总结二阶系统动态指标和阻尼比的关系。4、分析实验结果、完成实验报告。 实 验 次 数12345R510K100K100K100K100KR100K100K200K330K510K传 递 函 数V0（S）/VI（S）=A/（S2+10S+A）特 征 方 程S2+10S+A=0 （A=510，100，50，30，20）阻 尼 比0.220.50.7070.9081.13超调量计算值超调量实际值衰减率计算值衰减率实际值调整时间计算值调整时间实际值实验三 典型调节规律的模拟电路设计及动态特性测试一、实验目的1、学习和掌握实现P、PI、PD、PID调节规律。2、了解P、PI、PD、PID调节规律的动态特性及参数变化对动态特性的影响。3、学习用模拟电路来实现PID的实现方法。 二、实验设备及器材配置1、自动控制理论实验系统。2、数字存储示波器。3、数字万用表。4、各种长度联接导线。100KRVVoR图3-1 三、实验内容1、 P调节器实验模拟电路见图3-1所示 实验参数 ：（1） R = 100K R = 100K （2） R = 200K R = 100KVVoCRR100K图3-22、 PI调节器实验模拟电路见图3-2所示实验参数：（1） R = 200K R = 200K C = 2F（2） R = 200K R = 100K C = 2F RRC100KRVo图3-33、 PD调节器实验模拟电路见图3-3所示实验参数 ：（1） R = 100K R= 200K R = 200K C = 1F （2） R= 100K R= 100K R= 200K C = 1F 4、 PID调节器V100KRRVoRC图3-4C实验模拟电路见图3-4所示实验参数 ：（1）R = 33K R= 200K R= 200K C= 1F C = 2F （2）R= 33K R= 100K R= 200KC= 1F C= 2F 5、设计一个由理想微分组成的PID调节器，绘出模拟电路图，选取设计参数，求出传递函数。四、实验步骤1、分别连接各种调节规律实验模拟电路，输入信号2V。2、完成各种调节规律的阶跃特性测试，绘出响应曲线。3、写出各种调节规律的传递函数。4、分析实验结果，完成实验报告。实验四 调节系统的稳态误差分析一、实验目的1、了解系统的稳定误差和输入信号的形式（如阶跃信号、斜坡信号）的关系。2、熟悉系统类型（0型、1型）和开环放大倍数K之间的联系。 二、实验设备及器材配置1、自动控制理论实验系统。2、数字存储示波器。3、数字万用表。4、各种长度联接导线。三、实验内容1、0型系统 0型系统的模拟电路见图4-1所示100K100K100K100K100K100K100K100K100K100K100K100K100KVV100KR100KCCCV图4-1 0型系统的开环传递函数： 其中 K= T=100KC 注意 ：电阻、电容的单位 实验参数：（1） R=100K C=1f或10f （2） R=510K C=1f或10f2、1型系统 1型系统的模拟电路图，是把4-1所示的0型系统模拟电路中的3个惯性环节当中的任意一变成积分环节即可。1型系统的开环传递函数： 其中 K= T=100KC T=100KC 注意 ：电阻、电容的单位 实验参数：（1） R=50K C=1f或10f （2） R=100K C=1f或10f 3、 输入信号分两类：（1）阶跃信号。（2）斜坡信号。 四、实验步骤： 1、分别连接0型系统和1型系统实验模拟电路。 2、分析从V和V输出的区别。 3、记录实验结果并绘出实验曲线。 4、把稳态误差的计算值和实际值的结果进行比较。 5、分析实验结果，完成实验报告。 实验五 三阶系统模拟电路设计及动态特性和稳定性分析一、实验目的1、学习和掌握三阶系统动态性能指标的测试方法2、研究三阶系统参数改变对系统动态性能和稳定性的影响。3、根据系统的开环传递函数设计其模拟电路。 二、实验设备及器材配置1、自动控制理论实验系统。2、数字存储示波器。3、数字万用表。4、各种长度联接导线。三、实验内容观察三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究参数变化对其动态性能和稳定性的影响。1、 三阶系统的模拟电路图：100K200K510K10fVo100K100K100K100K100K100K200K200K100K100K100K1f1fVR2、三阶系统的开环传函数： 其中K= 注意电阻单位用千欧3、已知一系统的开环传递函数为：G（S）H（S）=由给出的系统开环传递函数设计出该闭环系统的模拟电路，求出该系统稳定情况下K的取值范围。三、实验步骤1、写出系统的特征方程。2、根据劳斯判据求出：（1）系统稳定情况下的R取值范围。（2）系统临界稳定情况下的R的值。（3）系统不稳定情况下的R取值范围。3、按照三阶系统的模拟电路及R的值排好题。4、分别绘出实验曲线。5、分析实验结果，完成实验报告。实验六 单回路系统中的PI调节器参数改变对系统稳定性影响一、实验目的1、以四阶惯性对象为例，由边界稳定条件整定PI调节器的参数，了解整定过程。2、在单回路调节系统中，观察和T变化对调节系统的影响。 二、实验设备及器材配置1、自动控制理论实验系统。2、数字存储示波器。3、数字万用表。4、各种长度联接导线。FVo共四阶惯性环节。100K100K100K100K100K100K1f1f。VFRCR100K100K100K三、实验内容实验模拟电路图； 图中F为所加输入（扰动）信号，V=0为给定值，Vo为被调量。四、实验步骤 1、先把调节器设为纯比例调节器，其比例带=-=-（即比例调节器放大倍的倒数）。2、将该闭环系统投入运行，通过调节的大小使此系统处于临界稳定状态，求出此时的比例带（称临界比例带）和临界振荡周T。3、由经验公式确定，衰减率为=0.75时，PI调节器参数为=2.2，T= T/1.2，由此确定PI调节器中C、R、R的数值（将C取一定值），根据所确定的参数值，将该闭环系统投入运行，测取扰动F=2V时的响应曲线。 3、在上述已整定的基础上，观察，T改变对系统稳定性的影响。 （1）将减小或增大，T不变，测取响应曲线。（2）不变，将T减小或增大，测取响应曲线。4、分析实验结果，完成实验报告。实验七 典型非线性环节的模拟方法一、实验目的1、了解并掌握典型非线性环节的静态特性。2、了解并掌握典型非线性环节的模拟方法。二、实验设备及器材配置1、自动控制理论实验系统。2、数字存储示波器。3、数字万用表。4、各种长度联接导线。三、实验内容10K10K10K10K。10KVV1、具有继电特性的非线性环节继电特性的参数由双向稳压管的稳压值与后一级运放放大倍数之积决定。10K。10K10K10K10KVoV2、饱和特性的非线性环节饱和特性的饱和值等于双向稳压管的稳压值与后一级运放放大倍数之积，斜率等于两级放大倍数之积。4、 有死区特性的非线性环节RR030K30KR+15V-15VVRfRRVo 斜率为K= 死区 =15 式中R的单位为K，且R=R（实际死区还要考虑二极管的压降值）。四、实验步骤：1、 将数字存储示波器工作在XY方式。2、将数字存储示波器的通道1和通道2分别接在V和V上。3、输入信号为正负斜坡信号。4、利用实验设备，联接继电特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的特性测试。5、利用实验设备，联接饱和特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的特性测试。6、利用实验设备，联接死区特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的特性测试。7、分别绘出其特性曲线。分析实验结果，完成实验报告。实验八 线性系统的相平面分析一、实验目的1、观察线性系统不同参数的相轨迹曲线。2、加深相平面的基本概念的认识。二、实验设备及器材配置1、自动控制理论实验系统。2、数字存储示波器。3、数字万用表。4、各种长度联接导线。三、实验内容 1、 线性系统实验模拟电路图： 。100K。100K。 。100K100K100K100K1f100K100KRCYXVVo2、线性系统方块图：VoVXY3、实验参数：（1）欠阻尼系统 R=500K C=1f或10f （2）过阻尼系统 R=50K C=1f或10F4、输入信号：2V。 四、实验步骤：1、将数字存储示波器工作在XY方式。2、按照实验模拟电路图接好线。3、将X和Y分别接在数字存储示波器的1通道和2通道，测取相平面图。4、改变参数，再次测取相平面图。 5、分析实验结果，完成实验报告。第二章 控制理论实验箱及DS3042M（40M）示波器简介第一节 自动控制理论实验箱的简介一、 系统的功能特点1、支持自动控制原理的教学实验。2、系统含有高阶电路模拟单元，可以根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。3、增加选件后，可以构成综合性很强的研究型高级实验系统。二、系统的构成 自动控制理论实验主要由电源部分U1单元，信号源部分U2单元，与PC机进行通讯的数据采集部分U3单元，元器件部分U4单元，非线性部分U5U7单元，模拟电路部分U8U16单元组成。 1、电源部分U1单元，包括电源开关、保险丝、5V、15V、1.3V15V可调电源。 2、信号源部分U2单元，可以产生周期方波信号、周期斜坡信号、抛物线信号和正弦信号，频率值可调。 3、U3单元为数据采集与处理模块，通过并行口可以与上位机PC进行通讯。 4、U4单元提供了实验所需的电容、电阻、电位器，另外提供了插接电路供放置自己选定大小的元器件。 5、U5U7单元分别为典型的非线性环节模拟电路。 6、U8U16为由运算放大器与电阻、电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成的电路用于锁零。三、实验注意事项1、 实验前运算放大器需要调整零点。2、 运算放大器边上的锁零点G接线正确。不需要锁零点（即需要运算放大器工作）时，请把G与15V相连，锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般不需要锁零。3、 在设计和联接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运算放大器都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反相器。4、 把实际运算放大器看成是理想运算放大器。第二节 数字存储示波器简介一、 DS3042M（40M）数字存储示波器的简介DS3042M（40M）数字存储示波器向用户提供简单而功能明晰的前面板，以进行所有的基本操作。各通道的表的标度和位置旋钮提供了直观的操作，完全符合传统仪器的使用习惯，使用者不必花大量的时间去学习和熟悉示波器的操作，即可熟练使用。为加速调整，便于测量，使用者可直接按【AUTO】键，立即获得适合的波形显现和档位设置。强大的触发和分析能力使其易于捕获和分析波形。单色液晶显示、和数学运算功能，便于使用者更快更清晰地观察和分析信号问题。1、 双通道，每通道带宽40M。2、 每通道16K的深度存储器。赋予更大的数据吞吐能力。3、 高清晰单色液晶显示系统，320240分辨率。4、 单次采样100MSa/s,等效水平分辨率100ps。5、 自动波形、状态设置【AUTO】。6、 波形、设置存储和再现。7、 精细的UltraZoom功能，轻易兼顾波形细节与概貌。8、 自动测量多种波形参数。9、 自动光标跟踪测量功能。10、自动校准。11、多重波形数学运算功能。12、边沿、视频触发功能。13、中/英文菜单显示。二、 DS3042M（40M）数字存储示波器常用功能的简要说明MEASUREACQUIRESTORAGEAUTORUN/STOPCURSORDISPLAYUTILITYPOSITIONPOSITIONLEVELOFFMENUMENUFORCEEXTTRIGCH1CH1CH2CH2MATHREF菜操键1221DS 3042M菜单操作显 示 窗 口电源开关通道11单作2354通道2150%SCALE DS3042M（40M）数字存储示波器前面板示意图1、 打开电源开关。仪器执行所有自检项目，并确认通过自检。2、【AUTO】键为自动设置键，自动设定仪器各项控制值，以产生适宜观察的输入信号显示。按此键示波器自动设定下列功能项目。功能 设定显示方式 YT采样方式 等效采样获取方式 普通垂直耦合 根据信号调整到交流或直流垂直“V/div” 调节至适当档位垂直档位调节 粗调带宽限制 关闭（即满带宽）信号反相 关闭水平位置 居中水平“S/div” 调节到适当档位触发类型 边沿触发信源 自动检测到有信号输入的通道触发耦合 直流触发电平 中点设定触发方式 自动3、【RUN/STOP】键为运行/停止键，它是运行和停止波形采样。当处于运行状态时按此键即可进入停止状态，再按此键又进入运行状态。注意：在停止的状态下，对于波形垂直档位和水平时基可以在一定的范围内调整，相当于对信号进行水平或垂直方向上的扩展。4、按【MENU1】键可以选择示波器的工作方式：根据操作菜单，按菜单操作键【2】可以选择示波器的工作方式为YT方式或XY方式。工作在YT方式下，Y轴（即垂直轴）显示电压量，X轴（水平轴）显示时间量；工作XY方式下，X轴（即水平轴）显示输入通道1电压量，Y轴（即垂直）显示输入通道2电压量。注意：示波器在YT方式下可以应用任意采样速率获得波形。示波器在XY方式下只适用于通道1和通道2，一般情况下将采样率适当降低，可以得到较好显示效果的李沙育图形。5、选择和关闭信号输入通道：按【CH1】或【CH2】键可以分别选择信号输入通道1（即CH1通道）或通道2（即CH2通道），系统显示CH1通道或CH2通道的操作菜单。其功能见下面说明：功能菜单 设定 说明耦合 交流 阻挡输入信号的直流成分。 直流 通过输入信号的交流和直流成分。接地 断开输入信号。带宽限制 打开 限制带宽至20MHZ，以减少显示噪音。 关闭 满带宽。档位调节 粗调 粗调按1-2-5进制设定垂直灵敏度。 微调 在粗调设置范围内进一步细分，以改善分辨率。探头 1X 根据探头衰减因数选取其中一个值，以保持垂10X 尺读数准确。 100X 1000X反相 打开 打开波形反向功能。 关闭 波形正常显示。根据操作菜单，按菜单操作键【1】可以选择其耦合方式（交流、直流、接地），从自动控制原理课实验的内容来说一定要选择直流；按菜单操作键【2】可以选择其带宽限制（关闭、打开）；按菜单操作键【3】可以选择其档位调节的设置（粗调、微调），一般情况下设置为粗调；按菜单操作键【4】可以选择其输入探头的率减系数（1X、10X、100、1000X），一般情况下设置为10X；按菜单操作键【5】可以选择其波形相位，反相（关闭、打开）。按【CH2】键可以选择信号输入通道2。其它设置选择同上。若希望关闭一个通道，首先，此通道必须在当前处于选中状态，然后按【OFF】键即可将其关闭。6、【SCALE1】为垂直（即Y轴）档位调节旋钮，它是调节电压量程的，注意只有在示波器处于运行状态时，该选钮才能在全量程范围内进行调整。从自动控制原理课实验的内容来说一般选取范围是在每格500mV2V之间。7、【SCALE2】为水平（即X轴）档位调节旋钮，它是调节时间量程的，注意只有在示波器处于运行状态时，该选钮才能在全量程范围内进