自动控制原理实验教学.ppt

自动控制原理实验教学课件,信息学院自控原理实验室,开始播放,自动控制原理实验项目,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真 实验二 线性定常系统的瞬态响应 实验三 线性系统稳态误差的研究 实验四 典型环节和系统频率特性的测量 实验五 二阶系统的分析及校正设计,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真,实验线路及原理 实验方法及步骤 实验报告及要求,实验目的 实验设备和仪器 实验内容 实验思考题,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真 实验方法及步骤,1.利用实验台上的各电路单元，构建所设计比例环节 (可参考本实验附录)的模拟电路并连接好实验电路. 2.连接好采集卡接口单元与PC上位机的通信线。待 接线完成并检查无误后，操作“THBDC-1”软件。 3参照本实验步骤1、2，依次构建相应的积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节及惯性环节；并观察各个环节实验波形及参数。 注意：凡是带积分环节的，都需要在实验前按下“锁零按钮”对电路的积分电容放电；实验时再次按下“锁零按钮”取消锁零。 4点击“仿真平台”按钮，根据环节的传递函数，在“传递函数”栏中填入该环节的相关参数 。 5根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真 实验报告及要求,1画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。 2写出各典型环节的传递函数。 3根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。,返回,实验设备和仪器,THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台 USB数据采集卡 计算机,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真 实验思考题,1用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？ 2积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？ 3在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真 实验线路及原理,自控系统是由比例、积分、微分、惯性等典型环节按一定的关系连接而成。熟悉这些环节对阶跃输入的响应，对分析线性系统将是十分有益的。 在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论的阶跃响应曲线和环节的模拟电路图。 图1-1 比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线 图1-2 积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线 图1-3惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线,返回,返回,USB数据采集卡,返回,计算机,返回,THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真 实验目的,1熟悉并掌握THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。 2熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟与软件仿真研究。 3测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真 实验内容,1设计并组建各典型环节的模拟电路； 2测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响； 3在上位机界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验线路及原理 实验方法及步骤 实验报告及要求,实验目的 实验设备和仪器 实验内容 实验思考题,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应 实验方法及步骤,1. 设计(具体可参考本实验附录的图2-2)一个由积分环节（积分环节锁零端的使用请参考实验一的相关步骤）和一个惯性环节相串联组成的二阶闭环系统的模拟电路。 2.观察二阶系统模拟电路的阶跃响应特性，并测出其超调量和调整时间 。 3改变二阶系统模拟电路的开环增益K(改变图2-2所示电路中Rx的阻值，具体数值参考本实验附录)，观测当阻尼比为不同值时系统的动态性能。 4利用上位机界面提供的软件仿真功能，完成上述两个典型线性定常系统的动态性能研究，并与实验中观察的波形相比较。 5根据计算机保存的实验参数及波形，完成实验报告。,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应 实验报告及要求,1根据附录中的图2-1和图2-3画出二阶定常系统的实验电路图，写出它们的闭环传递函数，并标明电路中的各参数。 2根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增益K和时间常数T对系统动态特性及稳定性的影响。 3设计一个一阶线性定常闭环系统，并根据系统的阶跃输入响应确定该系统的时间常数。,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应 实验设备和仪器,THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台 USB数据采集卡 计算机,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应 实验思考题,1如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？ 2在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？ 3为什么本实验中二阶对阶跃输入信号的稳态误差都为零？,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应 实验线路及原理,本实验是研究二阶的瞬态响应。为了使二阶系统的研究具有普遍性意义，通常把它的闭环传递函数写如下的标准形式： 式中系统的阻尼比，系统的无阻尼自然频率。任何的二阶系统都可以化为上述的标准形式。对于不同的系统，它们的和所包含的内容也是不同的。 调节系统的开环增益K，可使系统的阻尼比分别为：01三种。对应于这三种情况下系统的阶跃响应曲线，在实验中都能观测到，它们分别为附录中的图23所示 图2-2 二阶系统的模拟电路图,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应 实验目的,1掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法。 2研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定性的影响。,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应 实验内容,1观测二阶系统的阶跃响应，并测出其超调量和调整时间。 2调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比=，测出此时系统的超调量和调整时间。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验线路及原理 实验方法及步骤 实验报告及要求,实验目的 实验设备和仪器 实验内容 实验思考题,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究 实验方法及步骤,1.利用实验平台上的通用电路单元，设计(具体可参考本实验附录中的图3-2)一个由两个惯性环节组成的0型二阶闭环系统的模拟电路。 2.观测0型二阶模拟电路的阶跃特性，保存实验曲线并测出其稳态误差。 3参考实验步骤2观测0型二阶模拟电路的斜坡响应曲线，并保存实验曲线，据此确定其稳态误差 。 4参考实验步骤1、2、3，设计一个由一个积分环节和一个惯性环节组成的型二阶闭环系统的模拟电路。并用上位机软件“THBDC-1”观测该系统的阶跃特性和斜坡特性 。 5设计一个由两个积分环节和一个比例微分环节组成的型二阶闭环系统的模拟电路。并用上位机软件“THBDC-1”观测该系统的斜坡特性和抛物线特性 。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究 实验报告及要求,1画出0型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。 2画出型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。 3画出型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位斜坡和单位抛物线函数作用下的稳态误差。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究 实验设备和仪器,THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台 USB数据采集卡 计算机,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究 实验思考题,1为什么0型系统不能跟踪斜坡输入信号？ 2为什么0型系统在阶跃信号输入时一定有误差存在？ 3为使系统的稳态误差减小，系统的开环增益应取大些还是小些？,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究 实验线路及原理,下图为控制系统的方框图： 该系统误差E(S)的表达式为 式中G(S)和H(S)分别为系统前向通道和反馈通道中的传递函数。由上式可知，系统的误差不仅与其结构参数有关，而且也与其输入信号R(S)的大小有关。本实验就是研究系统的稳态误差与上述因素间的关系。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究 实验目的,1了解不同典型输入信号对于同一个系统所产生的稳态误差。 2了解一个典型输入信号对不同类型系统所产生的稳态误差。 3研究系统的开环增益K对稳态误差的影响。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究 实验内容,1观测0型二阶系统的单位阶跃和斜坡响应，并测出它们的稳态误差。 2观测型二阶系统的单位阶跃和斜坡响应，并测出它们的稳态误差。 3观测型二阶系统的单位斜坡和抛物线响应，并测出它们的稳态误差。,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验线路及原理 实验方法及步骤 实验报告及要求,实验目的 实验设备和仪器 实验内容 实验思考题,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量 实验方法及步骤,1.利用实验平台上的通用电路单元，设计一个惯性环节的模拟电路。 2.待接线完成并检查无误后，在PC机上启动“THBDC-1”软件 ,保存实验波形。 3参考实验步骤2观测0型二阶模拟电路的斜坡响应曲线，并保存实验曲线，据此确定其稳态误差 。 4用实验平台上的通用电路单元，设计一个二阶闭环系统的模拟电路。完成二阶系统闭环频率特性曲线的测试 . 5点击“仿真平台”按钮，观测该电路的仿真曲线（Bode图），并与电路模拟研究的结果相比较。 6根据实验时存储的波形完成实验报告.,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量实验报告及要求,1写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图。 2把实验测得的数据和理论计算数据列表，绘出它们的Bode图，并分析实测的Bode图产生误差的原因。,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量实验设备和仪器,THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台 USB数据采集卡 计算机,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量实验思考题,1在实验中如何选择输入正弦信号的幅值？ 2用示波器测试相频特性时，若把信号发生器的正弦信号送入Y轴，被测系统的输出信号送至X轴，则根据椭圆光点的转动方向，如何确定相位的超前和滞后？ 3根据上位机测得的Bode图的幅频特性，就能确定系统（或环节）的相频特性，试问这在什么系统时才能实现？,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量实验线路及原理,设G(S)为一最小相位系统（环节）的传递函数。如在它的输入端施加一幅值为Xm、频率为的正弦信号，则系统的稳态输出 得出系统输出，输入信号的幅值比 显然，是输入X(t)频率的函数，故称其为幅频特性。如用db（分贝）表示幅频值的大小。在实验时，只需改变输入信号频率的大小（幅值不变），就能测得相应输出信号的幅值Ym，代入上式，就可计算出该频率下的对数幅频值。根据实验作出被测系统(环节)的对数幅频曲线，就能对该系统（环节）的数学模型作出估计。与上述因素间的关系。,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量实验目的,1了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法。 2根据实验求得的频率特性曲线求取传递函数。,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量实验内容,1惯性环节的频率特性测试。 2二阶系统频率特性测试。 3 由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数。 4用软件仿真的方法，求取惯性环节和二阶系统的频率特性。,返回,实验五 二阶系统的分析及校正设计,实验线路及原理 实验方法及步骤 实验报告及要求,实验目的 实验设备和仪器 实验内容 实验思考题,返回,实验五 二阶系统的分析及校正设计 实验方法及步骤,1.利用实验台上的各通用单元，组建所设计二阶闭环系统的模拟电路图。 2.在PC机上启动“THBDC-1”软件。在系统的输入端输入一阶跃信号，观测该系统的稳定性和动态性能指标。 3参阅本实验的附录，按对系统性能指标的要求设计串联校正装置的传递函数和相应的模拟电路。 4参考实验步骤1、2、3，设计一个由一个积分环节和一个惯性环节组成的型二阶闭环系统的模拟电路。并用上位机软件“THBDC-1”观测该系统的阶跃特性和斜坡特性 。 5把校正装置串接到步骤1所设计的二阶闭环系统的模拟电路中。然后输入一阶跃信号，观测该系统的稳定性和动态性能指标。观察是否达到设计要求。 6根据实验时存储的波形完成实验报告。,返回,实验五 二阶系统的分析及校正设计 实验报告及要求,1自行设计一个二阶系统,并画出它的电路图。 2根据对系统性能的要求，设计系统的串联校正装置，并画出它的电路图。 3根据实验结果，画出校正前系统的阶跃响应曲线及相应的动态性能指标。 4观测引入校正装置后系统的阶跃响应曲线，并对实验所得的性能指标与理论计算值作比较。 5实时调整校正装置的相关参数，使系统的动、静态性能均满足设计要求。,返回,实验五 二阶系统的分析及校正设计 实验设备和仪器,THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台 USB数据采集卡 计算机,返回,实验五 二阶系统的分析及校正设计 实验思考题,1加入超前校正装置后，为什么系统的瞬态响应会变快？ 2什么是超前校正装置和滞后校正装置，它们各利用校正装置的什么特性对系统进行校正？ 3实验时所获得的性能指标为何与设计时确定的性能指标有偏差？,返回,实验五 二阶系统的分析及校正设计 实验线路及原理,下图是一串联校正系统的方块图： 图中校正装置Gc（S）与实验电路G0（S）是串联相连接。串联校正装置有两种：一种是超前校正，它是利用超前校正装置的相位超前特性来改善系统的动态性能；另一种是滞后校正，它是利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性，使系统在满足静态性能的前提下又能满足其动态性能的要求。