控制原理课程实验指导书.doc

控制原理课程实验指导书流体传动与控制研究所编流体传动与控制实验室武汉科技大学机械自动化学院二00五年七月目录前言(2)实验注意事项(2)实验一、典型环节及其时间响应(37)实验二、典型环节的频率特性测试.(812)实验三、线性系统稳定性分析及其校正.(1115)附录一、TKKL1 型 控制理论实验箱(16)附录二、TKKL3 型 控制理论实验箱.(17)附录三、TD4011型 频率特性分析仪前面板图(18)附录四、TD4652型 慢扫描双踪示波器前面板图.(19)前言控制原理是一门相对比较抽象的技术基础课。它的抽象在于控制理论高度概括和深刻揭示了客观世界具有普遍意义的一些本质属性，只有将其与机械、冶金、交通、管理等各种复杂系统联系起来时，人们才能真正体会到控制理论的深刻内涵。然而这些属性在电子电路系统中却表现得十分自然，因此控制原理实验也就成为控制原理课程与工程实践之间的一座桥梁。借助电子电路模拟系统可以使我们更好地理解和认识控制理论的一些基本概念和分析、设计方法。因此控制原理实验可以为同学们学习、运用控制理论知识，分析、解决与系统控制有关的工程问题奠定一个良好的基础。本实验指导书是为机械自动化学院的机械电子工程、机械工程及自动化等专业学生进行控制原理课程的实验教学编写。该指导书列写了学习控制原理课程必做的3个基本实验，这些实验涉及到传递函数推导、时域响应、频域响应、稳定性分析等基本教学内容。以后将根据教学的情况和课时的调整增加控制器设计、非线性系统分析等更为深入的实验项目。为了使实验收到应有的效果，同学们在实验前务必复习与实验有关的教学内容。在每个实验前，本实验指导书都简要地介绍了实验中所用到的实验仪器，同学们应预先熟悉这些仪器的使用，以避免损坏仪器，提高实验的效率。实验注意事项：1. 实验前务必仔细阅读实验指导书，了解实验内容，熟悉实验原理、实验线路及实验方法，并根据实验要求独立完成必要的分析、计算。2. 实验接线前必须先断开总电源及各分电源开关，严禁带电接线，接线完毕，待实验指导老师检查无误后方可通电实验。3. 实验自始至终，实验板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等。4. 实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置到规定位置。5. 实验结束后按要求完成实验报告。实验一 典型环节及其时间响应一、 实验目的1、熟悉TKKL1型（或3型）控制理论电子模拟实验箱及相关仪器的使用。2、观察一、二阶系统在阶跃输入信号作用下的瞬态响应。3、学习用电路构造典型环节的方法。4、根据阶跃响应曲线，确定系统的过渡过程时间，并与理论计算结果进行比较。二、 实验仪器1、TKKL1（或3型）型控制理论电子模拟实验箱一台 2、慢扫描双踪示波器(TD4652A)一台 3、超低频信号发生器（XD5A）一台4、交直流数字万用表一只 三、 实验内容1、熟悉实验仪器（1）模拟实验箱实验中所用的电子模拟箱有两种类型即TKKL1型和TKKL3型（见附录1和附录2）。由于实验配套仪器齐全，在实验中只需使用实验箱中的电源和模拟电路（运放、电阻、电容等），因此这两种实验箱的实验功能是相同的，只是面板的布置略有不同，以及电阻、电容元件的配置有一定差异，但不会影响模拟电路的编排。n 电源 实验箱正面左下方装有电源总开关一只，控制总电源；在面板下方布置有一路15V和5V直流稳压电源，打开总电源后，打开直流电源开关，就会有相应直流电源输出。n 信号源实验箱上信号源分为阶跃信号发生器和函数信号发生器，在实验时可直接使用XD5A型信号发生器产生各种信号，而不需要使用该信号源。n 电路布置面板上的每个运算放大器通过与不同电阻、电容组合可分别构成比例环节、积分环节、惯性环节乃至二阶振荡环节。在实验时可根据具体的实验电路，将相应的电阻、电容用专用连接导线与运算放大器相连。将导线插头插入相应插座时，略加旋转即可获得极大轴向锁紧力；拔出时，只要沿反方向略加旋转即可轻松拔出。n 使用注意事项a) 先关闭实验箱所有电源开关，然后接通220V交流电源。b) 开启实验箱上的电源总开关，则开关指示灯被点亮。c) 用万用表的直流电压档测量面板上的15V和5V，看电压是否正确。d) 实验接线前必须断开总电源与各分电源开关，严禁带电接线。e) 实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验面板，整理好连接导线并放置到规定位置。（2）双踪示波器实验中所用的TD4652A型示波器是用来显示被测信号的波形，示波器的前面板见附录4。n 输入部分示波器有两个信号输入端Y1、Y2，可以同时显示两路信号。每路输入的增益可分为10档，即5mv/div5v/div（5mv/格5v/格），且每档还可扩展5倍（5）。n 显示部分显示器中信号的显示由“工作方式”的按键决定（见附录4）。可以只显示一路信号Y1或Y2（相应的键“Y1”或“Y2”按下），也可断续显示两路信号（“断续”键按下），或者分时显示每一路信号（“交替”键按下）。需要同时观察两路信号时，对于较低的频率，可以使用“断续”工作方式；而对于较高频率，则应使用“交替”工作方式。n 扫描部分调整扫描频率（“T/ DIV”）可以调整显示器中信号波形的稳定性和清晰度（即调整波形的宽窄）。示波器的扫描频率分为23档（0.5ms/div10s/div），在观察2s/div，5s/div，10s/div信号时，应将0.2s/div，0.5s/div，1.0s/div三档结合10扩展按键按下。应根据信号频率选择合适的扫描频率。如对于1Hz的信号，扫描频率可选为100ms/div或.2s/div，并结合微调旋纽来显示最佳波形。n 触发方式一般采用常态、内触发，常态、外触发信号用于观察非周期和单次信号。n 同步选择 “Y1” 同步用于观察Y1通道信号；“Y2” 同步用于观察Y2通道信号；“交替触发”用于交替工作方式。n 同步方式选择“常态”方式用于被测信号频率低于20Hz（结合电平调节）；“自动”方式用于被测信号频率高于20Hz（结合电平调节）；峰峰自动（同步方式按键全部弹起）与自动方式相同，但不用调节电平，灵敏度较差。n 输入耦合方式选择直流耦合（DC）：也称直接耦合，适用于直流、低频和直流分量的测量及脉冲信号的测量。交流耦合（AC）：它适用于带有较高直流电平的交流信号和较高频率的交流信号的测量。（3）信号发生器XD5A型超低频信号发生器可以产生不同周期的方波、三角波、正弦波、正负脉冲和正负锯齿波。信号的频率为0.001Hz1kHz（分4档0.1、1、10、100连续可调）；可输出两路信号：输出1的信号幅值为100V1mV（分6档100V、10V、1V、100mV、10mV、1mV）可调，输出2的信号幅值为100V0V（分10档0 V 10V、10 V 20V、20 V 30V、30 V 40V、40 V 50V、50 V 60V、60 V 70V、70 V 80V、80 V 90V、90 V 100V）。由于模拟实验箱中运算放大器的有效工作范围为10V，因此在实验中，模拟电路系统的输入信号（即信号发生器的输出信号）幅值应保持在10V以下。在测试系统阶跃响应时，可利用信号发生器产生的适当周期的方波信号作为阶跃信号，信号发生器的周期如何确定，请同学们自己分析。2、一阶系统时间响应及参数测定（1）在实验箱上编排如下模拟实验线路图（图1-1）：-+-+xi(t)xo(t)R1R2R3R4R5R6C比例环节惯性环节 表1-1 元件参数R1100kR51MR2100kR6470kR350kC0.1mFR4510k图1-1（2）调节R6，使R6与R5的并联电阻为160k，调节R3使比例环节的增益为1.5。（3）将信号发生器上的方波信号周期调至500ms，其输出接至xi。（4）将xo接至示波器，接通电源，观察示波器上的响应曲线，并估算其过渡过程时间。3、二阶系统响应及参数测定（1）在实验箱上编排如下模拟实验线路图（图1-2）：-+-+xi(t)R1R2R3R4R5R6C比例环节惯性环节-+xo(t)R7R8CCC积分环节R9图1-2表1-2 元件参数R1100kR51MR8470kR2100kR6470kR9100kR350kC0.1mFR4510kR751k（2）保持惯性环节参数不动，调节可调电阻R8，使R8与R7的并联电阻约为11KW。（3）将信号发生器上的方波信号周期调至500ms，其输出接至xi，并将xo接至示波器，接通电源。（4）调节R3使比例环节的增益为1.5观察示波器上的输出响应，估算其有阻尼固有振荡频率；再调节R3使比例环节的增益为1.0观察示波器上的输出响应，估算其有阻尼固有振荡频率。四、实验报告1、 推导实验电路所表示的一阶、二阶系统的传递函数并画出框图，计算其中的惯性环节、积分环节的时间常数。2、 根据模拟电路所用参数计算一、二阶系统的调整时间、并与实验所观察到的调整时间进行对比。五、思考题2 改变比例环节的增益时，二阶系统的阶跃响应有什么变化，为什么？实验二 典型环节的频率特性测试一、实验目的1、熟悉TD4011型超低频频率特性分析仪的使用（该仪器的面板见附录3）。2、观察线性定常系统在不同频率谐波信号输入作用下的稳态响应。3、学习线性环节频率特性的实验测试方法。4、根据测试数据，绘制系统的频率特性BODE图，并与理论计算结果进行比较。学生在进行该实验前，应当认真复习教材中有关频率特性分析的内容，了解线性系统频率特性的实验原理。二、实验仪器1、TKKL-1（或3型）型控制理论电子模拟实验箱一台。2、双踪超低频示波器(TD4652)一台。3、 超低频频率特性测试仪(TD4011)一台。4、 超低频信号发生器（XD5A）一台5、交直流数字万用表一只。 实验中进行测试所需信号由频率特性测试仪提供，在调整参数、观察波形时可用信号发生器提供信号。三、 实验内容1、熟悉仪器TD4011型超低频频率特性分析仪可用于测量自动控制系统、部件或元件的频率特性，是在频域内分析系统动态特性的重要工具。该仪器由信号发生器（输出测试信号）和分析器（分析输入信号）及接口、电源等4大部分组成。n 信号发生器波形：仪器中的信号发生器能够产生正弦波、三角波、方波信号，信号频率范围为1mHz1000Hz。幅度：（1）正弦波：0.01V10V (有效值)；（2）三角波、方波：0.01V10V (峰-峰值)。n 分析器频率范围：1mHz1000Hz。输入量程：30Mv，300Mv，3V，30V，300V，自动共6档。显示方式：（1）直角坐标 A+jB；（2）极坐标 R，q；（3）对数极坐标 LOGR，q。实验中应选择对数坐标。测量方式：单次、重复、停止。测量延迟：0.1S，1S，10S共三档。仪器在指定延迟时间后，对输入的信号进行计算，若不指定延迟时间，则在启动测量后立即对输入信号进行计算。n 使用说明1） 仪器设置在进行信号测试前，需对信号波形、频率、显示方式等进行设置。设置在操作面板上进行（见附录3），分为上栏设置和下栏设置。a) 上栏设置：按住“SETUP”键，直至该键上的指示灯亮，则上栏设置有效，按住相应的触摸键，直至该键的灯亮，即可进行“FREQ”（输出信号频率）、“AMPL”（输出电压幅值）、前后面板输入选择等的设置（需结合数字键，以及“ENTER”确认）。b) 下栏设置：按住“SETUP”键，直至该键上的指示灯灭，再按住“DOWN”键，直至该键上的指示灯亮（反之亦然），即可进行波形、量程、显示方式（实验中应选择LOGR/q）。2）测量进行测量前，应按灭“SETUP”（“DOWN”），然后按亮“SINGLE”（单次测量）、“RECYCLE”（重复测量），测量结果即按设置的形式显示在面板上。注意：1) 进行参数设置时，必须保证“STOP”指示灯是亮的，否则应按住“STOP” 键，直至该键上的指示灯亮。2) 触摸键须轻触轻按，以免损坏。2、一阶系统频率特性测试实验步骤：（1）实验线路图同实验一，比例环节增益仍为1.5，调节R6，使R5|R6=160K。（2）将频率特性测试仪的信号发生器输出的正弦波信号分别接至一阶系统的输入端和示波器信号端，将一阶系统输出接至频率特性测试仪的分析信号输入端和示波器另一信号输入端（见图2-1）。 （3）打开测试器电源，进行以下设置：a) 按下“Down”，选择“”（正弦波）选择“Auto”（自动选择测量范围）选择“Log R/”（显示单位为 分贝/度）b） 按下“Setup”，按下“Delay”“1.0秒”“Enter”（确定延迟时间为1秒）按下“Ampl”，利用数字键选择信号幅值，按“Enter”确认按下“Freq”，结合数字键选择信号频率，按“Enter”确认按下“Program” “1” “Enter”确认（选择后面板为分析器输入）（4）测量（打开实验箱、示波器电源）a) 按下“Setup” “Ampl”“3.0”“Enter”（确定信号幅值为3V）“Freq”“1”“Enter”（信号频率1Hz） b）按灭“Setup”，按下“Single”至“Stop”灯亮，记录面板显示数据。 c）保持幅值不变，重复a）、b），分别设置频率为1、5、7、10、20、50、100记录相应的幅值和相位，并填入表2-1中。 d）最后将测试仪的信号发生器输出接至其分析仪的输入端，保持信号幅值不变，设置信号频率为1，记录信号的幅值和相位（Ar/r）。 e）根据Ar-Ap和r-p作出对数幅频和相频特性曲线（r可以是00或3600）。-+-+xi(t)=Asinwtxo(t)R1R2R3R4R5R6C比例环节惯性环节示波器频率特性测试仪图2-1表2-1频率/Hz157102050100输出幅值/dB输出相位/deg输入幅值/dB=输入相位/deg3600说明：1) 分析仪对信号幅值的计算是以10mv为基准进行分贝计算，即，Vi为分析仪的输入信号幅值（mV），当信号幅值小于10mV时，分析仪输出0dB。2) 分析仪也不能显示负相位，例如分析仪显示3560，实际上相当于-40。3) 进行频率切换时，系统响应有一个动态过程，应在系统进入稳态后再进行测试（为什么？）。因此在进行测试时，应对每一个频率重复测试多次，待数据基本稳定后，再记录。2、二阶系统频率特性测试（1） 模拟实验线路图同实验一，比例增益取为1.5，保持R5|R6=160K不变，调节R8，使R7|R811K。（2） 以下过程同一阶系统，不需要重复设置，但信号幅值应调整为1V。由于系统输出反相，因此测试的相位起点为1800。（3） 信号频率为1、2、10、20、40、50、100Hz，测取数据添入表2-2：表2-2频率/Hz1210204050100输出幅值/dB输出相位/deg输入幅值/dB=输入相位/deg3600（4）试将二阶系统的反馈回路断开后，再测试该开环系统的频率特性，观察到什么现象？说明：（1）应先估算系统开环频率特性，对幅值、相位变化比较剧烈的频率段应进行较密 集的测量。（2）在确定指令信号（分析仪输出到被测系统的信号）的幅值时，应确保被测系统的输出在10V内，否则系统进入饱和，导致测试失真（为什么？）。四、实验报告1. 根据实验数据分别作出一阶、二阶系统的对数幅频和相频特性曲线。五、思考题1. 由所推导的传递函数作出系统的频率特性曲线，并与理论曲线对比，它们是否一致？若不一至，试分析其原因。（思考题不要求写在报告上）实验三 线性系统稳定性分析及其校正一、实验目的1、 通过时域与频域响应，直观体会线性系统稳定性的概念；2、 观察、分析系统参数变化与系统稳定性的关系；3、 学习用串联校正改善系统性能的方法。学生应在实验前复习教材中有关系统稳定性方面的内容，并预先编排出相关的模拟系统的电路图。二、实验仪器1、TKKL1型（或3型）控制理论电子模拟实验箱一台。2、双踪超低频示波器(TD4652)一台。3、超低频频率特性测试仪(TD4011)一台。4、信号发生器（XD5A）一台5、交直流数字万用表一只。三、 实验内容 设被控对象的传递函数为，Gc(s)为校正装置，系统框图如图3-1所示：Gc(s)G (s)-R (s)Y (s)图3-1 1、 系统稳定性的时域分析（1） 编排Gc(s) =1，K分别为3和20时闭环系统的电路图，将对应的元件参数填入表3-1。（2） 利用信号发生器接入幅值为1V，周期为10s的方波，利用示波器观察并测试系统的阶跃响应曲线表3-1 元件参数R1R4R7R10C1R2R5R8R11C2R3R6R9R12C3提示：在模拟电路中至少要有一个可调电阻用于调节系统的开环增益。通过调节可调电阻（即系统开环增益），可明显观察到系统稳定和不稳定的现象，记录下稳定和不稳定这两种情况下的可调电阻值，即可推算出系统的开环增益（K可以不为3和20）。（开环增益的大小与系统稳定性有什么关系？）2、 系统稳定性的频域分析利用超低频频率特性测试仪，测取系统在Gc(s) =1，稳定和不稳定这两种情况下的系统开环频率特性，记录幅值和相位，并填入如表3-2、表3-3（在这两种情况下的系统的开环增益K均由上面的实验确定）。测试时的信号频率范围可根据系统开环频率特性估算，宜为0.0110 Hz，幅值可在110V之间选取。表3-2 （开环稳定系统）频率/Hz0.050.10.20.30.40.50.60.7081.02.0输出幅值/dB输出相位/deg输入幅值/dB=40db输入相位/deg3600表3-3（开环不稳定系统）频率/Hz0.050.10.20.30.40.50.60.7081.02.0输出幅值/dB输出相位/deg输入幅值/dB=40db输入相位/deg3600说明：第1、2个实验为必做，第3个实验为选做（46学时必做）。四、实验报告1