自动控制理论实验指导书(2014).doc

实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。2学习典型环节的电模方法，以及参数测试方法。3通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟研究方法。二、实验设备1ACCT-型 自动控制理论实验箱 一台2方正电脑 一套3螺丝刀 一把三、实验原理及线路1积分(I)环节积分环节的传递函数为：模拟电路图 图1 积分环节模拟电路图其方块图和阶跃响应，分别如图2和图3所示，于是，实验参数取R0100k，C1uF。图3 阶跃响应图图2 方块图 2惯性环节惯性环节的传递函数为：模拟电路 图4 惯性环节模拟电路图其方块图和阶跃响应，分别如图5和图6所示，其中，实验参数取R0100k，R1100k，C1 uF。 图6 阶跃响应图图5 方块图四、实验内容及步骤1熟悉实验设备，设计积分、惯性、比例积分环节的模拟电路。2选定一组参数，按图示的模拟电路在ACCT-型自动控制理论实验箱上接线。3观察环节的阶跃响应；描下响应曲线并记录有关数据。4另选一组参数，重复步骤2、35在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。五、预习内容1 了解ACT-型自动控制理论实验箱的使用方法。2 求出各典型环节在给定参数下的阶跃响应曲线，做书面报告。3 拟定输出瞬时值的测量方法以及时间常数的测量方法。4 利用传递函数研究系统应满足什么条件？5实验时环节的输出与理想的情况会有什么差别？六、实验报告要求1 实验中存在问题及其讨论或建议。2 拟定二阶系统参数（、n）对瞬态性能影响的模拟研究方法。（包括拟定实验线路及方法、步骤等）附：实验记录表格 环节项目积分环节惯性环节1 uF10 uF1 uF10 uF时间常数计算值测量值飞升曲线实验二 二阶系统动态性能和稳定性分析一、实验目的1学习和掌握时域性能指标的测试方法。2研究二阶系统参数（、n）对系统动态性能和稳定性的影响。二、实验设备1ACCT-型自动控制理论实验箱 一台2方正电脑 一套3螺丝刀 一把三、实验原理及线路线性二阶系统的方块结构图如图1所示：图1 方块图其开环传递函数为，其闭环传递函数标准型为,取如下二阶系统的模拟电路，图2中参数关系 图2 二阶系统模拟电路，R0=100K。改变图2系统元件参数R1和电容C大小，即可改变系统的、n，由此来研究不同参数特征下的时域响应。图3a、图3b、图3c分别对应二阶系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼三种情况下的阶跃响应曲线：图3a图3c图3b四、实验内容及步骤1按图2电路图接线2按下列表格分别进行参数选择及测量阶跃响应指标。测试项目 时间 常数阻尼比T=0.1s(R0=100K,C=1 uF)T=0.2s(R0=100K,C=2 uF)理论值测量值理论值测量值0（AB断开，即开断内环）nn0.5 (R1=100K)Mp%,tr,tpMp%,tr,tp1 (R1=200K)Mp%,trMp%,tr1.65(R1=330K)Mp%,trMp%,tr3 描下各种情况下的阶跃响应波形。五、预习要求1求出各种参数下系统的阶跃响应曲线及其动态品质指标。2拟定测量系统动态品质指标的方法。3如何保证系统为负反馈系统？（注意各运算放大器均使用反相输入端）若将负反馈改为正反馈或开断反馈回路，将是什么结果？4如果运算放大器饱和，对实验结果会产生什么影响？如何保证和检查各运算放大器均工作在线性范围内？5深入研究二阶系统有何意义？六、实验报告要求1 测量数据及曲线整理并与理论值比较。举例说明。2 定量分析参数，n对阶跃响应性能指标的影响。3 能否用其它线路来模拟？怎么模拟？4 体会及建议。5 回答预习要求中的问题。实验三 控制系统根轨迹分析一、实验目的1通过根轨迹的分析，加深对根轨迹法的理解，进一步熟悉根轨迹法的应用。2进一步认识零点，极点对控制系统性能的影响。3探讨高阶系统近似分析的可能性。二、实验设备1ACT-型 自动控制理论实验箱 一台2方正电脑 一套3螺丝刀 一把三、实验内容1给定系统开环传递函数 ,作出它的根轨迹图，并完成如下要求（1）准确记录根轨迹的起点、终点与根轨迹的条数；（2）确定根轨迹的分离点与相应的根轨迹增益；（3）确定临界稳定时的根轨迹增益。2开环传递函数 （1）在同一图中分别画出a=3,2,1时的根轨迹图，并确定根轨迹的分离点与相应的根轨迹增益；（2）当a=4时，求出分离点下的kg值，分析能否近似为二阶系统。3开环传递函数 当T=0.1作出它的根轨迹图，确定临界稳定时的根轨迹增益及分离点和分离点所对应的根轨迹增益。4控制系统开环传递函数 ，画根轨迹图并求当K=50系统的主导极点，验证判别主导极点条件，并分析能否近似为二阶系统。四、实验预习要求1 预习附录内容，记牢本实验所要用到的命令；2 手画有关根轨迹图，并求出有关数值；3 详细列出实验步骤4 什么是闭环系统的主导极点？五、实验报告要求1 记录给定系统的根轨迹图，并标出特殊点。2.完成上述各题要求，分析闭环极点在s平面上的位置与系统动态性能的关系。实验四 控制系统的频率特性测量一、实验目的1学习和掌握测量典型环节、系统频率特性曲线的方法和技能。2学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。二、实验设备1ACT-III型 自动控制理论实验箱 一台2方正电脑 一套3螺丝刀 一把三、实验原理及线路1一阶惯性环节传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线：对于的一阶惯性环节，其幅相频率特性曲线是一个半圆，见图4.1。 图4.1取代入，得在实验所得特性曲线上，从半圆的直径，可得到环节的放大倍数K，K。在特性曲线上取一点，可以确定环节的时间常数T，。一阶惯性环节传递函数为，其中参数为R0=200，R1200，C1uF，其模拟电路设计如图6.2 图4.22典型二阶系统开环传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线：两个惯性环节组成的二阶系统，其开环传递函数为 令上式中 ，可以得到对应的频率特性二阶系统开环传递函数的幅相频率特性曲线，如图6.3所示。图4.3根据上述幅相频率特性表达式，有 （41） 其中 故有 （42） （43）如已测得二阶环节的幅相频率特性，则、 和均可从实验曲线得到，于是可按式（41）、（42）和（43）计算K、T、，并可根据计算所得T、 求取T1和T2实验用典型二阶系统开环传递函数为:其电路设计参阅图6.4。图4.43对数幅频特性和对数相频特性上述幅相频率特性也可表达为对数幅频特性和对数相频特性，图6.5和图6.6分别给出上述一阶惯性环节和二阶环节的对数幅频特性和对数相频特性：四、实验内容及步骤1设计一阶惯性环节模拟电路，并绘出波特图和乃奎斯特图，任取三个频率点，求出其所对应的幅频值、相频值。2用MATLAB软件仿真一阶惯性环节频率特性，取与硬件对应的三个频率点，所任取三个频率点测的幅频值、相频值与硬件实验所得结果比较。3用MATLAB软件仿真典型二阶系统开环频率特性曲线，在图上任取三个频率点，测其幅频值、相频值。 4在MATLABL软件中，绘制开环系统和的奈氏曲线和Bode图，求其c,g,kg；并任取其中一系统画出“0”型、“”型、“”型系统的奈氏曲线和Bode图并比较说明。实验五 控制系统串联校正一、实验目的1熟悉串联校正装置对线性系统稳定性和动态特性的影响。2掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术。3比较不同校正装置对系统的动、静态性能的影响。二、实验设备1ACCT-型 自动控制理论实验箱 一台2方正电脑 一套3万用表 一个三、实验原理及线路1设有二阶系统开环传递函数为： 其闭环传递函数为：式中 ，故未加校正时系统超调量为 ，调节时间为 s静态速度误差系数KV等于该I型系统的开环增益 1/s，由以上可得，未加校正二阶闭环系统的方块图如图1和模拟电路如图2所示 2串联校正的目标要求加串联校正装置后系统满足以下性能指标：（1）超调量（2）调节时间（过渡过程时间）s（3）校正后系统开环增益（静态速度误差系数） 1/s3串联校正装置的时域设计从对超调量要求可以得到 % ，于是有 。由 s 可以得到 。因为要求 1/s，故令校正后开环传递函数仍包含一个积分环节，且放大系数为25。设串联校正装置的传递函数为D(s),则加串联校正后系统的开环传递函数为采用相消法，令 （其中T为待确定参数），可以得到加串联校正后的开环传递函数 这样，加校正后系统的闭环传递函数为 对校正后二阶系统进行分析，可以得到 综合考虑校正后的要求，取 T=0.05s ,此时 1/s,，它们都能满足校正目标要求。最后得到校正环节的传递函数为 从串联校正装置的传递函数可以设计其模拟电路如图3，串联校正装置电路的参数可取R1390，R2R3200，R410，C4.7uF。4串联校正装置的频域设计根据对校正后系统的要求，可以得到期望的系统开环传递函数的对数频率特性，如图4根据未加校正系统的开环传递函数，可画出其相应的对数频率特性，如图5所示。从期望的系统开环传递函数的对数幅频特性，减去未加校正系统开环传递函数的对数幅频特性，可以得到串联校正装置的对数幅频特性，如图6所示。从串联校正装置的对数幅频特性，可以得到它的传递函数：四、实验内容及步骤1利用实验设备，设计并连接一未加校正的二阶闭环系统的模拟电路，完成该系统的稳定性和动态特性观测（响应曲线及其调整时间ts和Mp%），填入附表中。2设计并连接一加串联校正后的二阶闭环的模拟电路，完成该系统的稳定性和动态特性观测。响应曲线及其调整时间ts和Mp%，填入附表中。3取，分别画出它们的Bode图，观察增益，相角随频率的变化情况。4用MATLAB仿真二阶系统校正前和校正后后的Bode图。五、实验预习要求1作出校正前后系统的Bode图，并求性能指标。2有无其它形式的校正方案？参数如何？怎样模拟？可以自己拟定校正方案，在实验中验证，所需元件请预先向实验室提供清单。六、实验报告要求1画出所做实验的模拟电路图，系统结构图及测取的响应图。2给出校正前后的Mp%和ts。3分析串联超前校正、滞后校正、串联滞后-超前校正对系统性能的影响。附表校正类型响应曲线超调量Mp%调节时间ts校正前校正后附录一 ACCT-自动控制原理实验箱简介一系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACCT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。ACCT-实验箱内装有以C8051F060芯片（含数据处理系统软件）为核心构成的数据处理卡，通过USB口与PC微机连接。1实验箱ACCT-I简介ACCT-I控制理论实验箱主要由电源部分U1单元、信号源部分U2单元、与PC机进行通讯的数据处理U3单元、 元器件单元U4、非线性单元U5U7以及模拟电路单元U8U16等共16个单元组成，详见附图。(1) 电源单元U1包括电源开关、保险丝、5V、5V、15V、15V、0V以及1.3V15V可调电压的输出，它们提供了实验箱所需的所有工作电源。(2) 信号源单元U2 可以产生频率与幅值可调的周期方波信号、周期斜坡信号、周期抛物线信号以及正弦信号，并提供与周期阶跃、斜坡、抛物线信号相配合的周期锁零信号。该单元面板上配置的拨键S1和S2用于周期阶跃、斜坡、抛物线信号的频率段选择，可有以下4种状态：S1和S2均下拨输出信号周期的调节范围为260ms；S1上拨、S2下拨输出信号周期的调节范围为0.26s；S1下拨、S2上拨输出信号周期的调节范围为20600ms；S1和S2均上拨输出信号周期的调节范围为0.167s；另有电位器RP1用于以上频率微调。电位器RP2、RP3和RP4依次分别用于周期阶跃、斜坡与抛物线信号的幅值调节。在上述S1和S2的4种状态下，阶跃信号的幅值调节范围均为014V；除第三种状态外，其余3种状态的斜坡信号和抛物线信号的幅值调节范围均为015V；在第三种状态时，斜坡信号的幅值调节范围为010V，抛物线信号的幅值调节范围为02.5V。信号单元面板上的拨键S3用于正弦信号的频率段的选择：当S3上拨时输出频率范围为140Hz14KHz；当S3下拨时输出频率范围为2160Hz。电位器RP5和RP6分别用于正弦信号的频率微调和幅值调节，其幅值调节范围为0-14V。(3) 数据处理单元U3内含以C8051F060为核心组成的数据处理卡（含软件），通过USB口与上位PC进行通讯。内部包含八路A/D采集输入通道和两路D/A输出通道。与上位机一起使用时，可同时使用其中两个输入和两个输出通道。结合上位机软件，用以实现虚拟示波器、测试信号发生器以及数字控制器功能。(4) 元器件单元U4单元提供了实验所需的电容、电阻与电位器，另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。(5) 非线性环节单元U5、U6和U7U5，U6，U7分别用于构成不同的典型非线性环节。单元U5可通过拨键S4选择具有死区特性或间隙特性的非线性环节模拟电路。单元U6为具有继电特性的非线性环节模拟电路。单元U7为具有饱和特性的非线性环节模拟电路。(6) 模拟电路单元U8U16U8U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元。其中U8为倒相电路，实验时通常用作反号器。U9U16的每个单元内，都有用场效应管组成的锁零电路和运放调零电位器。2系统上位机软件的功能与使用方法，详见ACT-I自动控制理论实验上位机程序使用说明书。二实验注意事项1实验前U9U16单元内的运放需要调零。2运算放大器边上的锁零点G接线要正确。不需要锁零时（运放构成环节中不含电容或输入信号为正弦波时），必须把G与-15V相连；在需要锁零时，必须与其输入信号同步的锁零信号相连。如在采用PC产生的经D/A通道输出的信号O1作为该环节或系统的输入时，运放的锁零信号G应连U3单元的G1（对应O1）；类似地，如采用PC产生的信号O2作输入，则锁零信号G应连U3单元的G2（对应O2）。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在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运放都是反相输入的，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，必要时接入反号器。4作频率特性实验和采样控制实验时，必须注意只用到其中1路A/D输入和1路D/A输出,具体采用“I1I8”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线。5上位机软件提供线性系统软件仿真功能。在作软件仿真时，无论是一个环节、或是几个环节组成的被控对象、或是闭环系统，在利用上位机界面作实验时，都必须将开环或闭环的传递函数都转化成下面形式，以便填入参数ai, bj其中 ， 。如出现 的情况，软件仿真就会出错，必须设法避免。如实验一，在作理想比例微分（PD）环节的软件仿真实验时就会遇到此问题，因为此时可见该W(s)分子中s的阶高于分母的，直接填入参数仿真，即出现“非法操作”的提示。具体避免方法请参阅该实验附录。6受数据处理单元U3的数据处理速率限制，作频率特性实验和采样控制实验时，在上位机界面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和采样控制频率的选择。对于频率特性实验，应满足200/sec，以免引起过大误差。类似地，对于采样控制实验，采样控制周期应不小于5 ms。7本采集设备的上位机软件，A/D和D/A输出部分，需要注意的一些事项。本数据采集系统有8路A/D输入，2路D/A输出，对于8路A/D输入将其分为四组，因为一般我们用到两路同时输出或同时输入。I1、I2为一组A/D输入，I3、I4为一组A/D输入，I5、I6为一组A/D输入，I7、I8为一组A/D输入。在这四组A/D输入中，I1、I3、I5、I7为每组A/D输入中的第一路，I2、I4、I6、I8为每组A/D输入中的第二路。这个在实验三中，做频率特性实验要求比较严格，在每个实验当中，我们可以随意选择任一组A/D输入，和任一路D/A输出。附录二 软件界面及实验参考设置一、设备的模块信息：U9U16 是8个运放模块，其中U8为反相模块，U5是死区特性和间隙特性模块，两者靠S4拨键切换；U6是继电特性模块；U7是饱和特性模块 。本采集设备的上位机软件，A/D和D/A输出部分，需要注意的一些事项。本数据采集系统有8路A/D输入，2路D/A输出，对于8路A/D输入将其分为四组，因为一般我们用到两路同时输出或同时输入。I1、I2为一组A/D输入，I3、I4为一组A/D输入，I5、I6为一组A/D输入，I7、I8为一组A/D输入。在这四组A/D输入中，I1、I3、I5、I7为每组A/D输入中的第一路，I2、I4、I6、I8为每组A/D输入中的第二路。这个在实验三中，做频率特性实验要求比较严格，在每个实验当中，我们可以随意选择任一组A/D输入，和任一路D/A输出。二、软件界面的操作说明1、打开已经准备好的实验项目后，点击，使系统进入运行装态。2、按下“启动暂停”按键程序开始运行,再次按下该按键程序暂停。按“退出”键使系统退出子VI运行状态。3、测试信号设置选项框中可以设置发出的波形的种类、幅值、频率、占空比、采样开关T、采样时间。4、按下“退出”按键或图标，程序退出运行。 5、按下“”图标，程序关闭。三、计算机控制实验软件操作注意事项1软件“系统测试信号设置”参数默认值：类型：周期阶跃信号；幅值：5V；零位偏移：0；频率：1s；占空比:90。2时域以比例环节为例，将Ui连到实验箱 U3单元的O1（D/A通道的输出端），将Uo连到实验箱 U3单元的I1（A/D通道的输入端），将运放的锁零G连到实验箱 U3单元的G1（与O1同步），并连好U3单元至上位机的USB2.0通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动时域LabVIEW软件上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：按通道接线情况:通过上位机界面中“通道选择” 选择任一组任一路A/D输入作为环节的输出,选择任一路D/A作为环节的输入.不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同；将另一输出通道直接送倒输入通道(显示示波器信号源发出的输入波形)。进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择“X-t模式”；选择“T/DIV”为1s/1HZ。完成上述实验设置，然后设置实验参数，在界面的右边可以设置系统测试信号参数，选择“测试信号”为“周期阶跃信号”，选择“占空比”为50%，选择“T/DIV”为“1s”， 选择“幅值”为“3V”，可以根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线，将“偏移”设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“T/DIV”至少是环节或系统中最大时间常数的68倍。这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。以上设置完成后，按LabVIEW上位机软件中的“RUN”运行图标来运行实验程序，然后点击右边的“启动/暂停”按钮来启动实验，动态波形得到显示，直至周期响应过程结束，如上述参数设置合理就可以在主界面图形显示控件中间得到环节的“阶跃响应”。3频域以一阶惯性环节为例，将Ui连到实验箱 U3单元的O1或O2（D/A通道的输出端,这个是通过上位机选择其中的一路输出），将Uo连到实验箱 U3单元的I1（A/D通道的输入端），然后再将你选择的D/A输出通道测试信号O1(如果选择的是O1)连接到这组A/D输入的另一采集输入端I2，然后连接设备与上位机的USB通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动频域LabVIEW软件上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：选择任一D/A输出通道，如“O1”，将其作为环节输入，接到环节输入Ui端,再将其作为原始测试信号接到A/D输入的I2（便于观看虚拟示波器发出的原始信号），将环节的输出端Uo接到A/D输入通道I1。进入实验界面后，先对频率特性的测试信号进行设置：“幅值”为5（可以根据实验结果波形来调整），“测试信号”为正弦波。完成实验设置，先点击LabVIEW运行按钮“RUN”运行界面程序，然后点击实验界面右下角的“启动/暂停”按钮来启动频率特性测试。测试程序将会从低频率计算到高频，界面右下角有个测试进度条，它将显示测试的进度。最后测试出来频率特性的Bode Plot、Nyquist Plot将在相应的图形控件中显示出来,在同一界面中我们可以同时看到频率特性的两种显示模式:一种是伯德图“Bode Plot”，它包括幅频特性和相频特性；另一种模式就是乃奎斯特图“Nyquist Plot”，又称极坐标图。四、各实验的参考设置表格内容涉及的是主要的硬件配置、通道选择（数据处理系统通道与模块的连接以及与虚拟示波器显示的对应）以及软件设置，并没有全部覆盖，有些软件功能的使用表上不可能全部给出。特别要注意，提供的仅是参考设置，并非是唯一的答案。实验项目名称通道；锁零；实验类别；显示模式系统测试信号/频率点/采样控制备注比例Ui-O1-系统输入信号；Uo-I1-采样通道1；O1-I2-采样通道2；G-G1；实验类别：时域显示模式：X-t类型：周期阶跃信号幅值：1V偏移：0占空比：50%频率：1s给出系统测试信号设置积分Ui-O1-系统输入信号；Uo-I1-采样通道1；O1-I2-采样通道2；G-G1；实验类别：时域显示模式：X-t类型：周期阶跃信号幅值：1V偏移：0占空比：50%-90%频率：1s(1u) 5s(10u)给出系统测试信号设置t/div:200ms(1u)2s(10u)v/div(1v)惯性环节Ui-O1-系统输入信号；Uo-I1-采样通道1；O1-I2-采样通道2；G-G1；实验类别：时域显示模式：X-t类型：周期阶跃信号幅值：3V偏移：0占空比：90%频率：1s(1u) 5s(10u)给出系统测试信号设置t/div:200ms(1u)2s(10u)v/div(1v)比例积分Ui-O1-系统输入信号；Uo-I1-采样通道1；O1-I2-采样通道2；G-G1；实验类别：时域显示模式：X-t类型：周期阶跃信号幅值：2V偏移：0占空比：50%频率：1s(1u) 10s(10u)给出系统测试信号设置t/div:200ms(1u)2s(10u)v/div(1v)二阶系统Ui-O1-系统输入信号；Uo-I1-采样通道1；O1-I2-采样通道2；G-G1；实验类别：时域显示模式：X-t类型：周期阶跃信号幅值：2V偏移：0占空比： 90%频率：2s(1u) 2s(2u)给出系统测试信号设置t/div:200ms(1u)500 ms (2u)v/div(1v)一阶惯性 频率分析Ui-O1Uo-I1O1-I2G-15V实验类别：频域类型：正弦测试信号幅值：5V（偏移0）实验参数设置：G(S)=1/(0.2S+1)C=0.1uF二阶惯性 频率分析Ui-O1Uo-I1O1-I2G-15V实验类别：频域类型：正弦测试信号幅值：5V（偏移0）实验参数设置：G(s)=1/(0.02s2+0.3s+1)C1=0.01uFC2=0.1uF串联校正前系统阶跃响应Ui-O1-系统输入信号Uo-I1-采样通道1O1-I2-采样通道2G-G1实验类别：时域显示模式：X-t类型：周期阶跃信号幅值：2V（偏移0）频率：5s（占空比90%）串联校正后系统阶跃响应Ui-O1-系统输入信号Uo-I1-采样通道1O1-I2-采样通道2G-G1实验类别：时域显示模式：X-t类型：周期阶跃信号幅值：2V（偏移0）频率：2s（占空比90%）继电器特性U6Ui-O1-系统输入信号Uo-I1-采样通道1O1-I2-采集通道2实验类别：时域显示模式：X-t 类型：正弦波幅值：5V频率：1s调节U6的RP1，可改变参数M。t/div:200ms饱和特性U7Ui-O1-系统输入信号Uo-I1-采