2011自动控制原理实验指导书.doc

自动控制原理实验指导书 机电系 2011-9-25 审核人： 审核时间：实验一 控制系统典型环节与系统的模拟一、实验目的1、熟悉数字存储示波器及控制理论实验箱的使用方法。2、掌握用运算放大器组成控制系统典型环节的电子模拟电路。3、测量典型环节的阶跃响应曲线。4、通过本实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响。二、实验仪器1、TKKL-1控制理论实验箱1台2、TDS1001B数字存储示波器1台3、万用表1只4、U盘1只（学生自备，4G以下）三、实验原理1、以运算放大器为核心，由其不同的输入R-C网络和反馈R-C网络构成控制系统的各种典型环节，用数字存储示波器测量各环节的阶跃响应曲线。2、数字存储示波器的工作原理及使用方法请参考TDS1001B数字存储示波器用户手册。3、操作过程注意事项。A、接通TKKL-1实验箱的电源总开关。B、接通TKKL-1实验箱上的直流电源开关。C、接通TKKL-1实验箱上的阶跃信号发生器电源开关。D、电位器顺时针调节时，电阻值增大。 E、示波器探头接地端要与实验箱的地端牢固连接。四、实验内容与步骤 1、分别画出比例、惯性、积分、微分和振荡环节的电路原理图。2、按所设计的电路原理图接线，并在各电路的输入端输入阶跃信号，在电路的输出端观察并记录其单位阶跃响应的输出波形。3、分别观察并记录下列典型环节的阶跃响应波形（部分环节的参数也可根据需要自行选择）。（1）G1(S)=1和G2(S)=2（2）G1(S)=1/S和G2(S)=1/（0.5S）（3）G1(S)=2+S和G2(S)=1+2S（4）G1(S)=1/(S+1)和G2(S)=1/(0.5S+1)（5）G(S)=100/(S2+10S+100)4、写出实验心得与体会五、实验思考题1、用运算放大器模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出来的？2、积分环节与惯性环节的主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？3、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？六、报告的形式与要求：1、 画出五种典型环节的实验电路图，并注明参数。2、 测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应，并注明时间坐标轴。3、 分析实验结果，写出心得体会。实验二 二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的1、熟悉二阶模拟系统的组成。2、研究二阶系统在不同参数状态下的单位阶跃响应，并分别测量出系统的超调量sp、峰值时间tp和调整时间ts。3、研究增益K对二阶系统阶跃响应的影响。二、实验仪器1、1、TKKL-1控制理论实验箱1台2、TDS1001B数字存储示波器1台3、万用表1只4、U盘1只（学生自备）三、实验原理图1为二阶系统的方框图，它的闭环传递函数为 图1 二阶系统的方框图C（S） K/（T1T2） nR（S） = S+S/T1+K/（T1T2） = S+2xns+n由上式求得 n= K/（T1T2） x= T2/（4T1K）若令 T1=0.2S，T2=0.5S， 则n= 10K ，x=0.625/K因此只要改变K值,就能同时改变n和x的值,由此可以得到过阻尼(x1)、临界阻尼（x=1）和欠阻尼（x1）三种情况下的阶跃响应曲线。四、实验内容与步骤1、按开环传递函数G（S）= K/（0.5S(0.2S+1)） 的要求,设计相应的实验线路图。令r（t）=1V,在示波器上观察不同K（K=10，5，2，1，0.625，0.5，0.312，其中K=10,1,0.625，0.312必做，其他K值选做）下闭环二阶系统的瞬态响应曲线,并由图求得相应的p、tp和ts的值。2、调节K值，使该二阶系统的阻尼比x=1/ 2 ,观察并记录阶跃响应波形。3、实验前按所设计的二阶系统，计算K=0.625，K=1和K=0.312三种情况下的x和n值。据此，求得相应的动态性能指标p、tp和ts，并与实验所得出的结果作比较。4、写出实验心得与体会五、实验思考题1、在电子模拟系统中如何实现负反馈及单位负反馈？六、报告的形式与要求：1、完成实验并画出二阶系统在不同K值下的瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。 2、实验前先计算二阶系统中K=0.625，K=1和K=0.312三种情况下的x和n值。据此，求得相应的动态性能指标p、tp和ts，并与实验所得出的结果作一比较。 3、写出本实验的心得与体会。实验三 PID控制器的动态特性一、实验目的1、 熟悉PI、PD和PID三种控制器的结构形式。2、 通过实验，深入了解PI、PD和PID三种控制器的阶跃响应特性和相关参数对它们性能的影响。二、实验仪器1、TKKL-1控制理论实验箱1台2、TDS1001B数字存储示波器1台3、万用表1只。4、U盘1只（学生自备）。三、实验原理 PI、PD和PID三种控制器在工业控制系统中有广泛的应用（以下各实验内容的有关参数也可根据需要自己设定）。(1)PD控制器电路如图2所示，其传递函数为：G（s）=-KP(TDS+1) ,其中Kp=R2/R1，TD=R1C1 图2 PD控制器原理图(2)PI控制器PD控制器电路如图3所示，其传递函数为：G（s）=-KP(1+ 1/TIS) ，其中Kp=R2/R1， TI=R2C。图3 PI控制器原理图（3）PID控制器如图4所示，为PID控制器的电路图，其传递函数为：G（s）=-KP(1+ 1/TIS+ TDS) ，其中t1=R1C1， t2=R2C2， Ti=R1C2，Kp=（t1+t2）/TI ， TI=t1+t2，TD=（t1t2）/（t1+t2） 图4 PID控制器原理图四、实验内容1、按其原理图连线，令Ur=1V，C=1uF，用示波器分别测试R1=10K和20K时的PD控制器的输出波形（PD控制器的有关参数也可根据实验条件自己选择合适的参数）。 2、令Ur=1V，C=1uF，用示波器分别测试R2=10K和20K时的PI控制器的输出波形（PI控制器的有关参数也可根据实验条件自己选择合适的参数）。3、令Ur=1V，设计PID控制器的有关参数，并用示波器测试PID控制器的输出波形。（参考值R1=100K，C1=1uF，R2=2000K，C2=10Uf），（PI控制器的有关参数也可根据实验条件自己选择合适的参数）。五、实验报告要求1、画出PD、PI和PID三种控制器的实验线路图，并注明具体的参数值。2、根据三种控制器的传递函数，画出它们在单位阶跃信号作用下的理想输出波形。3、根据实验，画出三种控制器的单位阶跃响应曲线，并与理想输出波形作分析比较。4、分析有关参数对三种控制器性能的影响。六、思考题实验得到的PD和PID输出波形与它们的理想波形是否一致？产生不一致的原因是什么？七、报告的形式与要求：1、画出PD、PI、和PID三种控制器的实验线路图，并注明具体的参数值。 2、根据三种控制器的传递函数，画出它们在单位阶跃信号作用下的理想输出波形图。 3、根据实验，画出三种控制器的单位阶跃响应曲线，并与理想输出波形进行比较分析。 4、分析参数对三种控制器性能的影响。实验四 频率特性的测试一、实验目的1、用信号发生器和示波器测量被测系统的频率特性二、实验仪器1、TKKL-1控制理论实验箱1台2、TDS1001B数字存储示波器1台3、万用表1只4、U盘1只（学生自备）三、实验原理对于稳定的定常系统或环节，当其输入端加入一正弦信号X(t)=XmSint，它的稳态输出是一与输入信号同频率的正弦信号，但其幅值和相位将随着输入信号的频率的变化而变化。即输出信号为Y（t）Ym Sin(t+)= Xm|G(j)|Sin(t+),其中|G(j)|=, ()argG(j)所以，只要改变输入信号x(t)的频率，就可测得输出信号与输入信号的幅值比|G(j)|和它们的相位()argG(j)。不断改变x(t)的频率，就可测得被测环节的幅频特性|G(j)|和相频特性()。本实验通过使用示波器分别测量输入信号及输出信号的幅值及相位关系，实现对幅频特性及相频特性进行测量。四、实验内容及步骤 1、测量R-C网络的频率特性（选做，因本实验需用到超低频慢扫描示波器，实验室目前不具备实验条件；如果采用数字示波器时行测量时，图形不太稳定，误差可能较大，建议采用数字示波器直接测量幅值及相伴有关系。）。 图4为所要测量的R-C网络，如果采用李沙育图形法（也可利用数字存储示波器直接进行测量）进行测量时，示波器的X轴停止扫描，把信号发生器的正弦信号同时送到被测环节（或系统）的输入端和示波器的X轴，被测系统的输出送到示波器的Y轴，此时在示波器屏幕上呈现一个李沙育图形-椭圆。据此，可测得在该输入信号频率下的相位j=Sin -2X0/（2Ym）。测量时要注意椭圆光点的转动方向，以判别相位是超前还是滞后。测试时，输入信号的频率w要取得均匀，不然会影响相频特性的准确度。测试的输入信号频率的范围为：15Hz 40KHz。 图5 R-C网络 2、 测量二阶系统的闭环频率特性实验（二阶系统的传递函数也可根据需要选择）以图6作为参考的二阶环节的方框图，或根据前面已学的有关环节（自选合适的二阶系统进行实验，在实验之前需先根据所选的二阶系统进行计算，计算相关的关键测试点），试设计一个二阶环节的控制系统，设计相应的实验电路图。然后测量二阶系统的闭环频率特性（本实验准备用数字示波器直接测量信号的幅值及相位关系）。测量前根据传递函数，确定所要测试的频率范围并确定关键测试点，并把信号的频率单位由1/S 折算到rad/S。图6 二阶系统方框图五、实验报告1、由实验数据绘制R-C网络的伯德图，据此，求出R-C网络的传递函数，并与理论求得的G（s）作比较，分析实验测量的频率特性产生误差的原因。2、由实验数据制作出二阶系统的闭环频率特性曲线。由图求出系统的频带宽度、谐振频率和谐振峰值，并与理论计算结果进行比较。六、思考题所设计的二阶系统为什么会谐振？你是如何用实验确定谐振频率和谐振峰值的？七、报告的形式与要求：1、根据被测电路和系统的传递函数，设计相应的实验线路图。 2、由实验数据绘制R-C网络的伯德图，据此，求得R-C网络的传递函数，并与理论求得的G（S）作一比较，分析实验测得频率特性产生误差的原因。（选做内容） 3、由实验数据制作出二阶系统的闭环频率特性曲线。由此求出系统的频带宽度b、谐振频率r和谐振峰值Mr，并与理论计算的结果进行比较。附录一：扫频电源的操作使用 点频输出及频率显示： 1、实验箱的右上角有一块是扫频模块电路，先按“复位”键后，按“换挡”键，功能指示灯中的红色“点频换档”指示灯亮，选定点频步进区（共7区），此时显示“F *”，其中*为0-7中的某一个数。2、按“测频”键，扫频器输出便输出相关频率的信号，F0区起点频率为15HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加1HZ。F1区起点频率为510HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加10HZ。F2区起点频率为1488HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加50HZ。F3区起点频率为2976HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加90HZ。F4区起点频率为5953HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加200HZ。F5区起点频率为14426HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加390HZ。F6区起点频率为23814HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加800HZ。F7区起点频率为47629HZ，以后每按2次点频