自动控制原理实验指导书.doc

河南机电高等专科学校自动控制原理实验指导书 专业：电气自动化技术、计算机控制技术生产过程自动化技术等吴君晓 编2008年9月目 录实验一.实验二.实验三.实验四.实验五.实验一 典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。2. 学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。3. 学习用MATLAB仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。二、实验设备和仪器1 计算机2. MATLAB软件三、实验原理 典型环节的概念对系统建模、分析和研究很有用，但应强调典型环节的数学模型是对各种物理系统元、部件的机理和特性高度理想化以后的结果，重要的是，在一定条件下， 典型模型的确定能在一定程度上忠实地描述那些元、部件物理过程的本质特征。1.模拟典型环节是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器：(1) 输入阻抗为。流入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零；(2) 电压增益为：(3) 通频带为： (4) 输入与输出之间呈线性特性：2.实际模拟典型环节：(1) 实际运算放大器输出幅值受其电源限制是非线性的，实际运算放大器是有惯性的。(2) 对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节，只要控制了输入量的大小或是输入量施加的时间的长短(对于积分或比例积分环节)，不使其输出在工作期间内达到饱和值，则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免。但对模拟比例微分环节和微分环节的影响则无法避免，其模拟输出只能达到有限的最高饱和值。(3) 实际运算放大器有惯性，它对所有模拟惯性环节的暂态响应都有影响，但情况又有较大的不同。四、实验内容(1)分别画出比例、惯性、积分、微分、比例微分和比例积分的模拟电路图。(2)按下列各典型环节的传递函数，调节相应的模拟电路的参数，观察并记录其单位阶跃响应波形。比例环节 G1(S)=1和G2(S)=2惯性环节 G1(S)=1/(S+1)和G2(S)=1/(0.5S+1)积分环节 G1(S)=(1/S)和G2(S)=(1/（0.5S）微分环节 G1(S)=0.5S和G2(S)=2S比例微分环节 G1(S)=(2+S)和G2(S)=(1+2S)比例积分环节（PI）G1（S）=(1+1/S)和G2（S）=2（1+1/2S）（3）启动MATLAB7.0，进入Simulink后新建文档，分别在各文档绘制各典型环节的结构框图。双击各传递函数模块，在出现的对话框内设置相应的参数。然后点击工具栏的按钮或simulation菜单下的start命令进行仿真，双击示波器模块观察仿真结果。在仿真时设置各阶跃输入信号的幅度为1，开始时间为0（微分环节起始设为0.5，以便于观察）传递函数的参数设置为框图的数中值，自己可以修改为其他数值再仿真观察其响应结果。例如：比例环节（K=2）MATLAB仿真结构框图如图1-1（a）所示,仿真响应结果如图1-1（b）所示。（a）结构框图输出响应 输入信号 （b） 仿真响应结果图1-1 比例环节MATLAB仿真五、实验结果分析及结论（1） 画出比例、惯性、积分、微分、比例微分、比例积分环节的模电路，并用坐标纸画出各环节的响应曲线。（2）由阶跃响应曲线计算出各环节的传递函数，并与电路计算的结果相比较。（3） 写出实验的心得与体会。六、预习思考题 (1) 一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜坡输入的稳态误差为T？(2) 一阶系统各典型环节电路参数对环节特性有什么影响，试说明之。(3) 运算放大器模拟各环节的传递函数是在什么情况下推导求得的？(4) 积分环节和惯性环节主要差别是什么？惯性环节在什么情况下可近似为积分环节？在什么条件下可近似为比例环节？(5) 如何从其输出阶跃响应的波形中算出积分环节和惯性环节的时间常数。实验二 二阶系统阶跃响应一、实验目的 1. 研究二阶系统的特征参数，阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响，定量分析和n与最大超调量p和调节时间ts之间的关系。 2. 进一步学习实验系统的使用 3. 学会根据系统的阶跃响应曲线确定传递函数4. 学习用MATLAB仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。二、实验设备和仪器1 计算机2. MATLAB软件三、实验原理典型二阶闭环系统的单位阶跃响应分为四种情况：1）欠阻尼二阶系统如图2-1所示，由稳态和瞬态两部分组成：稳态部分等于1，瞬态部分是振荡衰减的过程，振荡角频率为阻尼振荡角频率，其值由阻尼比和自然振荡角频率n决定。图2-1 欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应曲线（1）性能指标： 调节时间tS: 单位阶跃响应C(t)进人5%(有时也取2%)误差带，并且不再超出该误差带的最小时间。超调量% ；单位阶跃响应中最大超出量与稳态值之比。 峰值时间tP ：单位阶跃响应C(t)超过稳态值达到第一个峰值所需要的时间。结构参数：直接影响单位阶跃响应性能。（2）平稳性：阻尼比越小，平稳性越差（3）快速性：过小时因振荡强烈，衰减缓慢，调节时间tS长，过大时，系统响应迟钝，调节时间tS 也长，快速性差。0.7调节时间最短，快速性最好。0.7时超调量%1）时此时系统有两个不相等的负实根，过阻尼二阶系统的单位阶跃响应无振荡无超调无稳态误差，上升速度由小加大有一拐点。四、实验内容1.启动MATLAB7.0，进入Simulink后新建文档，在文档里绘制二阶系统的结构框图。双击各传递函数模块，在出现的对话框内设置相应的参数。点击工具栏的按钮或simulation菜单下的start命令进行仿真。双击示波器模块观察仿真结果。仿真时，可以分别改变n，的值，得到系统的阶跃响应，再进行比较分析n，对系统动态性能的影响，阶跃输入信号幅度为1，起始时间为0。二阶闭环系统结构框图如图2所示（以1，n=10为例）。图2-2 二阶闭环系统MATLAB仿真结构框图 2.仿真图2-3所示二阶系统的单位阶跃响应，其中K=1000、7500、150图2-3 二阶系统的结构图五、实验结果分析及结论 1画出二阶系统的模拟电路图，并求出参数、%的表达式。 2把不同条件下测量的%和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。 3画出系统响应曲线，再由ts和%计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。六、预习思考题 1阻尼比和无阻尼、自然频率对系统动态性能有什么影响？2阻尼比和自然频率与最大超调量%和调节时间ts之间有什么关系？3如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？ 4在电子模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈实验三 控制系统的稳定性分析一.实验目的 1. 观察系统的不稳定现象。2. 研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响3.学习用MATLAB仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。二、实验设备和仪器1 计算机2. MATLAB软件三、实验原理 线性系统工作在平衡状态，受到扰动偏离了平衡状态，扰动消失之后，系统又能恢复到平衡状态，称系统是稳定的。稳定性是系统的固有特性，是扰动消失后系统自身的恢复能力。稳定性只由结构、参数决定，与初始条件及外作用无关。 不稳定的系统是无法正常工作的。稳定性是系统正常工作的首要条件。因此，分析系统的稳定性，确定使系统稳定工作的条件是研究设计控制系统的重要内容。 稳定判据则只要根据特征方程的系数便可判别出特征根是否具有负实部，从而判断出系统是否闭环稳定。系统闭环稳定的充分必要条件是:特征方程各项系数均大于零。四、实验内容及步骤启动MATLAB 7.0，进入Simulink后新建文档，在文档里绘制系统的结构框图。双击各传递函数模块，在出现的对话框内设置相应的参数。点击工具栏的按钮或simulation菜单下的start命令进行仿真。双击示波器模块观察仿真结果。系统的结构框图如图3所示。K1/（Ts+1）图2 控制系统MATLAB仿真结构框图五、实验预习要求1. 实验时若阶跃信号的幅值取得太大，会产生什么问题？2. 系统开环放大系数K和惯性环节时间常数对系统的性能有什么影响？3. 为使系统能稳定地工作，开环增益应适当取小还是取大？六、实验总结报告 1. 画出控制系统模拟电路图。 2. 画出系统增幅或减幅振荡的波形图。 3. 计算系统的临界放大系数，并与实验中测得的临界放大系数相比较。实验四 频率特性的测试一、实验目的 1. 掌握频率特性的测试方法。 2. 进一步明确频率特性的概念及物理意义。3. 明确控制系统参数对频率特性曲线形状的影响。4.进一步学习用MATLAB仿真软件对实验内容中的电路进行仿真。二、实验设备和仪器1 计算机2. MATLAB软件三、实验原理 一个稳定的线性系统，在正弦信号的作用下，它的稳态输出将是一个与输入信号同频率的正弦信号，但振幅和相位一般与输入信号不同，而且随着输入信号的频率变化而变化。 在被测系统的输入端加正弦电压，待平稳后，其输出端亦为同频率的正弦电压，但幅值与相位一般都将发生变化，幅值与相位变化的大小和输入信号的频率相关。 取正弦输出与正弦输入的复数比，即为被测系统(或网络)的频率特性。 改变输入信号频率，测得该频率对应的输出电压振幅，与相位及输入信号的振幅计算出振幅比，做出幅频特性和相频率特性曲线。 对于参数完全未知的线性稳定系统可以通过实验方法求出其频率特性；我们从学习测试方法的角度，可以对已知的系统测其频率特性；在生产实践中，也常常是对已知的调试完毕的控制系统确定其实际的频率特性。四、实验内容及步骤启动MATLAB 7.0，进入Simulink后新建文档，在文档里绘制二阶系统的结构框图。双击各传递函数模块，在出现的对话框内设置相应的参数。点击工具栏的按钮或simulation菜单下的start命令进行仿真。双击示波器模块观察仿真结果。系统的结构框如图3所示。图3频率特性测试MATLAB仿真系统的结构框五、预习思考题1.K1增大时对对数中幅频曲线有何影响？2.伯德图能用来判断系统的稳定性及稳定裕度吗？六、实验总结报告1. 画出被测系统的模拟电路图，计算其传递函数，根据传递函数绘制Bode图。2. 把上述测量数据列表；根据此数据画Bode图。3. 分析测量误差。实验五 上水箱液位PID控制实验一、实验目的1通过实验熟悉单回路反馈控制系统的组成和工作原理。2分析分别用P、PI和PID调节时的过程图形曲线。3定性地研究P、PI和PID调节器的参数对系统性能的影响。二、实验设备和仪器1RTGKA型过程控制实验装置、上位机软件、计算机、RS232-485转换器1只、串口线1根。2万用表一只三、实验原理扰动液位给定上水箱电动调节阀PID控制器+液位变送器图5-1 实验原理图图5-1为单回路上水箱液位控制系统。单回路调节系统一般指在一个调节对象上用一个调节器来保持一个参数的恒定，而调节器只接受一个测量信号，其输出也只控制一个执行机构。本系统所要保持的参数是液位的给定高度，即控制的任务是控制上水箱液位等于给定值所要求的高度。根据控制框图，这是一个闭环反馈单回路液位控制，采用工业智能仪表控制。当调节方案确定之后，接下来就是整定调节器的参数，一个单回路系统设计安装就绪之后，控制质量的好坏与控制器参数选择有着很大的关系。合适的控制参数，可以带来满意的控制效果。反之，控制器参数选择得不合适，则会使控制质量变坏，达不到预期效果。一个控制系统设计好以后，系统的投运和参数整定是十分重要的工作。一般言之，用比例（P）调节器的系统是一个有差系统，比例度的大小不仅会影响到余差的大小，而且也与系统的动态性能密切相关。比例积分（PI）调节器，由于积分的作用，不仅能实现系统无余差，而且只要参数，Ti调节合理，也能使系统具有良好的动态性能。比例积分微分（PID）调节器是在PI调节器的基础上再引入微分D的作用，从而使系统既无余差存在，又能改善系统的动态性能（快速性、稳定性等）。但是，并不是所有单回路控制系统在加入微分作用后都能改善系统品质，对于容量滞后不大，微分作用的效果并不明显，而对噪声敏感的流量系统，加入微分作用后，反而使流量品质变坏。四、实验内容和步骤1设备的连接和检查：（1）、将RTGKA 实验对象的储水箱灌满水（至最高高度）。（2）、打开以丹麦泵、电动调节阀、涡轮流量计组成的动力支路至上水箱的出水阀门：阀1、阀4、阀7，关闭动力支路上通往其他对象的切换阀门:阀2、阀6、阀11、阀18、阀21。（3）、打开上水箱的出水阀至适当开度。（4）、检查电源开关是否关闭。2系统连线如图5-2所示：图5-2 上水箱液位PID参数整定控制接线图1）、将I/O信号接口板上的上水箱液位的钮子开关打到OFF位置。2）、将上水箱液位+（正极）接到任意一个智能调节仪的1端（即RSV的正极），将上水箱液位-（负极）接到智能调节仪的2端（即RSV的负极）。3）、将智能调节仪的420mA输出端的7端（即正极）接至电动调节阀的420mA输入端的+端（即正极），将智能调节仪的420mA输出端的5端（即负极）接至电动调节阀的420mA输入端的-（即负极）。4）、智能调节仪的220V的电源开关打在关的位置。5）、三相电源、单相空气开关打在关的位置3、启动实验装置1）、将实验装置电源插头接到380V的三相交流电源。2）、打开电源三相带漏电保护空气开关，电压表指示380V。3）、打开总电源钥匙开关，按下电源控制屏上的启动按钮，即可开启电源4）、开启单相，调整好仪表各项参数（仪表初始状态为手动且为0）和液位传感器的零位。5）、启动智能仪表，设置好仪表参数。（一） 比例调节控制1）、启动计算机MCGS组态软件，进入实验系统选择相应的实验，如图5-3所示：图5-3 实验软件界面2）、打开电动调节阀和单相电源泵开关，开始实验。3）、设定给定值，调整P参数。4）、待系统稳定后，对系统加扰动信号（在纯比例的基础上加扰动，一般可通过改变设定值实现）。记录曲线在经过几次波动稳定下来后，系统有稳态误差，并记录余差大小。5）、减小P重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。6）、增大P重复步骤4，观察过渡过程曲线，并记录余差大小。7）、选择合适的P，可以得到较满意的过渡过程曲线。改变设定值（如设定值由50变为60），同样可以得到一条过渡过程曲线。8）、注意：每当做完一次试验后，必须待系统稳定后再做另一次试验。（二）、比例积分调节器（PI）控制1）、在比例调节实验的基础上，加入积分作用，即在界面上设置I参数不为0，观察被控制量是否能回到设定值，以验证PI控制下，系统对阶跃扰动无余差存在。2）、固定比例P值（中等大小），改变PI调节器的积分时间常数值Ti，然后观察加阶跃扰动后被调量的输出波形，并记录不同Ti值时的超调量p。表5-1 不同Ti时的超调量p积分时间常数Ti大中小超调量p3）、固定I于某一中间值，然后改变P的大小，观察加扰动后被调量输出的动态波形，据此列表记录不同值Ti下的超调量p。表5-2 不同值下的p比例P大中小超调量p4）、选择合适的P和Ti值，使系统对阶跃输入扰动的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线。此曲线可通过改变设定值（如设定值由50%变为60%）来获得。（三）、比例积分微分调节（PID）控制1）、在PI调节器控制实验的基础上，再引入适量的微分作用，即把软件界面上设置D参数，然后加上与前面实验幅值完全相等的扰动，记录系统被控制量响应的动态曲线，并与实验（二）PI控制下的曲线相比较，由此可看到微分D对系统性能的影响。2）、选择合适的P、Ti和Td，使系统的输出响应为一条较满意的过渡过程曲线（阶跃输入可由给定值从50%突变至60%来实现）。3）、在历史曲线中选择一条较满意的过渡过程曲线进行记录。五、实验报告要求1画出单容水箱液位控制系统的方块图。2用接好线路的单回路系统进行投运练习，并叙述无扰动切换的方法。3用临界比例度法整定调节器的参数，写出三种调节器的余差和超调量。4作出P调节器控制时，不同值下的阶跃响应曲线。5作出PI调节器控制时，不同和Ti值时的阶跃响应曲线。6画出PID控制时的阶跃响应曲线，并分析微分D的作用。7比较P、PI和PID三种调节器对系统无差度和动态性能的影响。六、注意事项实验线路接好后，必须经指导老师检查认可后方可接通电源。七、思