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实验指导书 部分 目录第一部分控制理论实验1-46实验一控制系统典型环节的模拟实验1实验二线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析7实验六自动控制系统的校正14附录使用说明991第一部分控制理论实验实验一控制系统典型环节的模拟实验 一、实验目的1掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。 2测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 二、实验内容1对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二)表一典型环节的方块图及传递函数典型环节名称方块图传递函数比例（P）K)s(iU)s(Uo=积分（I）TS1)s(iU)s(Uo=比例积分（PI）TS1K)s(iU)s(Uo+=比例微分（PD）)TS1(K)s(iU)s(Uo+=惯性环节（T）1TSK)s(iU)s(Uo+=比例积分微分（PID）STST1Kp)s(iU)s(Uodi+=2表二典型环节的模拟电路图各典型环节名称模拟电路图比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T）3各典型环节名称模拟电路图比例积分微分（PID）2测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。 3改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。 三、实验内容及步骤1观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。 准备使运放处于工作状态。 将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（K30A）夹断，这时运放处于工作状态。 阶跃信号的产生电路可采用图1-1所示电路，它由“阶跃信号单元”（U3）及“给定单元”（U4）组成。 具体线路形成在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验4导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y端输出信号。 以后实验若再用阶跃信号时，方法同上，不再赘述。 实验步骤按表二中的各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。 (PID先不接)将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。 按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。 改变比例参数，重新观测结果。 同理得积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线参见表三。 2观察PID环节的响应曲线。 实验步骤将U1单元的周期性方波信号(U1单元的ST端改为与S端用短路块短接，S11波段开关置于“方波”档，“OUT”端的输出电压即为方波信号电压，信号周期由波段开关S11和电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。 以信号幅值小、信号周期较长比较适宜)。 参照表二中的PID模拟电路图，按相关参数要求将PID电路连接好。 将中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（Ui），用示波器观测PID输出端(Uo)，改变电路参数，重新观察并记录。 四、实验思考题1为什么PI和PID在阶跃信号作用下，输出的终值为一常量？2为什么PD和PID在单位阶跃信号作用下，在t=0时的输出为一有限值？5表三典型环节传递函数参数与模拟电路参数关系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线比例K=01RRo(t)=K Ro=250KR1=100K R1=250K惯性K=01RR T=R1Co(t)=K(1-e-t/T)R1=250KRo=250KC=1FC=2FI T=RoCo(t)=tT1Ro=200KC=1F C=2F6典型环节传递函数参数与模拟电路参数关系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线PI K=01RR T=RoCo(t)=K+tT1R1=100K Ro=200K C=1uF C=2uF PDK=021RRR+T=212R1RCRR+理想o(t)=KT(t)+K实测o(t)=021RRR+3021RRRR e-t/R3C Ro=100K R2=100K C=1uFR3=10K R1=100K R1=200K PIDKP=Ro1R TI=Ro C1TD=2021CRRR理想o(t)=TD(t)+Kp+tT1I实测o(t)=RoRR21+1221RoCCRtRoC1+1+(1CRCR2211?)e-t/R3C2Ro=100K R2=10KR3=10K C1=C2=1F R1=100K R1=200K7实验二线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析 一、实验目的1通过二阶、三阶系统的模拟电路实验，掌握线性定常系统动、静态性能的一般测试方法。 2研究二阶、三阶系统的参数与其动、静态性能间的关系。 二、实验原理1二阶系统图2-1为二阶系统的方块图。 由图可知，系统的开环传递函数G(S)=)1ST(SK)1ST(SK111+=+，式中K=1K相应的闭环传递函数为112121TKST1STKKSSTK)S(R)S(C+=+=二阶系统闭环传递函数的标准形式为)S(R)S(C=n2n2n2S2S+比较式、得n=111TKTK=1KT21=11KT21图中=1s，T1=0.1s图2-1表一列出了有关二阶系统在三种情况(欠阻尼，临界阻尼、过阻尼)下具体参数的表达8式，以便计算理论值。 图2-2为图2-1的模拟电路，其中=1s，T1=0.1s，K1分别为 10、 5、2. 5、1，即当电路中的电阻R值分别为10K、20K、40K、100K时系统相应的阻尼比为0. 5、 21、 1、1.58，它们的单位阶跃响应曲线为表二所示。 表一一种情况各参数01=11K K=K1/=K1nn=11T/K=1K1011TK21=11K2K10C(tp)C(tp)=1+e/21?C()1Mp%Mp=e/21?tp(s)tp=2n1?ts(s)ts=n4表二二阶系统不同值时的单位阶跃响应R值单位阶跃响应曲线10K0.5920K2140K1100K158模拟电路图G(S)=)1S1.0(SK1+=)1S1.0(SR+K100K1=100K/R=11K2K10n=1K10102三阶系统图2 3、图24分别为系统的方块图和模拟电路图。 由图可知，该系统的开环传递函数为G(S)=)2ST)(1ST(SK21+，式中T1=0.1S，T2=0.51S，K=R510系统的闭环特征方程S(T1+1)(T2S+1)+K=0即0.051S3+0.61S2+3+K=0由Routh稳定判据可知K12(系统稳定的临界值)系统产生等幅振荡，K12，系统不稳定，K12，系统稳定。 图23三阶系统方块图图23三阶系统方块图 三、实验内容1通过对二阶系统开环增益的调节，使系统分别呈现为欠阻尼01(R=10K，K=10),临界阻尼=1(R=40K，K=2.5)和过阻尼1(R=100K，K=1)三种状态，并用示波器记录它们的阶跃响应曲线。 112能过对二阶系统开环增益K的调节，使系统的阻尼比=21=0.707(R=20K，K=5)，观测此时系统在阶跃信号作用下的动态性能指标超调量Mp，上升时间tp和调整时间ts。 3研究三阶系统的开环增益K或一个慢性环节时间常数T的变化对系统动态性能的影响。 4由实验确定三阶系统稳定由临界K值，并与理论计算结果进行比较。 四、实验步骤准备工作将“信号发生器单元”U1的ST端和+5V端用“短路块”短接，并使运放反馈网络上的场效应管3DJ6夹断。 1二阶系统瞬态性能的测试按图2-2接线，并使R分别等于100K、40K、10K用于示波器，分别观测系统的阶跃的输出响应波形。 调节R，使R=20K，(此时=0.707)，然后用示波器观测系统的阶跃响应曲线，并由曲线测出超调量Mp，上升时间tp和调整时间ts。 并将测量值与理论计算值进行比较，参数取值及响应曲线参见表 一、二。 2三阶系统性能的测试按图2-4接线，并使R=30K。 用示波器观测系统在阶跃信号作用下的输出波形。 减小开环增益(令R=42.6K，100K)，观测这二种情况下系统的阶跃响应曲线。 在同一个K值下，如K=5.1(对应的R=100K)，将第一个惯性环节的时间常数由0.1s变为1s，然后再用示波器观测系统的阶跃响应曲线。 并将测量值与理论计算值进行比较，参数取值及响应曲线参见表 三、四。 12表三参数项目R KK(1/s)n(1/s)C(tp)C(OO)Mp(%)Tp(s)ts(s)阶跃响应曲线测量计算测量计算测量计算01欠阻尼响应1010100.54.6415160.40.360.750.82057.070.7074.24540.650.630.80.8=1临界阻尼响应402.55540.00.941过阻尼响应10013.161.5843.63.55注意临界状态时(即=1)ts=4.7/n表四R(K)K输出波形稳定性3017不稳定(发散)42.611.96临界稳定(等幅振荡)1005.1稳定(衰减振荡)13 五、实验思考题1为什么图2-1所示的二阶系统不论K增至多大，该系统总是稳定的？2通过改变三阶系统的开环增益K和第一个惯性环节的时间常数，讨论得出它们的变化对系统的动态性能产生什么影响？14实验六自动控制系统的校正 一、实验目的1掌握串联校正装置设计的一般方法。 2设计一个有源串联超前校正装置，使之满足实验系统动、静态性能的要求。 二、实验内容1未校正系统的方块图如图31所示，设计相应的模拟电路图，参见图32。 图31未校正系统的方块图图32未校正系统的模拟电路图n=6.32Mp=60%402+2由闭环传递函数G(S)=40S2S+ts=4s=0.158静态误差系统数Kv=201/s3用示波器观测并记录未校正系统在阶跃信号作用下的动态性能指标Mp、ts、tp4根据系统动态性能的要求，设计一个超前校正装置，其传递函数为1S5.0+Gc(s)=1S05.0+其模拟电路图为33所示。 要求校正后系统Kv=20，Mp=0.25，ts1s，15图33校正装置电路校正后系统的方块图为图34所示由图可知，该系统的开环传递函数为20=+G(S)=)20S(S400)1S05.0(S+与二阶系统标准形式的开环传递函数相比较，得n=400=202n=20=0.5Mp=e-215?=0.1630.25图35校正后系统的模拟电路图 三、实验步骤准备将“信号发生器单元”U1的ST端和+5V端用短路块短接。 161按照图32接线，并核对图中各环节的参数是否完全满足图31所示系统的要求。 2加入阶跃输入电压，用示波器观察并记录系统输出响应曲线及其性能指标超调量Mp和调节时间ts。 3按图35的要求接入校正装置。 4在图35的输入端引入阶跃控制电压，并用示波器观察和记录校正后系统的超调量Mp和调节时间ts，以检验系统是否完全满足预期的设计要求。 5具体参数及响应曲线请参照表3-1。 四、实验思考题1阶跃输入信号为什么不能取得太大？2为什么图33所示的校正装置是超前校正装置？3你能解释校正后系统的瞬态响应变快的原因吗？表3-1参数项目Mp(%)Ts(s)阶跃响应曲线未校正0.64校正后0.1250.4217附录TKKL-4型控制理论/计算机控制技术实验箱使用说明软件使用说明源程序操作1用“文件”菜单中的菜单项，可对源程序进行新建、打开、打印，并可进行剪切、复制、查找等操作。 2菜单项“编译”中可以对源程序进行“汇编”和“链接”，生成“.OBJ”和“.EXE”文件。 执行这两项操作时，会弹出一个对话框，在其中显示汇编或连接的信息，此时只要关闭该对话框就可进行其他操作，如果在编译链接时出现不能编译或链接时请使用PLIE.EXE手工编译。 （PLIE.EXE默认安装在C:TeamkitTKKLPLIE.EXE）。 调试操作1调试窗口激活时，才可进行调试操作。 可以选择菜单项“窗口”菜单中的“调试窗口”或者工具栏中的图标激活，然后按一下实验箱上的复位键在联机成功时出现“Wel ToYou!”的提示。 2装入程序/保存程序。 可以将汇编链接生成的二进制文件通过串行电缆传送到实验仪的内存中，或者将已经在实验箱内存中的程序保存到磁盘文件中。 进行这两项操作时会弹出一个“操作进度对话框”，单击确定后，开始调试。 3单步运行/停止。 可以单步运行程序，在程序单步运行过程中可以查看寄存器状态，并且可以修改寄存器的数据。 4当打开“寄存器窗口”（可以通过菜单中的“窗口-寄存器窗口”菜单项或工具栏中的“寄存器”快捷按钮打开或激活寄存器窗口）时，如果单步运行程序或者遇到断点停下时，各寄存器和标志位的状态可以在寄存器窗口实时显示出来，方便用户程序的调试。 示波器使用说明1可以使用菜单中的“窗口-示波器窗口”或者选择工具栏中的图标打开或激活示波器窗口。 如果已经示波器窗口已经打开，则激活，否则弹出一个对话框，用户可根据18需要选择不同的示波器功能，进入相应的界面。 2示波器的4个功能a)普通示波器（对信号进行时域的测量，类似与普通示波器的功能）b)频率特性分析示波器c)非线性测量d)直流电机、温度控制实验专用波形显示示波器普通示波器工具栏（按自左向右的顺序逐个介绍）1启动示波器不运行程序。 适合于只需要观察波形时使用，例如做控制理论实验时。 2启动示波器，并运行程序。 适合于需要用示波器观察程序运行效果时使用，例如做计算机控制技术实验。 3停止测量。 停止示波器的采样，如果运行了计算机控制程序，程序将被终止。 建议在激活其它窗口时停止示波器测量。 4暂停显示。 将当前的波形保留在屏幕上，便于细致观察波形。 暂停后可以用游标对波形进行测量、细分显示和打印波形，如果运行了计算机控制程序，程序仍在运行，不会被终止（于停止功能不同），此时示波器仍在采样，只是不将数据显示在屏幕上。 5继续显示。 暂停显示后用来恢复示波器的显示。 6横向增加示波器显示比例。 7横向减少示波器显示比例。 8纵向增加示波器显示比例。 9纵向减少示波器显示比例。 10示波器显示还原。 将纵向拉伸过的图形还原为最初显示尺寸。 11快速向左移动游标。 在暂停或细分显示时，用来移动测量游标，每次移动10格12向左移动游标。 在暂停或细分显示时，用来移动测量游，每次移动一格。 13向右移动游标。 14快速向右移动游标。 15细分显示波形。 在暂停后可以使用。 执行时，示波器窗口标题栏会闪动，此时正19在接收数据请等待，数据接收完成后会显示出波形，并可用游标进行测量。 16左移波形。 执行细分显示后，可以使用。 17右移波形。 执行细分显示后，可以使用。 18在波形显示和保存波形界面间切换19波形打印。 暂停或细分显示时可以使用。 频率特性分析示波器1开始测试。 测试需要一段时间，时间的长短，主要取决于用户输入的信号角频率。 测试期间，窗口标题栏会不断闪动，测试完成后，会显示出测试波形。 2修改参数。 执行后弹出一个对话框，用户可以改变信号的角频率和电压。 3停止测量。 4快速向左移动游标。 示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游标，每次移动10格。 5向左移动游标。 示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游，每次移动一格。 6向右移动游标。 示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游标，每次移动一格。 7快速向右移动游标。 示波器暂停时或细分显示可以使用，用来移动测量游标，每次移动10格。 8打印波形。 测试完成后，可以将测试的波形打印出来。 非线性测量示波器1开始测试。 2清除屏幕。 3停止测量。 直流电机、温度控制实验专用示波器201启动示波器。 2停止测量，程序将被终止。 3暂停显示。 将当前的波形保留在屏幕上，便于细致观察波形。 暂停后可以用游标对波形进行测量、细分显示和打印波形，如果运行了计算机控制程序，程序仍在运行，不会被终止（于停止功能不同），时示波器仍在采样，只是不将数据显示在屏幕上。 4继续显示。 暂停显示后用来恢复示波器的显示。 5横向增加示波器显示比例。 示波器运行、暂停时均可以使用。 6横向减少示波器显示比例。 示波器运行、暂停时均可以使用。 7快速向左移动游标。 示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游标，每次移动10格8向左移动游标。 示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游，每次移动一格。 9向右移动游标。 示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游标，每次移动一格。 10在波形显示和保存波形界面间切换11保存某一时刻波形的显示。 此处会弹出一个对话框询问保存到那一个图库中，可选的有三个，选中之后，系统会将用户需要保存的图象保存到用户指定的图库中。 12波形打印。 常用的调试命令说明A、启动小汇编程序其格式为A段址偏移量即A段址偏移量从段址偏移量构成的实际地址单元起填汇编程序的目标码。 A偏移量从默认的段址偏移量构成的实际地址单元起填充汇编程序的目标码。 需要说明的是，对输入汇编语句有如下规定 (1)数字一律是不带H后缀的16进制数。 (2)m类操作一定要在之前标注W(字)或B(字节)，如21MOV Bxx，AL；MOV Wxx，AX D显示一段地址单元中的数据其格式为D段址起始地址，尾地址E指定地址单元中的数据其格式为E段址偏移量每次只能一字节一字节地显示或修改数据，一旦进入E命令状态，就可通过“空格”键来使地址向高地址方向移动，而“-”键则使地址向低地址向移动，亦可直接填入新数据来修改地址单元中的内容。 若直接用回车键来响应的话，就退出E命令。 G连续运行程序其格为G=段址偏移量GB=段址偏移量其中G格式表示无断点连续运行由段址偏移量指定入口的程序；而GB格式表示带断点连续运行由段址偏移量指定入口的程序。 注断点是由B命令来设置的。 R寄存器显示修改其格式为R或寄存器名前者在使用基本监控、液晶终端显示特定的一组寄存器的内容即CS=XXXX，DS=XXXX，IP=XXXX，AX=XXXX，F=XXXX(F是CPU的状态标志，由16位二进制数构成)；在使用串行监控、CRT终端或PC机时，显示所有寄存器内容。 后者由可显示并修改特定寄存器的内容。 如RAX就显示AX=XXXX，此时您键入回车键表示结束R命令，若输入四位16进制数并回车的话，则就会将该四位数填入到相应的寄存器中并结束R命令。 U反汇编程序命令其格式为U段址起始址，尾址或U系统提供反汇编程序能力，上面第一格式可实现连续显示从某地址到另一高端地址间的代码反汇编，而后一种格式每次只能显示当前行。 22常见问题1建议在分辨率为800*600下运行程序，如果分辨率低于800*600界面会超屏幕，只要调整分辨率即可。 2使用时应该保证计算机的串口工作正常，把实验箱和计算机用系统附带的串行通讯电缆连接上，打开电源后运行程序。 3首次运行时，调试工具默认的通讯口是1，请将串口线连接到计算机的1上。 4使命用中如果出现不能通讯的情况。 请先按实验箱上的复位键，使系统复位，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。 5示波器窗口”返回“调试窗口”时，需要注意，必须先停止示波器的测量，然后才可返回“调试窗口”，否则波形数据会显示在调试窗口中，影响调试；另外，从“示波器窗口”返回“调试窗口”时，“调试窗口”有时候不能接收键盘，此时只要按下“ESC”键就可正常键入，否则，将实验仪复位，重新连接。 硬件使用说明实验箱中分成了多个模块，每个模块在不同的实验中有不同的使用1通常单元电路通常单元电路是控制理论和计算机控制实验中的基本模块，每个模拟中