《自动控制原理实验》讲义(14电气16-17(1))难点.doc

自动控制原理目 录实验一 典型环节及其阶跃响应实验二 二阶系统阶跃响应实验三 控制系统的稳定性分析实验四 控制系统的频率特性实验五 连续控制系统的串联校正实验六 数字PID控制实验实验七 离散控制系统实验实验八 非线性控制系统实验第一部分 自动控制原理实验实验一 典型环节及其阶跃响应预习要求：1、复习运算放大器的工作原理；了解采用741运算放大器构成各种运算电路的方法；2、了解比例控制、微分控制、积分控制的物理意义。一、实验目的1、学习自动控制系统典型环节的电模拟方法，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；3、学会根据阶跃响应曲线计算确定典型环节的传递函数。二、实验内容1、比例环节电路模拟： 图1-1传递函数： 2、惯性环节电路模拟： 图1-2 传递函数： 3、积分环节电路模拟： 图1-3 传递函数： 4、微分环节电路模拟： 图1-4 传递函数： 5、比例微分电路模拟： 图1-5 传递函数： 6、比例积分电路模拟： 图1-6 传递函数： 三、实验步骤 1、计算机与实验箱的连接1）用串行口线将计算机串行口与实验箱相联。2）打开实验箱的电源，指示灯亮，双击在桌面上的“自动控制实验系统”图标，运行自动控制实验系统软件。3）下拉“串口测试”窗口，单击“串口测试”，如果测试窗口出现数字码，表示计算机与实验箱已经连接好，可以继续下面的实验。如果测试窗口没有出现数字码，表示计算机与实验箱连接失败。在这种情况下，必须找到通信失败的原因，再对通信串口进行测试，直到连接正常，才能继续下面的实验。注意：在计算机串行口通信不正常的情况下，不能开始实验！2、实验电路的连接在连接实验电路之前，先将实验箱电源关掉，然后再进行连接。 1） 按各个环节的电路模拟图进行连线；2） 将被模拟电路的输入U1与实验箱中控制板上的DA1相连，同时将被模拟电路的输出U2与实验箱中控制板上的AD1相连。3） 在仔细检查实验线路连接没有错误之后，再将实验箱电源打开。注意：被连接模拟电路输入、输出不能与实验箱中控制板上的位置相连错！3、实验方法1）双击在桌面上的“自动控制实验系统”图标，运行自动控制实验系统软件。2）在实验课题下拉菜单中选择实验一，用鼠标右键典型环节及其阶跃响应项，弹出参数设置窗口，了解参数设置内容（参数设置内容暂不改变）。3）单击“确认”，等待屏幕显示取显示测试结果（“黄线”为所加标准信号，“绿线”为测试结果）。4）记录有关的波形和数据。四、数据测试1、测量各个典型环节（图1-1图1-6）电路模拟图的单位阶跃响应曲线，并记录其波形。2、从实验测量得到的单位阶跃响应曲线，求出传递函数。五、实验要求1、 理解各个典型环节的作用，掌握自动控制系统典型环节的电模拟方法；2、 掌握实验箱的工作原理和结构，掌握“自控理论实验系统”软件的使用方法；3、 按照规定要求写出实验报告。实验报告应该包括以下内容： 实验X XXXXXXXXX实验一、实验目的二、实验内容三、实验步骤四、数据（曲线）测试记录五、数据处理六、实验小结 4、实验报告重点：从实验测量得到的单位阶跃响应曲线2，求出惯性环节的传递函数，并分析时间常数的误差。实验二 二阶系统阶跃响应预习要求：1、理解二阶系统的特征参数：阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能的影响；2、了解单位阶跃响应曲线超调量和调节时间的测量方法。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对系统动态性能的影响，定量分析和与最大超调量和调节时间之间的关系；2、学会单位阶跃响应曲线超调量和调节时间的测量方法。二、实验内容1、典型二阶系统的闭环传递函数： （2-1）2、二阶系统的电路模拟图图2-1电路的结构图：图2-2开环传递函数：闭环传递函数： （2-2）比较式（2-1）与式（2-2），可得，当一定时，固定电阻，调节电阻，可以改变阻尼比的取值，从而改变系统阶跃响应过渡过程的和。同理，当一定时，改变电容、，也可以改变系统阶跃响应过渡过程的和。三、实验步骤1、计算机与实验箱的连接1）用串行口线将计算机串行口与实验箱相联。2）双击在桌面上的“自动控制实验系统”图标，运行自动控制实验系统软件。3）下拉“串口测试”窗口，单击“串口测试”，如果测试窗口出现数字码，表示计算机与实验箱已经接通，可以继续下面的实验。如果测试窗口没有出现数字码，表示计算机与实验箱连接失败。在这种情况下，必须找到通信失败的原因，再对通信串口进行测试，直到连接正常，才能继续下面的实验。2、实验电路的连接在连接实验电路之前，先将实验箱电源关掉，然后再进行连接。 1） 按各个环节的电路模拟图进行连线；2） 将被模拟电路的输入U1与实验箱中控制板上的DA1相连，同时将被模拟电路的输出U0与实验箱中控制板上的AD1相连。3） 在仔细检查实验线路连接没有错误之后，再将实验箱电源打开。3、实验方法1）研究阻尼比对系统阶跃响应过渡过程的影响模拟电路按以上电路图2-1取值，则，调节电阻，使分别为：0，50、100、200、400，对应的阻尼比分别为：0、0.25、0.5、1、2， 分别测量系统阶跃响应过渡过程的超调量和调节时间，记录其波形，填写表1 （实际调节电阻时，可将电阻接到实验箱上的固定电阻上）。2） 研究无阻尼自然频率对系统阶跃响应过渡过程的影响取，将电容改接为：，则，测量系统阶跃响应过渡过程的超调量和调节时间，记录其波形，填写表2。四、数据测试表1、时阻尼比对系统阶跃响应过渡过程的影响理论值理论值测量值测量值00k0.2550 k44.5%1.2秒0.5100 k16.3%0.6秒1200 k2400 k表2、时无阻尼自然频率对系统阶跃响应过渡过程的影响理论值理论值测量值测量值10116.3%0.61000.116.3%0.06五、实验要求1、按照电路模拟图接线，分别按表1和表2测试数据。2、从被测试数据中，总结阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能的影响。3、实验报告重点：分析、时，超调量和调节时间的理论值与实际值之间的误差。实验三 控制系统的稳定性分析预习要求：1、理解稳定性概念，复习劳斯判据的意义和使用方法；2、了解系统临界稳定时，开环增益的求法。3、计算本实验的系统临界稳定的K值（电阻的取值）。一、实验目的1、观察系统中的稳定、临界稳定和不稳定现象，加深对控制系统稳定性概念的理解。2、研究系统开环增益和时间常数对系统稳定性的影响。二、实验内容1、三阶系统的电路模拟图图3-12、电路的结构图：图3-23、系统的开环传递函数：其中，特征方程： 三、实验步骤1、计算机与实验箱的连接（略）2、实验电路的连接（略）3、实验方法1）观察系统中的稳定现象将电位器从0向500k逐渐增大的方向开始调节，并不断观察系统阶跃响应过渡过程。记录当为100，150时的阶跃响应过程（具体实验中， R8可取实验箱上的固定电阻进行观察）。2）观察系统中的临界稳定现象在上述实验中，继续增大，直到发生等幅振荡（具体实验中，可取200k进行观察）。3）观察系统中的不稳定现象在上述实验中，继续增大，可以观察到系统中的不稳定现象（具体实验中，可取250k进行观察）。将电路中的电容由1改为0.1，重复上述实验过程。四、数据记录 表1. 系统稳定性现象稳定临界稳定不稳定范围范围五、实验要求1、 按照电路模拟图接线，分别按表1和表2测试数据（曲线）。2、从被测试数据中，总结该控制系统稳定的条件，并解释其现象。3、实验报告重点：计算系统临界稳定的电阻的取值，并与实际测量的的值进行比较，分析其误差。实验四 控制系统的频率特性预习要求：1、复习频率特性的物理意义和测量方法；2、了解从波特图求系统传递函数的方法。3、计算本实验bode图的转折频率。一、实验目的1、 加深理解系统及元件频率特性的物理概念；2、 掌握元件及系统频率特性的的测量方法；3、 学会从波特图求系统的传递函数。二、实验原理及内容1、二阶系统的函数：2、二阶系统的电路模拟方法图4-13、电路结构图：图4-24、取，则系统的开环传递函数：闭环传递函数：三、实验步骤1、计算机与实验箱的连接（略）2、实验电路的连接（略）3、实验方法1）频率图测试选中实验课题统频率特性测量测频率图采单项，单击鼠标左键，设置测试参数，然后确认，等待观察波形。2）波特图测试a）选中实验课题统频率特性测量波特图采样数据菜单项，单击鼠标左键，等待观察波形（一共要测试40组数据，耐心等待，直到数据40组测试完毕）。b）待数据采样结束后，点击实验课题统频率特性测量测波特图图象观察菜单项，即可在显示区内显示所测试的波特图。3）奈奎斯特图测试a）选中实验课题统频率特性测量奈奎斯特图采样数据菜单项，单击鼠标左键，等待观察波形（一共要测试40组数据，耐心等待，直到数据40组测试完毕）。b）待数据采样结束后，点击实验课题统频率特性测量奈奎斯特图图象观察菜单项，即可在显示区内显示所测试的奈奎斯特图。四、数据记录1、记录被测试的频率特性图。 2、记录被测试的波特图图。 3、记录被测试的奈奎斯特图。五、实验要求1、按照电路模拟图接线，分别记录测试的曲线和数据。2、实验报告重点：从被测试的波特图中，求出系统的转折频率和传递函数，并与从电路模拟图进行比较，分析实际测试的转折频率与理论计算的转折频率的误差，并解释误差产生的原因。实验五 连续控制系统的串联校正预习要求：1、理解串联超前校正和串联滞后校正的意义和作用；2、了解串联校正装置的设计过程。一、实验目的1、研究串联校正环节对系统稳定性和过度过程的影响；2、熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。二、实验原理及内容1、串联超前校正1）电路模拟方法图5-12）电路结构图：图5-23）基本原理若图5-1中开关K打开，控制器的传递函数：系统未校正前的开环传递函数：若图5-1中开关K闭合，控制器的传递函数：根据：，系统校正后的开环传递函数：2、串联滞后校正1）电路模拟方法图5-32）电路结构图：图5-43）基本原理若图5-1中开关K打开，控制器的传递函数：系统未校正前的开环传递函数：若图5-1中开关K闭合，控制器的传递函数：系统校正后的开环传递函数：三、实验步骤1、计算机与实验箱的连接2、实验电路的连接3、实验方法1）串联超前校正a）将开关s断开，选中实验课题连续系统串联校正超前校正菜单项，将出现参数设置窗口。将“信源电压”项改为-1，其他不需改变。等待观察阶跃响应波形。b）将开关s接通，选中实验课题连续系统串联校正超前校正菜单项，将出现参数设置窗口。将“信源电压”项改为-1，其他不需改变。等待观察阶跃响应波形。3） 串联滞后校正a）将开关s断开，选中实验课题连续系统串联校正滞后校正菜单项，将出现参数设置窗口。将“信源电压”项改为-1，其他不需改变。等待观察阶跃响应波形。b）将开关s接通，选中实验课题连续系统串联校正滞后校正菜单项，将出现参数设置窗口。将“信源电压”项改为-1，其他不需改变。等待观察阶跃响应波形。四、数据记录 表5.1.校正前后控制性能测试串联校正稳定性超调量调节时间超前校正校正前校正后滞后校正校正前校正后五、实验要求1、按照电路模拟图接线，分别按表5.1测试数据。2、从被测试数据中，总结出串联超前校正和串联滞后校正对系统稳定性的影响和对系统性能指标的影响。3、实验报告重点：绘制校正前后的bode图，通过校正前后对系统性能指标的变化，说明串联超前校正和串联滞后校正的作用。参考答案：MATLAB程序设计n=20;d=0.2,1,0;sys=tf(n,d);sysf=feedback(sys,1);step(sysf);grid;hold on;pause;nc=0.15,1;dc=0.1,1;sysc=tf(nc,dc);sysfc=feedback(sys*sysc,1);step(sysfc)MATLAB程序设计n=10;d=conv(0.1,1,0.05,1),0;sys=tf(n,d);sysf=feedback(sys,1);step(sysf);grid;hold on;pause;nc=1,1;dc=11,1;sysc=tf(nc,dc);sysfc=feedback(sys*sysc,1);step(sysfc)（n=100）实验六 数字PID控制实验预习要求：1、理解PID控制的的意义和作用；2、了解PID控制参数的正定方法。一、实验目的1、 研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响；2、研究I型系统及系统的稳态误差。二、实验原理及内容1、系统结构图如下：其中，2、开环系统的模拟电路图如图5-1和如图5-2 被控对象1：图5-1传递函数 被控对象2： 图5-2传递函数： 3、PI调节器的增益：，其中，可以看出，PI调节器的增益为：。当调节参数时，PI调节器的增益也随之而改变。因此，当调节参数时，要保持PI调节器的增益不随之改变，必须同时调节参数。PID调节器参数的调节也有相同情况。三、实验步骤1、计算机与实验箱的连接2、实验电路的连接3、实验方法1）被控对象的PID控制a）选中实验课题数字PID控制菜单项，将出现参数设置窗口。将“信源电压”项改为-1，PID三个参数设置为：。等待观察未不加入PID控制时的阶跃响应波形。记录阶跃响应的超调量和调节时间，b）选中实验课题数字PID控制菜单项，将出现参数设置窗口。将“信源电压”项改为-1，调节PID三个参数，直到阶跃响应波形满意为止（参考值：）。记录阶跃响应的超调量和调节时间，c）比较a）、b）两步的结果，说明PID控制器的作用，2）被控对象的PI控制实验步骤同上。四、数据记录1、被控对象为：时，记录未加入PID装置和加入PID装置后阶跃响应波形和数据。表1、时的动态性能控制方法PID参数测量值测量值PPID2、被控对象为：时，记录未加入PI装置和加入PI装置后阶跃响应波形和数据。表2、时的稳态性能控制方法PI参数测量值测量值PPID五、实验要求1、分析加入PID控制的动态性能；2、分析加入PD控制的稳态性能。3、实验报告重点：通过校正前后对系统性能指标的变化，说明PID控制的作用。实验七 离散控制系统实验预习要求：1、了解simulink仿真的方法；2、复习离散系统的有关知识。一、实验目的1、了解信号的采样保持与采样周期的关系2、掌握离散控制的仿真方法二、实验原理及内容1、已知离散控制系统结构图如图1所示，系统模拟图如图2所示。如图1 结构图如图2 结构图2、已知离散控制系统如图所示，其中，采样周期T=2秒，要求利用simulink建立对上述系统仿真图，并进行仿真