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精选资料实验一 自动控制实验仪的使用一、实验目的1了解和掌握自动控制实验仪的硬件结构，面板布局和功能划分；2掌握自动控制实验仪的软件安装与调测方法；3掌握自动控制实验仪的硬件接线、软件操作使用方法。二、实验仪器、设备1EL-AT-III型自动控制实验箱一套。2PC计算机系统一套，打印机一台（可选）。三、实验内容与步骤1了解实验箱的硬件资源显示器计算机打印机实验箱电路AD/DA卡EL-AT-III型实验系统主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成如图1-1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。图1-1 实验系统构成下面主要介绍实验箱的构成：（1）系统电源EL-AT-III系统采用本公司生产的高性能开关电源作为系统的工作电源，其主要技术性能指标为：（1）输入电压：AC 220V（2）输出电压/电流：12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A（3）输出功率：22W（4）工作环境：540。（2）AD/DA采集卡AD/DA采集卡如图1-3采用EZUSB2131芯片做为主控芯片，负责数据采集和USB通信，用EPM7128作为SPI总线转换，AD为TL1570I其采样位数为10位，采样率为1KHz。DA为MAX5159转换位数为10位，转换速率为1K。 AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和两路输入（AD1、AD2），其输入和输出电压均为5V+5V。（3）实验箱面板实验箱面板布局如图1-2AD/DA卡输入输出模块实验模块1实验模块2电源模块模拟开关二极管区EL-CAT-II实验模块3电阻、电容、二极管区实验模块4变阻箱、变容箱模块实验模块5实验模块8实验模块6实验模块7图1-2 实验箱面板布局2掌握软件的安装（1）安装自动控制实验软件按照软件提示，一步一步完成安装，一直到完成安装。（2）USB驱动安装（Windows XP 操作系统下）通过USB或串口硬件接口，连接实验箱与计算机，按照操作提示到安装完毕。3软件启动与操作（1）实验前计算机与实验箱的连接（2）软件启动在Windows桌面上或“开始程序”中双击“快捷方式 到 Cybernation_A.exe”快捷方式，便可启动软件。（3）软件的使用按自动控制软件说明和实验指导书的操作步骤使用4硬件检查（1）检查实验箱所有运放器件的好坏；（2）用万用表检查其他器件的好坏；四实验数据（1）运放检查结果这里贴图其中XX实验箱的第Y个运放不正常，其他运放正常。（注意依实际情况填写）实验二 典型环节及其阶跃响应（4课时）一、实验目的1掌握比例、惯性环节、积分、微分、比例+积分（PI）、比例+微分（PD）的模拟方法，培养学生实验技能。2 通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性。3 了解参数变化对典型环节动态特性的影响。二、实验原理控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即合理的运用运算放大器本身所具有的基本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等），运用放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。三、实验仪器及耗材1EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2PC电脑一台四、实验内容及步骤1实验内容观察比例、惯性、积分、微分、比例+积分（PI）、比例+微分（PD）环节的阶跃响应，并测量相应的参数。（1）比例环节的模拟电路如下图所示。G（S）= -R2/R1（2）惯性环节的模拟电路如下图所示,G（S）= - K/TS+1K=R2/R1，T=R2CG（S）=1/TST=RC （3）积分环节的模拟电路如下图所示。（4）微分环节的模拟电路如下图所示。,G（S）= - TST=RC（5）比例+微分环节的模拟电路如下图所示。（未标明的C=0.01uf）G（S）= -K（TS+1）K=R2/R1，T=R2C （6）比例+积分环节的模拟电路如下图所示。G（S）=K（1+1/TS）K=R2/R1，T=R2C2实验步骤1）启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。2）测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。3）分别连接被测量典型环节的模拟电路（图1-1、图1-2、图1-3、图1-4、图1-5、图1-6）。电路的输入Ui接AD1，电路的输出Uo接DA1。检查无误后接通电源。4）在实验项目的下拉列表中选择实验一一、典型环节及其阶跃响应 。5）鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果6）观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。7）记录波形及数据。五、实验记录及数据处理（按顺序贴图，图的字迹要清楚，并在图的傍边或下面标注测量结果。）1比例环节实验数据（其中R0=100K、R1=200K）此处贴图从阶跃响应波形可以看出输出幅度Uo=2020mV（此处是参考数据）2惯性环节实验数据（其中R0=100K、R1=100K或200K也行、C=1uF）此处贴图从输出波形可以看出惯性环节的输出幅度为1030mV（此处是参考数据），惯性时间Ts=385ms（此处是参考数据）。3积分环节实验数据（其中R0=100K、C=1uF）此处贴图从输出波形可以看出积分环节输出幅度Uo=5000mV（此处是参考数据），积分时间Ts=520ms（此处是参考数据）。4微分环节实验数据（其中R0=100K、C=1uF）此处贴图图的下面说明测量结果。参照前述实验的写法。5比例-微分（PD）环节实验数据。此处贴图图的下面说明测量结果。参照前述实验的写法。6比例-积分（PI）环节实验数据。此处贴图图的下面说明测量结果。参照前述实验的写法。六、误差分析及实验结论1比例环节根据实验原理，比例环节的输出根据实验记录，系统实际输出Uo=2020mV，相对误差为，误差在正常范围。（此处分析只供参考，请按实际情况填写）2惯性环节根据实验原理，惯性环节的阶跃响应输出当t=Ts=4T=0.4s(400ms)时，系统幅度输出达最大值的98%。根据实验记录，当系统输出Uo=980mV时，Ts=380ms，相对误差为，惯性时间误差较大，可能的原因是定时元件R1、C的误差较大造成的。（此处分析只供参考，请按实际情况填写）3积分环节根据实验原理，积分环节的输出当t=Ts=0.5s(500ms)时，系统幅度输出达最大值（饱和），Uo=5000mV。根据实验记录，系统实际幅度输出Uo=5000mV，与理论计算一致。达到最大值（饱和）和时间为Ts=520，相对误差为，积分时间误差较大，可能的原因是定时元件R0、C的误差较大造成的。扣除误差，实验结果与理论计算基本一致，实验结果验证了比例环节、积分环节和惯性环节的理论分析是正确的。（此处分析只供参考，请按实际情况填写）4微分环节参照积分环节的方法分析5比例-微分（PD）环节参照积分环节的方法分析6比例-积分（PI）环节参照积分环节的方法分析实验三 二阶系统阶跃响应一、实验目的1 学习和掌握动态性能指标的测试技能。2 了解系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。二、实验原理二阶系统的结构图如下图4-1所示。图4-1 二阶系统的结构图其闭环传递函数为： 其中： wn=1/T；，z=K/2 （1）当。即欠阻尼情况时，二阶系统的阶跃响应为衰减振荡，如图4-2中曲线所示。输出响应为 式中： ，峰值时间：超调量：调节时间：当采用5允许误差范围时（2）当，即临界阻尼情况时，系统的阶跃响应为单调的指数曲线，如图4-2中曲线所示。输出响应为 (t0)调节时间：当采用5允许误差范围时（3）当，即过阻尼情况时，系统的阶跃响应为单调的指数曲线 （t0） （4-8）式中： ； 调节时间：当采用5允许误差范围时图4-2 二阶系统阶跃输入下的动态响应三、实验设备及耗材1EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2PC电脑一台四、实验内容与步骤1、实验内容观测不同参数（见附表所列）下二阶系统的阶跃响应并测出性能指标：超调量Mp，峰值时间tp，调节时间ts。根据系统的结构图可以画出二阶系统的模拟电路如下图4-3所示。图4-3 二阶系统模拟电路其中，T=RC，K=R2/R1。由原理得：wn=1/T=1/RC；z=K/2=R2/2R1。改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。改变RC值可以改变无阻尼自然频率wn。取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得实验所需的阻尼比。电阻R取100KW，电容C分别取1mf和0.1mf,可得两个无阻尼自然频率wn。2、实验步骤1）连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将两个积分电容得两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。2）启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。3）测查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。4）在实验项目的下拉列表中选择实验二二阶系统阶跃响应, 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果5）取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分别取z=0、0.25、0.707，1、1.5，即取R1=100KW，R2分别等于0KW、50KW、141KW、300KW。输入阶跃信号，测量不同的z时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量%和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。6）记录响应曲线，特别要记录Tp和Mp的数值。7）将测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。并将实验结果填入下表中。 实验结果参数Mp%tp（ms）ts（ms）计算测量计算测量计算测量R =100KC =1fn=10R1=100K，R2=0K，=0R1=100K，R2=50K，=0.25453241200R1=100K，R2=141K，=0.7074.3444444R1=100K，R2=200K，=1475R1= 100K，R2=300K，=1.5800五、实验记录及数据处理（按顺序贴图，图的字迹要清楚，并在图的傍边或下面标注测量结果。）1零阻尼实验数据（其中R0=R=100K、R2=0K、C=1uF）此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。2欠阻尼实验数据（其中R0=R=100K、R2=50K、C=1uF）此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。3最佳阻尼实验数据（其中R0=R=100K、R2=141K、C=1uF）此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。5临界阻尼实验数据（其中R0=R=100K、R2=200K、C=1uF）此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。6过阻尼实验数据（其中R0=R=100K、R2=200K、C=1uF）此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。六、实验分析（1）当R1=100K，R2=0K时，=0，系统为零阻尼，阶跃响应为等幅振荡。与实验结果相比基本一致.（2）R1=100K，R2=50K时，=0.25，系统为欠阻尼，阶跃响应为衰减振荡，此时超调量计算值为45%；实验值为XX峰值时间计算值为=324ms；实验值为XX调节时间计算值为=1200ms；实验值为XX扣除误差因素，实验结果与理论计算基本相符。（3）R1=100K，R2=141K时，=0.707，系统为最佳阻尼情况，此时超调量计算值为4.3%；实验值为XX峰值时间计算值为=444ms；实验值为XX调节时间计算值为=444ms；实验值为XX扣除误差因素，实验结果与理论计算基本相符。（4）R1=100K，R2=200K时，=1，系统为临界阻尼，阶跃响应为单调的指数曲线，没有超调，此时调节时间计算值为475ms；实验值为XX扣除误差因素，实验结果与理论计算基本相符。（5）当R1= 100K，R2=300K时，=1.5，系统为过阻尼，阶跃响应为单调的指数曲线，没有超调，此时调节时间计算值为ms实验值为XX扣除误差因素，实验结果与理论计算基本相符。实验四 控制系统稳定性分析（本实验为综合性实验）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。二、实验原理稳定是控制系统的重要性能，也是系统能够正常运行的首要条件。线性系统稳定的充分必要条件是系统所有特征根必须位于复平面s的左半平面。对于一阶系统， ,只要 都大于零，系统是稳定的。对于二阶系统，只有都大于零，系统才稳定。（负实根或实部为负）对于三阶或以上系统，求根是很烦琐的。最简单的方法是应用代数稳定性判据。设高阶系统的特征方程式为：则系统稳定的充要条件为：1、特征方程多项式中各项系数大于零，即：2、由特征方程系数构成的胡尔维茨行列式中，各奇数子行列式或各偶数子行列式大于零。即：或其中：， 三、实验仪器1EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2计算机一台四、实验内容与实验步骤1. 实验内容高阶系统的结构如下图5-1所示：图5-1高阶系统的结构框图分析：不同的时间常T，K值对系统稳定性的影响。系统模拟电路图如下图5-2所示。图5-2 系统模拟电路图其开环传递函数为：模拟电路的特征方程式为：，=由代数稳定判据可知，当K2时系统不稳定；式中 K=R3/R2，R2=100KW，R3=0500K；T=RC，R=100KW，C=1mf或C=0.1mf两种情况。2. 实验步骤1)连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。2)启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。3)检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出 现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。4)在实验项目的下拉列表中选择实验三控制系统的稳定性分析, 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置目的电压U1=1000mV，鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。5)改变R3的值，使得输出出现等幅振荡，记录此时的R3值，和输出波形；6）增加或减小R3的阻值，使输出波形明显出现由小变大或由大变小，记录此时R3的阻值和输出波形。7)在步骤5条件下，即工作在等幅振荡情况。改变电路中的电容C由1mf变成0.1mf，重复实验步骤4）-6）观察系统稳定性的变化。五、实验记录及数据处理（按顺序贴图，图的字迹要清楚，并在图的傍边或下面标注测量结果。）1临界稳定时的实验数据（其中R=100K、C=1uF 、R3=？）此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。2稳定时的实验数据（其中R=100K、C=1uF 、R3=？）此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。3不稳定时的实验数据（其中R=100K、C=1uF 、R3=？）此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。4R=100K、C=0.1uF 、R3=50K的输出波形此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。5R=100K、C=0.1uF 、R3=100K的输出波形此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。6R=100K、C=0.1uF 、R=200K的输出波形此处贴图图的下面记录测量结果。参照实验二的写法。（以下内容手写）六、实验分析由代数稳定判据可知，当K2时系统不稳定；由实验模拟电路可知，R=100K、C=1uF，即T=100103110-6=0.1s=100ms， K=R3/R2，R2=100KW，R3=0500K。（1）当R3=200 KW，即K= 2时，由理论分析可知，系统处于临界稳定状态，输出波形为等幅振荡。但实验结果并不是等幅振荡，而是趋向衰减振荡，原因是实际电路都有一定的阻尼和惯性造成的。根据实验波形测量的振荡周期为T=XX，扣除误差因素，实验结果与理论计算值基本相符。（2）慢慢增加R3的值直到出现等幅振荡，此时R3=XXXKW，即K2，由理论分析可知，系统应为增幅振荡，但实际输出波形为等幅振荡。原因同上。根据实验波形测量的等幅振荡周期为T=XX，扣除误差因素，实验结果与理论计算值基本相符。（3）继续慢慢增加R3的值，直到出现增幅振荡，此时R3=XXXKW， K远大于2，系统为增幅振荡，理论与实验基本相符。根据实验波形测量的增幅振荡周期为T=XX，扣除误差因素，实验结果与理论计算值基本相符。实验五 系统频率特性测量（本实验为综合性实验） 一、实验目的 1加深了解系统及元件频率特性的物理概念。 2掌握系统及元件频率特性的测量方法。 3掌握利用“李沙育图形法”测量系统频率特性的方法。二、实验原理频率特性的测量方法：1. 将正弦信号发生器、被测系统和数据采集卡按图6-1连接起来。图6-1 频率特性测量电路2. 通过AD/DA卡产生不同频率和幅值的正弦信号，并输入到被测系统中。3. AD/DA卡采集被测系统的输出信号，并显示在计算机屏幕上。通过比较输入信号和输出信号的不同，可以得到系统的频率响应特性。三、实验仪器1.EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台2.计算机一台四、实验内容及步骤1实验内容(1)典型二阶系统的结构图如图6-2所示。相应的模拟电路图如图6-3所示。图6-2 系统模拟电路图图 6-3 系统结构图(2)系统传递函数 取R3=500kW，则系统传递函数为若输入信号，则在稳态时，其输出信号为改变输入信号角频率w值，便可测得二组U2/U1和随w变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。2实验步骤(1)连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将纯积分电容两端连在模拟开关上。检查无误后接通电源。(2)启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实验系统 运行软件。测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。李沙育图(3)在实验项目的下拉列表中选择实验四四、系统频率特性测量, 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选择李沙育图，然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，如下图6-4所示。图6-4 李沙育图测频率图(4)在实验项目的下拉列表中选择实验四四、系统频率特性测量, 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选择时间电压图，然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果，如下图6-5所示。图6-5 手动方式测量波特图测波特图(5)在实验项目的下拉列表中选择实验四四、系统频率特性测量, 鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。在参数设置对话框中设置相应的实验参数并选自动选项，然后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。如下图6-6所示。图6-6 数据采集(6)待数据采样结束后点击按钮即可以在显示区内显示出所测量的波特图。测奈氏图(7)在完成步骤6后，在显示区单击鼠标右键，即出现奈氏图。五、实验记录及数据处理（按顺序贴图，图的字迹要清楚，并在图的傍边或下面标注测量结果。此内容一律手写）1测量下表各点频率特性的实测值并计算相应的理论值f（Hz）（rad/s）理论值实测值L（）（）2Xm2yo2ymL（）（）135792画出被测系统的开环L （）曲线与（）曲线。3自动频率特性测试数据（贴图）六、实验分析由系统的模拟电路可知，系统的开环传递函数为系统频率特性为：幅频特性为：，由此画出波特图如下所示。相频特性为：，其频率特性如下图所示。对照实验结果，与理论分析基本相近。实验六 连续系统串联校正（4学时）本实验为设计性实验一、实验目的1了解和观测校正装置对系统稳定性及动态特性的影响。2学习校正装置的设计和实现方法。二、实验原理工程上常用的校正方法通常是把一个高阶系统近似地简化成低阶系统，并从中找出少数典型系统作为工程设计的基础，通常选用二阶、三阶典型系统作为预期典型系统。只要掌握典型系统与性能之间的关系，根据设计要求，就可以设计系统参数，进而把工程实践确认的参数推荐为“工程最佳参数”，相应的性能确定为典型系统的性能指标。根据典型系统选择控制器形式和工程最佳参数，据此进行系统电路参数计算。在工程设计中，经常采用二阶典型系统来代替高阶系统（如采用主导极点、偶极子等概念分析问题）其动态结构图如图7-1所示。同时还经常采用“最优”的综合校正方法。图7-1二阶典型系统动态结构图二阶典型系统的开环传递函数为闭环传递函数式中，或者二阶系统的最优模型（1）最优模型的条件根据控制理论，当时，其闭环频带最宽，动态品质最好。把代入得到，这就是进行校正的条件。（2）最优模型的动态指标为，三、实验仪器及耗材1 ELAT3自动控制原理实验箱一台；2 PC机一台；3 数字万用表一块4 配套实验软件一套。四、实验内容及要求未校正系统的方框图如图7-2所示，图7-3是它的模拟电路。图7-2未校正系统的方框图图7-3未校正系统的模拟电路设计串联校正装置使系统满足下述性能指标（1） 超调量5%（2） 调节时间ts1秒（3） 静态速度误差系数20 1/秒1测量未校正系统的性能指标（1）按图7-3接线；（2）加入单位阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量和调节时间ts。2根据系统性能要求设计校正网络（1）根据最优系统设计校正网络传递函数；（2）根据传递函数设计校正网络元件参数。3将设计好的校正网络加入到原系统中去，测量校正后系统的性能指标（1）画出校正后系统的模拟电路，并正确接线；（2）加入单位阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量和调节时间ts。五、系统分析与设计1未校正系统性能分析原系统开环传递函数为：原系统开环增益K1=20，惯性环节时间常数T1=0.5原系统的闭环传递函数为： 对照二阶系统标准式：得: =6.32(为系统的无阻尼自然振荡频率)又，所以阻尼比：=0.158未校正系统的超调量为：60%调节时间ts为：=4秒系统静态速度误差系数=K1=20 1/秒所以原系统不满足超调量5%，调节时间ts1秒的性能指标，需要进行校正。2校正网络的设计本系统采用串联超前校正，校正网络的传递函数为： (7-1)校正后系统总的开环传递函数为 (7-2)首先应该满足K=KV=20，由式(7-2)得：K=20KC=20，所以KC=1为了使校正后的系统是最优二阶系统，可以使式(7-2)的与相消(偶极子原理)。所以，秒。根据最优二阶系统，=1/40=0.025秒。因此，校正网络的传递函数：常用超前校正网络的结构如图7-4所示。图7-4 常用串联校正网络图7-4中：，T=R3C(要求R3T2时，K为大于零的任何值，系统都是稳定的。这也是典型II型系统的条件。2三阶系统的最优设计根据控制理论，当时，可使系统既有一定的相对稳定性，又有较快的响应。其闭环频带最宽，动态品质最好。这时，系统的指标为，三、实验仪器及耗材5 ELAT3自动控制原理实验箱一台；6 PC机一台，配套实验软件一套；7 数字万用表一块四、实验内容及要求未校正系统的开环传递函数为未校正系统的模拟电路如图图7-2所示。图7-2未校正系统的模拟电路设计串联滞后校正装置使系统为最优II型系统，并满足下述性能指标（4） 超调量40%（5） 调节时间ts1