自动控制原理实验指南(已校对)排版

1、EL-DS- 型电气控制系统综合实验台自动控制原理实验指南北京精仪达盛科技有限公司2005年5月实验注意事项（一）“综合实验台” 及其挂箱初次使用或较长时间未用时，实验前务必对“实验台”及其挂箱进行全面检查和单元环节调试。（二）实验前，务必设置系统工作状态，并按下表正确选择主变压器二次侧相电压，认真检查各开关和旋钮的位置以及实验接线是否正确，经教师审核、检查无误后方可开始实验。主变压器二次侧抽头输出电压及其适用范围转换开关SC位号123二次电压（线相） 90V52V 220127V 380220V适 用 范 围110V直流电动机可逆调速220V直流电动机可逆调速、线电压220V鼠笼式电机变频调

2、速与调压调速。线电压380V鼠笼式电机变频调速、调压调速及绕线是电机的串级调速。（三）出现任何异常，务必立即切除实验系统总电源（或按急停按钮 ）。（四）为防止调速系统的振荡，在接入调节器时必须先将RC环节设定为1：1的比例状态，实验时按需改变RC值，直至满足要求。（五）本实验台“过流”信号取自“三相电流检测及变换(DD04)”单元。因此，在所有交、直流实验电路中都已接入（DD04）单元，但应经常检查，确保过流保护单元工作正常。（六）无“电流闭环” 又无“电流截止负反馈” 的系统，务必采用“积分给定”输出，否则不可阶跃起动，给定需从0V缓慢起调。（七）“闭环系统”主控开启前，务必确保负反馈极性和

3、接线正确、各个调节器性能良好、“限幅值”正确无误。（八）实验前，先将负载给定调为0（发电机负载则将负载变阻器断开或置于阻值最大），实验中按需调节负载给定，逐步增大负载，直至所要求的负载电流。且不能长时间使电机工作在超额定状态。（九）“电流开环”的交流调速系统，给定以积分输出（Un*2 ）给出。（十）“双踪示波器”测试双线波形，严防因示波器“双表笔”共地而引起系统短路。（十一）本“实验注意事项” ，适用于采用本实验台的所有实验。任何改接线，首先断开电源；一旦有异常，迅速按急停开关，切断电源！前 言自动控制原理是自动化、自动控制、电子电气技术等专业教学中的一门重要专业基础课程。它可以处理时变、非线

4、性以及多输入、多输出等复杂的控制系统等问题，通过对单元电路的灵活组合，可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。可以使学生集中精力研究系统电路和系统特性。本系统采用AD/DA卡通过RS232串口与计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集后信号通过计算机显示屏显示，省去了外接信号源和示波器测量响应信号的麻烦。自动控制实验挂箱支持自动控制理论课的所有实验，通过本实验挂箱可使学生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法，学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术，提高应用计算机的能力及水平。本书分为两章，第一章为系统集成操作软件，主要介绍系统软件的安装，操作

5、以及计算机和实验箱的通讯设置。第二章为实验系统部分，主要介绍各个实验的电路组成，实验原理和实验步骤。另外，在附录部分有部分实验的说明和参考结果。目 录实验注意事项. 1前言.2第一章 软件安装及使用.1第二章 实验系统部分8 实验一 典型环节及其阶跃响应9 实验二 二阶系统阶跃响应.14 实验三 控制系统的稳定性分析19 实验四 系统频率特性测量.22 实验五 连续系统串联校正.26 实验六 数字PID控制31 实验七 状态反馈与状态观测器.35 实验八 解耦控制.38 实验九 采样实验.42 实验十 非线性实验.45 实验十一 相轨迹实验49附录一 实验说明及参考答案.51附录二 AD/DA

6、卡调试说明70第一章 软件安装及使用一、软件安装1 将实验仪器自带的光盘放入计算机光驱，进入软件安装目录光盘驱动器：自动控制winat。2 启动软件安装程序setup.exe，如下图1： 图1 进入安装界面 图2 选择安装路径3 按照软件提示，一步一步完成安装，如图： 图3 显示安装进程 图4 安装完毕界面4 软件安装完毕后，会在桌面和“开始程序”中自动生成“自动控制实验系统”快捷方式。二、软件启动与使用说明1 软件启动在Windows桌面上或“开始程序”中双击“自动控制实验原理”快捷方式，便可启动软件如图5。图5 软件启动界面2 实验前计算机与实验箱的通讯设置和测试用实验箱自带的串口线将实验

7、箱后面的串口与计算机的串口连接，启动“自动控制实验原理”软件。1)实验前通讯口的设置设置方法：点击系统设置串口设置如图6，在对话框内填入与计算机相连的串口值。图6 串口设置对话框 2)实验前通讯口的测试 图7 串口测试窗口测试方法：接通电源点击系统设置通信串口测试如图7，点击通信串口测试按钮，控制测试区内将出现0255个数据，如图8，如果数据没有或不全，则说明通讯有故障，应检查计算机串口与实验箱的连接。3 软件使用说明本套软件界面共分为四个区域如图9：A. 菜单工具栏区域；B. 实验课题区域；C. 采集结果显示区域；D. 数据测量区域；图9 软件界面分配下面介绍软件的各个区域功能：A. 菜单工

8、具栏。1） 实验课题(ALT+T)在该菜单下选择所做的实验课题项目。鼠标单击实验课题名称即可进入相应的实验。2)系统设置(ALT+M)串口设置：设置实验中所使用的串口。所设定的串口标号应与计算机实际所使用的一致。通信串口测试：测试实验系统与计算机的通信是否正常。在实验之前必须进行串口通信测试，在确认串口通信正常后才可以进行实验。测试方法是鼠标单击对话框中的通信串口测试按钮，如果通信正常所示的空白区内将有信息返回，如果通信不正常则无返回信息。测试DA信源：这项功能主要测试DA是否有信号输出。鼠标单击该选项出现如图10的对话框。在该对话框中设置要测试的信源(DA1、DA2)，信源的类型、频率以及幅

9、值。然后点击测试按钮，用测量工具在实验箱上的DA处测试输出信号，比较测试信号和设定值是否一致，如果一致，说明DA输出正确，否则检查硬件。图10 测试DA信源对话框3)实验数据(ALT+F)打开数据：打开已经保存的实验数据。选择该菜单选项后出现如图11所示的对话窗口。在该窗口中选择打开文件的路径和文件名，点击确定按钮即可打开一个已保存的实验数据。图11 打开实验数据对话窗口保存数据：保存当前的实验数据。选择该菜单选项后出现如图12所示的对话窗口。在该窗口中选择保存文件的路径和文件名，点击确定按钮即可保存当前的实验数据。打印：将实验的结果在打印机上打印输出。鼠标单击该选项后弹出如图13所示的对话窗

10、口。打印数据信息的来源有两种途径。(1)打印当前内存中的数据；(2)打印已经保存过的数据； 两种不同的打印方式可以通过对话窗口进行选择。图13 数据打印对话窗口打印设置：设置打印时的相关信息。鼠标打击将弹出如图14所示的对话窗口。将需要打印的信息填入相应的空白处。填写完成后单击确认按钮保存。保存完成后单击退出按钮退出该对话窗口。图14 打印设置对话窗口4)查看(ALT+V)课题资料：选择该项将显示自控原理课题的基本资料。其中包括实验所用的基本原理、电路及相应的实验说明。工具栏：切换工具栏的打开与关闭。状态栏：切换状态栏的打开与关闭。5)帮助(ALT+H)该菜单说明本“自动控制原理”软件是哪个版

11、本。B. 实验课题在实验课题区域列出了本实验系统所能完成的实验课题，双击其中的一个课题，将弹出参数设置窗口。具体参数设置请参考实验说明部分。图15 实验课题区域C. 采集结果显示在该区域内主要是显示实验系统通过AD后的结果曲线。纵坐标是幅值轴，单位为(V),范围是：5V+5V, 横坐标是时间轴，单位为(ms)。D. 数据测量数据测量是测量系统响应的测量工具如图16，鼠标单击单游标或双游标，然后单击测量按钮，即可在显示区显示测量线，测量线可以用鼠标拖动。在拖动的过程中屏幕右下方将动态显示测量的结果。图16 数据测量区域第二章 实验系统部分本套实验系统一共提供了十一个典型实验：典型环节及其阶跃响应

12、、二阶系统阶跃响应、控制系统的稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字PID控制、状态反馈及状态观测器实验、解耦控制实验、采样系统实验、非线性实验、相轨迹观测实验。除了我们公司配套的这十一个实验外，各高校可自己灵活地组合各种形式的实验系统，以满足教学的要求。实验一 典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。二、实验仪器1 自动控制原理挂箱（DSC02）2 PC计算机一台三、实验原理1.模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环

13、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。2 时域性能指标的测量方法：超调量%：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) 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。检查无误后接通电源

14、。4) 在实验课题下拉菜单中选择实验一典型环节及其阶跃响应 。5) 鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口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) 利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出超调量： TP与TS：利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到TP与TS。 四、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。 1 G(S)= -R2/R2. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。 G(S)= - K/TS+1 K=R2/

15、R1，T=R2C3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。 G(S)=1/TS T=RC 4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。 G(S)= - RCS 5. 例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5(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及传递函数如图1-6。 G(S)=K(1+1/TS) K=R2/R1，T=R2C五、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,通信正常后继续以下实验。比例环节3.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-1)

16、。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。检查无误后接通电源。4.在实验课题下拉菜单中选择实验一典型环节及其阶跃响应 。5.鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口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。7.记录波形及数据(由实验报告确定)。惯性环节8.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-2)。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。检查无误后接通电源。9.实验步骤同47积分环节10.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-

17、3)。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。检查无误后接通电源。11.实验步骤同47微分环节12.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-4)。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。检查无误后接通电源。13.实验步骤同47比例+积分环节16.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-6)。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。检查无误后接通电源。17.实验步骤同4718. 测量系统的阶跃响应曲线，并记入于表11。六、实验报告1. 由阶跃响应曲线

18、计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。2. 将， 没vvVbnbc 户籍科户籍科户籍科片刻。七、预习要求1.阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。3. 分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理。表11实验数据参数阶跃响应曲线Ts(秒)理论值实测值R1=R2=100KC=1ufK=1T=0.1S比例环节惯性环节积分环节微分环节比例+微分环节比例+积分环节R1=100KR2=200KC=1ufK=2T=0.2S比例环节惯性环节积分环节微分环节比例+微分环节比例+积分环节实验二 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z和无阻尼自然频率wn对系统动

19、态性能的影响。定量分析 z 和wn与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。2.进一步学习实验系统的使用方法3.学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验仪器1.自动控制原理挂箱（DSC02）2.PC计算机一台三、实验原理1.模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算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。

20、3 域性能指标的测量方法：超调量%：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) 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。检查无误后接通电源。4) 在实验课题下拉菜单中选择实验二二阶系统阶跃响应 。5) 鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口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) 利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出

21、超调量：TP与TP：利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到TP与TP。 四、实验内容 典型二阶系统的闭环传递函数为 图2-1 二阶系统模拟电路图 (1)其中 z 和wn对系统的动态品质有决定的影响。构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：图2-2 二阶系统结构图 电路的结构图如图2-2：系统闭环传递函数为 (2)式中 T=RC，K=R2/R1。比较(1)、(2)二式，可得 wn=1/T=1/RC z=K/2=R2/2R1 (3) 由(3)式可知，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。今取

22、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。五、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。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。4.在实验课题下拉菜单中选择实验二二阶系统阶跃响应, 鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。5.取wn=10rad/s, 即令R=1

23、00KW，C=1mf；分别取z=0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分别等于100KW、200KW、400KW。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Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。6.取z=0.5。即电阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改变电路中的电容C=0.1mf(注意：二个电容值同时改变)。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量p和调节时间Tn。7.取R=100KW；改变电路中的电容C=1mf,R1=100KW,调节电阻R2=50KW。输入阶跃信号测量系统阶跃响

24、应，记录响应曲线，特别要记录Tp和sp的数值。8.测量二阶系统的阶跃响应并记入表中： 实验结果参数%tp(ms)ts(ms)阶跃响应曲线R =100KC =1fn=10rad/sR1=100KR2=0K=0R1=100KR2=50K=0.25R1=100KR2=100K=0.5R1=50KR2=200K=1R1=100KC1=C2=0.1fn=100rad/sR1= 100KR2=100K=0.5R1=50KR2=200K=1六、实验报告1.画出二阶系统的模拟电路图，讨论典型二阶系统性能指标与，n的关系。2.把不同z和wn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。3.画出系统响应

25、曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。七、预习要求1. 阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。2. 按实验中二阶系统的给定参数，计算出不同、n下的性能指标的理论值。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。二、实验仪器1.自动控制原理挂箱（DSC02）2.PC计算机一台三、实验内容 系统模拟电路图如图3-1 图3-1 系统模拟电路图其开环传递函数为: G(s)=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K1=R3/R2，R2=100KW，R3=0100K；T=RC，R=100KW

26、，C=1mf或C=0.1mf两种情况。四、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。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。4.在实验课题下拉菜单中选择实验三控制系统的稳定性分析, 鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。其中设置输入信源电压U1=1V,点击确认观察波形。5.取R3的值为50KW，100KW，200KW，此时相应的K=5，10，20。观察不同R3值时

27、显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值。再把电阻R3由大至小变化，即R3=200kW，100kW，50kW，观察不同R3值时显示区内的输出波形, 找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K值，并观察U2的输出波形。6.在步骤5条件下，使系统工作在不稳定状态，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观察系统稳定性的变化。7.将实验结果添入下表中：参数系统响应曲线C=1ufR3=10KK=5R3=20KK=10R3=40KK=20C=0.1ufR3=10KK=5R3=20KK=10R3=40KK=20五、实验报告1.画出步骤

28、5的模拟电路图。 2.画出系统增幅或减幅振的波形图。 3.计算系统的临界放大系数，并与步骤5中测得的临界放大系数相比较。六、预习要求1 分析实验系统电路，掌握其工作原理。2 理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。实验四 系统频率特性测量一、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、实验仪器1.自动控制原理挂箱（DSC02）2.PC计算机一台3.双踪示波器一台三、实验原理频率特性的测量方法：（1） 将正弦信号发生器、被测系统和示波器按图4-1连接起来。将示波器X和Y轴的输入选择开

29、关，均打在“DC”输入状态，并调整X和Y轴的位移，使光点处于荧光屏上的坐标原点上。 被测系统 DA1AD/DA卡 AD1 AD/DA卡 图4-1 频率特性测量电路(2)选定信号发生器的频率，调节其输出衰减，使被测系统在避免饱和的情况下，输出幅度尽可能大。然后调节示波器的X和Y轴输入幅值选择开关，使在所取信号幅度下的图像尽可能达到满刻度。(3)根据荧光屏上的刻度及输入幅值选择开关指示的伏/格数，算出2Xm、2Yn 及2ym，并进一步计算幅值比和相位差。为读数方便，可将示波器X轴输入X-Y开关打在工作状态，使光点在荧光屏上只作垂直运动，此时可方便地读出2ym。同理，也可方便地读出2Xm。四、实验内

30、容1 模拟电路图及系统结构图分别如图4-2和图4-3。图4-2 系统模拟电路图图 4-3 系统结构图2.系统传递函数 取R3=100kW，则系统传递函数为若输入信号U1(t)=U1sinwt,则在稳态时，其输出信号为U2(t)=U2sin(wt+Y)改变输入信号角频率w值，便可测得二组U2/U1和Y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。五、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。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. 测试计算机与实

31、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。测频率图4. 选中 实验课题系统频率特性测量手动方式 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。参数设置完成后点确认等待观察波形，如图44所示。 图44 手动方式测量波特图测波特图5.在测量波特图的过程中首先应选择 实验课题系统频率特性测量自动方式数据采集 采集信息。如图45所示图45 数据采集6.待数据采样结束后点击 实验课题系统频率特性测量自动方式波特图观测 即可以在显示区内显示出所测量的波特图。测奈氏图7.在测量波特图的过程中首先应选择 实验课题系统频率特性测量自动方式数据采集 采集信息。8.待数据采样结束后

32、点击 实验课题系统频率特性测量自动方式奈氏图观测 即可以在显示区内显示出所测量的奈氏图。 9.按下表所列频率，测量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()()李沙育图形六、实验报告1. 画出被测系统的结构和模拟电路图。2. 画出被测系统的开环L ()曲线与()曲线。3. 整理表中的实验数据，并算出理论值和实测值。4. 讨论李沙育图形法测量频率特性的精度。七、预习要求1. 阅读实验原理部分，掌握李沙育图形法的基本原理及频率特性的测量方法。2. 画出被测系统的开环 L ()曲线与()曲线。3. 按表中给出格式选择几个频率点，算出

33、各点频率特性的理论值。实验五 连续系统串联校正一、实验目的1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。二、实验仪器1自动控制原理挂箱（DSC02）2.PC计算机一台三、实验内容 1.串联超前校正(1)系统模拟电路图如图5-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。图5-1 超前校正电路图 (2)系统结构图如图5-2图5-2 超前校正系统结构图图中 Gc1(s)=2 2.串联滞后校正（1） 模拟电路如图5-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。图5-3 滞后校正模拟电路图(2)系统结构图如图5-4所示 图5

34、-4 滞后系统结构图图中 Gc1(s)=10 3.串联超前滞后校正图5-5 超前滞后校正模拟电路图（1）、模拟电路图如图5-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前滞后校正。 (2)系统结构图示如图5-6。图5-6超前滞后校正系统结构图图中 Gc1(s)=6 四、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。超前校正3.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-1)。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。检查无误后接通电

35、源。4.开关s放在断开位置。5.选中 实验课题 连续系统串联校正超前校正 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts。 表5-1 超前校正系统前后波形图及参数对比超前校正系统指标校正前校正后阶跃响应曲线%Tp(s)Ts(s)6.开关s接通，重复步骤5,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表5-1中：滞后校正7.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-3)。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。检查无误后接通电源。8.开关s放在断开位置。9.选中 实验课

36、题 连续系统串联校正滞后校正 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts。10.开关s接通，重复步骤9,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果录入表5-2中： 表5-2 滞后校正系统前后波形图及参数对比滞后校正系统指标校正前校正后阶跃响应曲线%Tp(s)Ts(s)超前-滞后校正11.连接被测量典型环节的模拟电路(图5-5)。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。检查无误后接通电源。12.开关s放在断开位置。13.选中 实验课题 连续系统串联校正超前滞后校正

37、 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量sp和调节时间ts。14.开关s接通，重复步骤13,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入表5-3中： 表5-3 超前-滞后校正系统前后波形图及参数对比超前-滞后校正系统指标校正前校正后阶跃响应曲线%Tp(s)Ts(s)五、实验报告1.计算串联校正装置的传递函数 Gc(s)和校正网络参数。2.画出校正后系统的对数坐示图，并求出校正后系统的c及。3.比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置的作用。六、预习要求1.阅读实验二的实验报告，明确校正前系统的c及。2.计算串联

38、超前校正装置的传递函数 Gc(s)和校正网络参数，并求出校正后系统的c及。实验六 数字PID控制一、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.研究采样周期T对系统特性的影响。 3.研究I型系统及系统的稳定误差。二、实验仪器1.自动控制原理挂箱（DSC02）2.PC计算机一台三、实验内容 1.系统结构图如6-1图。图6-1 系统结构图图中 Gc(s)=Kp(1+Ki/s+Kds) Gh(s)=(1e-TS)/s Gp1(s)=5/(0.5s+1)(0.1s+1) Gp2(s)=1/(s(0.1s+1) 2.开环系统(被控制对象)的模拟电路图如图6-2和图6-3，其中

39、图6-2对应GP1(s),图6-3对应Gp2(s)。 图6-2 开环系统结构图1 图6-3开环系统结构图2 3.被控对象GP1(s)为“0型”系统，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“I型”系统，被控对象Gp2(s)为“I型”系统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II型”系统。4.当r(t)=1(t)时(实际是方波)，研究其过渡过程。5.PI调节器及PID调节器的增益 Gc(s)=Kp(1+K1/s) =KpK1(1/k1)s+1) /s =K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=(1/K1)不难看出PI调结器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果

40、不想改变K,则应相应改变Kp。采用PID调节器相同。 6.“型”系统要注意稳定性。对于Gp2(s),若采用PI调节器控制，其开环传递函数为 G(s)=Gc(s)Gp2(s) =K(Tis+1)/s1/s(0.1s+1)为使用环系统稳定，应满足Ti0.1，即K110 7.PID递推算法 如果PID调节器输入信号为e(t)，其输送信号为u(t),则离散的递推算法如下：u(k)=u(k-1)+q0e(k)+q1e(k-1)+q2e(k-2)其中 q0=Kp(1+KiT+(Kd/T) q1=Kp(1+(2Kd) q2=Kp(Kd/T)T-采样周期四、实验步骤 1.启动计算机，在桌面双击图标 自动控制实

41、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.连接被测量典型环节的模拟电路(图6-2)。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。检查无误后接通电源。4.在实验课题下拉菜单中选择实验六数字PID控制, 鼠标单击实验课题将弹出实验课题参数设置窗口。5.输入参数Kp, Ki, Kd(参考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1)。6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变Kp, Ki, Kd的数值和与其相对应的性能指标sp、ts的数值。7.取满意的Kp,Ki

42、,Kd值，观查有无稳态误差。8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图6-3)。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。检查无误后接通电源。9.重复4-7步骤。10.计算Kp，Ki，Kd取不同的数值时对应的sp、ts的数值，测量系统的阶跃响应曲线及时域性能指标，记入表中：实验结果参数%tp阶跃响应曲线KpKiKd五、实验报告 1.画出所做实验的模拟电路图。2.当被控对象为Gp1(s时)取过渡过程为最满意时的Kp, Ki, Kd,画出校正后的Bode图，查出相稳定裕量g和穿越频率wc。3.总结一种有效的选择Kp, Ki, Kd方法，以最快的

43、速度获得满意的参数。六、预习要求1.熟悉PID控制器系统的组成。2.熟悉PID控制器的参数对系统稳定性的影响。实验七、状态反馈与状态观测器一、实验目的1.掌握状态反馈极点配置的设计方法。2.研究不同极点配置对系统动态性能的影响。3.掌握全维观测器的构成及设计方法。4.研究观测器在状态反馈极点配置中的应用。二、实验仪器1.自动控制原理挂箱（DSC02）2.PC计算机一台三、实验内容1.被控对象模拟电路图如图7-1。图7-1 被控对象模拟电路2.系统数学模型 (1)被控对象传递函数为 (2)被控对象状态方程 X=Ax+Bu Y=Cx式中 C=100 03.带有状态观测器的状况反馈系统方框图示于图7

44、-2。图7-2 系统方框图图中 G=eAT H=0Tj(t)dtB j(t)=eAt K 12维状态反馈系统矩阵，由计算机算出。 L 21维观测器的反馈矩阵，由计算机算出。Kr 为使y(t)跟踪r(t)乘的比例系数，它由计算机自动地递推算出。4.希望的系数极点(参考值)：S1,S2=-7.35j7.5,它对应在Z平面上应为Z1,Z2=0.712j0.225.观测器极点参考值：Z1,Z2=0.1j0四、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。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

45、制实验系统 运行软件。3.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。阶跃响应4.选择 实验课题状态反馈与状态观测器阶跃响应 菜单项。5.鼠标单击阶跃相应菜单将弹出实验课题参数设置窗口。参数设置完成后点击确认等待观察波形。跟踪响应6.实验步骤5完成后选择 实验课题状态反馈与状态观测器跟踪响应 菜单项。鼠标单击该选项将弹出参数设置窗口。参数设置完毕后点击确认等待观察波形。7.修改实验参数设置窗口中所用的参数值,观察波形的变化。8.将实验内容中的参考值的实测阶跃响应曲线及性能指标记入下表中：K1 K2阶跃响应曲线y(t)tp%ts0.712

46、0.22 0.1 0 五、实验报告1.画出上述两个状态反馈系统的结构图和模拟线路图。2.计算这两个状态反馈系统的状态反馈阵K及相应的性能指标：tp、% 和tp，并与实侧值进行比较，检验状态反馈极点配置是否达到了设计要求。3.画出全维观测器和降维观测器状态反馈极点配置的结构图和模拟线路图，画出这两个系统的实测阶跃响应曲线及实测性能指标 tp、% 和ts。六、预习要求1.阅读实验内容。2.推导实验系统中的全维观测器方程。3.计算两个状态反馈系统的状态反馈阵K以及相应的性能指标：tp、ts 和%。实验八 解耦控制实验一、实验目的1.掌握解耦控制的基本原理和实现方法。2.学习利用模拟实验分析研究解耦控

47、制的基本方法。二、实验仪器1.自动控制原理挂箱（DSC02）2.PC计算机一台三、实验内容1.解藕前原系统结构图如图8-1所示，其被控对象为互相耦合的双输入双输出系统，U1(t)和U2(t)为控制量，Y1(t)和Y2(t)为输出量。图8-1 原系统结构图图8-2 原系统模拟电路图2 解藕前原系统的模拟电路和结构图如图8-2和图8-3。图8-3 原系统结构图3.开环解耦控制方框图如图8-4。图8-4 开环解耦控制方框图虚线框内系统由计算机软件编程实现。4.闭环解耦PID方框图如图8-5，这个图是在开环解耦的基础上，构成反馈控制系统。 图8-5 闭环解耦PID方框图虚线框内系统由计算机软件编程实现。 经PID校正之后，可形成二独立的闭环系统，PID参数的选择与单回路系统的选择方法相同。为了检验系统是否解耦，取DA1和DA2的阶跃输入信号都为1V。若将此二信号加入图8-1耦合系统，将会发现Y1(t)和Y2(t)的输出信号都为2V；若将此二信号加入图8-4开环解耦系统，会看到Y1(t)和Y2(t)的输出信号分别为1V和2V，但过渡过程还不算快；若将此二信号加入图8-5的PID解耦控制系统时，有反馈作用和PID作用，合理的选择PID参数，将会