实验(自动控制部分)课件

机械工程控制基础实验主讲人:荣军E-mail:rj1219@163.com机械工程控制基础实验主讲人:荣军实验一典型环节的电路模拟与软件仿真

一、实验目的熟悉并掌握THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。2．熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟与软件仿真研究。3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对其动态特性的影响。实验一典型环节的电路模拟一、实验目的熟悉并掌握THBCC-二、实验设备1．THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台2．PC机1台(含上位机软件)37针通信线1根

3．双踪慢扫描示波器1台(可选)二、实验设备1．THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；

2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响3．上位机界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各四、实验原理自控系统是由比例、积分、惯性环节等按一定的关系连接而成。熟悉这些惯性环节对阶跃输入的响应，对分析线性系统将是十分有益。在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论上的阶跃响应曲线和环节的模拟电路图。四、实验原理自控系统是由比例、积分、惯性环节等按一定的五、实验步骤熟悉实验台，利用实验台上的模拟电路单元，构建所设计的(可参考本实验附录)并连接各典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。待检查电路接线无误后,接通实验台的电源总开关，并开启±5V，±15V直流稳压电源。五、实验步骤熟悉实验台，利用实验台上的模拟电路单元，2．对相关的实验单元的运放进行调零（令运放各输入端接地，调节调零电位器，使运放输出端为0V）

注意：积分、比例积分、比例积分微分实验中所用到的积分环节单元）不需要锁零（令积分电容放电）时,需将锁零按钮弹开，使用锁零按扭时需要共地，则需要把信号发生器的地和电源地用导线相连。2．对相关的实验单元的运放进行调零（令运放各输注意：积3．测试各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对输出响应的影响1)不用上位机时，将实验平台上“阶跃信号发生器”单元的输出端与相关电路的输入端相连，选择“正输出”然后按下按钮，产生一个阶跃信号(用万用表测试其输出电压,并调节电位器,使其输出电压为“1”V，用示波器x-t显示模式观测该电路的输入与输出曲线如果效果不好要做新做则只要按一下锁零开关对电容放电，在重新做即可。3．测试各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对输2)用上位机时，由上位机提供的虚拟示波器代替步骤1）中的慢扫描示波器。接线时还需要将该电路的输出端与采集卡接口单元的输入端AD1（也可选取其它任意输入通道）相连（用双通道时电路的输出端还的和AD2相连），并接好采集卡接口单元与上位PC机的并口通讯线。待接线完成并检查无误后，上位机启动“THBCC-1”软件，出现“登录窗口”。具体操作步骤如下:2)用上位机时，由上位机提供的虚拟示波器代替①用户在“登录窗口”中输出自己的学号，并点击“登录”按钮（若是第一次登录该软件，则需点击“注册”按钮进行注册，即需按要求填入自己的“姓名”、“学号”、“系别”和“班级”）进入软件主窗口。②点击工具栏上的“实验选择”按钮，选择相应的实验项目。③点击“通道设置”按钮，选择相应的数据采集通道(单通道)或（双通道），然后点击“开始采集”按钮，进行数据采集。①用户在“登录窗口”中输出自己的学号，并点击“登录”②点④点击“虚拟示波器”按钮，首先选择X-t显示模式及相应的数据显示通道（同时需在“虚拟示波器”窗口右侧点击相应的“显示”按钮），然后顺序点击“启动”、“开始”按钮，（若是选择双通道则还要点Y-t显示）在按下阶越信号按扭即可观测实验波形。同时还可改变示波器的显示量程(ms或s/dim)及输入波形的放大系数，以便更清晰的观测波形。⑤点击“暂停”然后点“存储”按钮，保存实验波形和数据。④点击“虚拟示波器”按钮，首先选择X-t显示模式及⑤点击“4．点击“仿真平台”按钮，根据环节的传递函数，在“传递函数”栏中填入该环节的相关参数，如比例积分环节的传递函数为:则在“传递函数”栏的分子中填入“0.1,1”,分母中填入“0.1,0”即可，然后点击“仿真”按钮，即可观测到该环节的仿真曲线，并可与电路模拟研究的结果相比较。4．点击“仿真平台”按钮，根据环节的传递函数，在“传注：仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于分母阶数的情况，若分子阶数大于分母阶数（如含有微分项的传递函数），则不能进行仿真实验，否则出错。5．点击“实验报告”，根据实验时存储的波形和数据完成实验报告。注：仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于5六、实验报告要求1.画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。2．写出各典型环节的传递函数。3．根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响？六、实验报告要求1.画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。七、实验思考题1．用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？2．积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？3．在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？七、实验思考题1．用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假八、附录1．比例（P）环节比例环节的传递函数与方框图分别为:其模拟电路（后级为反相器）和单位阶跃响应曲线分别如图1-1所示。八、附录1．比例（P）环节比例环节的传递函数与方框图分别为其中K=通过改变电路中R1、R2的阻值，可改变放大系数。

,这里取R1=100K，R2=200K，R0=200K。图1-1比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线其中K=通过改变电路中R1、R2的阻值，可改变放大系数。,积分环节的传递函数与方框图分别为:2．积分(I)环节其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-3所示图1-2积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线积分环节的传递函数与方框图分别为:2．积分(I)环节

其中T=RC，这里取C=10uF,R=100K,R0=200K。通过改变R、C的值可改变响应曲线的上升斜率。3．比例积分(PI)环节积分环节的传递函数与方框图分别为:其中T=RC，这里取C=10uF,R=100K其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-3所示其中

，T=R1C，这里取C=10uF,R1=100K，R2=100K，R0=200K。通过改变R2、

R1、C的值

比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。

可改变

图1-3比例积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-3所示其中，T=R1C4．比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为：其中4．比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-4所示：

图1-4比例微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线这里取C=1uF,R1=100K，R2=200K，R0=200K。通过改变R2、R1、C的值可改变比例微分环节的放大系数K和微分时间常数T。其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-4所示：图1-4比例5．比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为：其中

（当=2

=0.1,

=0.1时）5．比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)环节的传其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-5所示图1-5比例积分微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-5所示图1-5比例积分其中C1=1uF,C2=1uF,R1=100K，R2=100K,R0=200K。通过改变R2、R1、C1、C2的值可改变比例积分微分环节的放大系数K、微分时间常数和积分时间常数

。其中C1=1uF,C2=1uF,R1=100K6．惯性环节

惯性环节的传递函数与方框图分别为：其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-6所示：其中

R2=100K,R0=200K。通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。T=R2C，这里取C=1uF,R1=100K，6．惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：其模拟电图1-6惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线图1-6惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线实验二线性定常系统的瞬态响应一、实验目的1.掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法；2.研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定性的影响。实验二线性定常系统的瞬态响应一、实验目的1.掌握线性二、实验设备1．THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台2．PC机1台(含上位机软件)37针通信线1根3．双踪慢扫描示波器1台(可选)二、实验设备1．THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算三、实验内容1．观测二阶系统的阶跃响应，并测出其超调量和调整时间；2．调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比ζ=，测出此时系统的超调量和调整时间；3.研究三阶系统的开环增益K，或一个惯性环节的时间常数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的临界K值。三、实验内容1．观测二阶系统的阶跃响应，并测出其超调量和2．四、实验原理本实验是研究二阶和三阶系统的瞬态响应。为了使二阶系统的研究具有普遍性意义，通常把它的闭环传递函数写如下的标准形式：式中ζ－系统的阻尼比ζ和所包含的内容也是不同的。

－系统的无阻尼自然频率。他们的ζ和

的内容也是不同的。所包含四、实验原理本实验是研究二阶和三阶系统的瞬态响应调节系统的开环增益K，可使系统的阻尼比分别为：0<ζ<1，ζ＝1和ζ>1三种。对应于这三那种情况下系统的阶跃响应曲线，在实验中都能观测到，他们分别为附录中的图2－3所示。

本实验中的三阶系统，其开环传递函数是由两个惯性环节和一个积分环节相串连组成。由控制理论中的劳斯判据可知，调节系统的开环增益K和某一个惯性环节的时间常数T，都会导致系统的稳态性能的明显变化。

有关二阶和三阶系统相关参数的理论计算和实验系统的模拟电路请参阅附录。调节系统的开环增益K，可使系统的阻尼比分别为：五、实验步骤1．利用实验平台上的模拟电路单元,设计(具体可参考本实验附录的图2-2)一个由积分环节（积分环节锁零端的使用请参考实验一的相关步骤）和一个惯性环节相串联组成的二阶闭环系统的模拟电路。待检查电路接线无误后,接通实验平台的电源总开关，并开启±5V，±15V直流稳压电源。2．利用示波器（慢扫描示波器或虚拟示波器）观测二阶模拟电路的阶跃响应特性，并测出其超调量和调整时间。3．改变二阶系统模拟电路的开环增益K，观测当阻尼比

为不同值时系统的动态性能。五、实验步骤1．利用实验平台上的模拟电路单元,设计(具体可参4．利用实验平台上模拟电路单元,设计(具体可参考本实验附录的图2-5)一个由积分环节和两个惯性环节组成的三阶闭环系统的模拟电路。5．利用示波器观测三阶模拟电路的阶跃响应特性，并测出其超调量和调整时间。6．改变三阶系统模拟电路的开环增益K，观测增益K的变化对系统动态性能和稳定性的影响。7．利用上位机界面提供的软件仿真功能，完成上述两个典型线性定常系统的动态性能研究，并与模拟电路的研究结果相比较。4．利用实验平台上模拟电路单元,设计(具体可参考本实验附录的

注意：以上实验步骤中的2、与5、的具体操作方法，请参阅“实验一”中的实验步骤3；实验步骤中7的具体操作方法，请参阅“实验一”中的实验步骤4。注意：以上实验步骤中的2、与5、的具体操作六、实验报告要求1．根据附录中的图2-1和图2-3画出二阶和三阶线性定常系统的实验电路图，写出它们的闭环传递函数，并标明电路中的各参数。2．根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增益K和时间常数T对系统动态特性及稳定性的影响。3．设计一个一阶线性定常闭环系统，并根据系统的阶跃输入响应确定该系统的时间常数。六、实验报告要求1．根据附录中的图2-1和图2-3画出二阶和七、实验思考题1．如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？2．在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？3．为什么本实验中二阶及三阶系统对阶跃输入信号的稳态误差都为零？4．三阶系统中，为使系统能稳定工作，开环增益K应适量取大还是取小？系统中的小惯性环节和大惯性环节哪个对系统稳定性的影响大，为什么？七、实验思考题1．如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中2．机械工程控制基础实验主讲人:荣军E-mail:rj1219@163.com机械工程控制基础实验主讲人:荣军实验一典型环节的电路模拟与软件仿真

一、实验目的熟悉并掌握THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。2．熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟与软件仿真研究。3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对其动态特性的影响。实验一典型环节的电路模拟一、实验目的熟悉并掌握THBCC-二、实验设备1．THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台2．PC机1台(含上位机软件)37针通信线1根

3．双踪慢扫描示波器1台(可选)二、实验设备1．THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；

2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响3．上位机界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各四、实验原理自控系统是由比例、积分、惯性环节等按一定的关系连接而成。熟悉这些惯性环节对阶跃输入的响应，对分析线性系统将是十分有益。在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论上的阶跃响应曲线和环节的模拟电路图。四、实验原理自控系统是由比例、积分、惯性环节等按一定的五、实验步骤熟悉实验台，利用实验台上的模拟电路单元，构建所设计的(可参考本实验附录)并连接各典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。待检查电路接线无误后,接通实验台的电源总开关，并开启±5V，±15V直流稳压电源。五、实验步骤熟悉实验台，利用实验台上的模拟电路单元，2．对相关的实验单元的运放进行调零（令运放各输入端接地，调节调零电位器，使运放输出端为0V）

注意：积分、比例积分、比例积分微分实验中所用到的积分环节单元）不需要锁零（令积分电容放电）时,需将锁零按钮弹开，使用锁零按扭时需要共地，则需要把信号发生器的地和电源地用导线相连。2．对相关的实验单元的运放进行调零（令运放各输注意：积3．测试各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对输出响应的影响1)不用上位机时，将实验平台上“阶跃信号发生器”单元的输出端与相关电路的输入端相连，选择“正输出”然后按下按钮，产生一个阶跃信号(用万用表测试其输出电压,并调节电位器,使其输出电压为“1”V，用示波器x-t显示模式观测该电路的输入与输出曲线如果效果不好要做新做则只要按一下锁零开关对电容放电，在重新做即可。3．测试各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对输2)用上位机时，由上位机提供的虚拟示波器代替步骤1）中的慢扫描示波器。接线时还需要将该电路的输出端与采集卡接口单元的输入端AD1（也可选取其它任意输入通道）相连（用双通道时电路的输出端还的和AD2相连），并接好采集卡接口单元与上位PC机的并口通讯线。待接线完成并检查无误后，上位机启动“THBCC-1”软件，出现“登录窗口”。具体操作步骤如下:2)用上位机时，由上位机提供的虚拟示波器代替①用户在“登录窗口”中输出自己的学号，并点击“登录”按钮（若是第一次登录该软件，则需点击“注册”按钮进行注册，即需按要求填入自己的“姓名”、“学号”、“系别”和“班级”）进入软件主窗口。②点击工具栏上的“实验选择”按钮，选择相应的实验项目。③点击“通道设置”按钮，选择相应的数据采集通道(单通道)或（双通道），然后点击“开始采集”按钮，进行数据采集。①用户在“登录窗口”中输出自己的学号，并点击“登录”②点④点击“虚拟示波器”按钮，首先选择X-t显示模式及相应的数据显示通道（同时需在“虚拟示波器”窗口右侧点击相应的“显示”按钮），然后顺序点击“启动”、“开始”按钮，（若是选择双通道则还要点Y-t显示）在按下阶越信号按扭即可观测实验波形。同时还可改变示波器的显示量程(ms或s/dim)及输入波形的放大系数，以便更清晰的观测波形。⑤点击“暂停”然后点“存储”按钮，保存实验波形和数据。④点击“虚拟示波器”按钮，首先选择X-t显示模式及⑤点击“4．点击“仿真平台”按钮，根据环节的传递函数，在“传递函数”栏中填入该环节的相关参数，如比例积分环节的传递函数为:则在“传递函数”栏的分子中填入“0.1,1”,分母中填入“0.1,0”即可，然后点击“仿真”按钮，即可观测到该环节的仿真曲线，并可与电路模拟研究的结果相比较。4．点击“仿真平台”按钮，根据环节的传递函数，在“传注：仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于分母阶数的情况，若分子阶数大于分母阶数（如含有微分项的传递函数），则不能进行仿真实验，否则出错。5．点击“实验报告”，根据实验时存储的波形和数据完成实验报告。注：仿真实验只针对传递函数的分子阶数小于等于5六、实验报告要求1.画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。2．写出各典型环节的传递函数。3．根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响？六、实验报告要求1.画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。七、实验思考题1．用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？2．积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？3．在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？七、实验思考题1．用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假八、附录1．比例（P）环节比例环节的传递函数与方框图分别为:其模拟电路（后级为反相器）和单位阶跃响应曲线分别如图1-1所示。八、附录1．比例（P）环节比例环节的传递函数与方框图分别为其中K=通过改变电路中R1、R2的阻值，可改变放大系数。

,这里取R1=100K，R2=200K，R0=200K。图1-1比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线其中K=通过改变电路中R1、R2的阻值，可改变放大系数。,积分环节的传递函数与方框图分别为:2．积分(I)环节其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-3所示图1-2积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线积分环节的传递函数与方框图分别为:2．积分(I)环节

其中T=RC，这里取C=10uF,R=100K,R0=200K。通过改变R、C的值可改变响应曲线的上升斜率。3．比例积分(PI)环节积分环节的传递函数与方框图分别为:其中T=RC，这里取C=10uF,R=100K其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-3所示其中

，T=R1C，这里取C=10uF,R1=100K，R2=100K，R0=200K。通过改变R2、

R1、C的值

比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。

可改变

图1-3比例积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-3所示其中，T=R1C4．比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为：其中4．比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-4所示：

图1-4比例微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线这里取C=1uF,R1=100K，R2=200K，R0=200K。通过改变R2、R1、C的值可改变比例微分环节的放大系数K和微分时间常数T。其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-4所示：图1-4比例5．比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为：其中

（当=2

=0.1,

=0.1时）5．比例积分微分(PID)环节比例积分微分(PID)环节的传其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-5所示图1-5比例积分微分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-5所示图1-5比例积分其中C1=1uF,C2=1uF,R1=100K，R2=100K,R0=200K。通过改变R2、R1、C1、C2的值可改变比例积分微分环节的放大系数K、微分时间常数和积分时间常数

。其中C1=1uF,C2=1uF,R1=100K6．惯性环节

惯性环节的传递函数与方框图分别为：其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-6所示：其中

R2=100K,R0=200K。通过改变R2、R1、C的值可改变惯性环节的放大系数K和时间常数T。T=R2C，这里取C=1uF,R1=100K，6．惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：其模拟电图1-6惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线图1-6惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线实验二线性定常系统的瞬态响应一、实验目的1.掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法；2.研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定性的影响。实验二线性定常系统的瞬态响应一、实验目的1.掌握线性二、实验设备1．THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台2．PC机1台(含上位机软件)37针通信线1根3．双踪慢扫描示波器1台(可选)二、实验设备1．THBCC-1型信号与系统·控制理论及计算三、实验内容1．观测二阶系统的阶跃响应，并测出其超调量和调整时间；2．调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比ζ=，测出此时系统的超调量和调整时间；3.研究三阶系统的开环增益K，或一个惯性环节的时间常数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的临界K值。三、实验内容1．观测二阶系统的阶跃响应，并测出其超调量和2．四、实验原理本实验是研究二阶和三阶系统的瞬态响应。为了使二阶系统的研究具有普遍性意义，通常把它的闭环传递函数写如下的标准形式：式中ζ－系统的阻尼比ζ和所包含的内容也是不同的。

－系统的无阻尼自然频率。他们的ζ和

的内容也是不同的。所包含四、实验原理本实验是研究二阶和三阶系统的瞬态响应调节系统的开环增益K，可使系统的阻尼比分别为：0<ζ<1，ζ＝1和ζ>1三种。对应于这三那种情况下系统的阶跃响应曲线，在实验中都能观测到，他们分别为附录中的图2－3所示。

本实验中的三