自动控制理论实验指导书

目录

.第一章硬件资源.......................................

_第二章软件的使用.....................................

_第三章实验系统部份...................................

实验一典型环节及其阶跃响应....................5

实验二二阶系统阶跃响应..........................

实验三控制系统的稳定性分析...................11

实验四连续系统串联校正.........................

第一章硬件资源

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,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摹拟对象。

图1实验系统构成

实验箱面板如图2：

图2实验箱面板

下面主要介绍实验箱的构成：

一、系统电源

ELAT教学文联系统采用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：AC220V

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：一5℃~+40℃。

二、AD/DA采集卡

AD/DA采集卡如图3采用ADUC812芯片做为采集芯片，负责采样数据

及与上位机的通信，其采样位数为12位，采样率为10KHz。在卡上有一块

32KBit的RAM62256,用来存储采集后的数据。AD/DA采集卡有两路输入

（ADI、AD2）、输出（DAI、DA2）,其输入和输出电压均为一5V〜+5V。

此外在AD/DA卡上有一个9针RS232串口插座用来连接AD/DA卡和计算

机20针的插座用来和控制对象进行通讯

图3AD/DA采集卡

三、实验箱面板

实验箱面板主要由以下几部份构成：

1.实验模块

本实验系统有七组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每一个

模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。这样

通过对这七个实验模块的灵便组合便可构造出各种型式和阶次的

摹拟环节和控制系统。

2.AD/DA卡输入输出模块

该区域是引出AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路

输入端，分别是DAI、DA2,ADI、AD2。25针的插座用来和控

制对象连接，

3.电源模块

电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源

端子，分别是+12V、・12V、+5V、GND,这些端子给外扩模块提

供电源。

2

第二章软件的使用

一、软件启动与使用说明

I.软件启动

在Windows桌面上,双击“ZK”快捷方式,便可启动软件如

图4。

菜惮工具栏

3

WWWHit

IIHX2I

用实验箱自带的串口线将实验箱后面的串口与计算机的串口连接,

启动ZK“H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［系统设置一串口设置］如图5,在对话框内填入与计

算机相连的串口值。

图5串口设置对话框

3

2）实验前通讯口的测试

测试方法：接通电源点击［系统设置一通信串口测试］如图6（a）,点击通

信串口测试按钮，控制测试区内将浮现0—255个数据，如图6（b）,如果

数据没有或者不全，则说明通讯有故障，应检查计算机串口与实验箱的

连接。

窗口则鼠1忠过工达盛科技公司

图6串口测试窗口（a）图6串口测试窗口（b）

3.软件使用说明

A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

说明部份。

B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：一5V—5V,横坐标是时间轴，单

位为（ms）。

C数据测量

数据测量是测量系统响应的测量工具如图7,鼠标单击单游标或

者双游标，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。在拖动过程中屏幕右下方将动态显：g测量的结果。

C单游标Bt间（ns）XI:4080.00X2:12000.00|X1-X2|:7920.00

G双游标电压（V）Y1:0.00Y2:-2.86|Y1-Y2|:2.86

图7数据测量区域

4

第三章实验系统部份

实验一典型环节及其阶跃响应

一、实验目的

1.掌握控制摹拟实验的基本原理和普通方法。

2.掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器

1.EL-AT自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

三、实验原理

摹拟实验的基本原理：

控制系统摹拟实验采用复合网络法来摹拟各种典型环节，即利用运

算放大器不同的输入网络和反馈网络摹拟各种典型环节，然后按照给定

系统的结构图将这些摹拟环节连接起来，便得到了相应的摹拟系统。再

将输入信号加到摹拟系统的输入端，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。

四、实验内容

构成下述典型一阶系统的摹拟电路，并测量其阶跃响应:

1.比例环节的摹拟电路及其传递函数如图1-1。

G(S)=R2/R1

5

2.惯性环节的摹拟电路及其传递函数如图1-2。

G(S)=K/TS+1

K=R2/RI,T=R2C

3.积分环节的摹拟电路及传递函数如图1-3。

G(S)=I/TS

T=RC

4.微分环节的摹拟电路及传递函数如图14

G(S)=RCS

5.比例微分环节的摹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

五、实验步骤

1.启动计算机，在桌面双击图标ZK（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。

6

3.连接各个被测量典型环节的摹拟电路。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一［典型环节及其阶跃响应］。

5.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及数据。

7.记录波形及数据。

六、实验报告

1.画出比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例微分环节的

摹拟电路图，并记录其响应曲线。

2.由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电

路计算的结果相比较。

七、预习要求

1、阅读实验原理部份，掌握时域性能指标的测量方法。

2、分析典型一阶系统的摹拟电路和基本原理。

7

实验二二阶系统阶跃响应

一、实验目的

I.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

n

态性能的影响。定量分析和与最大超调量Mp和调节时间t

n

之间的关系.

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.EL-AT型自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

三、实验内容

典型二阶系统的闭环传递函数为

2

（S）=-----------------------------⑴

SJ+2■s+?•

其中和对系统的动态品质有决定的影响。

n

构成图2-1典型二阶系统的摹拟电路，并测量其阶跃响应：

8

图2-2二阶系统结构图

系统闭环传递函数为

1/T2

(P(s)=U2(s)AJ1(s)=--------------------

S”(K/T)S+l/T2

式中T=RC,K=R2/Rlo

比较(1)、(2)二式，可得

n=1/T=1/RC

=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。

n

今取RI=200K,R2=IOOK和200K.可得实验所需的阳尼比0电阻R取

100K,电容C分别取1f和0.1f,可得两个无阻尼自然频率。

n

四、实验步骤

1.取=10rad/s,即令R=100K,C=1f；分别取=0、0.25、0.5、0.75、

n

1、2,即取Rl=100K,R2分别等于0、50K、100K、150K、200K、

400Ko输入单位阶跃信号，测量不同的时系统的阶跃响应，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。

2.取=0.5。即电阻R2取Rl=R2=100K；=100rad/s,即取R=100K,

n

改变电路中的电容C=o.lf(注意：二个电容值同时改变)。输入单位

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。

9

五、实验报告

1.画出二阶系统的摹拟电路图，讨论典型二阶系统性能指标与。3n的关

系。

2.把不同和条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。

n

3.根据实验步骤3画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，

并与由摹拟电路计算的传递函数相比较。

七、预习要求

1.了解摹拟实验的基本原理，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,、吗下的性能指标的理

论值。

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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.EL-AT型自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

三、实验内容

系统摹拟电路图如图3-1

G(s)=10K/s(0.1s+l)(Ts+l)

式中K1=R3/R2,R2=IOOK,R3=0〜500K；T=RC,R=100K,

0c1=1f或者01fCl=0.lf两种情况。

四、实验步骤

1>C=C1=1f,改变电位器阻值，使R3从0—500K方向变化，此时相

应的K=1OK1。观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找

到系统输出产生等幅振荡时相应的R3及K值。观察R3取临界值左右

时的响应曲线，并记录其波形。

2在步骤1条件下，使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况。

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改变电路中的电容Cl,由If变成0.1f,观察系统稳定性的变化。

五、实验报告

1.画出步骤1的摹拟电路图。

2.画出系统增幅或者减幅振荡的波形图。

3.计算系统的临界放大系数，并与步骤1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。

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实验四连续系统串联校正

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，并通过摹拟实验检验设计的正确性。

二、实验仪器

1.EL-AT型自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

三、实验内容

1.串联超前校正

(1)系统摹拟电路图如图4-1,图中开关S断开对应未校情况，接通对应超

前校正。

(2)系统结构图如图5-2

图4-2超前校正系统结构图

图中Gel(s)=2

2(0.055s+l)

Gc2(s)=

0.005s+l

2.串联滞后校正

(1)摹拟电路图如图4-3,开关s断开对应未校状态，接通对应滞

后校正。

13

100K1OM

图4-4滞后系统结构图

图中Gcl(s)=10

10(s+l)

Gc2(s)=

lls+1

3.串联超前一滞后校正

(1)摹拟电路图如图4-5,双刀开关断开对应未校状态，接通对应

超前一滞后校正。

图4-5超前一滞后校正摹拟电路图

(2)系统结构图示如图4-6。

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图4-6超前一滞后校正系统结构图

图中Gcl(s)=6

6(1.2s+l