自控原理实验指导书

1、自动控制原理实验指导书自动控制原理课程组2006年5月目录实验一 典型线性环节的暂态特性1实验二 二阶系统的阶跃响应3实验三 线性系统稳定性研究5实验四 线性系统稳态误差的研究7实验五 控制系统的校正（设计性实验）9实验六 典型非线性环节的静态特性10实验七 非线性系统的描述函数法14实验八 采样控制系统的分析17实验九 单闭环温度恒值控制系统（选作实验）20实验十 单容水箱液位定值控制系统（选作实验）24实验一 典型线性环节的暂态特性一、实验目的1. 熟悉THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用。2. 熟悉各典型环节的传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟。3. 测

2、量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。二、实验设备1. THBDC-1型控制理论计算机控制技术实验平台；2. PC机一台(含上位机软件)、USB数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB接口线；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；四、实验步骤1. 比例（P）环节根据比例环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若比例系数K=1时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K。若比例系数K=2时，电路中的参数

3、取：R1=100K，R2=200K。当ui 为2V阶跃信号时，用上位软件观测并记录相应K值时的实验曲线，并与理论值进行比较。另外R2还可使用可变电位器，以实现比例系数为任意值。注：实验操作前必须先熟悉“THBDC-1 使用说明书”部分。2. 积分（I）环节根据积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K10uF=1)；若积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R=100K，C=1uF(T=RC=100K1uF=0.1)；当ui为

4、2V阶跃信号时，用上位机软件观测并记录相应T值时的输出响应曲线，并与理论值进行比较。3. 比例积分(PI)环节根据比例积分环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路，如图所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若取比例系数K=1、积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K10uF=1)；若取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R1C=100K1uF=0.1S)。通过改变R2、R1、C的值

5、可改变比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。当ui为一2V阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。6. 惯性环节根据惯性环节的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路，如下图所示。图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若比例系数K=1、时间常数T=0.2S时，电路中的参数取：R1=200K，R2=200K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=200K1uF=0.2)。若比例系数K=1、时间常数T=0.02S时，电路中的参数取：R1=200K，R2=200K，C=0.1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=200K0.1

6、uF=0.02)。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。当ui为一单位阶跃信号时，用上位软件观测并记录不同K及T值时的实验曲线，并与理论值进行比较。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。实验二 二阶系统的阶跃响应一、实验目的1. 通过实验了解参数(阻尼比)、(阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响；2. 掌握二阶系统动态性能的测试方法。二、实验设备 同实验一。三、实验内容1. 观测二阶系统的阻尼比分别在01三种情况下的单位阶跃响应曲线

7、；2.学习二阶系统阶跃响应的实验测试方法。研究二阶系统的两个特征参数、n对阶跃响应暂态指标的影响。四、实验原理二阶系统的典型结构典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如2-2、如2-3所示。 图2-1 二阶系统的方框图 图2-3 二阶系统的模拟电路图图2-3中最后一个单元为反相器。由图2-4可得其开环传递函数为： ，其中：， (，)其闭环传递函数为： 与式2-1相比较，可得 ， 五、实验步骤根据图2-4，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。1. 值一定时，图2-4中取C=1uF，R=100K(此时)，Rx阻值可调范围为0470K。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测

8、并记录不同值时的实验曲线。1.1 =0.2，系统处于欠阻尼状态；1.2 =0.707，系统处于欠阻尼状态；1.3 =1，系统处于临界阻尼状态;1.4 =2，系统处于过阻尼状态。2. 值一定时，图2-4中取R=100K，RX=250K(此时=0.2)。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同值时的实验曲线。2.1若取C=10uF时 ()2.2若取C=0.1uF时 ()六、实验报告要求1. 画出对应各给定参数二阶系统的输出波形图，并在波形图上注明参数。2. 根据二阶系统的输出波形图，读出对应每一个参数所对应的超调量、调节时间。3根据系统的模拟电路图推导系统的传递函数。4根

9、据实验结果分析特征参数变化时对二阶系统的暂态响应的影响。分析对比实测值和理论值，如有误差分析其原因。实验三 线性系统稳定性研究一、实验目的1. 通过实验，进一步理解线性系统的稳定性仅取决于系统本身的结构和参数，它与外作用及初始条件均无关的特性；2. 研究系统的开环增益K或其它参数的变化对闭环系统稳定性的影响。二、实验设备 同实验一。三、实验内容观测三阶系统的开环增益K为不同数值时的阶跃响应曲线；四、实验原理三阶系统及三阶以上的系统统称为高阶系统。一个高阶系统的瞬态响应是由一阶和二阶系统的瞬态响应组成。控制系统能投入实际应用必须首先满足稳定的要求。线性系统稳定的充要条件是其特征方程式的根全部位于

10、S平面的左方。应用劳斯判断就可以判别闭环特征方程式的根在S平面上的具体分布，从而确定系统是否稳定。本实验是研究一个三阶系统的稳定性与其参数和对系统性能的关系。三阶系统的方框图和模拟电路图如图3-1、图3-2所示。图3-1 三阶系统的方框图 图3-2 三阶系统的模拟电路图图3-1的开环传递函数为 () (3-1)式中K值可调节RX的值来改变。当取C1=1F，C2=1F，C3=1F，时，三阶系统对应的闭环传递函数特征方程为0.001S3+0.03S2+0.3S+1+2K=0根据劳斯稳定判据，欲使系统稳定，则应满足：0K4时，系统处于发散状态。五、实验步骤根据图3-2所示的三阶系统的模拟电路图，设计

11、并组建该系统的模拟电路(取C1= C2= C3=1F)。当系统输入一单位阶跃信号时，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同K值时的实验曲线。1. 若K=2时，系统稳定，此时电路中的RX取50K；2. 若K=4时，系统处于临界状态，此时电路中的RX取25K；3. 若K=8时，系统不稳定，此时电路中的RX取12.5K；六、实验报告要求1. 画出三阶系统线性定常系统的实验电路，并写出其闭环传递函数，表明电路中的各参数。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。七、实验思考题1. 为什么本实验中三阶系统对阶跃输入信号的稳态误差不为零？2. 对三阶

12、系统，为使系统能稳定工作，开环增益K应适量取大还是取实验四 线性系统稳态误差的研究一、实验目的1. 通过本实验，理解系统的跟踪误差与其结构、参数与输入信号的形式、幅值大小之间的关系；2. 研究系统的开环增益K对稳态误差的影响。二、实验设备同实验一。三、实验内容1. 观测0型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；2. 观测I型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；3. 观测II型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡，并实测它们的稳态误差。四、实验原理通常控制系统的方框图如图4-1所示。其中G(S)为系统前向通道的传递函数，H(S)为其反馈通道的传递函数。

13、图4-1由图4-1求得（1）由上式可知，系统的误差E(S)不仅与其结构和参数有关，而且也与输入信号R(S)的形式和大小有关。如果系统稳定，且误差的终值存在，则可用下列的终值定理求取系统的稳态误差：（2）本实验就是研究系统的稳态误差与上述因素间的关系。下面叙述0型、I型、II型系统对三种不同输入信号所产生的稳态误差。五、实验步骤1. 0型二阶系统根据0型二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位斜坡信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，

14、并与理论偏差值进行比较。注：单位斜坡信号的产生最好通过一个积分环节(时间常数为1S)和一个反相器完成。2. 型二阶系统根据I型二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。当输入ur为一单位阶跃信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。当输入ur为一单位斜坡信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。3. II型二阶系统根据II型二阶系统的方框图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建相应的模拟电路，如下图所示。当输入ur为一单位斜坡(或单位阶跃)信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论

15、偏差值进行比较。当输入ur为一单位单位抛物波信号时，用上位软件观测图中e点并记录其实验曲线，并与理论偏差值进行比较。注： 单位抛物波信号的产生最好通过两个积分环节(时间常数均为1S)来构造。 本实验中不主张用示波器直接测量给定信号与响应信号的曲线，因它们在时间上有一定的响应误差； 在实验中为了提高偏差e的响应带宽，可在二阶系统中的第一个积分环节并一个510K的普通电阻。六、实验报告要求1. 画出0型二阶系统的方框图和传递函数，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差并与理论计算值进行比较。2. 画出型二阶系统的方框图和传递函数，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳

16、态误差并与理论计算值进行比较。3. 画出型二阶系统的方框图和传递函数，并由实验测得系统在单位斜坡和单位抛物线函数作用下的稳态误差并与理论计算值进行比较。4. 观察由改变输入阶跃信号的幅值，斜坡信号的速度，对二阶系统稳态误差的影响。并分析其产生的原因。实验五 控制系统的校正（设计性实验）一、实验目的1. 通过实验，理解所加校正装置的结构、特性和对系统性能的影响；2. 学习校正装置的设计和实现方法。二、实验设备同实验一。三、实验内容 1. 根据给定二阶对象的传递函数设计二阶系统的模拟电路(采用运算放大器)2. 根据给定系统所须的静、动态性能指标设计校正装置(采用零极点对消法)；3. 观测引入校正装

17、置后系统的动、静态性能，并予以实时调试，使之动、静态性能均满足设计要求；四、设计要求 1. 给定二阶对象系统的开环传递函数： 2. 根据下列要求设计校正装置：加入校正装置后的系统为二阶工程最佳系统；且保持 静态速度误差系数不变。六、实验报告要求1 根据给定二阶对象的传递函数画出二阶系统的模拟电路图，确定系统的n 、。记录系统输出波形图、从波形图读出系统的超调量及调节时间,并与理论计算值进行比较。2. 根据给定系统所须的静、动态性能指标，根据零极点对消法则，设计出校正装置的传递函数，并画出它的模拟电路图。3. 画出加校正装置后的系统的模拟电路图，确定系统传递函数及系统的n 、。观测引入校正装置后

18、系统的阶跃响应曲线，记录系统输出波形图、从波形图读出系统的超调量及调节时间,并与理论计算值进行比较。实验六 典型非线性环节的静态特性一、实验目的1. 了解典型非线性环节输出输入的静态特性及其相关的特征参数；2. 掌握典型非线性环节用模拟电路实现的方法。二、实验设备同实验一。三、实验内容 1. 继电器型非线性环节静特性的电路模拟；2. 饱和型非线性环节静特性的电路模拟；3. 具有死区特性非线性环节静特性的电路模拟；4. 具有间隙特性非线性环节静特性的电路模拟。四、实验原理控制系统中的非线性环节有很多种，最常见的有饱和特性、死区特性、继电器特性和间隙特性。基于这些特性对系统的影响是各不相同的，因而

19、了解它们输出输入的静态特性将有助于对非线性系统的分析研究。1. 继电型非线性环节图7-1为继电器型非线性特性的模拟电路和静态特性。 图7-1 继电器型非线性环节模拟电路及其静态特性继电器特性参数M是由双向稳压管的稳压值(4.96V)和后级运放的放大倍数(RX/R1)决定的，调节可变电位器RX的阻值，就能很方便的改变M值的大小。输入ui信号用正弦信号或周期性的斜坡信号（频率一般均小于10Hz）作为测试信号。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。2. 饱和型非线性环节图7-2为饱和型非线性环节的模拟电路及其静态特性。图7-2 饱和型非线性环节模拟电路及其静态特性图中饱和型非线性特性的饱和值M等

20、于稳压管的稳压值(4.96V)与后一级放大倍数的乘积。线性部分斜率k等于两级运放增益之积。在实验时若改变前一级运放中电位器的阻值可改变k值的大小，而改变后一级运放中电位器的阻值则可同时改变M和k值的大小。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低（一般小于10Hz）。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。3. 具有死区特性的非线性环节图7-3为死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性。图7-3 死区特性非线性环节的模拟电路及其静态特性图中后一运放为反相器。由图中输入端的限幅电路可知，当二极管D1（或D2）导通时的临界电压Uio为 (在临界状态时: ) (7

21、-1)其中，。当时，二极管D1（或D2）导通，此时电路的输出电压为 令，则上式变为 (7-2)反之，当时，二极管D1（或D2）均不导通，电路的输出电压为零。显然，该非线性电路的特征参数为和。只要调节，就能实现改变和的大小。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择应足够低（一般小于10Hz）。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。4. 具有间隙特性的非线性环节间隙特性非线性环节的模拟电路图及静态特性如图7-4所示。由图7-4可知，当时，二极管D1和D2均不导通，电容C1上没有电压，即UC（C1两端的电压）=0，u0=0；当时，二极管D2导通，ui向C1充电，其电压

22、为 令，则上式变为 图7-4 间隙特性非线性环节的模拟电路及其静态特性当时，开始减小，由于D1和D2都处于截止状态，电容C1端电压保持不变，此时C1上的端电压和电路的输出电压分别为 当时，二极管D1处于临界导通状态，若继续减小，则二极管D1导通，此时C1放电，UC和U0都将随着减小而下降，即 当时，电容C1放电完毕，输出电压。同理，可分析当向负方向变化时的情况。在实验中，主要改变值，就可改变和的值。实验时，可以用周期性的斜坡或正弦信号作为测试信号，注意信号频率的选择。实验时，用示波器的X-Y显示模式进行观测。五、实验步骤1. 继电器型非线性环节图7-5 继电型非线性环节模拟电路在ui输入端输入

23、一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值为16V，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y(虚拟示波器上的Plot XY模式，本实验中其它部分相同)显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性M值的大小并记录。1.1 当47K可调电位器调节至约1.8K(M=1)时；1.2 当47K可调电位器调节至约3. 6K(M=2)时；1.3 当47K可调电位器调节至约5.4K(M=3)时；1.4 当47K可调电位器调节至约10K(M=6左右)时；注：本实验中所采用的正弦波最好用实验台上的“低频函数信号发生器”提供。2. 饱和型非线性环节 图7-6 饱和型非线性环节

24、模拟电路在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值为16V，频率为10Hz。将前一级运放中的电位器值调至10K (此时k=1)，然后在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性M和k值的大小并记录。2.1 当后一级运放中的电位器值调至约1.8K(M=1)时；2.2 当后一级运放中的电位器值调至约3.6K(M=2)时；2.3 当后一级运放中的电位器值调至约5.4K(M=3)时；2.4 当后一级运放中的电位器值调至约10K时；3. 死区特性非线性环节图7-7 死区特性非线性环节模拟电路在ui输入端输入一个低频率的正弦波

25、，正弦波的Vp-Vp值为16V，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性uio和k值的大小并记录。3.1调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K，R2=8.0K时；3.2调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K时；3.3调节两个可变电位器，当两个R1=3.3K，R2=6.6K时；注：本实验的E值也可采用5V。4. 具有间隙特性非线性环节图7-8 间隙特性非线性环节模拟电路在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-Vp值为16V，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(

26、ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性uio和k值的大小并记录。4.1调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K，R2=8.0K时；4.2调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K时；4.3调节两个可变电位器，当两个R1=3.3K，R2=6.6K时；注意由于元件（二极管、电阻等）参数数值的分散性，造成电路不对称，因而引起电容上电荷累积，影响实验结果，故每次实验启动前，需对电容进行短接放电。注：本实验的E值也可采用5V。六、实验报告要求1. 画出各典型非线性环节的模拟电路图，并选择好相应的参数；2. 根据实验，绘制相应非线性环节的实际静态特性，并与理想情

27、况下的静态特性相比较，分析电路参数对特性曲线的影响？实验七 非线性系统的描述函数法一、实验目的1. 进一步熟悉非线性控制系统的电路模拟方法；2. 掌握用描述函数法分析非线性控制系统；3通过实验进一步了解非线性系统产生自持振荡的条件和非线性参数对系统性能的影响。二、实验设备同实验一。三、实验内容1. 用描述函数法分析继电器型非线性三阶系统的稳定性，并由实验测量自持振荡的振幅和频率；2. 用描述函数法分析饱和型非线性三阶系统的稳定性，并由实验测量自持振荡的振幅和频率；3. 掌握饱和型非线性系统消除自持振荡的方法。四、实验原理用描述函数法分析非线性系统的内容有：1) 判别系统是否稳定； 2) 如果系

28、统不稳定，试确定自持振荡的频率和幅值。 图8-1为非线性控制系统的方框图。 图8-1 非线性控制系统图中为线性系统的频率特性，N为非线性元件，若令，则N的输出为一非正弦周期性的函数，用傅氏级数表示为 如果非线性元件的特性对坐标原点是奇对称的(即A00)，且具有良好的低通滤波器特性，它能把y中各高次项谐波滤去，只剩下一次谐波，即式中 ，于是非线性元件N的近似输出Y1与输入信号间的关系为： (8-1)N(X)称非线性特性的描述函数，它表示非线性元件输出的一次谐波分量对正弦输入的复数比。Y1为一次谐波幅值，X为正弦输入信号的幅值，为输出一次谐波分量相对于正弦输入信号的相移。由于描述函数法用于分析非线

29、性控制系统的自持振荡问题，故可令r=0。若在的输入端施加一正弦信号 (见图8-1)，则N(X)的输出为如果y=y1，即1+=0 (8-2)此时即使撤去Y1的信号，系统的振荡也能持续进行。因此式(8-2)就是系统产生自持振荡的条件，式中称描述函数的负倒特性。本实验应用描述函数法分析具有继电器型和饱和型非线性特性的三阶系统。1. 继电器型非线性三阶系统图8-2为继电器型非线性三阶系统的方框图。图8-2继电器型非线性三阶系统的方框图2. 饱和型非线性三阶系统图8-3 饱和型非线性环节的静态特性及其对应的控制系统五、实验步骤1. 继电器型非线性三阶系统1.1 根据图8-2二阶系统的方框图，在没有加入继

30、电器型非线性环节时，设计并组建三阶系统的模拟电路，如图8-4所示。图8-4 没有加入继电型非线性环节时的三阶系统模拟电路图在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录输出端的实验响应曲线。1.2在图8-4的基础上加入继电型非线性环节后，系统的模拟电路如图8-5所示。图8-5 继电型非线性三阶系统的模拟电路图在系统输入端输入一个单位阶跃信号。在下列几种情况下用上位机虚拟示波器观测系统输出端信号的频率与幅值，并与式(8-4)与(8-5)的理论计算值进行比较。1.2.1 当47K可调电位器调节到1.8K左右(继电型非线性的特性参数M=1)时；1.2.2 当47K可调电位器调节到3.6K左

31、右 (继电型非线性的特性参数M=2)时； 注：当M=2时系统输出信号的频率与幅值请实验人员自己参照M=1的计算方法进行计算。改变阶跃信号的大小，重复1.2.1、1.2.2步骤。此时再用上位机虚拟示波器观测系统输出端信号的频率与幅值。2. 饱和型非线性三阶系统2.1根据图8-3三阶系统的方框图，在没有加入饱和型非线性环节时，设计并组建相应三阶系统的模拟电路，如图8-6所示。图8-6 没有加入饱和型非线性环节时的三阶系统模拟电路图在系统输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机软件观测并记录输出端的实验响应曲线。2.2在图8-6的基础上加入饱和型非线性环节后，系统的模拟电路如图8-7所示。图8-7 饱和

32、型非线性三阶系统的模拟电路图2.2.1 利用“实验七”饱和型非线性静态特性的测试方法，将饱和型非线性环节后一级运放中的电位器值调至1.8K左右(特性参数M=1)，前一级运放中的电位器值调至55.6K(特性参数k=1)；然后在输入端输入一个单位阶跃信号，用上位机虚拟示波器观测系统输出端信号的频率与幅值，并与式(8-7)与(8-7)的理论计算值进行比较。改变阶跃信号的大小，再用上位机虚拟示波器观测系统输出端信号的频率与幅值。2.2.2 将图8-7中第五个运放单元的100K电阻更换为510K电阻，再用上位机虚拟示波器观测系统输出端的实验响应曲线。2.2.3在步骤2.2.1的基础上，调节饱和型非线性环

33、节前一级运放中的电位器，用上位机虚拟示波器观测系统输出端的实验响应曲线。当系统自振荡消除时，记下此时电位器的阻值，并计算此时的k值。另外本实验还可以通过改变M的方法观测系统输出端信号的频率与幅值，具体计算方法参考式(8-7)与(8-8)。六、实验报告要求1. 观测继电型非线性系统的自持振荡，将由实验测量自振荡的幅值与频率与理论计算值相比较，并分析两者产生差异的原因。2. 调节系统的开环增益K，使饱和非线性系统产生自持振荡，由实验测量其幅值与频率，并与理论计算值相比较。实验八 采样控制系统的分析一、实验目的2. 熟悉用LF398组成的采样控制系统；3. 通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器Z

34、OH的原理及其实现方法；3. 观察系统在阶跃作用下的稳态误差。研究开环增益K和采样周期T的变化对系统动态性能的影响；二、实验设备同实验一三、实验内容1. 利用实验平台设计一个对象为二阶环节的模拟电路，并与采样电路组成一个数-模混合系统。2. 分别改变系统的开环增益K和采样周期TS，研究它们对系统动态性能及稳态精度的影响。四、实验原理1. 采样定理图14-1为信号的采样与恢复的方框图，图中X(t)是t的连续信号，经采样开关采样后，变为离散信号。 图14-1 连续信号的采样与恢复香农采样定理证明要使被采样后的离散信号X*(t)能不失真地恢复原有的连续信号X(t)，其充分条件为： (14-1) 式中

35、为采样的角频率，为连续信号的最高角频率。由于，因而式(14-1)可写为 (14-2)T为采样周期。采样控制系统稳定的充要条件是其特征方程的根均位于Z平面上以坐标原点为圆心的单位圆内，且这种系统的动、静态性能均只与采样周期T有关。 2. 采样控制系统性能的研究图14-2为二阶采样控制系统的方块图。 图14-2 二阶采样控制系统方块图 由图14-所示系统的开环脉冲传递函数为： 闭环脉冲传递函数为： 根据上式可判别该采样控制系统否稳定，并可用迭代法求出该系统的阶跃输出响应。五、实验步骤1. 零阶保持器 本实验采用“采样-保持器”组件LF398，它具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能。图14

36、-3为采样-保持电路。图中MC14538为单稳态电路，改变输入方波信号的周期，即改变采样周期T。 图14-3 采样保持电路 图中方波信号由实验台的低频信号发生器提供。 接好“采样保持电路”的电源。用上位软件的“信号发生器”输出一个频率为5Hz、幅值为2V的正弦信号输入到“采样保持电路”的信号输入端。在下列几种情况下用示波器观察“采样保持电路”的信号输出端。1.1 当方波(采样产生)信号为100 Hz时；1.2 当方波(采样产生)信号为50 Hz时；1.3 当方波(采样产生)信号为10Hz时；1.4 当方波(采样产生)信号为5Hz时。注：方波的幅值要尽可能大。2. 采样系统的动态性能根据图14-

37、2二阶采样控制系统方块图，设计并组建该系统的模拟电路，如图14-4所示。 图14-4 采样控制二阶系统模拟电路图 图14-4积分单元中取C=1uF，R=100K(k=10)时，在r输入端输入一个单位阶跃信号，在下面几种情况下用上位机软件观测并记录c(t)的输出响应曲线，然后分析其性能指标。2.1 当采样周期为0.005S(200Hz)时；2.2 当采样周期为0.05S(20Hz)时；2.3 当采样周期为0.2S(5Hz)时； 2.4 将图14-4中电容与电阻更换为C=1uF，R=51K(k=1)时，重复步骤2.1、2.2、2.3。 注：实验中的采样周期最好小于0.25S (大于4Hz)。六、实

38、验报告要求1. 按图14-2所示的方框图画出相应的模拟电路图；2. 研究采样周期T的变化对系统性能的响应。七、实验思考题1. 连续二阶线性定常系统，不论开环增益K多大，闭环系统均是稳定的，而为什么离散后的二阶系统在K大到某一值或采样时间TS很小时会产生不稳定？2. 试分析采样周期T的变化对系统性能的影响？实验九 单闭环温度恒值控制系统（选作实验）一、实验目的1理解温度闭环控制的基本原理；2了解温度传感器的使用方法；3学习温度PID控制参数的配置。二、实验设备1THBDC-1型 控制理论计算机控制技术实验平台2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台

39、(含软件“THBDC-1”)三、实验原理1温度驱动部分该实验中温度的驱动部分采用了直流15V的驱动电源，直流15V经过PWM调制后加到加热器的两端。PWM的工作原理：图9-1 PWM的控制电路图9-2 SG3525引脚图上图所示为SG3525为核心的控制电路，SG3525是美国Silicon General公司生产的专用PWM控制集成芯片，其内部电路结构及各引脚如图9-2所示，它采用恒频脉宽调制控制方案，其内部包含有精密基准源、锯齿波振荡器、误差放大器、比较器、分频器和保护电路等。调节Ur的大小，在A、B两端可输出两个幅度相等、频率相等、相位相互错开180度、占空比可调的矩形波（即PWM信号）

40、。2温度测量温度测量端（反馈端）一般为热电式传感器，热电式传感器式利用传感元件的电磁参数随温度的变化的特性来达到测量的目的。例如将温度转化成为电阻、磁导或电势等的变化，通过适当的测量电路，就可达到这些电参数的变化来表达温度的变化。在各种热电式传感器中，已把温度量转化为电势和电阻的方法最为普遍。其中将温度转换成为电势的热电式传感器叫热电偶；将温度转换成为电阻值大小的热电式传感器叫做热电阻，如铜电阻、热敏电阻、 Pt 电阻等。铜电阻的主要材料是铜，主要用于精度不高、测量温度范围（50150）不大的的地方。而铂电阻的材料主要是铂，铂电阻物理、化学性能在高温和氧化性介质中很稳定，它能用作工业测温元件和

41、作为温度标准。铂电阻与温度的关系在0630.74以内为9-3 温度测量及放大电路 RtR0（1atbt2）式中 Rt温度为t 时的电阻值；R0温度为0时的电阻值； t任意温度；a、b为温度系数。该实验系统中使用了Pt100作为温度传感器。在实际的温度测量中，常用电桥作为热电阻的测量电路。在如图9-3中采用铂电阻作为温度传感器。当温度升高时，电桥处于不平衡，在a，b两端产生与温度相对应的电位差；该电桥为直流电桥。3温度控制系统如图9-4所示，由热电阻将温度转换成电信号，经数据采集卡变换成数字量后送到计算机与给定值比较，所得的差值按照一定的规律（通常为PID）运算，然后经数据采集卡输出模拟控制量，

42、供执行器来调节加热器的电压进而控制其温度。数字量给定输出量数字控制器数/模转换器执行器控制对象模/数 转换器测量环节图9-4 温度控制系统结构图四、实验步骤1实验接线1.1 用导线将温度控制单元24V的“+”输入端接到直流稳压电源24V的“+”端；1.2 用导线将温度控制单元05V的“+”输入端接到数据采集卡的“DA1”的输出端，同时将温度变送器的“+”输出端接到数据采集卡的“AD1”处；1.3打开实验平台的电源总开关。2脚本程序的参数整定及运行2.1启动计算机，在桌面双击图标“THBDC-1”，运行实验软件。2.2 顺序点击虚拟示波器界面上的“”按钮和工具栏上的“”按钮(脚本编程器)；2.3

43、在脚本编辑器窗口的文件菜单下点击“打开”按钮，并在“计算机控制技术应用算法”文件夹下选中“温度控制”脚本程序并打开，阅读、理解该程序，然后点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“步长设置”，将脚本算法的运行步长设为100ms；2.3点击脚本编辑器窗口的调试菜单下“启动”；观察温度加热器内温度的变化。2.4 当控制温度稳定在设定值后，再点击脚本编辑器的调试菜单下“停止”，重新配置P、I、D的参数或改变算法的运行步长，等加热器温度冷却后再次启动程序，并观察运行结果。2.5 实验结束后，关闭脚本编辑器窗口，退出实验软件。注：为了更好地观测温度曲线，本实验中可将“分频系数”设置到最大。五、实验报告要求1画出温

44、度控制系统的方框图。2分析P、I、D控制参数对温度加热器中温度控制的影响。六、参考程序dim pv,sv,ei,ex,ey,k,ti,td,q0,q1,q2,op,x,Ts,ux,tv 变量定义sub Initialize(arg) WriteData 0 ,1end subsub TakeOneStep (arg) 初始化函数 pv = ReadData(1) 当前温度电压测量值 sv=50 设置温度 k=20 ti=5 td=0 Ts=0.1 采样时间100ms ei=(sv-35)/30+1.18) -abs(pv) 当前偏差 q0=k*(ei-ex) 比例项 if Ti=0 then

45、q1=0 else q1=K*Ts*ei/Ti 积分项 end if q2=k*td*(ei-2*ex+ey) /Ts 微分项 ey=ex ex=eiop=op+q0+q1+q2if op=3.5 then op=3.5end ifif op=1 then op=1end iftv=35+30*(abs(pv)-1.18) TTTRACE 温度=%f,tv 输出温度 TTRACE op=%f,op TTRACE ei=%f,ei TTRACE pv =%f,pv WriteData op ,1end subsub Finalize (arg) 退出函数WriteData 0 ,1end sub

46、实验十 单容水箱液位定值控制系统（选作实验）一、实验目的1理解单容水箱液位定值控制的基本方法及原理；2了解压力传感器的使用方法；3学习PID控制参数的配置。二、实验设备1THBDC-1型 控制理论计算机控制技术实验平台2THBXD数据采集卡一块(含37芯通信线、16芯排线和USB电缆线各1根)3PC机1台(含软件“THBDC-1”)4THBDY-1单容水箱液位控制系统三、实验原理单容水箱液位定值控制系统的控制对象为一阶单容水箱，主要的实验项目为单容水箱液位定值控制。其执行机构为微型直流水泵，正常工作电压为24V。直流微型水泵控制方式主要有调压控制以及PWM控制，在本实验中采用PWM控制直流微型水泵的转速来实现对单容水箱液位的定值控制。PWM调制与晶体管功率放大器的工作原理参考实验九的相关部分。控制器采用了工业过程控制中所采用的最广泛的控制器PID控制器。通过计算机