自动控制原理实验指导书五个实验精.docx

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自动控制原理实验指导书五个实验精

自动控制原理实验指导书

电力学院自动控制原理实验室

二○○八年三月

目录

实验一典型环节的电路模拟与软件仿真（2

实验二线性定常系统的瞬态响应（6

实验三线性系统稳态误差的研究（8

实验四系统频率特性的测量（11

实验五线性定常系统的串联校正（13

附:

THBDC-1控制理论.计算机控制技术实验平台简介（16

实验一典型环节的电路模拟与软件仿真

一、实验目的

1.熟悉并掌握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,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1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

3.双踪慢扫描示波器1台（可选

4.万用表1只

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.在上位机界面上,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。

四、实验原理

自控系统是由比例、积分、微分、惯性等典型环节按一定的关系连接而成。

熟悉这些环节对阶跃输入的响应,对分析线性系统将是十分有益的。

在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论的阶跃响应曲线和环节的模拟电路图。

五、实验步骤

1.熟悉实验台,利用实验台上的各电路单元,构建所设计比例环节（可参考本实验附录的模拟电路并连接好实验电路;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。

2.把采集卡接口单元的输出端DA1、输入端AD2与电路的输入端Ui相连,电路的输出端Uo则与采集卡接口单元中的输入端AD1相连。

连接好采集卡接口单元与PC上位机的通信线。

待接线完成并检查无误后,操作“THBDC-1”软件。

具体操作步骤如下;

1打开PC机,运行软件“THBDC-1”。

2运行“系统”—“通道设置”命令,选择相应的数据采集通道（如双通道,通道1-2,然后点击“开始采集”按钮,进行数据采集。

3运行“窗口”—“虚拟示波器”命令。

在左边选择X-t显示模式,在右边选择相应的数据显示通道,同时点击相应的“显示”按钮;然后点击“虚拟示波器”左边的“开始”按钮开始采集实验数据。

3运行“窗口”—“信号发生器”命令,在信号波形类型中选择“周期阶跃信号”;信号幅度为“1V”;信号占空比为“100%”,其它选项的不变。

4改变虚拟示波器的显示量程（μS/div或ms/div及输入波形的放大系数,以便更清晰地观测波形（一般选择128ms/d。

5点击“虚拟示波器”上的“暂停”及“存储”按钮,保存实验波形。

3.参照本实验步骤1、2,依次构建相应的积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节及惯性环节;并观察各个环节实验波形及参数。

注意:

凡是带积分环节的,都需要在实验前按下“锁零按钮”对电路的积分电容放电;实验时再次按下“锁零按钮”取消锁零。

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,并可与实验观察到的波形相比较。

注意:

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.根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。

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。

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?

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。

其中1

2RRK=;这里取R1=100K,R2=200K,R0=200K。

通过改变电路中R1、R2的阻值,

可改变放大系数。

图1-1比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线

实验台上的参考单元:

U10、U52.积分（I环节

积分环节的传递函数与方框图分别为

K

sususGio==

（（（Ts

sususGio1

（（（=

=

S

SCS

RCSRsususGio1.011.01

（（（12+=

+=

=

其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-2所示。

图1-2积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线

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。

实验台上的参考单元:

U7、U53.比例积分（PI环节

积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1-3所示。

其中1

2RRK=

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

通过改变

R2、R1、C的值可改变比例积分环节的放大系数K和积分时间常数T。

图1-3比例积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线

实验台上的参考单元:

U12、U54.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:

1（1（（11

2CSRRRTSKsG+=

+=其中CRTRRK112,/==

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=10uF,R1=100K,R2=200K,R0=200K。

通过改变R2、R1、C的值可改变比

11（11

（（（21

211

212CS

RRRCS

RRRCS

RCSRsususGio+

=+

=+=

=

例微分环节的放大系数K和微分时间常数T。

实验台上的参考单元:

U10、U55.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STS

TKpsGdi++

=1（其中2

12

211CRCRCRKp+=

21CRTi=,12CRTd=

S

CRSCRSCR211122

1（1（++=

SCRS

CRCRCRCR12212

11

1221++

+=

S

S

1.01.012++

=（当KP=2,Ti=0.1,Td=0.1时

其模拟电路和单位阶跃响应曲线分别如图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Td和积分时间常数Ti。

实验台上的参考单元:

U12、U56.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曲线分别如图1-6所示。

其中1

2RRK=

T=R2C,这里取C=1uF,R1=100K,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。

图1-6惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线

实验台上的参考单元:

U7、U5

1

（（（+==TSK

sususGi

o

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。

二、实验设备

同实验一。

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。

1,测出此时系统的超调量和调

2.调节二阶系统的开环增益K,使系统的阻尼比ζ=

2

整时间。

3.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。

在实验中观测这三种情况下系统的阶跃响应曲线。

四、实验步骤

1.利用实验平台上的通用电路单元,设计一个由积分环节和一个惯性环节相串联组成的二阶闭环系统的模拟电路（具体可参考本实验附录的图1-2。

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。

注意:

凡是带积分环节的,都需要在实验前按下“锁零按钮”对电路的积分电容放电;实验时再次按下“锁零按钮”取消锁零。

2.把采集卡接口单元的输出端DA1、输入端AD2与电路的输入端相连,电路的输出端则与采集卡接口单元中的输入端AD1相连。

连接好采集卡接口单元与PC上位机的通信线。

待接线完成并检查无误后,在PC机上启动“THBDC-1”软件。

具体操作步骤如下;

1打开PC机,运行软件“THBDC-1”。

2运行“系统”—“通道设置”命令,选择相应的数据采集通道（如双通道,通道1-2,然后点击“开始采集”按钮,进行数据采集。

3运行“窗口”—“虚拟示波器”命令。

在左边选择X-t显示模式,在右边选择相应的数据显示通道,同时点击相应的“显示”按钮;然后点击“虚拟示波器”左边的“开始”按钮开始采集实验数据。

4运行“窗口”—“信号发生器”命令,在信号波形类型中选择“周期阶跃信号”;信号幅度为“1V”;信号占空比为“100%”,其它选项的不变,点击信号发生器“开始”。

5改变虚拟示波器的显示量程（μS/div或ms/div及输入波形的放大系数,以便更清晰地观测波形（一般选择128ms/d。

6点击“虚拟示波器”上的“暂停”及“存储”按钮,保存实验波形。

3.观察二阶系统模拟电路的阶跃响应曲线,记录时间及与其对应的输出幅值,并测出

4.改变二阶系统模拟电路的开环增益K（改变图1-2所示电路中Rx的阻值,具体数值参考本实验附录,观测当阻尼比ξ为不同值时系统的动态性能。

5.根据计算机保存的实验参数及波形,完成实验报告。

五、实验报告要求

1.根据图1-1的实验电路图,写出其闭环传递函数。

2.根据测得参数画出系统的单位阶跃响应曲线,并求出超调量和调节时间,分析阻尼比对系统动态特性的影响。

六、附录

典型二阶系统的方框图为

图2-1二阶系统的方框图

2

11TTKn=

ω,1

122

1

TKT=ξ

系统的模拟电路如图2-2所示（实验台上的参考单元:

U6、U7、U10、U5

图2-2二阶系统的模拟电路图

其中C1=1uF,C2=10uF,R1=100K,R2=100K,R0=200K,Rx阻值可调范围为0~100K。

改变图2-2中电位器Rx的大小,就能看到系统在不同阻尼比ζ时的时域响应特性,其中

Rx=10K时0<ζ<1Rx=47K时ζ>1

实验三线性系统稳态误差的研究

一、实验目的

1.了解不同典型输入信号对于同一个系统所产生的稳态误差。

2.了解一个典型输入信号对不同类型系统所产生的稳态误差。

3.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和斜坡响应,并测出它们的稳态误差。

2.观测Ⅰ型二阶系统的单位阶跃和斜坡响应,并测出它们的稳态误差。

3.观测Ⅱ型二阶系统的单位斜坡和抛物线响应,并测出它们的稳态误差。

四、实验原理

下图为控制系统的方框图:

该系统误差E（S的表达式为:

（1（（SGSRSE+=

式中G（S和H（S分别为系统前向通道和反馈通道中的传递函数。

由上式可知,系统的误差不仅与其结构参数有关,而且也与其输入信号R（S的大小有关。

本实验就是研究系统的稳态误差与上述因素间的关系。

有关0型、Ⅰ型和Ⅱ型系统跟踪不同的输入信号时稳态误差的理论计算及其实验参考模拟电路,请参见附录。

五、实验步骤

1.利用实验平台上的通用电路单元,设计（具体可参考本实验附录中的图3-2一个由两个惯性环节组成的0型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.把采集卡接口单元的输出端DA1、输入端AD2与电路的输入端相连,电路的输出端则与采集卡接口单元中的输入端AD1相连。

连接好采集卡接口单元与PC上位机的通信线。

待接线完成并检查无误后,在PC机上启动“THBDC-1”软件。

观测0型二阶模拟电路的阶跃特性,保存实验曲线并测出其稳态误差。

3.参考实验步骤2观测0型二阶模拟电路的斜坡响应曲线,并保存实验曲线,据此确定其稳态误差。

4.参考实验步骤1、2、3,设计（具体可参考本实验附录中的图3-4一个由一个积分环节（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组成的Ⅰ型二阶闭环系统的模拟电路。

并用上位机软件“THBDC-1”观测该系统的阶跃特性和斜坡特性,保存实验曲线并分别测出其稳态误差。

5.参考实验步骤1、2、3,设计（具体可参考本实验附录中的图3-6一个由两个积分环

节和一个比例微分环节组成的Ⅱ型二阶闭环系统的模拟电路。

并用上位机软件“THBDC-1”观测该系统的斜坡特性和抛物线特性,保存实验曲线并分别测出其稳态误差。

注意:

1、以上实验步骤2、3、4、5中的具体操作方法,请参阅“实验一”中的实验步骤2。

6.本实验所用的阶跃信号、斜坡信号可由实验平台的“函数信号发生器”、上位机软件的“信号发生器”或VBS脚本编辑器编程产生,但抛物线信号必须由上位机软件的“信号发生器”或VBS脚本编辑器编程产生。

六、实验报告要求

1.画出0型二阶系统的方框图和模拟电路图,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。

2.画出Ⅰ型二阶系统的方框图和模拟电路图,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。

3.画出Ⅱ型二阶系统的方框图和模拟电路图,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。

七、实验思考题

1.为什么0型系统不能跟踪斜坡输入信号?

2.为什么0型系统在阶跃信号输入时一定有误差存在?

3.为使系统的稳态误差减小,系统的开环增益应取大些还是小些?

4.解释系统的动态性能和稳态精度对开环增益K的要求是相矛盾的,如何解决这对矛盾?

八、附录

1.0型二阶系统

0型二阶系统的方框图和模拟电路图分别为图3-1和图3-2所示。

图3-10型二阶系统的方框图图3-20型二阶系统的模拟电路图

2.Ⅰ型二阶系统

图3-4和图3-5分别为Ⅰ型二阶系统的方框图和模拟电路图。

图3-4Ⅰ型二阶系统的方框图

图3-5Ⅰ型二阶系统的模拟电路图

实验台上的参考单元:

U6、U7、U10

3.Ⅱ型二阶系统

图3-6和图3-7分别为Ⅱ型二阶系统的方框图和模拟电路图。

图3-6Ⅱ型二阶系统的方框图

图3-7Ⅱ型二阶系统的模拟电路图

实验台上的参考单元:

U6、U13、U7、U8、U5

实验四系统频率特性的测量

一、实验目的

1.了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法。

2.根据实验求得的频率特性曲线求取传递函数。

二、实验设备

同实验一。

三、实验内容

1.惯性环节的频率特性测试。

2.二阶系统频率特性测试。

4.由实验测得的频率特性曲线,求取相应的传递函数。

四、实验原理

设G（S为一最小相位系统（环节的传递函数。

如在它的输入端施加一幅值为Xm、频率为ω的正弦信号,则系统的稳态输出为

sin（（sin（ϕωωϕω+=+=tjGXmtYym①

由式①得出系统输出,输入信号的幅值比

（

（ωωjGXmjGXmXmYm

==②显然,（ωjG是输入X（t频率的函数,故称其为幅频特性。

如用db（分贝表示幅频值的大小,则式②可改写为

XmYm

jGLgLlg20（20（==ωω③

在实验时,只需改变输入信号频率ω的大小（幅值不变,就能测得相应输出信号的幅值Ym,代入上式,就可计算出该频率下的对数幅频值。

关于被测环节和系统的模拟电路图,请参见附录。

五、实验步骤

1.利用实验平台上的通用电路单元,设计一个惯性环节（可参考本实验附录的图4-4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.把采集卡接口单元的输出端DA1、输入端AD2与电路的输入端相连,电路的输出端则与采集卡接口单元中的输入端AD1相连。

连接好采集卡接口单元与PC上位机的通信线。

待接线完成并检查无误后,在PC机上启动“THBDC-1”软件。

具体操作步骤如下:

①点击“通道设置”按钮,选择相应的数据采集通道（双通道,然后点击“开始采集”按钮,进行数据采集。

②点击“虚拟示波器”按钮,选择“Bode”图显示模式,然后点击“开始”按钮。

③点击“信号发生器”按钮,选择“正弦波信号”,并设置好信号幅值,然后点击“变频输出（频率范围为0.1~30Hz”及“开始”按钮,即可观测环节的幅频特性。

注:

②与③操作顺序不可颠倒。

④点击“暂停”及“存储”按钮”,保存实验波形。

3.利用实验平台上的通用电路单元,设计一个二阶闭环系统（可参考本实验附录的图4-7的模拟电路。

完成二阶系统闭环频率特性曲线的测试,并求取其传递函数。

具体操作步骤请参考本实验步骤2。

4.根据实验时存储的波形完成实验报告。

六、实验报告要求

1.写出被测环节和系统的传递函数,并画出相应的模拟电路图。

2.把实验测得数据列表,绘出它们的Bode图,并分析实测的Bode图产生误差的原因。

3.根据由实验测得二阶闭环频率特性曲线,写出该系统的传递函数。

七、实验思考题

1.在实验中如何选择输入正弦信号的幅值?

2.用示波器测试相频特性时,若把信号发生器的正弦信号送入Y轴,被测系统的输出信号送至X轴,则根据椭圆光点的转动方向,如何确定相位的超前和滞后?

3.根据上位机测得的Bode图的幅频特性,就能确定系统（或环节的相频特性,试问这在什么系统时才能实现?

八、附录

1.惯性环节

电路图为:

图4-1惯性环节的电路图图4-2典型二阶系统的方框图

其中C=1uF,R1=100K,R2=100K,R0=200K

其幅频特性为

实验台上的参考单元:

U7、U5

3.二阶系统

传递函数和方框图为:

其模拟电路图为

图4-3典型二阶系统的电路图

其中Rx可调。

这里可取100K1（>ξ、10K707.00（<<ξ两个典型值。

实验台上的参考单元:

U6、U10、U5

实验五线性定常系统的串联校正

在系统分析的基础上,引入某些参数可以根据需要而改变的辅助装置,来改善系统的性能,这里所用的辅助装置又叫校正装置。

一般来说,原始系统除放大器增益可调外,其结构参数不能随意改变,有的地方将这些部分称之为“不可变部分”。

这样的系统常常不能满足要求。

如为了改善系统的稳态性能可考虑提高增益,但系统的稳定性常常受到破坏,甚至有可能造成不稳定。

为此,人们常常在系统中引入一些特殊的环节——校正装置,以改善其性能指标。

在试验应用中,如何根据试验条件和要求来正确选择校正装置是我们必须掌握的技能。

本实验为设计性实验,对给定系统串联超前校正进行研究,以知道我们合理设计与选用校正装置。

一、实验目的

1.熟悉串联校正装置的结构和特性;

2.掌握串联校正装置的设计方法和系统的实时调试技术。

二、实验设备

同实验一。

三、实验内容

1.观测未加校正装置时系统的动、静态性能。

2.按动态性能的要求,分别用时域法或频域法（期望特性设计串联校正装置。

3.观测引入校正装置后系统的动、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。

4.利用上位机软件,分别对校正前和校正后的系统进行仿真,并与上述模拟系统实验的结果相比较。

四、实验原理

下图是一串联校正系统的方块图:

图中校正装置Gc（S与实验电路G0（S是串联相连接。

串联校正装置有两种:

一种是超前校正,它是利用超前校正装置的相位超前特性来改善系统的动态性能;另一种是滞后校正,它是利用滞后校正装置的高频幅值衰减特性,使系统在满足静态性能的前提下又能满足其动态性能的要求。

本实验采用串联超前校正,使校正后的系统同时能满足动态和稳态性能的要求。

有关串联校正装置的设计和实验系统的模拟电路,请参看附录。

五、实验步骤

1.利用实验台上的各通用单元,组建所设计二阶闭环系统的模拟电路图（参考本实验附录中的图5-1,并连接好实验电路;当检查接线无误后,接通实验台的电源总开关,并开启±5V,±15V直流稳压电源。

2.把采集卡接口单元的输出端DA1、输入端AD2与电路的输入端相连,电路的输出端则与采集卡接口单元中的输入端AD1相连。

连接好采集卡接口单元与PC上位机的通信

线。

待接线完成并检查无误后,在PC机上启动“THBDC-1”软件。

在系统的输入端输入一阶跃信号,观测该系统的稳定性和动态性能指标。

具体步骤参考实验一的步骤2。

3.参阅本实验的附录,按对系统性能指标的要求设计串联校正装置的传递函数和相应的模拟电路。

4.利用实验平台,根据步骤3设计校正装置的模拟电路（具体可参考本实验附录的图5-3,并把校正装置串接到步骤1所设计的二阶闭环系统的模拟电路中（图5-4。

然后输入一阶跃信号,观测该系统的稳定性和动态性能指标。

5.改变串联校正装置的相关参数,使系统的性能指标均满足预定的设计要求。

6.利用上位机软件提供的软件仿真功能,完成线性系统串联校正的软件仿真研究,并对电路模拟与软件仿真结果进行相比较。

利用上位机软件提供的软件仿真功能完成线性系统软件仿真的具体操作方法请参阅“实验一”中的实验步骤4。

7.根据实验时存储的波形完成实验报告。

六、实验报告要求

1.根据对系统性能的要求,设计系统的串联校正装置,并画出它的电路图。

2.根据实验结果,画出校正前系统的阶跃响应曲线及相应的动态性能指标。

3.观测引入校正装置后系统的阶跃响应曲线,并对实验所得的性能指标与理论计算值作比较。

4.实时调整校正装置的相关参数,使系统的动、静态性能均满足设计要求,并分析相应参数的改变对系统性能的影响。

七、实验思考题

1.加入超前校正装置后,为什么系统的瞬态响应会变快?

2.什么是超前校正装置和滞后校正装置,它们各利用校正装置的什么特性对系统进行校正?

3.实验时所获得的性能指标为何与设计时确定的性能指标有偏差?

八、附录

1.时域校正法

加校