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自动控制理论实验指导书student
自动控制理论
实验指导书
北京林业大学
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。
它可以处理线性定常,时变、非线性以及多输入、多输出等复杂的控制系统等问题。
自动控制理论课程的实验是教学的重要环节,在理论讲授的基础上,配合学生动手实验课可巩固所学知识,培养学生思考实际问题,解决实际问题的能力。
自动控制理论实验是在EL-AT-II型自动控制实验装置上,通过对单元电路的灵活组合,构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。
可以使学生把主要精力集中在系统电路和系统特性的研究上。
本实验装置系统采用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。
EL-AT-II型自动控制实验系统支持自动控制理论课的所有实验,通过一系列实验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。
目录
第一章实验系统简介与使用………………...…………………………..……3
第二章实验系统部分………………………...………………………………..5
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…………………………………….…………..9
实验三控制系统的稳定性分析……………………………….…………..13
实验四连续系统串联校正…………………………………….…………..15
实验时间安排:
实验一和实验二两个实验2小时
实验三2小时
实验四为综合性设计实验4小时
实验五和实验六两个实验2小时
第一章实验系统简介与使用
一、实验系统简介
EL-AT-II型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,实验箱主要构成被控模拟对象。
图1实验系统构成
实验箱面板如图2:
图2实验箱面板
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3。
图3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4,在对话框内填入与计算机相连的串口值。
图4串口设置对话框
2)实验前通讯口的测试
测试方法:
接通电源点击[系统设置-通信串口测试]如图5,点击通信串口测试按钮,控制测试区内将出现0-255个数据,如图6,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。
图5串口测试窗口图6测试结果
第二章实验系统部分
实验一典型环节及其阶跃响应
一、实验目的
1.掌握控制系统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.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台
2.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RC网络法来模拟各种典型环节和系统,即利用运算放大器的不同输入网络和反馈网络来模拟各种典型环节,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各种性能指标。
若改变系统的参数,还可进一步分析研究系统参数对系统性能的影响。
2.系统时域性能指标的测量方法:
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。
超调量
6)用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值,代入下式算出超调量:
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%或98%稳态值所需的时间值,便可得到系统的峰值时间和过渡过程时间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。
G(S)=R2/R1
2.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/R1,T=R2C
3.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.
比例+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。
比例环节
3.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-1)。
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及数据。
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4~7
积分环节
10.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-3)。
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4~7
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4~7
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4~7
18.测量系统的阶跃响应曲线,并记入上表。
六、实验报告
1.由模拟电路求取各个典型环节的传递函数;
2.由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数,与由电路计算的结果相比较。
3.将实验中测得的曲线、数据及理论计算值,整理列表,理论与实际的曲线和数据加以比较和分析。
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、分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理。
参数
阶跃响应曲线
TS(秒)
理论值
实测值
R1=R2=
100K
C=1uf
K=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=100K
R2=200K
C=1uf
K=2T=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
实验二二阶系统阶跃响应
一、实验目的
1.研究典型二阶系统的特征参数,阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响。
定量分析和n与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系;
2.进一步掌握模拟电路实现控制系统的方法;
3.根据控制系统的阶跃响应曲线确定系统传递函数。
二、实验仪器
1.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台
2.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RC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。
3.域性能指标的测量方法:
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ts。
四、实验内容
典型二阶系统的闭环传递函数为
(1)
其中和n对系统的动态品质有决定性的影响。
R2
图2-1构成典型二阶系统的模拟电路:
图2-1二阶系统模拟电路图
电路的原理结构如图2-2:
图2-2二阶系统结构图
系统的闭环传递函数为
式中T=RC,K=R2/R1。
比较式
(1)、
(2),可得
n=1/T=1/RC
=K/2=R2/2R1(3)
由(3)式可知,改变R2/R1的比值,可以改变二阶系统的阻尼比。
改变RC值可以改变二阶系统的无阻尼自然振荡频率n。
取R1=200K,R2=从0K到400K之间得值,可得实验所需的各种不同的阻尼比。
电阻R取100K,电容C分别取1f和0.1f,可得两个不同的无阻尼自然振荡频率n。
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n=10rad/s,即令R=100K,C=1f;分别取=0,0.25,0.5,1,即取R1=100K,R2分别等于0,50K,100K、200K。
输入阶跃信号,测量不同的时系统的单位阶跃响应,并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间ts的数值和系统的响应动态曲线,并与理论值比较。
6.取=0.5。
即电阻R2取R1=R2=100K;n=100rad/s,即取R=100K,改变电路中的电容C=0.1f(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Mp和调节时间ts。
7.取R=100K;改变电路中的电容C=0.1f,R1=100K,调节电阻R2=50K。
输入阶跃信号测量系统阶跃响应,记录响应曲线,特别要记录Mp和ts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
Mp%
tp(ms)
ts(ms)
阶跃响应曲线
R=100K
C=1μf
ωn=10rad/s
R1=100K
R2=0K
ζ=0
R1=100K
R2=50K
ζ=0.25
R1=100K
R2=100K
ζ=0.5
R1=50K
R2=200K
ζ=1
R1=100K
C1=C2=0.1μf
ωn=100rad/s
R1=100K
R2=100K
ζ=0.5
R1=100K
R2=50K
ζ=0.25
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ζ,ωn的关系。
2.把不同和n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并相比较。
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ζ、ωn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.观察系统的稳定,不稳定和临界稳定的现象。
2.研究系统开环增益和时间常数对系统稳定性的影响。
二、实验仪器
1.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台
2.计算机一台
三、实验内容
控制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K=10K1,K1=R3/R2,R2=100K,R3=0~500K;T=RC,R=100K,C=1f或C=0.1f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.分别取R3的值为50K,200K,100K,此时相应的K=10K1=5,10,20。
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=200k,100k,50k,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1f变成0.1f,重复实验步骤4观察系统稳定性的变化,找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K值。
7.将实验结果添入下表中:
系统参数和阶跃响应曲线
参数
系统响应曲线
C=1uf
R3=50K
K=5
R3=100K
K=10
R3=200K
K=20
C=0.1uf
R3=50K
K=5
R3=100K
K=10
R3=200K
K=20
C=1uf
等幅振荡R3=
C=0.1uf
等幅振荡R3=
五、实验报告
1.画出步骤5的模拟电路图。
2.画出系统增幅或减幅变化时系统阶跃响应的波形图。
3.测量系统输出产生等幅振荡变化的R3,并计算对应的K.
4.理论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。
实验四连续系统串联校正(综合设计性实验)
一、实验目的
1.加深理解控制系统的时域法和频域法分析法。
2.加深理解控制系统的串联校正装置对系统动态性能的校正作用。
3.掌握控制系统校正装置的实现电路(有源网络,无源网络)。
4.对给定系统根据指标要求进行串联校正设计,并通过模拟实验检验设计的正确性。
二、实验仪器
1.EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台
2.计算机一台
三、实验内容
1.串联超前校正设计
系统的结构图如图所示,
系统结构图
要求系统串入超前校正装置,
(1)系统在单位斜坡作用下,系统地稳态误差
;
(2)使系统的相角裕量大于
,开环剪切频率
,(对应时域指标超调量小于25%,过渡过程时间小于0.8秒),
设计超前校正装置,绘出原系统和校正后系统的模拟实现电路。
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.连接被测量的原系统的模拟电路。
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.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,并记录原系统超调量Mp%和调节时间ts。
5.连接被测量的校正后系统的模拟电路。
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。
6.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,并记录校正后系统超调量Mp%和调节时间ts。
将两次所测的波形进行比较。
并将测量结果记入下表中:
超前校正系统
指标
校正前
校正后
阶跃响应曲线
Mp%
Tp(秒)
Ts(秒)
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.画出校正前,后系统的对数坐标图,并求出校正后系统的ω′c及ν′。
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.熟悉系统的串联校正方法和校正装置实现电路,明确校正前系统的ωc及ν。
2.计算串联超前和串联滞后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ω′c及ν′。
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