自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、自動(dòng)控制原理及應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告 課程名稱：自動(dòng)控制原理及應(yīng)用指導(dǎo)老師：xx學(xué) 院：交通運(yùn)輸學(xué)院專業(yè)班級(jí)：信息與控制一班姓 名：xx學(xué) 號(hào)：xxx 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)是自動(dòng)控制原理課程的一部分，它的任務(wù)是：一方面，通 過(guò)實(shí)驗(yàn)使學(xué)生進(jìn)一步了解和掌握自動(dòng)控制理論的基本概念、控制系統(tǒng)的分析方法 和設(shè)計(jì)方法；另一方面，幫助學(xué)生學(xué)習(xí)和提高系統(tǒng)模擬電路的構(gòu)成和測(cè)試技術(shù)。顯 示打 印計(jì)算機(jī)A/D、D/A模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)TAP-2 型自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的基本結(jié)構(gòu)TAP-2 型控制理論模擬實(shí)驗(yàn)裝置是一個(gè)控制理論的計(jì)算機(jī)輔助實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。如 上圖所示，TAP-2 型控制理論模擬實(shí)驗(yàn)裝置由計(jì)算機(jī)、A/D/A 接口板、模擬實(shí)驗(yàn) 臺(tái)和

2、打印機(jī)組成。計(jì)算機(jī)負(fù)責(zé)實(shí)驗(yàn)的控制、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的采集、分析、顯示、儲(chǔ)存 和恢復(fù)功能，還可以根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)產(chǎn)生各種輸出信號(hào)；模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)是被控對(duì)象， 臺(tái)上共有運(yùn)算放大器 12 個(gè)，與臺(tái)上的其他電阻電容等元器件配合，可組成各種 具有不同系統(tǒng)特性的實(shí)驗(yàn)對(duì)象，臺(tái)上還有正弦、三角、方波等信號(hào)源作為備用信 號(hào)發(fā)生器用；A/D/A 板安裝在模擬實(shí)驗(yàn)臺(tái)下面的實(shí)驗(yàn)箱底板上，它起著模擬與數(shù) 字信號(hào)之間的轉(zhuǎn)換作用，是計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)臺(tái)之間必不可少的橋梁；打印機(jī)可根據(jù) 需要進(jìn)行連接，對(duì)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)、圖形作硬拷貝。實(shí)驗(yàn)臺(tái)由 12 個(gè)運(yùn)算放大器和一些電阻、電容元件組成，可完成自動(dòng)控制原 理的典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)、控制系統(tǒng)

3、穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)頻率特 性測(cè)量、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正、數(shù)字 PID、狀態(tài)反饋與狀態(tài)觀測(cè)器等相應(yīng)實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?學(xué)習(xí)構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路，了解電路參數(shù)對(duì)環(huán)節(jié)特性的影響。 2學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測(cè)量方法，并學(xué)會(huì)由階躍響應(yīng)曲線計(jì)算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)成下述典型環(huán)節(jié)的模擬電路，并測(cè)量其階躍響應(yīng)。 1比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖R2Ui。R1-。Uo+圖 1-1 比例環(huán)節(jié)模擬電路圖2慣性環(huán)節(jié)模擬電路圖CR2Ui。R1-。Uo+圖 1-2 慣性環(huán)節(jié)模擬電路圖3積分環(huán)節(jié)模擬電路圖C1Ui。R1 -。Uo+圖 1-3 積分環(huán)節(jié)模擬電路圖4微分環(huán)節(jié)模擬電路圖C1R1Ui。-。Uo

4、+圖 1-4 微分環(huán)節(jié)模擬電路圖 5比例加微分環(huán)節(jié)模擬電路圖圖 1-5 比例加微分模擬電路圖三、實(shí)驗(yàn)步驟1 連接被測(cè)典型環(huán)節(jié)的模擬電路及 D/A、A/D 連線，檢查無(wú)誤后接通電源。 2 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，執(zhí)行文件“自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)”，設(shè)定采樣周期 T 和采樣點(diǎn)數(shù) N的值。3 在采樣時(shí)，先點(diǎn)擊開始采樣菜單，然后打開階躍開關(guān)，進(jìn)行采樣，觀測(cè)計(jì)算 機(jī)屏幕出現(xiàn)的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)4 記錄波形及數(shù)據(jù)。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 比例：采樣周期：20ms采樣點(diǎn)數(shù)：100采樣總時(shí)間：2.00sR1=500K R2=1M微分：C1=0.1U R2=1M慣性：C=1U R1=500K R2=1M比例加微分：R1=500K R2=1M

5、C1=1U積分：R1=500K C1=1U實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)(一)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究二階系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)：阻尼比 和無(wú)阻尼自然頻率 n 對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響2學(xué)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，確定傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二階系統(tǒng)模擬電路圖三、實(shí)驗(yàn)步驟1取 n =10rad/s，即令 R=100K ，C=1 F；分別取 =0、0.25、0.5、0.7、1、2，即取 R1=100K ，R2 分別等于 0、50K 、100K 、140K 、200K 、400K 。輸入階躍信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄最大超調(diào)量 p 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 的值。2取 =0.5，即取 R1=R2=100K ； n=100rad/

6、s，取 R=100K ，C=0.1 F。注意： 二電容同時(shí)改變，測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄最大超調(diào)量 p 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts 數(shù) 值。3取 R=100K ，C=1 F，R1=100K ，R2=50K ，測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，記錄響 應(yīng)曲線，特別要記錄 p 和的 tp 數(shù)值。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告見(jiàn)下圖二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)(二)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究二階系統(tǒng)的兩個(gè)重要參數(shù)：阻尼比 和無(wú)阻尼自然頻率 n 對(duì)動(dòng)態(tài)性能的影響。2學(xué)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線，確定傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二階系統(tǒng)模擬電路圖系統(tǒng)特征方程為 T2s2+KTs+1=0，其中 T=RC，K=R0/R1。根據(jù)二階系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn) 形式可知， =K/2，通過(guò)調(diào)整 K 可

7、使 獲得希望值。三、實(shí)驗(yàn)步驟1通過(guò)改變 K，使 獲得 0，0.25，0.5，0.75，1.0 等值，在輸入端加同樣幅值 的階躍信號(hào)，觀察過(guò)渡過(guò)程曲線，記下 P 和 tS，將實(shí)驗(yàn)值和理論值進(jìn)行比較。2在同一個(gè) 下，令 T=0.2 秒，0.5 秒，1.0 秒，分別測(cè)出 P 和 tS，比較三條階 躍響應(yīng)曲線的異同。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 見(jiàn)下實(shí)驗(yàn)三控制系統(tǒng)穩(wěn)定分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康谋緦?shí)驗(yàn)的目的在于檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系，由于在控 制理論中所討論的系統(tǒng)穩(wěn)定性是指在脈沖響應(yīng)下，系統(tǒng)響應(yīng)是收斂還是發(fā)散的， 因此本實(shí)驗(yàn)的系統(tǒng)輸入是脈沖函數(shù)。1觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響

8、。二、實(shí)驗(yàn)電路圖圖 4-1 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析模擬電路圖圖中，G(s)=10*K1/(S*(0.1S+1)(T*S+1)K1=R3/R2三、實(shí)驗(yàn)步驟1按照電路圖接好線路，令 C=1 f，改變電位器，使 R3 從 0 1M 方 向 變 化，此時(shí)相應(yīng) K1=010。觀察輸出波形，找到系統(tǒng)產(chǎn)生增幅振蕩時(shí)相應(yīng)的 R3 值及 K1 值；再把電位器電阻由大到小變化，即 R3 從 1M 0，找到 系統(tǒng)輸出從產(chǎn)生等幅振蕩向減幅振蕩變化的 R3 及 K1 值。3在步驟 1 的條件下，使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，即工作在等幅振蕩情況，電 容從 1 f 變成 0.1 f，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 見(jiàn)下圖實(shí)驗(yàn)四

9、系統(tǒng)頻率特性測(cè)量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?加深了解系統(tǒng)及元件頻率特性的物理概念。2掌握系統(tǒng)及元件頻率特性的測(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1模擬電路圖示于圖 5-1。1uf100K100K1ufRUi。-100K100K。Uo-100K+-+圖 5-1 系統(tǒng)頻率特性測(cè)量模擬電路三、實(shí)驗(yàn)步驟1連接被測(cè)系統(tǒng)的模擬電路。2根據(jù)屏幕提示測(cè)量多點(diǎn)輸出與輸入正弦波的振幅比及相位差，并記錄相應(yīng)數(shù) 據(jù)。參考頻率為：f(Hz)=0.5，1，2，4，6，8，最后畫 Bode 圖。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告見(jiàn)下圖實(shí)驗(yàn)五 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正（一）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究串聯(lián)校正環(huán)節(jié)對(duì)系數(shù)穩(wěn)定性及過(guò)渡過(guò)程的影響。2熟悉和掌握系統(tǒng)過(guò)渡過(guò)程的測(cè)量方法。二、系統(tǒng)模擬電

10、路圖及傳遞函數(shù)1串聯(lián)超前校正1）系統(tǒng)模擬電路圖示于圖 6-1。2.串聯(lián)滯后校正1）系統(tǒng)模擬電路圖示于圖 6-3。三、實(shí)驗(yàn)步驟1連接模擬電路圖，開關(guān) S 放在斷開位置，系統(tǒng)加入階躍信號(hào)，測(cè)量系統(tǒng)階躍 響應(yīng)，并記錄超調(diào)量 P 和調(diào)節(jié)時(shí)間 tS。2開關(guān) S 接通，重復(fù)步驟 1。四、實(shí)驗(yàn)報(bào)告見(jiàn)下圖連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正（二）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察串聯(lián)超前、滯后、滯后超前校正對(duì)改善系統(tǒng)性能的作用，學(xué)習(xí)串聯(lián)校正 的基本設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容已知系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖 7-1 所示。GC(S)GO(S)圖 7-1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖給定 GO（S）和性能指標(biāo)要求，設(shè)計(jì)串聯(lián)校正 GC（S）。 觀察 PD、PI，PID 三種校正方式的作

11、用。三、實(shí)驗(yàn)步驟1已知 不加任何校正，觀察系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，如果接近等幅振蕩，記下振蕩的頻率， 模擬線路圖如 7-2。2要求 Kv=100 1/秒， C 50 1/秒， 30%，設(shè)計(jì)一 PD 裝置。這里給出一參考 的 PD 校正，六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 如下圖加PI校正:實(shí)驗(yàn)六數(shù)字 PID一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究 PID 控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及過(guò)渡過(guò)程的影響。2研究采樣周期 T 對(duì)系統(tǒng)特性的影響。3研究 I 型系統(tǒng)及 2 型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖 8-1 所示。Gc (S ) Gh (S ) Gp (S)圖 8-1 PID 控制系統(tǒng)框圖式中，Kp 是比例系數(shù)，KI 是積分系數(shù)，Kd 是微分系數(shù)。其中K i=K PTTiK d=K PTdT三、實(shí)驗(yàn)步驟1連接模擬電路圖，將 U0 信號(hào)作為輸入信號(hào),連接 A/D 2 通道。