自動控制原理實驗指導書

1、實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應一、實驗目的1.掌握控制模擬實驗的基本原理和一般方法。2.掌握控制系統(tǒng)時域性能指標的測量方法。二、實驗儀器1.自動控制原理掛箱(DSC022.PC計算機一臺三、實驗原理1.模擬實驗的基本原理:控制系統(tǒng)模擬實驗采用復合網(wǎng)絡法來模擬各種典型環(huán)節(jié),即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡和反饋網(wǎng)絡模擬各種典型環(huán)節(jié),然后按照給定系統(tǒng)的結構圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來,便得到了相應的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端,并利用計算機等測量儀器,測量系統(tǒng)的輸出,便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及性能指標。若改變系統(tǒng)的參數(shù),還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2.時域性能指標的測量方法:超調

2、量%:1啟動計算機,在桌面雙擊圖標自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。2測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。3連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4在實驗課題下拉菜單中選擇實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應。5鼠標單擊實驗課題彈出實驗課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設置窗口中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。6利用軟件上的游標測量響應曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值,帶入下式算出超調量:T P 與TS: 利用軟件的游標測量水平方向上從零到

3、達最大值與從零到達95%穩(wěn)態(tài)值所需的時間值,便可得到TP 與TS。四、實驗內容構成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路,并測量其階躍響應:1.比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-1。G(S= -R2/R12.慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-2。G(S= - K/TS+1K=R2/R1,T=R2C3.積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-3。G(S=-1/TST=RC4.微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-4。 G(S= - RCS5.比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-5(未標明的C=0.01uf。G(S= -K(TS+1K=R2/R1,T=R2C6.比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1

4、-6。G(S=-K(1+1/TSK=R2/R1,T=R2C五、實驗步驟1.啟動計算機,在桌面雙擊圖標自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。2.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常后繼續(xù)以下實驗。(每次改變線路后,需重新測試比例環(huán)節(jié)3.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-1。電路的輸入U1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4.在實驗課題下拉菜單中選擇實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應。5.鼠標單擊實驗課題彈出實驗課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設置窗口中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。6.觀測計算機屏幕顯示出的響應曲線。7.記

5、錄波形及數(shù)據(jù)(由實驗報告確定。慣性環(huán)節(jié)8.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-2。電路的輸入U1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。9.實驗步驟同47積分環(huán)節(jié)10.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-3。電路的輸入U1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。11.實驗步驟同47微分環(huán)節(jié)12.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-4。電路的輸入U1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。13.實驗步驟同47比例+積分

6、環(huán)節(jié)14.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-6。電路的輸入U1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。15.實驗步驟同4716.測量系統(tǒng)的階躍響應曲線,并記入于表1-1。六、實驗報告1.由階躍響應曲線計算出慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù),并與由電路計算的結果相比較。2.將實驗中測得的曲線、數(shù)據(jù)及理論計算值,整理列表。七、預習要求1.閱讀實驗原理部分,掌握時域性能指標的測量方法。2.分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。表1-1 實驗二二階系統(tǒng)階躍響應一、實驗目的1.研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù),阻尼比和無阻尼自然頻率n對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。定量分析和

7、n 與最大超調量Mp和調節(jié)時間tS之間的關系。2.進一步學習實驗系統(tǒng)的使用方法3.學會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應曲線確定傳遞函數(shù)。二、實驗儀器1.自動控制原理掛箱(DSC022.PC計算機一臺三、實驗原理1.模擬實驗的基本原理:控制系統(tǒng)模擬實驗采用復合網(wǎng)絡法來模擬各種典型環(huán)節(jié),即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡和反饋網(wǎng)絡模擬各種典型環(huán)節(jié),然后按照給定系統(tǒng)的結構圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來,便得到了相應的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端,并利用計算機等測量儀器,測量系統(tǒng)的輸出,便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應曲線及性能指標。若改變系統(tǒng)的參數(shù),還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。3.域性能指標的測量方法:超調量

8、%:1啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。2測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。3連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4在實驗課題下拉菜單中選擇實驗二二階系統(tǒng)階躍響應 。5鼠標單擊實驗課題彈出實驗課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設置窗口中設置相應的實驗參數(shù)后鼠標單擊確認等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結果。6 利用軟件上的游標測量響應曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值,帶入下式算出超調量: T P 與T S :利用軟件的游標測量水平方向上

9、從零到達最大值與從零到達95%穩(wěn)態(tài)值所需的時間值,便可得到T P 與T S 。四、實驗內容典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為(2222nn ns s S += (1 其中 和n 對系統(tǒng)的動態(tài)品質有決定的影響。電路的結構圖如圖2-2:(222/1/11/2TS T K S T S U S U s +-= (2圖2-1 二階系統(tǒng)模擬電路圖圖2-2 二階系統(tǒng)結構圖式中 T=RC,K=R2/R1。比較(1、(2二式,可得=1/T=1/RCn=K/2=R2/2R1 (3 由(3式可知,改變比值R2/R1,可以改變二階系統(tǒng)的阻尼比。改變RC值可。以改變無阻尼自然頻率n取R1=200K,R2=100K和200K,

10、可得實驗所需的阻尼比。電阻R取100K,。電容C分別取1f和0.1f,可得兩個無阻尼自然頻率n五、實驗步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。3.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。4.在實驗課題下拉菜單中選擇實驗二二階系統(tǒng)階躍響應, 鼠標單擊該選項彈出實驗課題參數(shù)窗口。5.取=10rad/s, 即令R=100K,C=1f;分別取=0.5、1、2,即取R1=100

11、K,nR2分別等于100K、200K、400K。輸入階躍信號,測量不同的時系統(tǒng)的階躍響應,并由顯示的波形記錄最大超調量Mp和調節(jié)時間Ts的數(shù)值和響應動態(tài)曲線,并與理論值比較。=100rad/s, 即取R=100K,改變6.取=0.5。即電阻R2取R1=R2=100K;n電路中的電容C=0.1f(注意:二個電容值同時改變。輸入階躍信號測量系統(tǒng)階躍響應,并由顯示的波形記錄最大超調量p和調節(jié)時間Tn。7.取R=100K;改變電路中的電容C=1f,R1=100K,調節(jié)電阻R2=50K。輸入階躍信號測量系統(tǒng)階躍響應,記錄響應曲線,特別要記錄Tp和p的數(shù)值。8.測量二階系統(tǒng)的階躍響應并記入表中:表2-1

12、六、實驗報告1.畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖,討論典型二階系統(tǒng)性能指標與,n的關系。條件下測量的Mp和ts值列表,根據(jù)測量結果得出相應結論。2.把不同和n3.畫出系統(tǒng)響應曲線,再由ts和Mp計算出傳遞函數(shù),并與由模擬電路計算的傳遞函數(shù)相比較。七、預習要求1. 閱讀實驗原理部分,掌握時域性能指標的測量方法。2. 按實驗中二階系統(tǒng)的給定參數(shù),計算出不同、n下的性能指標的理論值。實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析一、實驗目的1.觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2.研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。二、實驗儀器1.自動控制原理掛箱(DSC022.PC計算機一臺三、實驗內容系統(tǒng)模擬電路圖如圖3-1 圖3-1 系統(tǒng)模擬

13、電路圖其開環(huán)傳遞函數(shù)為:G(s=10K/s(0.1s+1(Ts+1式中 K1=R3/R2, R2=100K,R3=0100K;T=RC,R=100K,C=1f或C=0.1f 兩種情況。四、實驗步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2.啟動計算機,在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。3.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。4.在實驗課題下拉菜單中選擇實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析, 鼠標單擊該選項彈出實驗課題參數(shù)窗口。

14、其中設置輸入信源電壓U1=1V,點擊確認觀察波形。5.取R3的值為50K,100K,200K,此時相應的K=5,10,20。觀察不同R3值時顯示區(qū)內的輸出波形(既U2的波形,找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時相應的R3及K值。再把電阻R3由大至小變化,即R3=200k,100k,50k,觀察不同R3值時顯示區(qū)內的輸出波形, 找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩變化的R3及K 值,并觀察U2的輸出波形。6.在步驟5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。改變電路中的電容C由1f變成0.1f,重復實驗步驟4觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。7.將實驗結果填入下表中:表3-1 五、實驗報告1.畫出步驟5的模擬電路圖。

15、2.畫出系統(tǒng)增幅或減幅振的波形圖。3.計算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù),并與步驟5中測得的臨界放大系數(shù)相比較。六、預習要求1.分析實驗系統(tǒng)電路,掌握其工作原理。2.理論計算系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩、增幅振蕩、減幅振蕩的條件。實驗五連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實驗目的1. 加深理解串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能的校正作用。2. 對給定系統(tǒng)進行串聯(lián)校正設計,并通過模擬實驗檢驗設計的正確性。二、實驗儀器1自動控制原理掛箱(DSC022.PC計算機一臺三、實驗內容1.串聯(lián)超前校正(1系統(tǒng)模擬電路圖如圖5-1,圖中開關S斷開對應未校情況,接通對應超前校正。 圖5-1 超前校正電路圖(2系統(tǒng)結構圖如圖5-2 圖5-2 超前校正系統(tǒng)結構

16、圖圖中 Gc1(s=2 2.串聯(lián)滯后校正(1模擬電路如圖5-3,開關s斷開對應未校狀態(tài),接通對應滯后校正。 圖5-3 滯后校正模擬電路圖(2系統(tǒng)結構圖如圖5-4所示 圖5-4 滯后系統(tǒng)結構圖圖中 Gc1(s=10 3.串聯(lián)超前滯后校正(1模擬電路圖如圖5-5,雙刀開關斷開對應未校狀態(tài),接通對應超前滯后校正。 (2系統(tǒng)結構圖示如圖5-6。 圖5-6 超前滯后校正系統(tǒng)結構圖圖5-5 超前滯后校正模擬電路圖自動控制原理實驗指導書 圖中 Gc1(s=6 四、實驗步驟 1.啟動計算機，在桌面雙擊圖標 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。 2.測試計算機與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找 原因

17、使通信正常后才可以繼續(xù)進行實驗。 超前校正 3.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖 5-1。電路的輸入 U1 接 A/D、D/A 卡 的 DA1 輸出，電路的輸出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 輸入。檢查無誤后接通電源。 4.開關 s 放在斷開位置。 5.選中 實驗課題 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正超前校正 菜單項, 鼠標單擊將 彈出參數(shù)設置窗口。系統(tǒng)加入階躍信號。參數(shù)設置完成后鼠標單擊確認測量系統(tǒng) 階躍響應，并記錄超調量sp 和調節(jié)時間 ts。 表 51 超前校正系統(tǒng)前后波形圖及參數(shù)對比 超前校正系統(tǒng) 指標 校正前 校正后 階躍響應曲線 % Tp(s Ts(s 6.開關 s 接通，重復步驟 5,

18、將兩次所測的波形進行比較。并將測量結果記入 下表 5-1 中： 滯后校正 7.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖 5-3。電路的輸入 U1 接 A/D、D/A 卡 的 DA1 輸出，電路的輸出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 輸入。檢查無誤后接通電源。 8.開關 s 放在斷開位置。 9.選中 實驗課題 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正滯后校正 菜單項,鼠標單擊將 15 自動控制原理實驗指導書 彈出參數(shù)設置窗口。系統(tǒng)加入階躍信號。參數(shù)設置完成后鼠標單擊確認測量系統(tǒng) 階躍響應，并記錄超調量sp 和調節(jié)時間 ts。 10.開關 s 接通，重復步驟 9,將兩次所測的波形進行比較。并將測量結果錄 入表 5-2 中

19、： 表 52 滯后校正系統(tǒng)前后波形圖及參數(shù)對比 滯后校正系統(tǒng) 指標 校正前 校正后 階躍響應曲線 % Tp(s Ts(s 超前-滯后校正 11.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖 5-5。電路的輸入 U1 接 A/D、D/A 卡 的 DA1 輸出，電路的輸出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 輸入。檢查無誤后接通電源。 12.開關 s 放在斷開位置。 13.選中 實驗課題 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正超前滯后校正 菜單項,鼠標單 擊將彈出參數(shù)設置窗口。系統(tǒng)加入階躍信號。參數(shù)設置完成后鼠標單擊確認測量 系統(tǒng)階躍響應，并記錄超調量sp 和調節(jié)時間 ts。 14.開關 s 接通，重復步驟 13,將兩次所測的