自動控制理論實驗指導書(1).doc

目 錄 第一章硬件資源1 第二章 軟件的使用3 第三章 實驗系統(tǒng)部分5實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應5實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應8實驗三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析11實驗四 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正13第一章 硬件資源實驗系統(tǒng)主要由計算機、AD/DA采集卡、自動控制原理實驗箱、打印機（可選）組成如圖1，其中計算機根據(jù)不同的實驗分別起信號產(chǎn)生、測量、顯示、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的作用，打印機主要記錄各種實驗數(shù)據(jù)和結果，實驗箱主要構造被控模擬對象。顯示器計算機打印機實驗箱電路AD/DA卡圖1 實驗系統(tǒng)構成實驗箱面板如圖2：圖2實驗箱面板下面主要介紹實驗箱的構成：一、 系統(tǒng)電源EL-AT教學實驗系統(tǒng)采用高性能開關電源作為系統(tǒng)的工作電源，其主要技術性能指標為：1 輸入電壓：AC 220V2 輸出電壓/電流：12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A3 輸出功率：22W4 工作環(huán)境：540。二、 AD/DA采集卡AD/DA采集卡如圖3采用ADUC812芯片做為采集芯片，負責采樣數(shù)據(jù)及與上位機的通信，其采樣位數(shù)為12位，采樣率為10KHz。在卡上有一塊32KBit的RAM62256，用來存儲采集后的數(shù)據(jù)。AD/DA采集卡有兩路輸入（AD1、AD2）、輸出（DA1、DA2），其輸入和輸出電壓均為5V+5V。另外在AD/DA卡上有一個9針RS232串口插座用來連接AD/DA卡和計算機20針的插座用來和控制對象進行通訊圖3 AD/DA采集卡三、 實驗箱面板實驗箱面板主要由以下幾部分構成：1 實驗模塊本實驗系統(tǒng)有七組由放大器、電阻、電容組成的實驗模塊。每個模塊中都有一個由UA741構成的放大器和若干個電阻、電容。這樣通過對這七個實驗模塊的靈活組合便可構造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)。2 AD/DA卡輸入輸出模塊該區(qū)域是引出AD/DA卡的輸入輸出端，一共引出兩路輸出端和兩路輸入端，分別是DA1、DA2，AD1、AD2。25針的插座用來和控制對象連接。3 電源模塊電源模塊有一個實驗箱電源開關，有四個開關電源提供的DC電源端子，分別是12V、-12V、+5V、GND，這些端子給外擴模塊提供電源。 第二章 軟件的使用一、軟件啟動與使用說明1 軟件啟動在Windows桌面上,雙擊“ZK”快捷方式，便可啟動軟件如圖4。數(shù)據(jù)測量采集結果顯示菜單工具欄實驗課題圖4 軟件啟動界面2 實驗前計算機與實驗箱的通訊設置和測試用實驗箱自帶的串口線將實驗箱后面的串口與計算機的串口連接，啟動ZK“自動控制實驗原理”軟件。1）實驗前通訊口的設置設置方法：點擊系統(tǒng)設置串口設置如圖5，在對話框內填入與計算機相連的串口值。圖5串口設置對話框 2）實驗前通訊口的測試 測試方法：接通電源點擊系統(tǒng)設置通信串口測試如圖6(a)，點擊通信串口測試按鈕，控制測試區(qū)內將出現(xiàn)0255個數(shù)據(jù)，如圖6(b)，如果數(shù)據(jù)沒有或不全，則說明通訊有故障，應檢查計算機串口與實驗箱的連接。圖6 串口測試窗口 (a) 圖6 串口測試窗口 (b) 3 軟件使用說明A 實驗課題在實驗課題區(qū)域列出了本實驗系統(tǒng)所能完成的實驗課題，雙擊其中的一個課題，將彈出參數(shù)設置窗口。具體參數(shù)設置請參考實驗說明部分。B 采集結果顯示在該區(qū)域內主要是顯示實驗系統(tǒng)通過AD后的結果曲線?？v坐標是幅值軸，單位為(V),范圍是：5V+5V, 橫坐標是時間軸，單位為（ms）。C 數(shù)據(jù)測量數(shù)據(jù)測量是測量系統(tǒng)響應的測量工具如圖7，鼠標單擊單游標或雙游標，然后單擊測量按鈕，即可在顯示區(qū)顯示測量線，測量線可以用鼠標拖動。在拖動過程中屏幕右下方將動態(tài)顯示測量的結果。圖7數(shù)據(jù)測量區(qū)域第三章 實驗系統(tǒng)部分實驗一 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 EL-AT自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 計算機一臺三、實驗原理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。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+1 K=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/TS T=RC 4. 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+1） K=R2/R1，T=R2C 五、實驗步驟 1 啟動計算機，在桌面雙擊圖標 ZK(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. 連接各個被測量典型環(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. 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及數(shù)據(jù)。7. 記錄波形及數(shù)據(jù)。六、實驗報告1. 畫出比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖，并記錄其響應曲線。2. 由階躍響應曲線計算出慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計算的結果相比較。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、分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。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z和無阻尼自然頻率wn對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。定量分析 z 和wn與最大超調量Mp和調節(jié)時間tS之間的關系。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1EL-AT型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2計算機一臺三、實驗內容 典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 w2n j（S）= （1） s22zwnsw2n其中 z 和wn對系統(tǒng)的動態(tài)品質有決定的影響。構成圖2-1典型二階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應：圖2-1 二階系統(tǒng)模擬電路圖電路的結構圖如圖2-2：圖2-2 二階系統(tǒng)結構圖系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （2） 式中 T=RC，K=R2/R1。比較（1）、（2）二式，可得 wn=1/T=1/RC z=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wn。今取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得實驗所需的阻尼比。電阻R取100KW，電容C分別取1mf和0.1mf,可得兩個無阻尼自然頻率wn。四、實驗步驟1 取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分別取z=0、0.25、0.5、0.75、1、2，即取R1=100KW，R2分別等于0、50KW、100KW、150KW、200KW、400KW。輸入單位階躍信號，測量不同的z 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。2 取z=0.5。即電阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改變電路中的電容C=0.1mf(注意：二個電容值同時改變)。輸入單位階躍信號，測量系統(tǒng)階躍響應，并由顯示的波形記錄最大超調量sp和調節(jié)時間Tn。五、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。2. 把不同z和wn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。3. 根據(jù)實驗步驟3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了解模擬實驗的基本原理，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1EL-AT型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2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=100KW，R3=0500K；T=RC，R=100KW，C=C1=1mf或C=1mf C1=0.1mf兩種情況。四、實驗步驟 1.取C=C1=1mf，改變電位器阻值，使R3從0500 KW方向變化，此時相應的K=10K1。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)生等幅振蕩時相應的R3及K值。觀察R3取臨界值左右時的響應曲線，并記錄其波形。2.在步驟1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C1 ，由1mf變成0.1mf，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。五、實驗報告 1畫出步驟1的模擬電路圖。 2畫出系統(tǒng)增幅或減幅振蕩的波形圖。 3計算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與步驟1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。 實驗四 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1EL-AT型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2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4-1，圖中開關S斷開對應未校情況，接通對應超前校正。圖4-1 超前校正電路圖 （2）系統(tǒng)結構圖如圖5-2圖4-2 超前校正系統(tǒng)結構圖圖中 Gc1（s）=2 2（0.055s+1） Gc2（s）= 0.005s+1 2串聯(lián)滯后校正（1） 模擬電路圖如圖4-3，開關s斷開對應未校狀態(tài)，接通對應滯后校正。圖4-3 滯后校正模擬電路圖（2）系統(tǒng)結構圖示如圖4-4 圖4-4 滯后系統(tǒng)結構圖圖中 Gc1(s）=10 10（s+1） Gc2（s）= 11s+1 3串聯(lián)超前滯后校正（1） 模擬電路圖如圖4-5，雙刀開關斷開對應未校狀態(tài)，接通對應超前滯后校正。 圖4-5 超前滯后校正模擬電路圖（2） 系統(tǒng)結構圖示如圖4-6。圖4-6超前滯后校正系統(tǒng)結構圖圖中 Gc1（s）=6 6（1.2s+1）（0.15s+1） Gc2（s）= （6s+1）（0.05s+1）四、實驗步驟超前校正：1 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖4-1)，開關s放在斷開位置。系統(tǒng)加入階躍信號，測量系統(tǒng)階躍響應，并記錄超調量sp和調節(jié)時間ts。2 開關s接通，重復步驟1，并將兩次所測的波形進行比較。滯后校正：3 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖4-3)，開關s放在斷開位置。系統(tǒng)加入階躍信號。測量系統(tǒng)階躍響應，并記錄超調量sp和調節(jié)時間ts。4開關s接通，重復步驟1，并將兩次所測的波形進