自控原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)

1、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)前 言自動(dòng)控制原理是自動(dòng)化、自動(dòng)控制、電子電氣技術(shù)等專(zhuān)業(yè)教學(xué)中的一門(mén)重要專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課程。它可以處理時(shí)變、非線性以及多輸入、多輸出等復(fù)雜的控制系統(tǒng)等問(wèn)題。本套EL-AT-II 型自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)克服了以前做自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)時(shí)，連線復(fù)雜，接線不穩(wěn)定的缺點(diǎn)，通過(guò)對(duì)單元電路的靈活組合，可構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)?？梢允箤W(xué)生把主要精力集中在系統(tǒng)電路和系統(tǒng)特性的研究上。第一章 硬件資源EL-AT-II 型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、AD/DA 采集卡、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱、打印機(jī)（可選）組成如圖1，其中計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)分別起信號(hào)產(chǎn)生、測(cè)量、顯示、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的作用，打

2、印機(jī)主要記錄各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，實(shí)驗(yàn)箱主要構(gòu)造被控模擬對(duì)象。實(shí)驗(yàn)箱面板如圖2：下面主要介紹實(shí)驗(yàn)箱的構(gòu)成：一、系統(tǒng)電源EL-AT-II 系統(tǒng)采用本公司生產(chǎn)的高性能開(kāi)關(guān)電源作為系統(tǒng)的工作電源，其主要技術(shù)性能指標(biāo)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(fù)責(zé)采樣數(shù)據(jù)及與上位機(jī)的通信，其采樣位數(shù)為12 位，采樣率為10K。在卡上有一塊32K 的RAM62256，用來(lái)存儲(chǔ)采集后的數(shù)據(jù)。AD/DA 采集卡有兩路輸出（DA1、DA

3、2）和四路輸入（AD1、AD2、AD3、AD4），其輸入和輸出電壓均為5V+5V。另外在AD/DA 卡上有一個(gè)9 針R232 串口插座用來(lái)連接AD/DA 卡和計(jì)算機(jī)，20 針的插座用來(lái)和控制對(duì)象進(jìn)行通訊。三、實(shí)驗(yàn)箱面板實(shí)驗(yàn)箱面板布局如圖4實(shí)驗(yàn)箱面板主要由以下幾部分構(gòu)成：1實(shí)驗(yàn)?zāi)K本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有八組由放大器、電阻、電容組成的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。每個(gè)模塊中都有一個(gè)由UA741 構(gòu)成的放大器和若干個(gè)電阻、電容。這樣通過(guò)對(duì)這八個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的靈活組合便可構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)。2二極管，電阻、電容、二極管區(qū)這些區(qū)域主要提供實(shí)驗(yàn)所需的二極管、電阻和電容。3AD/DA 卡輸入輸出模塊該區(qū)域是引出AD/D

4、A 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。有一個(gè)按鈕復(fù)位，按下一次對(duì)AD/DA卡進(jìn)行一次復(fù)位。20 針的插座用來(lái)和控制對(duì)象連接。4電源模塊電源模塊有一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱電源開(kāi)關(guān)，有四個(gè)開(kāi)關(guān)電源提供的DC 電源端子，分別是12V、-12V、+5V、GND，這些端子給外擴(kuò)模塊提供電源。5變阻箱、變?nèi)菹淠K變阻箱、變?nèi)菹涫潜緦?shí)驗(yàn)系統(tǒng)的一個(gè)突出特點(diǎn)，只要按動(dòng)數(shù)字旁邊的“”、“”按鈕便可調(diào)節(jié)電阻電容的值，而且電阻電容值可以直接讀出。第二章 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)部分本套實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一共提供了十個(gè)典型實(shí)驗(yàn)：典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)、二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)、控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析、系統(tǒng)頻率特性測(cè)量、

5、連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正、數(shù)字PID 控制、狀態(tài)反饋及狀態(tài)觀測(cè)器實(shí)驗(yàn)、解耦控制實(shí)驗(yàn)、采樣系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)、非線性實(shí)驗(yàn)。除了我們公司配套的這十個(gè)實(shí)驗(yàn)外，各高?？勺约红`活地組合各種形式的實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，以滿足教學(xué)的要求。實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 掌握控制模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-II 型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC 計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理1.模擬實(shí)驗(yàn)基本原理控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來(lái)模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運(yùn)算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來(lái)，便得到了相應(yīng)的模擬

6、系統(tǒng)。再將輸入信號(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計(jì)算機(jī)等測(cè)量?jī)x器，測(cè)量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。2.時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法超調(diào)量%：利用軟件上的游標(biāo)測(cè)量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，帶入下式算出超調(diào)量%：%（YMAX-Y）/Y*100%TP 與TS：利用軟件的游標(biāo)測(cè)量水平方向上從零到達(dá)最大值與從零到達(dá)95%穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間值，便可得到TP 與TS。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路，并測(cè)量其階躍響應(yīng)：注意：在測(cè)量時(shí)注意輸入電壓不能加得太大，以保證輸出信號(hào)的電壓<5V.1. 比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)

7、如圖1-1。（看一下即可，不用測(cè)量其參數(shù)）2. 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-2。K=1時(shí)，輸入電壓<=5V，K=2時(shí)，輸入電壓<=2.5V5.例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-5（未標(biāo)明的C=0.01uf）。理論上比例微分環(huán)節(jié)中不應(yīng)該有圖1-5下面的未標(biāo)明的電容，這里加上電容起到濾波作用，使得測(cè)量到的數(shù)據(jù)容易觀察。比例微分環(huán)節(jié)中，要觀察其動(dòng)態(tài)過(guò)程，采樣點(diǎn)數(shù)越小越好。本實(shí)驗(yàn)采集數(shù)據(jù)曲線時(shí)K=1時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為50，K=1時(shí)，采樣點(diǎn)數(shù)設(shè)為150，觀察到的效果較好。另外，為了使t0時(shí)，較好的觀察到輸出信號(hào)中的脈沖分量，輸入信號(hào)建議不要設(shè)置的太大，設(shè)置為0.10.3V較為理

8、想。測(cè)量時(shí)為了較好的測(cè)量到5誤差帶，可以將輸入信號(hào)設(shè)置的大一些。6.比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-6。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。2.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。3.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1 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(wú)誤后接通電源。4.在實(shí)驗(yàn)課題下拉菜單中選擇實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng) 。5.鼠標(biāo)單擊實(shí)驗(yàn)課題彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待

9、屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6.觀測(cè)計(jì)算機(jī)屏幕顯示出的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。7.記錄波形及數(shù)據(jù)（由實(shí)驗(yàn)報(bào)告確定）。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 由階躍響應(yīng)曲線計(jì)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(jì)算的結(jié)果相比較。2. 將實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的曲線、數(shù)據(jù)及理論計(jì)算值，整理列表。七、預(yù)習(xí)要求1、閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分，掌握時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。2分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)測(cè)試表參數(shù)階躍響應(yīng)曲線Ts（秒）（調(diào)節(jié)時(shí)間）環(huán)節(jié)理論值實(shí)測(cè)值R1=R2=100KC=1UfK=1T=0.1S慣性環(huán)節(jié)0.300.292比例微分環(huán)節(jié)00.028比例積分環(huán)節(jié)無(wú)無(wú)R1=100KR2=200KC=1UfK=2T=0.2S慣性

10、環(huán)節(jié)0.600.648比例微分環(huán)節(jié)00.030比例積分環(huán)節(jié)無(wú)無(wú)慣性環(huán)節(jié)： C（t）-K*(1-EXP(-t/T) Ts理論值：Ts3*T比例微分環(huán)節(jié)： C（t）-K*(T(t)+1) (t)單位脈沖函數(shù) Ts理論值：Ts0比例積分環(huán)節(jié)： C（t）-K*(1/T*(t)+t) (t)單位脈沖函數(shù) Ts理論值：無(wú)實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比和無(wú)阻尼自然頻率n對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。定量分析 和n 與超調(diào)量% 和調(diào)節(jié)時(shí)間TS之間的關(guān)系。2進(jìn)一步學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法3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)儀器1EL-AT-II 型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2

11、PC 計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理1模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來(lái)模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運(yùn)算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來(lái)，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計(jì)算機(jī)等測(cè)量?jī)x器，測(cè)量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響。2.時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法超調(diào)量%：利用軟件上的游標(biāo)測(cè)量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，帶入下式算出超調(diào)量%：%（YMAX-Y）/Y*100%TP 與TS：利用軟件的游標(biāo)測(cè)量水平方向上從零到達(dá)最大值與從零

12、到達(dá)95%穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間值，便可得到TP 與TS。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為（s）2n/（s22*n*s2n） （1）其中 和n 對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)有決定的影響。構(gòu)成圖2-1 典型二階系統(tǒng)的模擬電路，并測(cè)量其階躍響應(yīng)：電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2：系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為（s）U2(S)/U1(S)=(1/T2)/（s2(K/T）*s1/T2） （2）式中 T=RC，K=R2/R1。比較（1）、（2）二式，可得n=1/T=1/RC=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(wú)阻尼自然頻率n。今取R1=200K，R2=100K

13、和200K，可得實(shí)驗(yàn)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(gè)無(wú)阻尼自然頻率n。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1 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(wú)誤后接通電源。2.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。3.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4.在實(shí)驗(yàn)課題下拉菜單中選擇實(shí)驗(yàn)二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng), 鼠標(biāo)單擊該選項(xiàng)彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)窗口。5.取n=10rad/s, 即令R=100K，C=1f；分別取=

14、0.5、1、2，即取R1=100K，R2 分別等于100K、200K、400K。輸入階躍信號(hào)，測(cè)量不同的時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量Mp 和調(diào)節(jié)時(shí)間Ts 的數(shù)值和響應(yīng)動(dòng)態(tài)曲線，并與理論值比較。6.取=0.5。即電阻R2 取R1=R2=100K；n=100rad/s, 即取R=100K，改變電路中的電容C=0.1f(注意：二個(gè)電容值同時(shí)改變)。輸入階躍信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量p 和調(diào)節(jié)時(shí)間Tn。7.取R=100K；改變電路中的電容C=1f,R1=100K,調(diào)節(jié)電阻R2=50K。輸入階躍信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，記錄響應(yīng)曲線，特別要記錄Tp 和p 的數(shù)值。8

15、.測(cè)量二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)并記入表中六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.畫(huà)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(biāo)與，n 的關(guān)系。2.把不同和n條件下測(cè)量的% 和ts 值列表，根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。3.畫(huà)出系統(tǒng)響應(yīng)曲線，再由ts 和%，計(jì)算出傳遞函數(shù)，并與由模擬電路計(jì)算的傳遞函數(shù)相比較。七、預(yù)習(xí)要求1. 閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分，掌握時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。2. 按實(shí)驗(yàn)中二階系統(tǒng)的給定參數(shù)，計(jì)算出不同、n 下的性能指標(biāo)的理論值。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)%Tp（ms）Ts（ms）階躍響應(yīng)曲線R =100KC =1fn=10rad/sR1=100KR2=0K=0200%99.9測(cè)量不到R1=100KR2=50K=

16、0.25463121052R1=100KR2=100K=0.520364600R1=50KR2=200K=2無(wú)無(wú)1096R=100KC =0.1fn=100rad/sR1= 100KR2=100K=0.5175680R1=50KR2=200K=2無(wú)無(wú)109八、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄表中可以看出：1.當(dāng)n不變時(shí)，在0<<1范圍內(nèi)，隨著的增加，系統(tǒng)的超調(diào)量越小，峰值時(shí)間后移，但調(diào)節(jié)時(shí)間縮短，動(dòng)態(tài)過(guò)程結(jié)束的越快。2.當(dāng)不變，n增大時(shí)，不論系統(tǒng)是過(guò)阻尼系統(tǒng)還是欠阻尼系統(tǒng)，超調(diào)量、峰值時(shí)間和調(diào)節(jié)時(shí)間都明顯減小或縮短。說(shuō)明增大n能改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。實(shí)驗(yàn)三 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)?/p>

17、的1觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2研究系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-II 型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC 計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)模擬電路圖如圖3-1，結(jié)構(gòu)框圖如圖3-2所示。DA11/RCS1/(RCS+1)1/(RCS+1)K1+_圖3-2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖 其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K=R3/R2，R2=100K，R3=0500K；T=RC，R=100K，C=1f 或C=0.1f兩種情況。四、實(shí)驗(yàn)步驟1連接電路圖，開(kāi)啟電源。設(shè)置輸入信源電壓U1=1V,點(diǎn)擊確認(rèn)觀察波形。2.取R3 的值為50K，100K，200K，此

18、時(shí)相應(yīng)的K=0.5，1，2。觀察不同R3 值時(shí)顯示區(qū)內(nèi)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(shí)相應(yīng)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(shí)顯示區(qū)內(nèi)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。3.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(fù)實(shí)驗(yàn)步驟4 觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。4.將實(shí)驗(yàn)結(jié)果添入下表中：參數(shù)系統(tǒng)響應(yīng)曲線C=1ufR3=50KK=0.5R3=100KK=1R3=200KK=2R3=237KK=2.37R3=

19、240KK=2.4C=0.1ufR3=50KK=0.5R3=100KK=1R3=200KK=2R3=1000KK=10R3=1130KK=11.3R3=1150KK=11.5五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1畫(huà)出步驟5 的模擬電路圖。2畫(huà)出系統(tǒng)增幅或減幅振的波形圖。3計(jì)算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與步驟5 中測(cè)得的臨界放大系數(shù)相比較。六、預(yù)習(xí)要求1分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路，掌握其工作原理。2理論計(jì)算系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩、增幅振蕩、減幅振蕩的條件。七、實(shí)驗(yàn)分析： 1.當(dāng)電容c1uf時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為：0.01s3+0.2s2+s+10k0，利用Routh判據(jù)可以得到系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為k<2，也就是r3<200K。所以

20、系統(tǒng)臨界穩(wěn)定條件是r3=200K（理論值），從實(shí)驗(yàn)中測(cè)量可以知道，實(shí)際系統(tǒng)臨界穩(wěn)定的條件是K=2.37。 2.當(dāng)電容C0.1uf時(shí)，系統(tǒng)閉環(huán)特征方程為：0.001s3+0.11s2+s+10k0，利用利用Routh判據(jù)可以得到系統(tǒng)穩(wěn)定的條件為k<11，也就是r3<1100K。所以系統(tǒng)臨界穩(wěn)定條件是r3=1100K（理論值），從實(shí)驗(yàn)中測(cè)量可以知道，實(shí)際系統(tǒng)臨界穩(wěn)定的條件是K=11.3。3.從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益越大，系統(tǒng)越易不穩(wěn)定。當(dāng)開(kāi)環(huán)增益一定時(shí)，減小時(shí)間常數(shù)，可以提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性。實(shí)驗(yàn)四 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

21、件頻率特性的測(cè)量方法。3掌握利用“李沙育圖形法”測(cè)量系統(tǒng)頻率特性的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-II 型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC 計(jì)算機(jī)一臺(tái)3雙蹤示波器一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理頻率特性的測(cè)量方法：1 將正弦信號(hào)發(fā)生器、被測(cè)系統(tǒng)和示波器按圖4-1 連接起來(lái)。將示波器X和Y軸的輸入選擇開(kāi)關(guān)，均打在“DC”輸入狀態(tài)，并調(diào)整X 和Y 軸的位移，使光點(diǎn)處于螢光屏上的坐標(biāo)原點(diǎn)上。2 選定信號(hào)發(fā)生器的頻率，調(diào)節(jié)其輸出衰減，使被測(cè)系統(tǒng)在避免飽和的情況下，輸出幅度盡可能大。然后調(diào)節(jié)示波器的X 和Y 軸輸入幅值選擇開(kāi)關(guān)，使在所取信號(hào)幅度下，圖象盡可能達(dá)到滿刻度。3 根據(jù)螢光屏上的刻度及輸入幅值選擇開(kāi)關(guān)指示的伏/格數(shù)

22、，算出2Xm、2Yn及2ym，并進(jìn)一步計(jì)算幅值比和相位差。為讀數(shù)方便，可將示波器X 軸輸入X-Y 開(kāi)關(guān)打在工作狀態(tài)，使光點(diǎn)在熒光屏上只作垂直運(yùn)動(dòng)，此時(shí)可方便地讀出2ym。同理，也可方便地讀出2Xm。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1模擬電路圖及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖4-2 和圖4-3。2系統(tǒng)傳遞函數(shù) 取R3=500k，則系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G（S）= U2（S）/ U1（S） =500/（S2+10*S+500）若輸入信號(hào)U1（t）=U1sint,則在穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸出信號(hào)為U2（t）=U2sin（t+）改變輸入信號(hào)角頻率值，便可測(cè)得二組U2/U1 和隨變化的數(shù)值，這個(gè)變化規(guī)律就是系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。五、實(shí)驗(yàn)步驟1. 連

23、接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1 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(wú)誤后接通電源。2. 啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。3. 測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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(jìn)行實(shí)驗(yàn)。測(cè)頻率圖4. 選中 實(shí)驗(yàn)課題系統(tǒng)頻率特性測(cè)量手動(dòng)方式 菜單項(xiàng),鼠標(biāo)單擊將彈出參數(shù)設(shè)置窗口。參數(shù)設(shè)置完成后點(diǎn)確認(rèn)等待觀察波形，如圖44 所示。測(cè)波特圖5. 在測(cè)量波特圖的過(guò)程中首先應(yīng)選擇 實(shí)驗(yàn)課題系統(tǒng)頻率特性測(cè)量自動(dòng)方式數(shù)據(jù)采集 采集信息。如圖45 所示6. 待數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后點(diǎn)擊

24、實(shí)驗(yàn)課題系統(tǒng)頻率特性測(cè)量自動(dòng)方式波特圖觀測(cè) 即可以在顯示區(qū)內(nèi)顯示出所測(cè)量的波特圖。測(cè)奈氏圖7. 在測(cè)量波特圖的過(guò)程中首先應(yīng)選擇 實(shí)驗(yàn)課題系統(tǒng)頻率特性測(cè)量自動(dòng)方式數(shù)據(jù)采集 采集信息。8. 待數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后點(diǎn)擊 實(shí)驗(yàn)課題系統(tǒng)頻率特性測(cè)量自動(dòng)方式奈氏圖觀測(cè) 即可以在顯示區(qū)內(nèi)顯示出所測(cè)量的奈氏圖。9. 按下表所列頻率，測(cè)量各點(diǎn)頻率特性的實(shí)測(cè)值并計(jì)算相應(yīng)的理論值。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 畫(huà)出被測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模擬電路圖。2. 畫(huà)出被測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)L （）曲線與（）曲線。3. 整理表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并算出理論值和實(shí)測(cè)值。4. 討論李沙育圖形法測(cè)量頻率特性的精度。七、預(yù)習(xí)要求1. 閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分，掌握李沙育圖形法的基

25、本原理及頻率特性的測(cè)量方法。2. 畫(huà)出被測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán) L （）曲線與（）曲線。3. 按表中給出格式選擇幾個(gè)頻率點(diǎn)，算出各點(diǎn)頻率特性的理論值。F （Hz）rad/s）理論值實(shí)測(cè)值L（）（）2Xm2yo2ymL（）（）李沙育圖形實(shí)驗(yàn)六 數(shù)字PID 控制一、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)及系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-II 型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC 計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如6-1 圖。圖6-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+K*ds）Gh（s）=（1e-TS）/sG

26、p1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+1）Gp2（s）=1/（s（0.1s+1）2 開(kāi)環(huán)系統(tǒng)（被控制對(duì)象）的模擬電路圖如圖6-2 和圖6-3，其中圖6-2 對(duì)應(yīng)Gp1（s）,圖6-3 對(duì)應(yīng)Gp2（s）。3被控對(duì)象Gp1（s）為“0 型”系統(tǒng)，采用PI 控制或PID 控制，可使系統(tǒng)變?yōu)椤癐 型”系統(tǒng)，被控對(duì)象Gp2（s）為“I 型”系統(tǒng)，采用PI 控制或PID 控制可使系統(tǒng)變成“II 型”系統(tǒng)。4當(dāng)r（t）=1（t）時(shí)（實(shí)際是方波），研究其過(guò)渡過(guò)程。5PI 調(diào)節(jié)器及PID 調(diào)節(jié)器的增益Gc（s）=Kp（1+K1/s）=Kp*K1 (（1/k1）s+1) /s=K(Tis+1)/s式中 K=

27、Kp*Ki , Ti=（1/K1）不難看出PI 調(diào)節(jié)器的增益K=Kp*Ki，因此在改變Ki 時(shí)，同時(shí)改變了閉環(huán)增益K，如果不想改變K,則應(yīng)相應(yīng)的改變Kp。采用PID 調(diào)節(jié)器相同。6“II 型”系統(tǒng)要注意穩(wěn)定性。對(duì)于Gp2（s）,若采用PI 調(diào)節(jié)器控制，其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為G（s）=Gc（s）·Gp2（s）=K（Tis+1）/s*1/s（0.1s+1）為使用環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定，應(yīng)滿足Ti>0.1，即K1<107PID 遞推算法 如果PID 調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)為e（t），其輸出信號(hào)為u（t）,則離散的遞推算法如下：u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T），q1=Kp（1+（2Kd/T），q2=Kp（Kd/T）T-采樣周期四、實(shí)驗(yàn)步驟1