《自动控制原理》实验课件

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1、自动控制原理实验电子信息技术实验教学中心实验一 典型环节及其阶跃响应 实验目的1、学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。2、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 实验设备自动控制系统实验箱一台联想开天电脑一台连接导线控制系统模拟实验采用复合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

2、研究参数对系统性能的影响。实验原理实验内容1比例环节的模拟电路 实验内容2惯性环节的模拟电路 实验内容3积分环节的模拟电路实验内容4微分环节的模拟电路 实验内容5比例+微分环节的模拟电路 实验内容6比例+积分环节的模拟电路 实验步骤实验步骤必须在实验预习报告中设计出 来。（认真观察实验现象，认真记录实验中 发现的问题错误、故障及解决方法。）思考题1如何画出惯性环节、积分环节、比例+微分环节的模拟电路图，并用坐标纸画出惯性 环节、积分环节、比例+微分环节的响应曲线？2如何由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数？强调几点1、实验前必须预习，完成预习报告，做 实验时交指导教师检查、签字。2

3、、实验完成后，将记录的数据交指导教 师检查、签字并整理好仪器后，方可离开实 验室。3、按时收实验报告，交相应老师处。实验二 二阶系统阶跃响应 实验目的1研究二阶系统的特征参数，阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能的影响。定量分析和与最大超调量和调节时间之间的关系。2进一步学习实验系统的使用方法。3学会根据系统阶跃响应曲线确定二阶系统的传递函数。 实验设备自动控制系统实验箱一台联想开天电脑一台连接导线实验原理 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

4、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。实验内容典型二阶系统的闭环传递函数为其中和对系统的动态品质有决定的影响。二阶系统的模拟电路图 二阶系统的模拟电路的方框图由上式可知，改变变比值值 ，今取可以得到实验所需的阻尼比。电阻R取100K，电容C分 别取1f和0.1f,可以得到两个无阻尼自然频率可以改变变二阶阶系统统的阻尼比。改变变RC值值可以改变变无 阻尼自然频频率实验步骤实验步骤必须在实验预习报告中设计出 来。（认真观察实验现象，认真记录实

5、验中 发现的问题错误、故障及解决方法。）思考题1、如何画出系统响应曲线 ？强调几点1、实验前必须预习，完成预习报告，做实验时交指导教师检查、签字。2、实验完成后，将记录的数据交指导教师检查、签字并整理好仪器后，方可离开实验室。3、按时收实验报告，交相应老师处。实验三 控制系统的稳定性分析 实验目的1观察系统的不稳定现象。2研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。 实验设备自动控制系统实验箱一台联想开天电脑一台连接导线实验内容和要求系统模拟电路图 实验步骤1连连接被测测量典型环节环节 的模拟电拟电 路。电电路的输输入接A/D、D/A卡的DA1输输出，电电路的输输出2启动计动计 算机，在桌面双击

6、图标击图标 自动动控制实验实验 系统统 运行软软件。3测试计测试计 算机与实验实验 箱的通信是否正常,通信正常则继则继 续续。如通信不正常查查找原因使通信正常后才可以继续进继续进 行实验实验 。 接A/D、D/A卡的AD1输输入。检查检查 无误误后接通电电源。4在实验课题实验课题 下拉菜单单中选择实验选择实验 三控制系统统的稳稳定性分析, 鼠标单击该选项弹标单击该选项弹 出实验课题实验课题 参数窗口。其中设设置输输入信源电压电压 =1V,点击确认，观察波形。5改变电变电 位器使R3从0500k方向变变化，此时时相应应的K=10，K1=0100。观察不同R3值时显示区内的输出波形(即U2的波形)

7、。找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值。再把电位器电阻由大至小变化，观察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。实验报告及要求1画出步骤5的模拟电路图。2画出系统增幅或减幅振荡的波形图。3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。强调1、实验前必须预习，完成预习报告，做实验时交指导教师检查、签字。2、实验完成后，将记录的数据交指导教师检查、签字并整理好仪器后，方可离开实验室。3、按时收实验报告，交相应老师处。实验四 系统频率特性测量 实验目的1加深了解系统及元件频率特性的物理概念。2掌握系统及元件频率特性的测量方法。 实验

8、设备自动控制系统实验箱一台联想开天电脑一台连接导线实验原理频率特性测量方法：1将正弦信号发生器、被测系统和示波器按图4-1连 接起来。将示波器X和Y轴的输入选择开关，均打在 “DC”输入状态，并调整X和Y轴的位移，使光点处于荧 光屏的坐标原点上。2选定信号发生器的频率，调节器输出衰减，使被测 系统在避免饱和的情况下，输出幅度尽可能大，然后调 节示波器的X和Y轴输入幅值选择开关，使在所取信号 幅度下，图像尽可能达到满刻度。3根据荧光屏上的刻度及输入幅值选择开关指示的伏/ 格数，算出2Xm、2Yn及2ym，并进一步计算幅值比和 相位差。 为读数方便，可将示波器X轴输入X-Y开关打在工作状 态，使光

9、点在荧光屏上只作垂直运动，此时可方便地读 出2ym。同理，也可方便地读出2Xm。实验内容模拟电路图 模拟电拟电 路对应对应 的系统统方框图图 系统传递函数 取=500k，则系统的传递函数为 如果输输入信号, 则则在稳态时稳态时 ，其输输出信号为为改变输变输 入信号的角频频率便可测测得二组组 和随 变变化的数值值，这这个变变化规规律就是系统的幅频特性和相频特性。实验步骤实验步骤必须在实验预习报告中设计出 来。（认真观察实验现象，认真记录实验中 发现的问题错误、故障及解决方法。）思考题1、什么是传递函数？2、如何根据测量数据列表，画Bode图 ？强调几点1、实验前必须预习，完成预习报告，做 实验时

10、交指导教师检查、签字。2、实验完成后，将记录的数据交指导教 师检查、签字并整理好仪器后，方可离开实 验室。3、按时收实验报告，交相应老师处。实验五 连续系统串联校正 实验目的1研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。2熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。 实验设备自动控制系统实验箱一台联想开天电脑一台连接导线实验内容串联超前校正系统模拟电路图 串联联超前校正系统统方框图图串联滞后校正系统模拟电路图 串联滞后校正系统方框图串联滞后-超前校正系统模拟电路图 串联滞后-超前校正系统方框图实验步骤实验步骤必须在实验预习报告中设计出 来。（认真观察实验现象，认真记录实验中 发现的问题错误、故障及解决

11、方法。）思考题1、校正装置的作用是什么 ？强调1、实验前必须预习，完成预习报告，做实验时交指导教师检查、签字。2、实验完成后，将记录的数据交指导教师检查、签字并整理好仪器后，方可离开实验室。3、按时收实验报告，交相应老师处。实验六 自动控制系统的稳定性研究 实验目的1观察系统的不稳定性。2研究系统的稳定性与系统结构和参数的关系。3研究改善系统稳定性的方法。实验设备自动控制系统实验箱一台联想开天电脑一台连接导线实验设计要求1设计一个不稳定的系统，分别通过改变系 统的结构和参数使得该不稳定的系统成为稳 定的系统2在改变结构的过程中，至少有两种不同的 方式。3通过改变系统的参数使得该不稳定的系统 成

12、为稳定的系统。实验报告及要求1提供完整的实验设计报告；2提供详尽的实验结果及分析。强调1、实验前必须预习，完成预习报告，做实验时交指导教师检查、签字。2、实验完成后，将记录的数据交指导教师检查、签字并整理好仪器后，方可离开实验室。3、按时收实验报告，交相应老师处。实验七 数字PID控制 实验目的1研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。2研究采样周期T对系统特性的影响。3研究I型系统及系统的稳定误差。 实验设备自动控制系统实验箱一台联想开天电脑一台连接导线实验内容系统结构图 开环系统（被控制对象）的模拟电路图 被控对象GP1（s）为“0型”系统，采用PI控制或PID控 制，可使系统

13、变为“I型”系统，被控对象Gp2（s）为“I型”系 统，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II型”系统。当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程 。 PI调节器及PID调节器的增益Gc（s）=Kp（1+K1/s）=KpK1(（1/k1）s+1) /s =K(Tis+1)/s式中 K=KpKi , Ti=（1/K1）不难看出PI调结器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时， 同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。 采用PID调节器相同。 “II型”系统要注意稳定性。对于Gp2（s）,若采用PI调节器 控制，其开环传递函数为G（s）=Gc（s）Gp2（s）=K（Ti

14、s+1）/s1/s（0.1s+1）为使用环系统稳定，应满足Ti0.1，即K110PID递推算法 如果PID调节器输入信号为e（t），其输送 信号为u（t）,则离散的递推算法如下：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-采样周期 实验步骤实验步骤必须在实验预习报告中设计出 来。（认真观察实验现象，认真记录实验中 发现的问题错误、故障及解决方法。）思考题PID控制器的参数对系统稳定性有何影响 ？强调1、实验前必须预习，完成预习报告，做实验时交指导教师检查、签字。2、实

15、验完成后，将记录的数据交指导教师检查、签字并整理好仪器后，方可离开实验室。3、按时收实验报告，交相应老师处。实验八 状态反馈与状态观测器 实验目的1掌握状态反馈极点配置的设计方法。2研究不同极点配置对系统动态性能的影响。3掌握全维观测器的构成及设计方法。4研究观测器在状态反馈极点配置中的应用。 实验设备自动控制系统实验箱一台联想开天电脑一台连接导线实验内容被控对象模拟电路 系统数学模型（1）被控对象传递函数为Gp(s)=Y(s)/U(s)=100/(s2+3.928s+103.57)（2）被控对象状态方程 X=Ax+Bu Y=CxC=100 0带有状态观测器的状况反馈系统方框图 实验步骤实验步骤必须在实验预习报告中设计出 来。（认真观察实验现象，认真记录实验中 发现的问题错误、故障及解决方法。）强调1、实验前必须预习，完成预习报告，做实验时交指导教师检查、签字。2、实验完成后，将记录的数据交指导教师检查、签字并整理好仪器后，方可离开实验室。3、按时收实验报告，交相应老师处。