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1、自 动 控 制 原 理实 验 指 导 书机械与电气工程学院自动化系二00九年九月前 言自动控制理论实验课是一门专业基础实验课。本实验课程以培养和锻炼学生的动手实践和理论应用能力为指导思想。通过实验，加强学生对控制理论的理解和认识，提高对自动控制系统分析和综合的能力，掌握必要的专业实验技能，并掌握基于MATLAB软件的实验平台进行自动控制系统仿真研究的基本操作技能，为学习后续课程打下基础。自动控制理论实验分模拟对象和数字仿真实验两部分。模拟对象实验在北京理工达盛科技有限公司生产的EL型自控/计控二合实验箱、A/D、D/A卡和计算机上完成。计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制及
2、数据处理的作用；模拟电路起模拟被控对象的作用。实验箱中备有7个运算放大器。集成运算放大器与电阻、电容相配合，可以构成多种特性的被控对象。A/D、D/A卡起模拟信号与数字信号的转换作用，可根据实验的要求产生不同的信号（阶跃、三角、正弦）。实验时用RS232串口电缆将A/D、D/A卡与计算机相连即可。数字仿真实验利用MATLAB软件来完成。MATLAB是Mathworks公司推出的一套高性能的数值计算和可视化软件，它集数值分析、矩阵运算、信号处理、图形处理于一体，构成一个方便、界面友好的用户环境。它所提供的控制系统工具箱（Control System Toolbox）及仿真环境Simulink不仅
3、功能强大，而且使用直观方便，学生只要在Simulink模型窗口调出各个系统环节，并用连线将它们连接起来，即可利用Simulink提供的功能对系统进行仿真和分析。本指导书的编写参阅了北京理工达盛科技有限公司配备的实验指导书。本书由广州大学机械与电气工程学院自动化系姚菁、王清、宋年年编写，由于编者学识有限，时间仓促，书中不妥之处，请读者批评指正。 编者：姚菁 王清 二0一0年九月对 学 生 的 要 求1 阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，明确每次实验的目的，了解实验内容和方法。2 按实验指导书要求进行接线和操作。 3 在实验中注意观察，记录有关数据和图像，实验后应断电，整理实验台，恢复到实
4、验前的情况。4 认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线，并分析实验结果。字迹要清楚，结论要明确。利用MATLAB软件做的仿真实验要提交仿真程序。5 爱护实验设备，遵守实验室规章制度。6 若实验未通过，必须补做。 实 验 报 告 要 求实验前应预习实验指导书中有关内容，了解实验原理，明确实验步骤及注意事项。预习实验时须写预习报告，包括： （1） 实验名称，实验目的，实验内容 （2）自己设计的原始记录表格 （3）必要的预习计算（4）注意事项。 做完实验后，应根据所取数据及观察到的现象做实验报告，实验报告必须包括以下三个方面： （1） 为什么做此实验 （2） 怎样进行实验，要指明关键问题所在 （3
5、） 实验得到怎样的结果 实验报告采用专用的实验报告纸，附上实验原始数据、原始程序及实验结果。实验报告必须装订好以免散失、脱落。实验报告应按要求时间交给老师。每班在本学期结束前将所有同学的实验报告刻录在一张光盘上，交给老师。目录 前 言2对 学 生 的 要 求3实 验 报 告 要 求3实验一 典型环节及其阶跃响应5实验二 二阶系统阶跃响应及性能分析9实验三 系统的根轨迹分析11实验四 系统频率特性的测量与分析13实验五 单回路系统的数字PID控制器设计16附录一 实验箱配套软件及硬件使用说明17附录二 数字仿真实验基础20附录三 SIMULINK使用指南41参考文献43实验一 典型环节及其阶跃响
6、应一、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。二、实验内容 (一) 用实验箱构成下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。 1比例环节的模拟电路及其传递函数如图2-1。 R2R1 图11G(S)= R2/R12惯性环节的模拟电路及其传递函数如图2-2。 CR2R1 图12G(S)=K/(TS+1) K=R2/R1, T=R2C 3积分环节的模拟电路及其传递函数如图2-3。 CR 图13G(S)=1/TS T=RC C2 RC14微分环节的模拟电路及其传递函数如图2-4。 图14G(S)
7、=RCS 5比例+微分环节的模拟电路及其传递函数如图2-5。 R2R1 C2 C 图15G(S)=K(TS+1) K=R2/R1,T=R2C 6比例+积分环节的模拟电路及其传递函数如图1-6。 R2 CR1 图16G(S)=K(1+1/TS) K=R2/R1, T=R2C 三、实验步骤 1启动计算机，在桌面双击图标（自动控制实验系统）运行软件。 2测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。 比例环节 3连接被测量典型环节的模拟电路（图1-1）。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的DA1输入。检
8、查无误后接通电源。 4在实验课题下拉菜单中选择实验一（典型环节及其阶跃响应）。 5鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。 6观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。 7记录波形及数据。 惯性环节 8连接被测量典型环节的模拟电路(图1-2)。电路的输入U1接AD、DA卡的DAl输出，电路的输出U2接AD、DA卡的ADl输入。检查无误后接通电源。 9实验步骤同47。积分环节 10连接被测量典型环节的模拟电路(图1-3)。电路的输入Ul接AD、DA卡的DAl输出，电路的输出U2接AD、DA卡的ADl输入。检查无误后接通电源。
9、 11实验步骤同47。微分环节 12连接被测量典型环节的模拟电路(图1-4)。电路的输入Ul接AD、DA卡的DAl输出，电路的输出U2接AD、DA卡的ADl输入。检查无误后接通电源。 l3实验步骤同47。比例+微分环节 14连接被测量典型环节的模拟电路(图1-5)。电路的输入Ul接AD、DA卡的DAI输出，电路的输出U2接AD、DA卡的ADI输入。检查无误后接通电源。 15实验步骤同47。比例+积分环节 16连接被测量典型环节的模拟电路(图1-6)。电路的输入U1接AD、DA卡的DAI输出，电路的输出U2接AD、DA卡的ADI输入。检查无误后接通电源。 l7实验步骤同47。四、实验报告内容1画
10、出比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例+微分环节、比例积分环节的模拟电路图，给出各环节的阶跃响应曲线。 2由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。 实验二 二阶系统阶跃响应及性能分析 一、实验目的1. 掌握控制系统时域响应曲线的绘制方法；2. 研究二阶系统特征参数对系统动态性能的影响,系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。3. 能够计算阶跃响应的瞬态性能指标，对系统性能进行分析。二、实验仪器计算机、MATLAB 软件三、实验原理见数字仿真实验基础第二章。四、实验内容实验.典型二阶系统闭环传递函数 (1) 试编写程序，绘制出当n=6, 分别为0.1,
11、0.4,0.7,1,1.3 时的单位阶跃响应;(2)试编写程序，绘制出当=0.7, n 分别为2,4,6,8,10 时的单位阶跃响应;(3) 对上述各种单位阶跃响应情况加以讨论.实验2. 设单位反馈系统的开环传递函数为 若要求系统的阶跃响应的瞬态性能指标为p=10%, t s (5%) = 2s .试确定参数K 和a 的值, 并画出阶跃响应曲线，在曲线上标出p 、ts(5%) 的数值。实验3. 设控制系统如图2-1 所示。其中（a）为无速度反馈系统，（b）为带速度反馈系统，试(1)确定系统阻尼比为0.5 时的K1 值;(2) 计算并比较系统（a）和(b)的阶跃响应的瞬态性能指标;(3)画出系统
12、（a）和(b)阶跃响应曲线，在曲线上标出 p 、t s(5%) 的数值，以验证计算结果。图2-1五、实验方法及步骤1、运行Matlab 软件；2、在其命令窗口中输入有关函数命令或程序。涉及的主要命令有：step()实验1：为便于比较，可用hold on 指令将多条曲线放在一个图中。进一步，为清楚起见，用legend 指令在图中加注释。部分结果如图2-2所示。 图2-2实验2：首先与二阶系统闭环传递函数的标准形式比较，求出参数K1 、a与阻尼系数、自然频率的关系，再由对系统的阶跃响应的瞬态性能指标要求，求出参数K1 、a，再用step()画出即可。实验3：首先与二阶系统闭环传递函数的标准形式比较，求出阻尼系数、自然频率，再求出瞬态性能指标。1、 观察并记录、总结。六、实验报告内容各计算过程、实验程序、得到的结果；实验心得体会及建议。实验三 系统的根轨迹分析一、实验目的1掌握使用MATLAB 系统绘制根轨迹的方法；2掌握由根轨迹分析系统性能的方法；3. 通过仿真结果和理论计算的对照，加深对相应知识点的理解。二、实验仪器计算机、MATLAB 软件三、实验原理见数字仿真实验基础第三章。四
