《2023年认证考试主动操纵实际甲试验.doc》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2023年认证考试主动操纵实际甲试验.doc（107页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、控制理论（甲）吴越韩涛2023年9月目录绪,论1第一部分,模拟实验部分3实验一,典型环节的电路模拟11实验二,二阶系统的瞬态响应17实验三,高阶系统的瞬态响应和稳定性分析21实验四,系统频率特性的测量23实验五,线性定常系统的串联校正29实验六,随动系统特性实验35实验七,单容水箱液位定值控制系统49实验八,双容水箱液位串级控制系统53第二部分,MATLAB仿真实验部分57实验九,控制系统的模型转换83实验十,控制系统的时域分析85实验十一,控制系统的频域分析87实验十二,控制系统的根轨迹分析89实验十三,控制系统的极点配置91绪,论自动控制技术在电力、机械、石油、化工、生物医学、交通运送、航
2、空航天、制导等工程领域中有着广泛的应用。重要有两种分析方法，一种是传统的经典控制理论，重要用于分析和解决单输入单输出的对象问题，通常采用频率法或根轨迹法作为重要的分析手段；另一种是上世纪50年代发展起来的研究系统状态运动的理论，即现代控制理论，重要合用于解决多变量系统、时变系统等方面问题，也可以根据所规定的各种性能指标，选用最恰当的控制规律，设计出最优化的系统。控制理论所要分析解决的最基本的三个问题：一方面是要考虑系统的稳定性，这是衡量一个系统能否合用于实际生产的前提。当一个系统受到扰动时，它的被控制量虽然偏离了原有平衡状态，但当扰动消失后，通过一段时间，若系统仍能恢复到原有的平衡状态，则这个
3、系统是稳定的。在碰到实际系统时不仅规定可以稳定，还保有一定的稳定裕量。这样就能保证系统内部参数有所偏离或是初始条件以及工作环境有所改变时，仍能正常工作；另一方面，在稳态的情况下，还需要考虑系统的准确度(或称稳态精度)。这指的是在系统完毕调整调整过程后，输出量与参考输入量之间的偏差。这也是衡量系统性能的重要参数。偏差越小，表达系统的输出跟随参考输入的精度越高。在我们的实验当中，采用的是比较容易生成的阶跃、斜坡或抛物线这几个典型输入信号；在考虑了系统的稳态特性后，有时还需考虑系统的动态性能指标，重要分为时域性能指标和频域性能指标两类。根据被控对象的不同，各种系统对上述三方面性能规定的侧重点也有所不
4、同。例如随动系统对响应速度和稳态精度的规定较高，而恒值控制系统一般侧重于稳定性能和抗扰动的能力。在同一个系统中，三方面的性能规定又通常是互相制约的。我们在实验中采用的方法重要有两种：一种是在真实系统上进行，另一种是在模型上进行。对于比较简朴的被控对象，可以在实际系统上进行实验和调整，可以获得较好的性能指标。但在大多数情况下，被控对象情况比较复杂的，且有也许已实际投入使用，因而我们不能在实际系统上进行实验，而只能建立相应的数学模型来进行研究，仿真成功后才应用到实际系统中去。建模大体可分为两类，一是建立物理模型，二是建立数字仿真。比较而言，物理仿真较为直观，就是建立尺寸或容量缩放了的原系统模型，模
5、型的各变量与实际系统的完全一致。它的缺陷是需要花费长时间进行组装调试等工作，且仿真系统有造价、损耗等，成本较高。后期还需要进行大量的实验来完毕数据采集和解决方面的工作。数字仿真则基本克服了这方面的问题，它将被研究对象的运动规律描述为数学方程，这样对系统进行研究就被简化为了用计算机解数学方程。同时，它可以方便地用于模拟各种物理性质各异的控制系统因而它比物理仿真更具有良好的适应性。这里所讲述的控制理论实验分为两大部分：1.物理仿真部分本实验采用的硬件为天煌THBDC-2型控制理论实验平台以及THBSD-1型直流随动系统实验装置。在实验设立上既有运用运算放大器的基本特性，设立不同的输入网络和反馈网络
6、来模拟各典型环节和控制系统，并对控制系统进行各种仿真研究的实验，又有对实际被控对象进行控制、分析的随动系统实验。2.数字仿真部分重要涉及基于MATLAB语言的控制系统分析、设计及Simulink仿真。第一部分,模拟实验部分实验平台综述本实验采用的是THBDC-2型控制理论计算机控制技术实验平台。它的硬件部分重要由直流稳压电源、低频函数信号发生器、阶跃信号发生器、低屡屡率计、交/直流数字电压表、数据采集接口单元、通用单元电路、电位器组等单元组成。其面板图如图1所示。直流稳压电源用于给实验平台提供电源。有5V/0.5A、15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保护自恢复功能。控制理论
7、实验重要用到5V和15V电源。低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，重要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为T1、T2、T3、T4四档。相应的正弦信号的频率范围分别为0.1Hz3.3Hz、2.5Hz86.4Hz、49.8Hz1.7KHz、700Hz10KHz四档，Vp-p值为14V。锁零按钮用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处在短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V；当按钮复位时，单元中的场效应管处在开路状态，此时可以开始实验。阶跃信号发生器用来提供实验时的阶跃信号，其输出电压范围
8、约为-10V+10V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的钮子开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调(选择正输出时，调RP1电位器；选择负输出时，调RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始；当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。低屡屡率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz9.999KHz。它重要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低屡屡率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开
9、关拔到“外测”(此时通过“输入”和“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压；当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽（10Hz400KHz）、精度高（5）和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其合用的波峰因数范围可达成10。通用单元电路具体见实验平台所示U1U18单元、“反相器单元”和“无源元件单元”。这些单元重要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过接线和短路帽的选择，可以
10、模拟各种受控对象的数学模型，重要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51K、100K、200K、510K；电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF。数据采集卡采用THBXD，采样频率为350K；有16路单端A/D模拟量输入，转换精度为14位；4路D/A模拟量输出，转换精度均为12位；16路开关量输入，16路开关量输出。接口单元则放于实验平台内，用于实验平台与PC上位机的连接与通讯。数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。使用虚拟示波器观测一个模拟
11、信号，可以用导线直接连接到接口中,AD端。上位机软件编写的信号发生器，由数据采集卡的DA1输出。图1,THBDC-2型实验平台面板图一方面介绍一下软件部分的使用。从菜单的“系统”下面找到“开始采集”界面如图2：图2开始采集前如想设立AD采用频率等参数，可以在控制区操作。AD数据缓存设立，可以在“系统”下找到“缓存设立”，加以修改。软件自带信号发生器，可以产生周期正弦波，方波，三角波，锯齿波，在产生波形前选择好“信号类型”、“信号频率”、“信号幅值”、“占空比”、“零电位偏移量”等参数，然后点击“启动”按钮后就可通过采集卡的DA1通道输出波形。频率在20Hz以下。信号发生器窗口如图3：图3软件还
12、带有Matlab仿真功能，在传递函数G(s)后的表达式中填写好传递函数的参数后（可参照实例函数的样式），选好“仿真模式”(有四种模式：X-T仿真，Bode图仿真，根轨迹仿真，极坐标仿真)后，点击“执行”后，通过MATLAB的后台数据解决，等待几秒钟后将会在右边的图形框中显现此函数仿真的波形。在用BodeChart软件做幅频特性实验时，手动采集拟合后的波形图可以和Matlab仿真进行对比。软件可以通过Bode图软件直接得出系统的频率特性，Bode图软件如图4：图4运营THBDC-2软件，并选择菜单中的系统脚本编程，即可打开脚本编程器，如图5所示：图5点击“文献”-“新建”，用户可以在文本框内编写
13、新的算法代码；点击“文献”-“打开”，用户可以在文本框内按照一定途径打开已有的算法代码；点击“文献”-“保存”，用户可以将新的算法代码按一定的途径保存起来；在“编辑”下有撤消、复制、剪切、粘贴的功能，这里不做具体说明；点击“调试”-“启动”，运营程序，并在示波器上输出波形；点击“调试”-“停止”，停止运营程序。接下来介绍软件中示波器的各项功能1幅值自动用于调整示波器窗口始终随着波形的幅值满屏显示。当取消自动调整时，会弹出对话框，设立最大，最小显示幅值。如图6：图62时基自动能使波形在示波器窗口上满屏显示。图73波形同步可以同步显示波形（只有波形模式在,Plot,X，Plot(X1，X2)，Pl
14、ot(X1+X2)种模式下有效，其它模式不起作用）。图84波形模式Chart,X,选项可以在单通道采集时，连续左移方式显示波形。Plot,X,选项可以在单通道采集时，连续一屏一屏从左到右刷新显示波形，此时波形显示长度就是缓存数据长度；单通道同步显示必须在此模式下进行。Chart(X1，X2)选项可以分别显示双通道的信号，原理同,Chart,X,；Plot(X1，X2),选项可以分别显示双通道的信号，原理同,PlotX,；Chart(X1X2)可以使得双通道输入的波形叠加显示，工作原理同,Chart,X,；Plot(X1X2),可以使得双通道输入的波形叠加显示，工作原理同PlotX,；Plot(
15、X1，X2)对于双通道输入的信号，以X1数值作为时间轴，X2作为幅值轴，工作原理同,PlotX,；AmpSpectrum（幅值谱）为信号的不同频率的幅度在频率序列上的表达，（注：一个方波信号）如图9：图9,PowerSpectrum（功率谱）为以F（t）为电压在1欧姆电阻上不同频率上能量消耗的分布。同时快捷工具栏下方中央会显示波形模式，（注：接一个方波信号）如下图；,图10再介绍下参数与操作区的一些按钮功能。通道选择用于选择AD采集的通道（通道1为,USB采集卡的1通道，通道12为USB采集卡的1和2通道，双通道采集是，每个通道的实际采样频率为设立采样频率的一半）。采样频率用于设立采集卡的采样频率（采样频率最小为1000Hz，最大可以达成250KHz）。采集卡的默认增益系数为1。分频系数的工作原理是等间隔均匀丢弃数据点。也即相称于减少了采样频率，该功能特点是不需要停止采集，随着滑动按钮的调节，可以立即看到调节结果。波形在Chart模式时，可以任意调节采样频率。重要用在实验时对象信号
