大学学习资料：（2017修订）自控理论实验指导书.docx

1、1nn110（20172017修订）自控理论实验指导书修订）自控理论实验指导书实验注意事项1实验前U9U16单元内的运放需要调零。2运算放大器边上的锁零点G接线要正确。不需要锁零时（运放构成环节中不含电容或输入信号为正弦波时），必须把G与-15V相连；在需要锁零时，必须与其输入信号同步的锁零信号相连。如在采用PC产生的经D/A通道输出的信号O1作为该环节或系统的输入时，运放的锁零信号G应连U3单元中锁零信号G1；类似地，如采用PC产生的信号O2作输入，则锁零信号G应连U3 单元中锁零信号G2。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般不需要锁零。3在设计和连接被控对象或系统的模拟电路时，要特

2、别注意，实验台上的运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反号器。4作频率特性实验和采样控制实验时，必须注意只用到其中1路A/D输入和1路D/A输出,具体采用“I1I8”中哪一个通道，决定于控制箱上的实际连线。5U3单元的“地”应与其他单元的“地”相连。6上位机软件提供线性系统软件仿真功能。在作软件仿真时，无论是一个环节、或是几个环节组成的被控对象、或是闭环系统，在利用上位机界面作实验时，都必须将开环或闭环的传递函数都转化成下面形式，以便填入参数ai, bjb smbsm1.bs bW (s)mm110a snasn1.a sa其中n10，m

3、n。如出现m n的情况，软件仿真就会出错，必须设法避免。如实验一，在作理想比例微分（PD）环节的软件仿真实验时就会遇到此问题，因为此时W (s) K (1 Ts) K KTs可见该W(s)分子中s的阶高于分母的，直接填入参数仿真，即出现“非法操作”的提示。具体避免方法请参阅该实验附录。7受数据处理单元的数据处理速率限制，作频率特性实验和采样控制实验时，在上位机界面上操作“实验参数设置”必须注意频率点和采样控制频率的选择。对于频率特性实验，应满足200/sec，以免引起过大误差。类似地，对于采样控制实验，采样控制周期应不小于5 ms。8本采集设备的上位机软件，A/D和D/A输出部分，需要注意的一

4、些事项。本数据采集系统有8路A/D输入，2路D/A输出，对于8路A/D输入将其分为四组，因为一般我们用到两路同时输出或同时输入。I1、I2为一组A/D输入，I3、I4为一组A/D输入，I5、I6为一组A/D输入，I7、I8 为一组A/D输入。在这四组A/D输入中，I1、I3、I5、I7为每组A/D输入中的第一路，I2、I4、I6、I8为每组A/D输入中的第二路。这个在实验三中，做频率特性实验要求比较严格，在每个实验当中，我们可以随意选择任一组A/D输入，和任一路D/A输出。23-+实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究一实验目的1掌握实验装置和“自动控制理论时域及非线性特性分析”软件的使用方

5、法。2熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。二实验内容1设计各种典型环节的模拟电路。2完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。3在软件界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。三. 原理说明1比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例环节的传递函数为：UO(s) KUi(s)其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图 1.1.1、图 1.1.2 和图 1.1.3 所示，于是K R1，R0实验参数取 R0100k，R1200k，R=10k。uo图1

6、.1.1R1uiR0R图1.1.3RuoP图1.1.2t0tUisUosK+-+4+-+UisUos1TsKuo图1.2.1图1.2.3uiR0CRRuoI图1.2.22积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应积分环节的传递函数为：UO(s)1Ui(s)Ts其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图 1.2.1、图 1.2.2 和图 1.2.3 所示，于是T R0C，实验参数取 R0100k，C1uF，R=10k。3比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例积分环节的传递函数为：UO K 1UiTs图1.3.1uo图1.3.3其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图

7、1.3.1、图 1.3.2 和图 1.3.3 所示，于是K R1，T R C00实验参数取 R0200k，R1200k，C1uF，R=10k。t0tUisUos1Tst0t+-+R5u+uiR0R1CR-R+o+PI图1.3.24比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例微分环节的传递函数为：UO K(1 Ts)Ui其方块图和模拟电路分别如图 1.4.1、图1.4.2 所示。其模拟电路是近似的（即实际 PD 环节） ，取R,RR，则有K R1 R2,T R1R2C，实验参数取 R010k，R110k，R210k，R3123RR R0121K，C10uF，R=10k。对应理想

8、的和实际的比例微分(PD)环节的阶跃响应分别如图 1.4.3a、图 1.4.3b 所示。uo图1.4.1uiR0R1R2CR3R图1.4.3auoRuoPD图1.4.2图1.4.3b-+UisUos1TsKt0t+-t0t+-+6u+R实际 PD 环节的传递函数为：Uo(s)R1 R2R1R2CsU (s)R1(R R )(R Cs 1)i0123（供软件仿真参考）(R1R2 R2R3 R3R1)Cs (R1 R2)R0R3Cs R05惯性环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应惯性环节的传递函数为：UOUiKTs 1uoUisUosKTs+1uiR0图1.5.1CR1R图1.5.3-R+o

9、+PI图1.5.2其方块图、模拟电路和阶跃响应， 分别如图 1.5.1 、图 1.5.2 和图 1.5.3 所示，其中K R1, T R C，实验参数取 R0200k，R1200k，C1uF，R=10k。106比例积分微分(PID)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应比例积分微分环节的传递函数为：UO(s) KUi(s)1TisTds其方块图和模拟电路分别如图 1.6.1、图 1.6.2所示。其模拟电路是近似的（即实际 PID 环节） ，取R1R2 R3， 将近似上述理想 PID 环节有K R1, T R C , TR1R2C，实验参数取 R0i01d200200k，R1100k，R21

10、0k，R31k，C11uF，C210uF，R=10k。对应理想的和实际的比例积分微分(PID)环节的阶跃响应分别如图 1.6.3 a、图 1.6.3 b 所示。图1.6.1t0t-+RPUisUos1TisKPTdsPR7t0t+-+实际 PID 环节的传递函数为：Uo(s)R1 R21R2C2(R1C1s1)（供软件仿真参考）Ui(s)R0R0C1sR0C1(R3C2s1)uiR0CR1R2CR3RRuoPID图1.6.2uouo图1.6.3a图1.6.3b四实验设备1.ACCC-I实验台2.软件：自动控制理论时域分析五实验步骤1熟悉实验设备，利用实验台上的模拟电路单元，参考本实验原理说明中

11、的设计，连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。利用实验台U9U8单元完成比例、积分、比例积分、比例积分微分以及惯性环节模拟电路的接线；利用实验台U10U8单元完成比例微分环节模拟电路的接线。2完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。+-+t0t8熟悉“自动控制理论时域及非线性特性分析”软件操作界面，充分利用虚拟示波器与信号发生器功能。（1）硬件连接将所测试的典型环节模拟电路的Ui，连接到数据处理单元U3中的D/A输出通道O1（系统输入信号O1）；将典型环节模拟电路的Uo，连到数据处理单元U3中的A/D输

12、入通道I1（采样通道1）；将系统输入信号O1，连到实验台数据处理单元U3中的A/D输入通道I2（采样通道2）；将运放的锁零G，连接数据处理单元U3的锁零信号G1。接线完成，经检查无误后，再上电。（2）启动“时域分析”程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：按通道接线情况完成通道设置：“通道选择” 选择A/D输入通道I1作为环节的输出,选择D/A输出通道O1作为环节的输入，再将D/A输出通道O1直接连接A/D输入通道I2(显示信号源发出信号的波形)。不同的通道,图形显示控件中波形的颜色将不同。进入实验模式后，先对显示模式进行设置：选择“X-t模式”；选择“T/DIV”为1s/1HZ。设置实验参数

13、。在界面的右边可以设置系统测试信号参数：选择“测试信号”为“周期阶跃信号”；选择“占空比”为50%；选择“T/DIV”为“1s”；对于比例、积分环节选择“幅值”为“3V”，对于比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节，选择“幅值”为“2V”，还可根据实验需要调整幅值，以得到较好的实验曲线；将“偏移”设为“0”。以上除必须选择“周期阶跃信号”外，其余的选择都不是唯一的。要特别注意，除单个比例环节外，对其它环节和系统都必须考虑环节或系统的时间常数，如仍选择“输入波形占空比”为50%，那么“T/DIV”至少应是环节或系统中最大时间常数的68倍，这样，实验中才能观测到阶跃响应的整个过程。点击 “S

14、tart”按钮来启动实验，动态波形得到显示，直至周期响应过程结束，如上述参数设置合理就可以在主界面的图形显示控件中间得到该环节的“阶跃响应”。改变实验环节参数，重复的操作；如发现实验参数设置不当，看不到“阶跃响应”全过程，可重复、的操作。按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法可参阅软件使用说明书。六注意事项1、注意实验接线前须先将实验台上电，以对运放仔细调零（厂家已调好）。然后断电，再接线。接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。2、注意实验台的U3单元与其他单元需共地。七

15、实验报告分析实验结果，完成实验报告。9n实验二典型系统动态性能和稳定性分析一实验目的1学习和掌握动态性能指标的测试方法。2研究典型系统参数对系统动态性能和稳定性的影响。二实验内容1观测二阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。2观测三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。三. 原理说明1典型二阶系统典型二阶系统的方块结构图如图 2.1.1 所示。其开环传递函数为G(s) Ks(T1s1)12, K K1，ToK其闭环传递函数为W(s) n，其中，s2 2ns 2n1,T1To取二阶系统的模拟电路如图 2.1.2 所示。该系统的阶跃响应如图2.1.3 所示：Rx 接U4单元的1M电位器，改变元件参数 Rx大小，研究不同参数特征下的时域响应。图2.1.11To2K1T1R(s)E(s)1T0sKT s+1C(s)100t0tc tc tc t图2.1.3a图2.1.3b图2.1.3c图 2.1.3a，2.1.3b，2.1.3c 分别对应二阶系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼三种情况