自動控制原理實驗指導(dǎo)書(1)

1、自動控制原理實驗指導(dǎo)書羅雪蓮編著 1目錄目錄實驗一 典型環(huán)節(jié)的模擬研究 2實驗二 典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性6實驗三 控制系統(tǒng)的頻率特性 10實驗四 線性連續(xù)系統(tǒng)校正 13實驗五 采樣系統(tǒng)分析 16附: 實驗系統(tǒng)介紹 20 2實驗一實驗一 典型環(huán)節(jié)模擬研究典型環(huán)節(jié)模擬研究本實驗為驗證性實驗。一、實驗?zāi)康囊?、實驗?zāi)康?、學(xué)習(xí)構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路，了解電路參數(shù)對環(huán)節(jié)特性影響。2、熟悉各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)。3、學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測量方法，并學(xué)會由階躍響應(yīng)曲線計算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。二、實驗設(shè)備二、實驗設(shè)備PC 機一臺，TDN-AC 系列教學(xué)實驗系統(tǒng)。三實驗原理及電路三實驗原理及電路下面列出了各

2、典型環(huán)節(jié)的方框圖、傳遞函數(shù)、模擬電路圖、階躍響應(yīng)，實驗前應(yīng)熟悉了解。1、各環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞、各環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞典型環(huán)節(jié)名稱方塊圖傳遞函數(shù)比例（ P）Ui(s) Uo(s)積分（ I）比例積分（ PI）比例微分（ PD）Uo(s)Ui(s)KK1TSUo(s)Ui (s)TSUi(s)Uo(s)11TSUo(s)Ui(s)KKUi(s)Uo(s)TS1Ui(s)1TSUo(s)1KUi(s)Uo(s)（TS+1） 3慣性環(huán)節(jié)（ T）比例積分微分（PID）2 2、各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖及輸出響應(yīng)、各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖及輸出響應(yīng)各典型環(huán)節(jié)名稱模擬電路圖輸出響應(yīng)比例（P）U0(t)=K (t0)

3、其中 K=R1/R0積分（I）U0(t)=(t0)tT1其中 T=R0C比例積分（PI）U0(t)= (t0)tTK1其中 K=R1/R0，T=R1CUi(s)TS+1KUi(s)Uo(s)KTS+1 Uo(s)KPTiS1Ui(s)Uo(s)TdS 4比例微分（PD）U0(t)=KT(t)+K其中 (t)為單位脈沖函數(shù)021RRRK2121RRRRT慣性環(huán)節(jié)（T）U0(t)=K(1-e-t/T)其中 K=R1/R0，T=R1C比例積分微分（PID）tTKtTtUipdO1)()(其中 (t)為單位脈沖函數(shù)Kp=R1/R0 ;Ti=R0C1Td=R1R2C2/R0四、實驗內(nèi)容及步驟四、實驗內(nèi)容

4、及步驟1 1、觀測比例、積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。、觀測比例、積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。（1）實驗接線準備：使運放處于工作狀態(tài)。將信號源單元（U1 SG）的 ST 端（插針）與+5V 端（插針）用“短路塊”短接，使模擬電路中的場效應(yīng)管（3DJ6）夾斷，這時運放處于工作狀態(tài)階躍信號的產(chǎn)生；電路可采用圖 1-1 所示電路，它由“單脈沖單元” （U13 SP）及“電位器單元” （U14 P）組成。具體線路形成：在 U13 SP 單元中，將 H1 與+5V 插針用“短路塊”短接，H2 插針用排線接至 U14 P 單元的 X 插針；在 U14 P 單元中，

5、將 Z 插針和 GND 插針用“短路塊”短接，最后由插座的 Y 端輸出信號。以后實現(xiàn)再用到階躍信號時，方法同上，不再累贅。 5（2）實驗操作.按 2 中的各典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好（先按比例） 。 （PID 先不接）.將模擬電路輸入端（Ui）與階躍信號的輸出端 Y 相聯(lián)接；模擬電路的輸出端（U0）接至示波器。.按下按鈕（或松平按扭）H 時 ，用示波器觀測輸出端 U0(t)的實際響應(yīng)曲線，且將結(jié)果記下。改變比例參數(shù)，重新觀測結(jié)果。.同理得出積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的實際響應(yīng)曲線，它們的理想曲線和實際響應(yīng)曲線見表 1-1。2 2、觀察、觀察 PIDPID 環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線。環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲

6、線。.此時 Ui采用 U1 SG 單元的周期性方波信號（U1單元的 ST 的插針改為與 S 插針用“短路塊”短接，S11波段開關(guān)置與“階躍信號”檔， “OUT”端的輸出電壓即為階躍信號電壓，信號周期由波段開關(guān) S12與電位器 W11調(diào)節(jié)，信號幅值由電位器 W12調(diào)節(jié)。以信號幅值小、信號周期較長比較適宜） 。.參照 2 中的 PID 模擬電路圖，將 PID 環(huán)節(jié)搭接好。.將中產(chǎn)生的周期性方波加到 PID 環(huán)節(jié)的輸入端（Ui） ，用示波器觀測 PID 的輸出端（U0） ，改變電路參數(shù)，重新觀察并記錄。 6實驗二實驗二 典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性典型系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性本實驗為驗證性實驗。一、實驗?zāi)康?/p>

7、一、實驗?zāi)康?、熟悉有關(guān)二階系統(tǒng)的特性和模擬仿真方法。2、研究二階系統(tǒng)的兩個重要參數(shù)阻尼比 和無阻尼自然頻率 n對過渡過程的影響。3、研究二階對象的三種阻尼比下的響應(yīng)曲線及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。4、熟悉勞斯判據(jù)，用勞斯判據(jù)對三階系統(tǒng)進行穩(wěn)定性分析。二、實驗設(shè)備二、實驗設(shè)備PC 機一臺，TDN-AC 系列教學(xué)實驗系統(tǒng)。三實驗原理及電路三實驗原理及電路1 1、典型二階系統(tǒng)、典型二階系統(tǒng)典型二階系統(tǒng)的方塊圖及傳遞函數(shù)圖 2-1 是典型二階系統(tǒng)原理方塊圖，其中 T0=1s，T1=0.1s，K1 分別為 10、5、2、1。開環(huán)函數(shù)：) 11 . 0() 1()(1SSKSTSKSG開環(huán)增益：K=K1/T0=K1

8、閉環(huán)函數(shù)：2222)(nnnSSS其中，011TTKn11021TKT模擬電路圖：見圖 2-2 7 圖 2-2) 11 . 0(100) 1()(11SSRSTSKSG2典型三階系統(tǒng)典型三階系統(tǒng)典型三階系統(tǒng)的方塊圖：見圖 2-3 圖 2-3開環(huán)傳遞函數(shù)為：) 1)(1()()(21STSTSKSHSG其中，K=K1K2/T0(開環(huán)增益)模擬電路圖：見圖 2-4 8圖 2-4開環(huán)傳遞函數(shù)為： （其中 K=500/R）) 15 . 0)(11 . 0()()(SSSKSHSG系統(tǒng)的特征方程為 1+G(S)H(S)=0 即 S3+12S2+20S+20K=0由 Routh 判據(jù)得： 0K41.7K

9、系統(tǒng)穩(wěn)定 K=12，即 R=41.7 K 系統(tǒng)臨界穩(wěn)定 K12，即 R20ms 時，沒有輸出波形，即系統(tǒng)采樣失真，從而驗證了香農(nóng)定理。3.3.采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性及瞬態(tài)響應(yīng)實驗步驟采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性及瞬態(tài)響應(yīng)實驗步驟按圖 5-5 接線。檢查無誤后開啟設(shè)備電源.取 T=5ms加階躍信號 r（t） ，觀察并記錄系統(tǒng)的輸出波形 C（t） ，測量超調(diào)量 %。將信號源單元的開關(guān) S12置于 2-600ms 檔，調(diào)節(jié)電位器 W11使采樣周期 T=30ms，系統(tǒng)加入階躍信號，觀察并紀錄系統(tǒng)輸出波形，測出超調(diào)量 %。調(diào)節(jié)電位器 W11使采樣周期 T=150ms，觀察并記錄系統(tǒng)的輸出波形。將實驗結(jié)果填入表 5-1：表 5-1采樣周期T（ms）%穩(wěn)定性響應(yīng)曲線530150 20附附: 實驗系統(tǒng)介紹實驗系統(tǒng)介紹一一.系統(tǒng)硬件構(gòu)成系統(tǒng)硬件構(gòu)成1.信號源發(fā)生單元電路（產(chǎn)生典型輸入信號）U1:信號源單元(產(chǎn)生重復(fù)的階躍、斜坡、拋物波)。其信號輸出端為 OUT。U13、U14：階躍信號單元。其信號輸出端為 U14 單元的 Y 端。U10：DAC 單元，其 OUT 端輸出正弦信號。U15：正弦波信號發(fā)生單元。其信號輸出端為 SIN。2運算模擬電路單元（搭建系統(tǒng)電路）U3U8：普通運算單元。只能組成比例、積分、慣性等環(huán)