自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書目錄實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)與典型系統(tǒng)的模擬1實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性6實(shí)驗(yàn)三 自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)10實(shí)驗(yàn)四 線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究12實(shí)驗(yàn)五 自動(dòng)控制系統(tǒng)靜態(tài)誤差實(shí)驗(yàn)13實(shí)驗(yàn)六 控制系統(tǒng)的品質(zhì)及校正裝置的應(yīng)用（設(shè)計(jì)性）15實(shí)驗(yàn)七 控制系統(tǒng)頻率特性仿真研究17實(shí)驗(yàn)八 非線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的研究18實(shí)驗(yàn)九 非線性系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真20附錄 KJ82-3型自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬機(jī)可做模擬運(yùn)算電路舉例21實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)與典型系統(tǒng)的模擬一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.觀察典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線，定性了解參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)特性的影響；2.觀測(cè)不同階數(shù)線性系統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)的瞬態(tài)響應(yīng)，了

2、解參數(shù)變化對(duì)它的影響。二實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1.KJ82-3型自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬機(jī)一臺(tái)2.Tektronix TDS 1002數(shù)字存儲(chǔ)示波器一臺(tái)3.萬用表一塊三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（一）典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)1.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）開啟電源前先將所有運(yùn)算放大器接成比例狀態(tài)，拔去不用的導(dǎo)線。（2）閉合電源后檢查供電是否正常。分別將各運(yùn)算放大器調(diào)零，并用示波器觀察調(diào)整好方波信號(hào)。（3）斷開電源后按圖接好線，由信號(hào)源引出方波信號(hào)接到各環(huán)節(jié)輸入端。（4）閉合電源，調(diào)節(jié)有關(guān)旋鈕，觀察階躍響應(yīng)波形，并利用表1.1-1.6記錄之。2.實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：（1）比例調(diào)節(jié)器表1.1比例調(diào)節(jié)器增大（順旋）減?。嫘╇A躍輸入響應(yīng)波形輸出（2）積

3、分調(diào)節(jié)器改變時(shí)保護(hù)輸入信號(hào)不變表1.2積分調(diào)節(jié)器0.010.1110輸入輸出響應(yīng)（3）慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)0.010.1110調(diào)節(jié)器（=0.1 =100）（=1 =100）（=1 =1）（=10 =1）輸入波形階躍響應(yīng)表1.3（4）比例微分表1.4-調(diào)節(jié)器輸入波形輸出波形（5）比例積分表1.5-輸入波形輸出波形（6）比例、積分、微分表1.6調(diào)節(jié)器輸入波形輸出波形（二）典型二階系統(tǒng)模擬1.實(shí)驗(yàn)線路：2.方框圖：其中： 時(shí)間常數(shù)； 為阻尼比； 為無阻尼自然頻率（角頻率：弧度/秒）。 為阻尼自振頻率（單位Hz）。3.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）關(guān)上電源，按上圖接線，經(jīng)教師檢查后，再合電源，由調(diào)零轉(zhuǎn)入工作。（2）在秒

4、（，）10附近改變?cè)鲆嫦禂?shù)a，觀察方波輸入作用下之響應(yīng)曲線，利用表1.7記錄之。（3）讓，0.1秒，1秒，10改變?cè)鲆嫦禂?shù)a，觀察方波輸入作用下之響應(yīng)曲線，利用表1.7記錄之。表1.7第一組參數(shù)1,0.1,1M第二組參數(shù)1,1,1M輸入波形輸出a0.1階躍響應(yīng)波形a0.5a1（三）三階系統(tǒng)的模擬1.接線圖：2.方框圖：式中：；3.實(shí)驗(yàn)步驟：（1）按圖接線，先取0.1，緩緩改變a的值，觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線（用表1.8記錄）。（2）取1，重復(fù)上述實(shí)驗(yàn)過程。表1.8三階系統(tǒng)第一組參數(shù)Cx0.1第二組參數(shù)Cx1輸入波形輸出a0.1階躍響應(yīng)波形a0.5a1四思考題1.積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？

5、什么條件下慣性環(huán)節(jié)可視為積分環(huán)節(jié)？2.慣性環(huán)節(jié)在什么條件下可近似為比例環(huán)節(jié)？3.為什么典型二階系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)中加入比例環(huán)節(jié)？三階系統(tǒng)是否要加？4.二階系統(tǒng)在什么情況下不穩(wěn)定，怎樣構(gòu)成振蕩環(huán)節(jié)？五實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.寫出實(shí)驗(yàn)各環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)圖和傳遞函數(shù)，推出理想階躍響應(yīng)曲線。2.實(shí)測(cè)各環(huán)節(jié)不同參數(shù)下輸出波形，認(rèn)真填寫表1.1至表1.8，并與理想曲線對(duì)照。3.分析實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象。15自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.學(xué)習(xí)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性測(cè)試方法。2.了解系統(tǒng)參數(shù)對(duì)階躍響應(yīng)特性的影響。二實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1.KJ82-3型自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬機(jī)一臺(tái)2.Tektronix TDS 100

6、2數(shù)字存儲(chǔ)示波器一臺(tái)3.萬用表一塊三實(shí)驗(yàn)線路四方框圖式中： 時(shí)間常數(shù)； 為無阻尼自然頻率例：若 則當(dāng) 秒，。當(dāng) 秒，。 （，）當(dāng) 時(shí)，；而 時(shí)，則根據(jù)及的值則依下述公式可求其它參量。無阻尼自然角頻率：無阻尼自然頻率： 阻尼自然頻率： 衰減系數(shù)： 超調(diào)量： 峰值時(shí)間： 調(diào)整時(shí)間： 阻尼振蕩周期： 五實(shí)驗(yàn)步驟1.將各運(yùn)放接成比例狀態(tài)（反饋電阻調(diào)到最大），仔細(xì)調(diào)零，（用萬用表直流毫伏檔或示波器直流電平檔）。2.調(diào)整好方波信號(hào)源，頻率調(diào)到1以下。3.斷開電源按圖接線，經(jīng)檢查無誤后再閉合電源，按以下步驟進(jìn)行實(shí)驗(yàn)記錄：（1）令1，1，10，保持輸入方波幅值不變，依表2.1所列a的變化值逐次改變a，記錄輸出

7、波形，并與理論值比較。表2.1計(jì)算0輸出波形計(jì)算0.13輸出波形計(jì)算0.33輸出波形計(jì)算0.44輸出波形計(jì)算0.63輸出波形（2）令1，1，10，a0.33，輸入信號(hào)改為階躍開關(guān)，記錄的瞬態(tài)響應(yīng)曲線并與理論曲線比較。六實(shí)驗(yàn)分析及思考1.結(jié)合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)一步從物理意義上分析改變系統(tǒng)參數(shù)a對(duì)，等系統(tǒng)瞬態(tài)響參數(shù)的影響。2.為滿足一般控制系統(tǒng)瞬態(tài)響應(yīng)特性的性能指標(biāo)，各參量一般取值范圍。3.通過實(shí)驗(yàn)總結(jié)出觀測(cè)一個(gè)實(shí)驗(yàn)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的方法。七實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.根據(jù)理論計(jì)算，認(rèn)真填寫表2.1中各項(xiàng)數(shù)據(jù)。2.根據(jù)實(shí)驗(yàn)觀測(cè)，認(rèn)真繪制表2.1中輸出波形，特別注意，的變化。3.繪制實(shí)驗(yàn)步驟（2）所要求的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響

8、應(yīng)曲線。實(shí)驗(yàn)三 自動(dòng)控制系統(tǒng)穩(wěn)定性實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.觀察線性系統(tǒng)穩(wěn)定和不穩(wěn)定的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證理論上的穩(wěn)定判別的正確性。2.研究系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。3.了解系統(tǒng)時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。二實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1.KJ82-3型自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬機(jī)一臺(tái)2.Tektronix TDS 1002數(shù)字存儲(chǔ)示波器一臺(tái)3.萬用表一塊三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）系統(tǒng)穩(wěn)定性觀察，驗(yàn)證理論判據(jù)。1.實(shí)驗(yàn)線路圖3.12.按下表分別接實(shí)驗(yàn)線路 方案一 方案二同 上同 上方案三同 上同 上在輸入端接適當(dāng)寬度的方波信號(hào)，將a（即之值）由01逐步變化，觀察并記錄各組參數(shù)時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性變化，特別是系統(tǒng)由穩(wěn)定到出現(xiàn)自持振蕩的a值。3.按

9、上面的線路，依下表調(diào)整參數(shù)（接成積分器）參數(shù)組別第一組第二組重復(fù)2的實(shí)驗(yàn)過程并做記錄。（二）測(cè)系統(tǒng)臨界比例系數(shù)，觀察該系數(shù)對(duì)穩(wěn)定性影響。1.實(shí)驗(yàn)線路結(jié)構(gòu)圖圖3.22.對(duì)于圖3.2所示的系統(tǒng)，當(dāng)4，5，6，7時(shí)，分別測(cè)出其臨界開環(huán)比例系數(shù)，并與理論值比較。建議選0.01-0.5秒，選0.5-10。臨測(cè)試方法：設(shè)計(jì)記錄表及接線圖，先取較大值（即將衰減電位器系數(shù)a值于1）使系統(tǒng)出現(xiàn)飽和的等幅自持振蕩，然后緩緩減小a的值，直到出現(xiàn)很慢的衰減振蕩時(shí)，記下此時(shí)的a值，即可求得臨。3.當(dāng)4時(shí)，觀察由小到大變化時(shí)，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的變化。（三）研究系統(tǒng)中各時(shí)間常數(shù)的比例對(duì)穩(wěn)定性的影響。對(duì)于一個(gè) 的系統(tǒng)，建議選0.

10、5秒，測(cè)出當(dāng)1，2，5時(shí)系統(tǒng)的臨和自振頻率。四實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備及要求1.對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）的實(shí)驗(yàn)線路，分別用代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)和頻率分析法判據(jù)，判定其穩(wěn)定性，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證。2.對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（二）所給結(jié)構(gòu)圖，分別畫出模擬實(shí)驗(yàn)圖，選擇好各組參數(shù)，擬定實(shí)驗(yàn)步驟，分別計(jì)算臨。3.對(duì)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（三）給的開環(huán)傳遞函數(shù)，選擇設(shè)計(jì)各項(xiàng)參數(shù)，擬定實(shí)驗(yàn)步驟。4.設(shè)計(jì)各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)內(nèi)容中的記錄表格。五實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.畫出各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)的模擬實(shí)驗(yàn)線路圖。2.各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇方案。3.按各選擇方案進(jìn)行預(yù)先理論計(jì)算，包括計(jì)算中有關(guān)公式及運(yùn)算結(jié)果。4.實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)整理，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出結(jié)論。6.實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題，體會(huì)及建議。六思考題1.三階

11、系統(tǒng)的各時(shí)間常數(shù)怎樣組合時(shí)系統(tǒng)穩(wěn)定性最好？何種組合時(shí)最差？2.已知三階系統(tǒng)各時(shí)間常數(shù)，如何估計(jì)其自振頻率？實(shí)驗(yàn)四 線性系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的研究一實(shí)驗(yàn)?zāi)康挠^察并熟悉線性系統(tǒng)在不同穩(wěn)定儲(chǔ)備的條件下動(dòng)態(tài)過程的特征，驗(yàn)證經(jīng)驗(yàn)公式的適用性。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.對(duì)于傳遞函數(shù)為 的系統(tǒng)，排出模擬運(yùn)算圖，選擇合適的，使系統(tǒng)穩(wěn)定儲(chǔ)備如下表所示，分別計(jì)算和描述表中各項(xiàng)內(nèi)容。穩(wěn) 定階 躍 響超 調(diào) 量過 渡 過 程 時(shí) 間儲(chǔ) 備應(yīng) 曲 線計(jì) 算實(shí) 測(cè)計(jì) 算實(shí) 測(cè)建議選，2.測(cè)出該系統(tǒng)的臨界值和自振頻率，與理論值比較。三預(yù)習(xí)要求1.復(fù)習(xí)有關(guān)內(nèi)容，畫出系統(tǒng)伯德圖。2.排出模擬實(shí)驗(yàn)圖，擬定實(shí)驗(yàn)步驟。四實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.畫出實(shí)驗(yàn)的模擬實(shí)

12、驗(yàn)線路圖。2.各項(xiàng)實(shí)驗(yàn)參數(shù)選擇方案。3.按各選擇方案進(jìn)行預(yù)先理論計(jì)算，包括計(jì)算中有關(guān)公式及運(yùn)算結(jié)果。4.實(shí)驗(yàn)中數(shù)據(jù)整理，實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象記錄。5.實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析得出結(jié)論。6.實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)問題，體會(huì)及建議。實(shí)驗(yàn)五 自動(dòng)控制系統(tǒng)靜態(tài)誤差實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)?zāi)康姆治鯫型、I型、II型系統(tǒng)在三種不同典型輸入下的靜態(tài)誤差，驗(yàn)證理論上的結(jié)論。二實(shí)驗(yàn)原理與線路1.實(shí)驗(yàn)線路2.典型輸入信號(hào)（1）方波信號(hào) 由信號(hào)源直接取得（2）斜坡信號(hào)（3）加速度輸入信號(hào)說明：由于運(yùn)算放大器非理想特性，存在積分源移，故采用近似方式取代理想信號(hào)：即用 ；3.校正網(wǎng)絡(luò)三實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.定性觀察三種系統(tǒng)在三種不同典型輸入時(shí)的誤差，記錄點(diǎn)波形。2.改變O型系統(tǒng)

13、的放大系數(shù)（即改變電位器的衰減系數(shù)a值）觀察在S1信號(hào)輸入時(shí)的靜態(tài)誤差有何變化。四預(yù)習(xí)要求1.復(fù)習(xí)有關(guān)控制系統(tǒng)誤差的理論，設(shè)計(jì)記錄波形的表格。2.寫出實(shí)驗(yàn)內(nèi)容所給三種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。3.估計(jì)在點(diǎn)測(cè)量誤差時(shí)的波形。五實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.按設(shè)計(jì)的表格畫好實(shí)驗(yàn)中各種波形圖。2.將實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論分析比較，分析產(chǎn)生實(shí)驗(yàn)誤差的原因，討論實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象。六思考問題在取得不同典型輸入信號(hào)波形的線路中，在什么情況下可以用近似 ；用近似？實(shí)驗(yàn)六 控制系統(tǒng)的品質(zhì)及校正裝置的應(yīng)用（設(shè)計(jì)性）一實(shí)驗(yàn)?zāi)康睦貌聢D對(duì)給定非穩(wěn)定系統(tǒng)（或動(dòng)態(tài)特性不良的系統(tǒng)）設(shè)計(jì)校正裝置，并驗(yàn)證設(shè)計(jì)的正確性。二實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)和準(zhǔn)備1.對(duì)本實(shí)驗(yàn)所給電路，分

14、別推出開環(huán)傳遞函數(shù)。2.畫出各系統(tǒng)的伯德圖，根據(jù)伯德圖分析討論系統(tǒng)穩(wěn)定性，選擇校正方案，設(shè)計(jì)校正裝置，制定實(shí)驗(yàn)計(jì)劃（包括實(shí)驗(yàn)步驟、記錄表格等）。三實(shí)驗(yàn)設(shè)備和儀器1.KJ82-3型自動(dòng)控制系統(tǒng)模擬機(jī)一臺(tái)2.Tektronix TDS 1002數(shù)字存儲(chǔ)示波器一臺(tái)3.萬用表一塊四實(shí)驗(yàn)線路圖6.1圖6.2五實(shí)驗(yàn)步驟1.按所給實(shí)驗(yàn)電路圖接線，先不加校正，調(diào)節(jié)系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)，使系統(tǒng)處于臨界振蕩。2.加入自己設(shè)計(jì)的校正裝置，觀察系統(tǒng)輸出波形的變化，與理論計(jì)算比較。六實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.寫明設(shè)計(jì)過程，畫出實(shí)驗(yàn)電路圖校正前后的伯德圖。2.按設(shè)計(jì)的記錄表格畫出校正前后系統(tǒng)階躍輸入響應(yīng)曲線，分析系統(tǒng)穩(wěn)定性與品質(zhì)，與實(shí)

15、驗(yàn)結(jié)果對(duì)照。3.總結(jié)實(shí)驗(yàn)體會(huì)。23實(shí)驗(yàn)七 控制系統(tǒng)頻率特性仿真研究一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.熟悉MATLAB的一些基本操作。2.掌握使用MATLAB繪制系統(tǒng)的頻率特性圖，如繪制伯德圖、奈奎斯特曲線。3.利用頻率特性圖分析閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并用響應(yīng)曲線驗(yàn)證。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.典型二階系統(tǒng) 繪制出取不同值時(shí)的伯德圖。2.開環(huán)系統(tǒng) 繪制出系統(tǒng)的奈奎斯特曲線，并判別閉環(huán)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，最后求出閉環(huán)系統(tǒng)的單位沖激響應(yīng)。三實(shí)驗(yàn)步驟1.熟悉MATLAB的一些基本操作。2.熟悉MATLAB編程語言中與實(shí)驗(yàn)相關(guān)的函數(shù)的使用。3.打開文件（），在命令窗口（ ）中輸入編寫的語句程序。4.打開自動(dòng)生成的圖形窗口（）查看頻率特性圖及單位

16、沖激響應(yīng)。四實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.使用MATLAB語言編制仿真程序。2.在坐標(biāo)紙上畫出圖形窗口（）顯示的頻率特性圖及單位沖激響應(yīng)。3.分析仿真結(jié)果。實(shí)驗(yàn)八 非線性系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)特性的研究一實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.了解非線性環(huán)節(jié)對(duì)控制系統(tǒng)的影響。2.觀察非線性系統(tǒng)的自持振蕩。3.學(xué)習(xí)和理解描述函數(shù)分析法。二實(shí)驗(yàn)內(nèi)容（一）死區(qū)特性對(duì)控制系統(tǒng)的影響。圖8.11.如圖，先不加非線性環(huán)節(jié)（單元接成反相器）逐步加大值，觀察系統(tǒng)動(dòng)特性變化。2.加進(jìn)非線性環(huán)節(jié)，使值由小到大逐步變化，觀察并記錄系統(tǒng)動(dòng)特性變化，與不加非線性環(huán)節(jié)時(shí)比較。（二）飽和特性對(duì)線性系統(tǒng)的影響。某非線性系統(tǒng)圖8.2參數(shù)選擇方案表方案參數(shù)第一組第二組第三組10050

17、2000.33101033331100100100注：33可由100/501.按所給模擬運(yùn)算圖，分別畫出三個(gè)方案的頻率特性曲線，并依此判斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性，若不穩(wěn)定，計(jì)算系統(tǒng)自持振蕩的頻率及振幅。2.在學(xué)習(xí)機(jī)上接模擬運(yùn)算圖接線，分別實(shí)現(xiàn)三個(gè)方案，對(duì)于出現(xiàn)自持振蕩，記錄振蕩的頻率和振幅并記錄各運(yùn)放輸出端的波形（畫出草圖即可）。3.對(duì)于穩(wěn)定的方案，改變輸入擾動(dòng)信號(hào)的幅度（例如，）分別記錄系統(tǒng)輸出端及。三實(shí)驗(yàn)預(yù)習(xí)要求1.實(shí)驗(yàn)前復(fù)習(xí)條件穩(wěn)定系統(tǒng)的開環(huán)比例系數(shù)與穩(wěn)定性關(guān)系，典型非線性系統(tǒng)的描述函數(shù)以及如何應(yīng)用描述函數(shù)法分析系統(tǒng)。2.畫好頻率特性曲線，完成有關(guān)計(jì)算。3.擬定實(shí)驗(yàn)步驟及記錄表格。四實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1.按實(shí)驗(yàn)內(nèi)容要求，整理實(shí)驗(yàn)中記錄的數(shù)據(jù)及圖形，并按自己設(shè)計(jì)的表格填寫。2.對(duì)比理論計(jì)算與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析對(duì)比結(jié)果。3.總結(jié)如何用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)九 非線性系統(tǒng)的計(jì)算機(jī)仿真