自控實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、自動(dòng)化專業(yè)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書潘東波 趙亦欣 編西南大學(xué)計(jì)算機(jī)與信息科學(xué)學(xué)院2006年8月20日I目次實(shí)驗(yàn)裝置說明1實(shí)驗(yàn)1 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)4實(shí)驗(yàn)2 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)8實(shí)驗(yàn)3 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析11實(shí)驗(yàn)4 系統(tǒng)頻率特性測量14實(shí)驗(yàn)5 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正18實(shí)驗(yàn)6 數(shù)字PID控制24I英文摘要 26實(shí)驗(yàn)裝置說明一、 系統(tǒng)概述自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)裝置由用于模擬被控對(duì)象的實(shí)驗(yàn)箱、計(jì)算機(jī)、通信網(wǎng)絡(luò)組成，可模擬自動(dòng)控制原理中常見的典型被控對(duì)象及控制規(guī)律，實(shí)現(xiàn)對(duì)一、二階系統(tǒng)的響應(yīng)、穩(wěn)定性分析、頻率特性測量、串聯(lián)校正、PID控制等多種控制理論及控制方法的分析與設(shè)計(jì)，即可成為自動(dòng)化專業(yè)本科、?？?、高職的自

2、動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)教學(xué)裝置，也可成為教師、研究生和科研人員對(duì)離散控制系統(tǒng)、非線性控制系統(tǒng)及計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)研究的模擬裝置和實(shí)驗(yàn)平臺(tái)。學(xué)生通過本實(shí)驗(yàn)，可以掌握：（1） 測定被控對(duì)象特性的方法；（2） 實(shí)驗(yàn)法建立被控對(duì)象數(shù)學(xué)模型的方法；（3） 實(shí)驗(yàn)法驗(yàn)證控制系統(tǒng)原理的方法；（4） 實(shí)驗(yàn)法分析控制系統(tǒng)原理的方法；（5） 控制系統(tǒng)的參數(shù)整定；（6） 控制系統(tǒng)的參數(shù)對(duì)控制品質(zhì)的影響；（7） 控制系統(tǒng)的分析與計(jì)算、綜合與設(shè)計(jì)等能力。二、 自控原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)自控原理實(shí)驗(yàn)平臺(tái)主要由計(jì)算機(jī)、AD/DA采集卡、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱、打印機(jī)（可選）組成如圖1，其中計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)分別起信號(hào)產(chǎn)生、測量、顯示、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)

3、處理的作用，打印機(jī)主要記錄各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，實(shí)驗(yàn)箱主要構(gòu)造被控模擬對(duì)象。顯示器計(jì)算機(jī)打印機(jī)實(shí)驗(yàn)箱電路AD/DA卡圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成實(shí)驗(yàn)箱面板如圖2：圖2 實(shí)驗(yàn)箱面板實(shí)驗(yàn)箱主要由以下幾部分構(gòu)成：1、 系統(tǒng)電源自控原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)采用高性能開關(guān)電源作為系統(tǒng)的工作電源，其主要技術(shù)性能指標(biāo)為：1） 入電壓：AC 220V2） 輸出電壓/電流：12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A3） 輸出功率：22W4） 工作環(huán)境：540。2、 AD/DA采集卡AD/DA采集卡主要負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和USB通信， AD采樣位數(shù)為10位，采樣率為1KHz。DA轉(zhuǎn)換位數(shù)為10位，轉(zhuǎn)換速率為1K。 AD/DA采集卡有兩

4、路輸出（DA1、DA2）和兩路輸入（AD1、AD2），其輸入和輸出電壓均為5V+5V。圖3 AD/DA采集卡3、 實(shí)驗(yàn)箱面板實(shí)驗(yàn)箱面板主要用于構(gòu)建模擬的被控對(duì)象，由以下幾部分構(gòu)成：1） 實(shí)驗(yàn)?zāi)K本實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)有八組由放大器、電阻、電容組成的實(shí)驗(yàn)?zāi)K。每個(gè)模塊中都有一個(gè)由UA741構(gòu)成的放大器和若干個(gè)電阻、電容。這樣通過對(duì)這八個(gè)實(shí)驗(yàn)?zāi)K的靈活組合便可構(gòu)造出各種型式和階次的模擬環(huán)節(jié)和控制系統(tǒng)。2） 二極管，電阻、電容、二極管區(qū)這些區(qū)域主要提供實(shí)驗(yàn)所需的二極管、電阻和電容。3） AD/DA卡輸入輸出模塊該區(qū)域是引出AD/DA卡的輸入輸出端，一共引出兩路輸出端和兩路輸入端，分別是DA1、DA2，AD1、A

5、D2。有一個(gè)按鈕復(fù)位，按下一次對(duì)AD/DA卡進(jìn)行一次復(fù)位。20針的插座用來和控制對(duì)象連接。4） 電源模塊電源模塊有一個(gè)實(shí)驗(yàn)箱電源開關(guān)，有四個(gè)開關(guān)電源提供的DC電源端子，分別是12V、-12V、+5V、GND，這些端子給外擴(kuò)模塊提供電源。5） 變阻箱、變?nèi)菹淠K變阻箱、變?nèi)菹渲灰磩?dòng)數(shù)字旁邊的“”、“”按鈕便可調(diào)節(jié)電阻電容的值，而且電阻電容值可以直接讀出。三、 實(shí)驗(yàn)要求及安全操作規(guī)程1、 實(shí)驗(yàn)前的準(zhǔn)備實(shí)驗(yàn)前應(yīng)復(fù)習(xí)教材中有關(guān)章節(jié)，認(rèn)真研讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，了解實(shí)驗(yàn)?zāi)康?、?xiàng)目、方法、步驟，明確實(shí)驗(yàn)過程中應(yīng)注意的問題，并按實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目準(zhǔn)備記錄。 實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目與教材內(nèi)容的對(duì)應(yīng)為（1） 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)；（配合教材中

6、“控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法”章節(jié)的內(nèi)容）（2） 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析；（配合教材中“控制系統(tǒng)的時(shí)域分析法”、“頻率響應(yīng)法”二個(gè)章節(jié)的內(nèi)容）（3） 系統(tǒng)頻率特性測量；（配合教材中“頻率響應(yīng)法”章節(jié)的內(nèi)容）（4） 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正；（配合教材中“自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)”章節(jié)的內(nèi)容）2、 實(shí)驗(yàn)安全操作規(guī)程（1） 實(shí)驗(yàn)之前確保所有電源開關(guān)均處于“關(guān)”的位置；（2） 接線或拆線必須在切斷電源的情況下進(jìn)行，連接完成后經(jīng)嚴(yán)格檢查，并經(jīng)指導(dǎo)老師確認(rèn)后，方可接通電源；（3） 實(shí)驗(yàn)過程中，需要小心操作設(shè)備、卡口等組件，避免損壞設(shè)備和裝置；（4） 實(shí)驗(yàn)完畢，需關(guān)閉所有設(shè)備電源，拆除連接，并經(jīng)指導(dǎo)老師確認(rèn)后，方可離開。實(shí)驗(yàn)1

7、 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)儀器的基本使用技能及方法。2. 掌握控制模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理和一般方法。3. 掌握控制系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)的測量方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1 EL-AT-III型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2 計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理1模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運(yùn)算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計(jì)算機(jī)等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對(duì)

8、系統(tǒng)性能的影響。2 時(shí)域性能指標(biāo)的測量方法：超調(diào)量%：用軟件上的游標(biāo)測量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，代入下式算出超調(diào)量： TP與TS：利用軟件的游標(biāo)測量水平方向上從零到達(dá)最大值與從零到達(dá)95%穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間值，便可得到TP與TS。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應(yīng)：1. 比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-1。 G（S）= -R2/R12. 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-2。 G（S）= - K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C3. 積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-3。 G（S）=1/TS T=RC 4. 微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-4。

9、G（S）= - RCS5. 比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-5（未標(biāo)明的C=0.01uf）。 G（S）= -K（TS+1）K=R2/R1，T=R2C 6. 比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-6。 G（S）=K（1+1/TS） K=R2/R1，T=R2C五、實(shí)驗(yàn)步驟 1.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。2.測試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比例環(huán)節(jié)3.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-1)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無

10、誤后接通電源。4.在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)一“典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)”。5.鼠標(biāo)單擊運(yùn)行按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果6.觀測計(jì)算機(jī)屏幕顯示出的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。7.記錄波形及數(shù)據(jù)（由實(shí)驗(yàn)報(bào)告確定）。慣性環(huán)節(jié)8.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-2)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。9.實(shí)驗(yàn)步驟同47積分環(huán)節(jié)10.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-3)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A

11、卡的AD1輸入，將積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。11.實(shí)驗(yàn)步驟同47微分環(huán)節(jié)12.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-4)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。13.實(shí)驗(yàn)步驟同47比例+積分環(huán)節(jié)14.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-6)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將積分電容連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。15.實(shí)驗(yàn)步驟同4716.測量各環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，并記入下表。參數(shù)階躍響應(yīng)曲線TS（秒）理論值實(shí)測值R1=R2=100KC=

12、1ufK=1 T=0.1S比例環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)比例+微分環(huán)節(jié)比例+積分環(huán)節(jié)R1=100KR2=200KC=1ufK=2 T=1S比例環(huán)節(jié)慣性環(huán)節(jié)積分環(huán)節(jié)微分環(huán)節(jié)比例+微分環(huán)節(jié)比例+積分環(huán)節(jié)六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 由階躍響應(yīng)曲線計(jì)算出慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計(jì)算的結(jié)果相比較。2. 將實(shí)驗(yàn)中測得的曲線、數(shù)據(jù)及理論計(jì)算值，整理列表。七、預(yù)習(xí)要求1 閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分，掌握時(shí)域性能指標(biāo)的測量方法。2 分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時(shí)間Ts的數(shù)值和響應(yīng)動(dòng)態(tài)曲線，并與理論值比較。實(shí)驗(yàn)2 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法； 2 研究二階

13、系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比z和無阻尼自然頻率wn對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。定量分析 z 和wn與最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時(shí)間tS之間的關(guān)系； 3學(xué)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)儀器1自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理1模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運(yùn)算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計(jì)算機(jī)等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響

14、。2. 域性能指標(biāo)的測量方法：超調(diào)量%：利用軟件上的游標(biāo)測量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，代入下式算出超調(diào)量： YMAX - Y %=×100% Y 上升時(shí)間TP：利用軟件的游標(biāo)測量水平方向上從零到達(dá)最大值或從零到達(dá)95%穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間值，便可得到TP。 四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 w2n j（S）= （1） s22zwnsw2n其中 z 和wn對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)有決定的影響。圖1-1 二階系統(tǒng)模擬電路圖構(gòu)成圖1-1典型二階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應(yīng)：電路的結(jié)構(gòu)圖如圖1-2：圖1-2 二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為 （2） 式中 T=RC，K=R2/R1。比較（

15、1）、（2）二式，可得 wn=1/T=1/RC z=K/2=R2/2R1 （3） 由（3）式可知，改變比值R2/R1，可以改變二階系統(tǒng)的阻尼比。改變RC值可以改變無阻尼自然頻率wn。今取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得實(shí)驗(yàn)所需的阻尼比。電阻R取100KW，電容C分別取1mf和0.1mf,可得兩個(gè)無阻尼自然頻率wn。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將兩個(gè)積分電容得兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。2.啟動(dòng)計(jì) 算機(jī)，運(yùn)行“自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”軟件。3.測查USB線是否連接

16、好，確保使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4.在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)“二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)”,點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果5.取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分別取z=0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分別等于100KW、200KW、400KW。輸入階躍信號(hào)，測量不同的z時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄6.取z=0.5。即電阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改變電路中的電容C=0.1mf(注意：二個(gè)電容值同時(shí)改變)。輸入

17、階躍信號(hào)測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時(shí)間Tn。7.取R=100KW；改變電路中的電容C=1mf,R1=100KW,調(diào)節(jié)電阻R2=50KW。輸入階躍信號(hào)測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，記錄響應(yīng)曲線，特別要記錄Tp和sp的數(shù)值。8.測量二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)并記入表中： 實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)%tp（ms）ts（ms）階躍響應(yīng)曲線R =100KC =1fn=10rad/sR1=100KR2=0K=0R1=100KR2=50K=0.25R1=100KR2=100K=0.5R1=50KR2=200K=1R1=100KC1=C2=0.1fn=100rad/sR1= 100KR2=100K=0.5R1=5

18、0KR2=200K=1六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖，討論典型二階系統(tǒng)性能指標(biāo)與，n的關(guān)系。2.把不同z和wn條件下測量的Mp和ts值列表，根據(jù)測量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。3.畫出系統(tǒng)響應(yīng)曲線，再由ts和Mp計(jì)算出傳遞函數(shù)，并與由模擬電路計(jì)算的傳遞函數(shù)相比較。七、預(yù)習(xí)要求1. 閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分，掌握時(shí)域性能指標(biāo)的測量方法。2. 按實(shí)驗(yàn)中二階系統(tǒng)的給定參數(shù)，計(jì)算出不同、n下的性能指標(biāo)的理論值。實(shí)驗(yàn)3 控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器1自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理2. 穩(wěn)定性的概念及判別任何系統(tǒng)

19、在擾動(dòng)作用下都會(huì)偏離原平衡狀態(tài),產(chǎn)生初始偏差。所謂穩(wěn)定性，是指系統(tǒng)在擾動(dòng)消失后，由初始偏差狀態(tài)恢復(fù)到原平衡狀態(tài)的性能。對(duì)于一個(gè)線性系統(tǒng)，若在初始擾動(dòng)的影響下，其動(dòng)態(tài)過程隨時(shí)間的推移逐漸衰減并趨于零（或原平衡工作點(diǎn)），則稱該系統(tǒng)穩(wěn)定；若在擾動(dòng)作用下，其動(dòng)態(tài)過程隨時(shí)間的推移而發(fā)散，則稱系統(tǒng)不穩(wěn)定。在經(jīng)典控制理論中，線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是：閉環(huán)系統(tǒng)特征方程的所有根均具有負(fù)實(shí)部；或者說，閉環(huán)傳遞函數(shù)的極點(diǎn)均嚴(yán)格位于左半S平面。3. 二階系統(tǒng)的穩(wěn)定性典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 w2n j（S）= s22zwnsw2n其兩個(gè)根（閉環(huán)極點(diǎn)）為： 根據(jù)系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件，二階系統(tǒng)的穩(wěn)定性完全取決于

20、z的值：當(dāng)z<0時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)為正，位于S平面的右半平面，故系統(tǒng)不穩(wěn)定；當(dāng)z=0時(shí)，系統(tǒng)有一對(duì)純虛根，此時(shí)系統(tǒng)等幅振蕩，處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)z>0時(shí)，閉環(huán)極點(diǎn)為負(fù)，位于S平面的左半平面，故系統(tǒng)穩(wěn)定。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 系統(tǒng)模擬電路圖如圖2-1 圖2-1 系統(tǒng)模擬電路圖其開環(huán)傳遞函數(shù)為: G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)式中 K1=R3/R2，R2=100KW，R3=0500K；T=RC，R=100KW，C=1mf或C=0.1mf兩種情況。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，

21、將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。2.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行“自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”軟件。3.檢查USB線是否連接好，確保實(shí)驗(yàn)箱與計(jì)算機(jī)通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。4.在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)“控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析”,點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置目的電壓U1=1000mV鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 5.取R3的值為50KW，100KW，200KW，此時(shí)相應(yīng)的K=10，K1=5，10，20。觀察不同R3值時(shí)顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形(既U2的波形)，找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時(shí)相應(yīng)的R3及K值。再把電阻R3由大至小變化，即R3=200kW

22、，100kW，50kW，觀察不同R3值時(shí)顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形, 找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩變化的R3及K值，并觀察U2的輸出波形。6.在步驟5條件下，使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，即工作在等幅振蕩情況。改變電路中的電容C由1mf變成0.1mf，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟4觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。7.將實(shí)驗(yàn)結(jié)果添入下表中：參數(shù)系統(tǒng)響應(yīng)曲線C=1ufR3=50KK=5R3=100KK=10R3=200KK=20C=0.1ufR3=50KK=5R3=100KK=10R3=200KK=20六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告 1畫出步驟5的模擬電路圖。 2畫出系統(tǒng)增幅或減幅振蕩的波形圖。 3計(jì)算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與步驟5中測得的臨界放大系數(shù)相比較

23、。七、預(yù)習(xí)要求1 分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路，掌握其工作原理。2 理論計(jì)算系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩、增幅振蕩、減幅振蕩的條件。 實(shí)驗(yàn)4 系統(tǒng)頻率特性測量一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1加深了解系統(tǒng)及元件頻率特性的物理概念。 2掌握系統(tǒng)及元件頻率特性的測量方法。 3掌握利用“李沙育圖形法”測量系統(tǒng)頻率特性的方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1.自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2.計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理頻率特性的測量方法： 被測系統(tǒng) DA1AD/DA卡 AD1 AD/DA卡 1. 將正弦信號(hào)發(fā)生器、被測系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡按圖3-1連接起來。圖43-1 頻率特性測量電路2. 通過AD/DA卡產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦信號(hào)，并輸入到被測系統(tǒng)中。3. AD/DA卡采

24、集被測系統(tǒng)的輸出信號(hào)，并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。通過比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的不同，可以得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.模擬電路圖及系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖分別如圖3-2和圖3-3。圖3-2 系統(tǒng)模擬電路圖圖 3-3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖2系統(tǒng)傳遞函數(shù) 取R3=500kW，則系統(tǒng)傳遞函數(shù)為 U2（S） 500 G（S）= = U1（S） S2+10S+500 若輸入信號(hào)U1（t）=U1sinwt,則在穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸出信號(hào)為U2（t）=U2sin（wt+Y）改變輸入信號(hào)角頻率w值，便可測得二組U2/U1和Y隨w變化的數(shù)值，這個(gè)變化規(guī)律就是系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。五、實(shí)驗(yàn)步驟1.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入

25、U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。2.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行“自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”軟件。確保通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 李沙育圖3在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)“系統(tǒng)頻率特性測量”,點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)并選擇李沙育圖，然后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖34所示。測頻率圖4在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)“系統(tǒng)頻率特性測量”,點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)并選擇時(shí)間電壓圖，然后鼠標(biāo)

26、單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如圖35所示。測波特圖5. 在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)“系統(tǒng)頻率特性測量”, 點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)并選自動(dòng)選項(xiàng)，然后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如圖36所示圖3-4 李沙育圖圖35 手動(dòng)方式測量波特圖圖36 數(shù)據(jù)采集7 數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后點(diǎn)擊頻率特性按鈕即可以在顯示區(qū)內(nèi)顯示出所測量的波特圖。測奈氏圖8在完成步驟6后，在顯示區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，即出現(xiàn)奈氏圖。9按下表所列頻率，測量各點(diǎn)頻率特性的實(shí)測值并計(jì)算相應(yīng)的理論值。F（Hz）（rad/s）理論值實(shí)測值L（）（）2Xm2yo2ymL（）（）

27、李沙育圖形六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1. 畫出被測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)和模擬電路圖。2. 畫出被測系統(tǒng)的開環(huán)L （）曲線與（）曲線。3. 整理表中的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，并算出理論值和實(shí)測值。4. 討論李沙育圖形法測量頻率特性的精度。七、預(yù)習(xí)要求1. 閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分，掌握李沙育圖形法的基本原理及頻率特性的測量方法。2. 畫出被測系統(tǒng)的開環(huán) L （）曲線與（）曲線。3. 按表中給出格式選擇幾個(gè)頻率點(diǎn)，算出各點(diǎn)頻率特性的理論值。實(shí)驗(yàn)5 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 加深理解串聯(lián)校正裝置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的校正作用。2. 對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì)，并通過模擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。二、實(shí)驗(yàn)儀器1自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2計(jì)算機(jī)一臺(tái)三足

28、表征控制精度、阻尼程度和響應(yīng)速度的性能指標(biāo)要求。如果通過調(diào)整放大器增益后仍然不能全面滿足設(shè)計(jì)要求的性能指標(biāo)，就需要在系統(tǒng)中增加一些參數(shù)及特性可按需要改、實(shí)驗(yàn)原理1 系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與校正設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)的目的，是將構(gòu)成控制器的各元件與被控對(duì)象適當(dāng)組合起來，使之滿變的校正裝置，使系統(tǒng)性能全面滿足設(shè)計(jì)要求。這就是控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的校正問題。按照校正裝置在系統(tǒng)中的連接方式，控制系統(tǒng)校正方式可分為串聯(lián)校正、反饋校正、前饋校正和復(fù)合校正。而按照控制裝置在系統(tǒng)中的作用，又可采用比例、積分、微分等基本控制規(guī)律，以及這些控制規(guī)律的組合。2 基本控制規(guī)律· 比例控制器比例控制器實(shí)質(zhì)上是一個(gè)具有可調(diào)增益的放大器。在

29、信號(hào)變換過程中，比例控制器只改變信號(hào)的增益而不影響其相位。在串聯(lián)校正中，加大控制器增益，可以提高系統(tǒng)的開環(huán)增益，減小系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差，從而提高系統(tǒng)的控制精度，但會(huì)降低系統(tǒng)的相對(duì)穩(wěn)定性，甚至可能造成閉環(huán)系統(tǒng)不穩(wěn)定。· 比例-微分控制器比例-微分控制器中的微分控制規(guī)律，能反應(yīng)輸入信號(hào)的變化趨勢(shì)，產(chǎn)生有效的早期修正信號(hào)，以增加系統(tǒng)的阻尼程度，從而改善系統(tǒng)的穩(wěn)定性。在串聯(lián)校正中，可使系統(tǒng)增加一個(gè)負(fù)的開環(huán)零點(diǎn)，使系統(tǒng)的相角裕度提高，從而有助于系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的改善。· 積分控制器在串聯(lián)校正中，采用積分控制器可以提高系統(tǒng)的型別（無差度），有利于系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性能的提高，但積分控制使系統(tǒng)增加了一個(gè)位于

30、原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，使信號(hào)產(chǎn)生90o的相角滯后，于系統(tǒng)的穩(wěn)定性不利。· 比例-積分控制器在串聯(lián)校正時(shí)，比例-積分控制器相當(dāng)于在系統(tǒng)中增加了一個(gè)位于原點(diǎn)的開環(huán)極點(diǎn)，同時(shí)也增加了一個(gè)位于S坐半平面的開環(huán)零點(diǎn)。位于原點(diǎn)的極點(diǎn)可以提高系統(tǒng)的型別，以消除或減少系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差，改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而增加的零點(diǎn)則可以減小系統(tǒng)的阻尼程度，緩和比例-積分控制器極點(diǎn)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)過程產(chǎn)生的不利影響。· 比例-積分-微分控制器在串聯(lián)校正中，比例-積分-微分控制器可使系統(tǒng)的型別提高一級(jí)，還將提供兩個(gè)負(fù)實(shí)零點(diǎn)。比例-積分-微分控制器除了可提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能外，在提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能方面，具有更大的優(yōu)越性

31、。通常，應(yīng)使積分部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的低頻段，以提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能；而使系統(tǒng)的微分部分發(fā)生在系統(tǒng)頻率特性的中頻段，以改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1串聯(lián)超前校正（1）系統(tǒng)模擬電路圖如圖4-1，圖中開關(guān)S斷開對(duì)應(yīng)未校情況，接通對(duì)應(yīng)超前校正。圖4-1 超前校正電路圖 （2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖4-2圖4-2 超前校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1（s）=2 2（0.055s+1） Gc2（s）= 0.005s+1 2串聯(lián)滯后校正（1） 模擬電路圖如圖4-3，開關(guān)s斷開對(duì)應(yīng)未校狀態(tài)，接通對(duì)應(yīng)滯后校正。圖4-3 滯后校正模擬電路圖（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖4-4 圖4-4 滯后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1(s）=10

32、10（s+1） Gc2（s）= 11s+1 3串聯(lián)超前滯后校正（1） 模擬電路圖如圖4-5，雙刀開關(guān)斷開對(duì)應(yīng)未校狀態(tài)，接通對(duì)應(yīng)超前滯后校正。 圖4-5 超前滯后校正模擬電路圖（2） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖4-6。圖4-6超前滯后校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1（s）=6 6（1.2s+1）（0.15s+1） Gc2（s）= （6s+1）（0.05s+1）五、實(shí)驗(yàn)步驟1.啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，運(yùn)行“自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)”軟件。2.測試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,確保實(shí)驗(yàn)箱與計(jì)算機(jī)通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。超前校正：3.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖4-1，該電路只做為參考，學(xué)生可根據(jù)實(shí)際自行設(shè)計(jì)該超前校正電路)。

33、電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。4.開關(guān)s放在斷開位置。5.在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)“連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正”。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。6.開關(guān)s接通，重復(fù)步驟5,將兩次所測的波形進(jìn)行比較。并將測量結(jié)果記入下表中： 超前校正系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線 %Tp（秒）Ts（秒）滯后校正：7.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖4-3，該電路只做為參考，學(xué)生

34、可根據(jù)實(shí)際自行設(shè)計(jì)該滯后校正電路)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。8.開關(guān)s放在斷開位置。9.在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)“連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正”。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。10.開關(guān)s接通，重復(fù)步驟9,將兩次所測的波形進(jìn)行比較。并將測量結(jié)果記入下表中： 滯后校正系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）Ts（秒）超前-滯后校正11.連接被測量典型環(huán)節(jié)的模

35、擬電路(圖4-5，該電路只做為參考，學(xué)生可根據(jù)實(shí)際自行設(shè)計(jì)該滯后-超前校正電路)。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將純積分電容兩端連在模擬開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。12.開關(guān)s放在斷開位置。13.在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)“連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正”。點(diǎn)擊運(yùn)行按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框，在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。14.開關(guān)s接通，重復(fù)步驟13,將兩次所測的波形進(jìn)行比較。并將測量結(jié)果記入下表中：超前-滯后系統(tǒng)指標(biāo)校正前校正后階躍響應(yīng)曲線%Tp（秒）

36、Ts（秒）六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1計(jì)算串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù) Gc（s）和校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。2畫出校正后系統(tǒng)的對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖，并求出校正后系統(tǒng)的c及。3比較校正前后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)，說明校正裝置的作用。七、預(yù)習(xí)要求1閱讀實(shí)驗(yàn)二的實(shí)驗(yàn)報(bào)告，明確校正前系統(tǒng)的c及。2. 計(jì)算串聯(lián)超前校正裝置的傳遞函數(shù) Gc（s）和校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)，并求出校正后系統(tǒng)的c及。實(shí)驗(yàn)6 數(shù)字PID控制一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1研究PID控制器的參數(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及過渡過程的影響。 2研究采樣周期T對(duì)系統(tǒng)特性的影響。 3研究I型系統(tǒng)及系統(tǒng)的穩(wěn)定誤差。二、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理PID遞推算法：如果PID調(diào)節(jié)器輸入信號(hào)為e（t），其輸送信號(hào)為u（t）,則離散的遞推算法如下： u（k）=u（k-1）+q0e（k）+q1e（k-1）+q2e（k-2）其中 q0=Kp（1+KiT+（Kd/T） q1=Kp（1+（2Kd/T） q2=Kp（Kd/T）T-采樣周期三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如6-1圖。圖6-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc（s）=Kp（1+Ki/s+Kds） Gh（s）=（1e-TS）/s Gp1（s）=5/（0.5s+1）（0.1s+1） Gp2（s）=1/（s（0.1s+1） 2 開環(huán)系統(tǒng)