《自動控制理論》實(shí)驗(yàn)新

1、 自動控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書自動控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書適用專業(yè): 電氣、測控、信息 課程代碼: 8402510 總學(xué)時: 總學(xué)分: 編寫單位: 電氣信息學(xué)院 編 寫 人: 審 核 人: 審 批 人: 批準(zhǔn)時間: 年 月 日目 錄 實(shí)驗(yàn)一（實(shí)驗(yàn)代碼1）典型系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性 2實(shí)驗(yàn)二（實(shí)驗(yàn)代碼2）線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析 7實(shí)驗(yàn)三（實(shí)驗(yàn)代碼3）系統(tǒng)校正 12實(shí)驗(yàn)四（實(shí)驗(yàn)代碼4）直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速 16實(shí)驗(yàn)一 典型系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù) 1、 通過模擬實(shí)驗(yàn)，定性和定量地分析二階系統(tǒng)的兩個參數(shù)T和對二階系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。2、 通過模擬實(shí)驗(yàn)，定性和定量地分析系統(tǒng)開環(huán)增益K對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影

2、響。3、 觀測系統(tǒng)處于穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定情況下的輸出響應(yīng)的差別。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、 觀察二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，分析二階系統(tǒng)的兩個參數(shù)T和對二階系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。2、 觀察三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，分析系統(tǒng)開環(huán)增益K對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。三、 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料 TDN-AC/ACS教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、導(dǎo)線四、 實(shí)驗(yàn)原理1典型的二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 (1) 結(jié)構(gòu)框圖：如圖1-1所示。 圖1-1 (2) 對應(yīng)的模擬電路圖：如圖1-2所示。（其中R取10 K，50 K，160 K，200 K） 圖1-2 (3) 理論分析 系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：(4) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 先算出臨界阻尼、欠阻尼、過阻尼時電阻R的理論值，再

3、將理論值應(yīng)用于模擬電路中，觀察二階系統(tǒng)的動態(tài)性能及穩(wěn)定性，應(yīng)與理論分析基本吻合。在此實(shí)驗(yàn)中(圖1-2)， 系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：其中自然振蕩角頻率和阻尼比：； 。 2典型的三階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析 (1) 結(jié)構(gòu)框圖：如圖1-3所示。 圖1-3 (2) 模擬電路圖：如圖1-4所示。 圖1-4 (3) 理論分析 系統(tǒng)的開環(huán)傳函為: ， 系統(tǒng)的特征方程為: (4) 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 實(shí)驗(yàn)前由Routh判斷得Routh行列式為： 為了保證系統(tǒng)穩(wěn)定，第一列各值應(yīng)為正數(shù)，所以有得：五、 主要技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)1、用示波器觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)C(t)時，超調(diào)量p，峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間ts的測量。2、從系統(tǒng)階躍響應(yīng)C(t)波形分析

4、系統(tǒng)穩(wěn)定性六、實(shí)驗(yàn)步驟1. 典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)的測試 (1) 按模擬電路圖1-2接線，將階躍信號接至輸入端，取R = 10K。 (2) 用示波器觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線C(t)，測量并記錄超調(diào)MP、峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間tS。 (3) 分別按R = 50K；160K；200K；改變系統(tǒng)開環(huán)增益，觀察響應(yīng)曲線C(t)，測量并記錄性能指標(biāo)MP、tp和tS，及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并將測量值和計(jì)算值(實(shí)驗(yàn)前必須按公式計(jì)算出)進(jìn)行比較。將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-1中。 2典型三階系統(tǒng)的性能 (1) 按圖1-4接線，將1中的方波信號接至輸入端，取R = 30K。 (2) 觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，并記錄波形。 (3) 減小開

5、環(huán)增益，觀察響應(yīng)曲線，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-2中。七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求參數(shù)項(xiàng)目RKKl/snl/sC(tp)C()Mptpts階躍響應(yīng)曲線計(jì)算值測量值計(jì)算值測量值計(jì)算值測量值0<<1欠阻尼1050=1臨界阻尼160>1過阻尼200表1-1 R(K)K輸出波形穩(wěn)定性100（臨界穩(wěn)定時的R值）R20表1-2八、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、 作實(shí)驗(yàn)前要預(yù)習(xí)。2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，作實(shí)驗(yàn)時注意抓緊時間。九、 思考題 1、 在實(shí)驗(yàn)線路中如何確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋？如果反饋回路中有偶數(shù)個運(yùn)算放大器，則構(gòu)成什么反饋？2、 有那些措施能增加系統(tǒng)的穩(wěn)定度？它們對系統(tǒng)的性能有什么影響？實(shí)驗(yàn)二 線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分

6、析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù) 1掌握波特圖的繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳函。 2掌握實(shí)驗(yàn)方法測量系統(tǒng)的波特圖。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1、繪制波特圖及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳函。 2、實(shí)驗(yàn)方法測量系統(tǒng)的波特圖三、 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料 PC機(jī)一臺，TD-ACC+系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套四、 實(shí)驗(yàn)原理 1頻率特性 當(dāng)輸入正弦信號時，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有隨頻率 ( 由0變至 ) 而變化的特性。頻率響應(yīng)法的基本思想是：盡管控制系統(tǒng)的輸入信號不是正弦函數(shù)，而是其它形式的周期函數(shù)或非周期函數(shù)，但是，實(shí)際上的周期信號，都能滿足狄利克萊條件，可以用富氏級數(shù)展開為各種諧波分量；而非周期信號也可以使用富氏積分表示為連續(xù)的

7、頻譜函數(shù)。因此，根據(jù)控制系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)，可推算出系統(tǒng)在任意周期信號或非周期信號作用下的運(yùn)動情況。 2線性系統(tǒng)的頻率特性 系統(tǒng)的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有和正弦輸入信號的幅值比）（j和相位差）（j隨角頻率 (由0變到) 變化的特性。而幅值比）（j和相位差）（j恰好是函數(shù)）（j的模和幅角。所以只要把系統(tǒng)的傳遞函數(shù)）（s，令js=，即可得到）（j。我們把）（j稱為系統(tǒng)的頻率特性或頻率傳遞函數(shù)。當(dāng)由0到變化時， ）（j隨頻率的變化特性成為幅頻特性，）（j隨頻率的變化特性稱為相頻特性。幅頻特性和相頻特性結(jié)合在一起時稱為頻率特性。 3頻率特性的表達(dá)式 (1) 對數(shù)頻率特性：又稱波特圖，它包括對數(shù)幅頻和對數(shù)

8、相頻兩條曲線，是頻率響應(yīng)法中廣泛使用的一組曲線。這兩組曲線連同它們的坐標(biāo)組成了對數(shù)坐標(biāo)圖。 對數(shù)頻率特性圖的優(yōu)點(diǎn)： 它把各串聯(lián)環(huán)節(jié)幅值的乘除化為加減運(yùn)算，簡化了開環(huán)頻率特性的計(jì)算與作圖。 利用漸近直線來繪制近似的對數(shù)幅頻特性曲線，而且對數(shù)相頻特性曲線具有奇對稱于轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)的性質(zhì)，這些可使作圖大為簡化。 通過對數(shù)的表達(dá)式，可以在一張圖上既能繪制出頻率特性的中、高頻率特性，又能清晰地畫出其低頻特性。 (2) 極坐標(biāo)圖 (或稱為奈奎斯特圖) (3) 對數(shù)幅相圖 (或稱為尼柯爾斯圖) 本次實(shí)驗(yàn)中，采用對數(shù)頻率特性圖來進(jìn)行頻域響應(yīng)的分析研究。實(shí)驗(yàn)中提供了兩種實(shí)驗(yàn)測試方法：直接測量和間接測量。 直接頻率特

9、性的測量 用來直接測量對象的輸出頻率特性，適用于時域響應(yīng)曲線收斂的對象（如：慣性環(huán)節(jié)）。該方法在時域曲線窗口將信號源和被測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線顯示出來，直接測量對象輸出與信號源的相位差及幅值衰減情況，就可得到對象的頻率特性。 間接頻率特性的測量 用來測量閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)特性，因?yàn)橛行┚€性系統(tǒng)的開環(huán)時域響應(yīng)曲線發(fā)散，幅值不易測量，可將其構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋穩(wěn)定系統(tǒng)后，通過測量信號源、反饋信號、誤差信號的關(guān)系，從而推導(dǎo)出對象的開環(huán)頻率特性。 4舉例說明間接和直接頻率特性測量方法的使用。 (1) 間接頻率特性測量方法 對象為積分環(huán)節(jié)：1/0.1S 由于積分環(huán)節(jié)的開環(huán)時域響應(yīng)曲線不收斂，穩(wěn)態(tài)幅值無法測出，我們采用間

10、接測量方法，將其構(gòu)成閉環(huán)，根據(jù)閉環(huán)時的反饋及誤差的相互關(guān)系，得出積分環(huán)節(jié)的頻率特性。 將積分環(huán)節(jié)構(gòu)成單位負(fù)反饋，模擬電路構(gòu)成如圖2-1所示。 圖2-1 理論依據(jù) 圖3.1-1所示的開環(huán)頻率特性為：采用對數(shù)幅頻特性和相頻特性表示，則上式表示為： 其中G(jw)為積分環(huán)節(jié)，所以只要將反饋信號、誤差信號的幅值及相位按上式計(jì)算出來即可得積分環(huán)節(jié)的波特圖。 測量方式：實(shí)驗(yàn)中采用間接方式，只須用兩路表筆CH1和CH2來測量圖2-1中的反饋測量點(diǎn)和誤差測量點(diǎn)，通過移動游標(biāo)，確定兩路信號和輸入信號之間的相位和幅值關(guān)系，即可間接得出積分環(huán)節(jié)的波特圖。 (2) 直接頻率特性測量方法 只要環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)曲線收斂就不

11、用構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)而采用直接測量法直接測量輸入、輸出信號的幅值和相位關(guān)系，就可得出環(huán)節(jié)的頻率特性。 實(shí)驗(yàn)對象：選擇一階慣性其傳函為 結(jié)構(gòu)框圖：如圖所示 圖2-2 模擬電路圖 圖2-3 測量方式：實(shí)驗(yàn)中選擇直接測量方式，用CH1路表筆測輸出測量端，通過移動游標(biāo)，測得輸出與信號源的幅值和相位關(guān)系，直接得出一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性。 五、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟 一 、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 本次實(shí)驗(yàn)利用教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供的頻率特性測試虛擬儀器進(jìn)行測試，畫出對象波特圖。 1 實(shí)驗(yàn)對象的結(jié)構(gòu)框圖 圖2-4 2 模擬電路圖 圖2-5 開環(huán)傳函為：， 閉環(huán)傳函：， 得轉(zhuǎn)折頻率。 二、實(shí)驗(yàn)步驟 此次實(shí)驗(yàn)，采用直接測量方法測量對象的閉

12、環(huán)波特圖及間接測量方法測量對象的開環(huán)波特圖。將信號源單元的“ST”插針分別與“S”插針和“+5V”插針斷開，運(yùn)放的鎖零控制端“ST”此時接至示波器單元的“SL”插針處，鎖零端受“SL”來控制。實(shí)驗(yàn)過程中“SL”信號由虛擬儀器自動給出。 1實(shí)驗(yàn)接線：按模擬電路圖2-5接線，檢查無誤后方可開啟設(shè)備電源。 2直接測量方法 (測對象的閉環(huán)波特圖) (1) 將示波器單元的“SIN”接至圖2-5中的信號輸入端，“CH1”路表筆插至圖2-5中的4運(yùn)放的輸出端。 (2) 打開集成軟件中的頻率特性測量界面，彈出時域窗口，點(diǎn)擊 按鈕，在彈出的窗口中根據(jù)需要設(shè)置好幾組正弦波信號的角頻率和幅值，選擇測量方式為“直接”

13、測量，每組參數(shù)應(yīng)選擇合適的波形比例系數(shù)，具體如下圖所示: (3) 確認(rèn)設(shè)置的各項(xiàng)參數(shù)后，點(diǎn)擊 按鈕，發(fā)送一組參數(shù)，待測試完畢，顯示時域波形，此時需要用戶自行移動游標(biāo)，將兩路游標(biāo)同時放置在兩路信號的相鄰的波峰 (波谷) 處，或零點(diǎn)處，來確定兩路信號的相位移。兩路信號的幅值系統(tǒng)將自動讀出。重復(fù)操作(3)，直到所有參數(shù)測量完畢。 (4) 待所有參數(shù)測量完畢后，點(diǎn)擊按鈕，彈出波特圖窗口，觀察所測得的波特圖，該圖由若干點(diǎn)構(gòu)成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個點(diǎn)對應(yīng)一組參數(shù)下的測量結(jié)果。 點(diǎn)擊極坐標(biāo)圖按鈕，可以得到對象的閉環(huán)極坐標(biāo)圖。(5) 根據(jù)所測圖形可適當(dāng)修改正弦波信號的角頻率和幅值重新測量，達(dá)到滿意的效

14、果。 3 間接測量方法：(測對象的開環(huán)波特圖) 將示波器的“CH1”接至3運(yùn)放的輸出端，“CH2”接至1運(yùn)放的輸出端。按直接測量的參數(shù)將參數(shù)設(shè)置好，將測量方式改為間接測量。此時相位差是指反饋信號和誤差信號的相位差，應(yīng)將兩根游標(biāo)放在反饋和誤差信號上。測得對象的開環(huán)波特圖。 測得對象的開環(huán)極坐標(biāo)圖。4 注意： (1) 測量過程中要去除運(yùn)放本身的反相的作用，即保持兩路測量點(diǎn)的相位關(guān)系與運(yùn)放無關(guān)，所以在測量過程中可能要適當(dāng)加入反相器，濾除由運(yùn)放所導(dǎo)致的相位問題。 (2) 測量過程中，可能會由于所測信號幅值衰減太大，信號很難讀出，須放大，若放大的比例系數(shù)不合適，會導(dǎo)致測量誤差較大。所以要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整誤差或

15、反饋比例系數(shù)。 六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、 畫出采用直接測量法測得二階閉環(huán)系統(tǒng)的波特圖。2、 畫出采用直接測量法測得二階閉環(huán)系統(tǒng)的極坐標(biāo)圖為。3、 畫出采用間接測量法測得二階開環(huán)系統(tǒng)的波特圖為。4、 畫出采用間接測量法測得二階開環(huán)系統(tǒng)的極坐標(biāo)圖。實(shí)驗(yàn)三 系統(tǒng)校正一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù) 1、 學(xué)會分析校正裝置對系統(tǒng)穩(wěn)定性和暫態(tài)指標(biāo)的影響。2、 學(xué)會設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察一個二階系統(tǒng)校正前后的階躍響應(yīng)曲線，分析超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間ts的變化情況。三、 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料TDN-AC/ACS教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、導(dǎo)線四、 實(shí)驗(yàn)原理1、 原系統(tǒng)的原理方框圖：見圖3-1R(s)E(s)-C(s)+圖3-

16、1由閉環(huán)傳函對應(yīng)的模擬電路圖：見圖3-2圖3-22、設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)：。3串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的理論推導(dǎo) 由公式，設(shè)校正后的系統(tǒng)開環(huán)傳函為，由期望值得：。校正后系統(tǒng)的閉環(huán)傳函為： 取0.5，則T 0.05s，n20滿足n10，得校正后開環(huán)傳函為：因?yàn)樵到y(tǒng)開環(huán)傳函為：，且采用串聯(lián)校正，所以串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的傳函為：，加校正環(huán)節(jié)后的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖：見圖3-3圖3-3 對應(yīng)的模擬電路圖：見圖3-4 圖3-4 五、 主要技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn) 分析校正裝置對系統(tǒng)穩(wěn)定性和暫態(tài)指標(biāo)的影響。 六、 實(shí)驗(yàn)步驟1、 測量未校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)。（1）按圖3-2線。（2）加入階躍電壓，觀察階躍響應(yīng)曲線，并測出超調(diào)量

17、p和調(diào)節(jié)時間ts，將曲線及參數(shù)記錄下來。2、 測量校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)。（1）按圖3-4接線。（2）加入階躍電壓，觀察階躍響應(yīng)曲線，并測出超調(diào)量p和調(diào)節(jié)時間ts，看是否達(dá)到期望值，若未達(dá)到，請仔細(xì)檢查接線（包括阻容值）。3、 將測出的超調(diào)量p和調(diào)節(jié)時間ts填入表3-1中，并繪制出相應(yīng)的響應(yīng)曲線。七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求 Mp（）ts（s）響應(yīng)曲線校正前校正后表3-1八、 實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng) 注意超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間ts的讀取九、 思考題 如何測量速度誤差？怎樣檢測靜態(tài)速度誤差系數(shù)是否滿足希望值？實(shí)驗(yàn)四 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)1、學(xué)會綜合應(yīng)用自動控制理論和其它學(xué)科的知識分析系統(tǒng)。 2、熟悉單片機(jī)

18、控制的電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的基本原理。 3、掌握自動控制的PID算法。二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、按圖接線，了解電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制的基本原理。 2、學(xué)習(xí)電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制的編程方法，掌握PID算法。 3、分析PID算法中參數(shù)對控制結(jié)果的影響，記錄控制效果最好的參數(shù)。三、 實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料TDN-AC/ACS教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、導(dǎo)線四、 實(shí)驗(yàn)原理 直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速系統(tǒng)原理如圖4-1所示，實(shí)驗(yàn)接線圖如圖4-2所示數(shù)字PID控制器驅(qū)動單元電路直流電機(jī)速度驅(qū)動單元電路數(shù)字給定值圖4-1 圖4-2上圖中，控制機(jī)算機(jī)的“DOUT0”表示 386EX 的 I/O 管腳 P1.4，輸出 PWM 脈沖經(jīng)驅(qū)動后控制直流電機(jī)，“IRQ7”表示 386EX 內(nèi)部主片 8259 的 7 號中斷，用作測速中斷。實(shí)驗(yàn)中，用系統(tǒng)的數(shù)字量輸出端口“DOUT0”來模擬產(chǎn)生 PMW 脈寬調(diào)制信號，構(gòu)成系統(tǒng)的控制量，經(jīng)驅(qū)動電路驅(qū)動后控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)?；魻枩y速元件輸出的脈沖信號記錄電機(jī)轉(zhuǎn)速構(gòu)成反饋量。在參數(shù)給定情況下，經(jīng) PID 運(yùn)算，電機(jī)可在控制量作用下，按給定轉(zhuǎn)速閉環(huán)運(yùn)轉(zhuǎn)。系統(tǒng)定時器定時 1ms，作為系統(tǒng)采樣基準(zhǔn)時鐘；測速中斷用于測量電機(jī)轉(zhuǎn)速。直流電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)的參考程序流程圖及參考程序見附錄。五、 主要