自動控制理論實驗指導書

1、自動控制理論實驗指導書自動控制理論實驗指導書目錄實驗一 典型環(huán)節(jié)與典型系統(tǒng)的模擬1實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性6實驗三 自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗10實驗四 線性系統(tǒng)動態(tài)特性的研究12實驗五 自動控制系統(tǒng)靜態(tài)誤差實驗13實驗六 控制系統(tǒng)的品質(zhì)及校正裝置的應(yīng)用（設(shè)計性）15實驗七 控制系統(tǒng)頻率特性仿真研究17實驗八 非線性系統(tǒng)運動特性的研究18實驗九 非線性系統(tǒng)的計算機仿真20附錄 KJ82-3型自動控制系統(tǒng)模擬機可做模擬運算電路舉例21實驗一 典型環(huán)節(jié)與典型系統(tǒng)的模擬一實驗?zāi)康?.觀察典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線，定性了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動特性的影響；2.觀測不同階數(shù)線性系統(tǒng)對階躍輸入信號的瞬態(tài)響應(yīng)，了

2、解參數(shù)變化對它的影響。二實驗設(shè)備和儀器1.KJ82-3型自動控制系統(tǒng)模擬機一臺2.Tektronix TDS 1002數(shù)字存儲示波器一臺3.萬用表一塊三實驗內(nèi)容及步驟（一）典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)1.實驗步驟：（1）開啟電源前先將所有運算放大器接成比例狀態(tài)，拔去不用的導線。（2）閉合電源后檢查供電是否正常。分別將各運算放大器調(diào)零，并用示波器觀察調(diào)整好方波信號。（3）斷開電源后按圖接好線，由信號源引出方波信號接到各環(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.實驗內(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)器改變時保護輸入信號不變表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.實驗線路：2.方框圖：其中： 時間常數(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.實驗步驟：（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附近改變增益系數(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改變增益系數(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.實驗步驟：（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，重復上述實驗過程。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)實驗中加入比例環(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)？五實驗報告要求1.寫出實驗各環(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.實測各環(huán)節(jié)不同參數(shù)下輸出波形，認真填寫表1.1至表1.8，并與理想曲線對照。3.分析實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象。15自動控制理論實驗指導書實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性一實驗?zāi)康?.學習二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)特性測試方法。2.了解系統(tǒng)參數(shù)對階躍響應(yīng)特性的影響。二實驗設(shè)備和儀器1.KJ82-3型自動控制系統(tǒng)模擬機一臺2.Tektronix TDS 100

6、2數(shù)字存儲示波器一臺3.萬用表一塊三實驗線路四方框圖式中： 時間常數(shù)； 為無阻尼自然頻率例：若 則當 秒，。當 秒，。 （，）當 時，；而 時，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： 峰值時間： 調(diào)整時間： 阻尼振蕩周期： 五實驗步驟1.將各運放接成比例狀態(tài)（反饋電阻調(diào)到最大），仔細調(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，按以下步驟進行實驗記錄：（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計算0輸出波形計算0.13輸出波形計算0.33輸出波形計算0.44輸出波形計算0.63輸出波形（2）令1，1，10，a0.33，輸入信號改為階躍開關(guān)，記錄的瞬態(tài)響應(yīng)曲線并與理論曲線比較。六實驗分析及思考1.結(jié)合實驗數(shù)據(jù)進一步從物理意義上分析改變系統(tǒng)參數(shù)a對，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，各參量一般取值范圍。3.通過實驗總結(jié)出觀測一個實驗二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的方法。七實驗報告要求1.根據(jù)理論計算，認真填寫表2.1中各項數(shù)據(jù)。2.根據(jù)實驗觀測，認真繪制表2.1中輸出波形，特別注意，的變化。3.繪制實驗步驟（2）所要求的二階系統(tǒng)瞬態(tài)響

8、應(yīng)曲線。實驗三 自動控制系統(tǒng)穩(wěn)定性實驗一實驗?zāi)康?.觀察線性系統(tǒng)穩(wěn)定和不穩(wěn)定的運動狀態(tài)，驗證理論上的穩(wěn)定判別的正確性。2.研究系統(tǒng)的開環(huán)放大系數(shù)對穩(wěn)定性的影響。3.了解系統(tǒng)時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。二實驗設(shè)備和儀器1.KJ82-3型自動控制系統(tǒng)模擬機一臺2.Tektronix TDS 1002數(shù)字存儲示波器一臺3.萬用表一塊三實驗內(nèi)容（一）系統(tǒng)穩(wěn)定性觀察，驗證理論判據(jù)。1.實驗線路圖3.12.按下表分別接實驗線路 方案一 方案二同 上同 上方案三同 上同 上在輸入端接適當寬度的方波信號，將a（即之值）由0®1逐步變化，觀察并記錄各組參數(shù)時系統(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

9、a值。3.按上面的線路，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2的實驗過程并做記錄。（二）測系統(tǒng)臨界比例系數(shù)，觀察該系數(shù)對穩(wěn)定性影響。1.實驗線路結(jié)構(gòu)圖圖3.22.對于圖3.2所示的系統(tǒng)，當4，5，6，7時，分別測出其臨界開環(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。臨測試方法：設(shè)計記錄表及接線圖，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，記下此時的a值，即可求得臨。3.當4時，觀察由小到大變化時，系統(tǒng)動態(tài)響應(yīng)的變化。（三）研究系統(tǒng)中各時間常數(shù)的比例對穩(wěn)定性的影響。對于一個 的系統(tǒng)

10、，建議選0.5秒，測出當1，2，5時系統(tǒng)的臨和自振頻率。四實驗準備及要求1.對實驗內(nèi)容（一）的實驗線路，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，實驗結(jié)果驗證。2.對實驗內(nèi)容（二）所給結(jié)構(gòu)圖，分別畫出模擬實驗圖，選擇好各組參數(shù)，擬定實驗步驟，分別計算臨。3.對實驗內(nèi)容（三）給的開環(huán)傳遞函數(shù)，選擇設(shè)計各項參數(shù)，擬定實驗步驟。4.設(shè)計各項實驗內(nèi)容中的記錄表格。五實驗報告要求1.畫出各項實驗的模擬實驗線路圖。2.各項實驗參數(shù)選擇方案。3.按各選擇方案進行預(yù)先理論計算，包括計算中有關(guān)公式及運算結(jié)果。4.實驗中數(shù)據(jù)整理，實驗現(xiàn)象記錄。5.實驗結(jié)果分析得出結(jié)論。6.實驗中出現(xiàn)問題，體會及建議。六思

11、考題1.三階系統(tǒng)的各時間常數(shù)怎樣組合時系統(tǒng)穩(wěn)定性最好？何種組合時最差？2.已知三階系統(tǒng)各時間常數(shù)，如何估計其自振頻率？實驗四 線性系統(tǒng)動態(tài)特性的研究一實驗?zāi)康挠^察并熟悉線性系統(tǒng)在不同穩(wěn)定儲備的條件下動態(tài)過程的特征，驗證經(jīng)驗公式的適用性。二實驗內(nèi)容1.對于傳遞函數(shù)為 的系統(tǒng)，排出模擬運算圖，選擇合適的，使系統(tǒng)穩(wěn)定儲備如下表所示，分別計算和描述表中各項內(nèi)容。穩(wěn) 定階 躍 響超 調(diào) 量過 渡 過 程 時 間儲 備應(yīng) 曲 線計 算實 測計 算實 測建議選，2.測出該系統(tǒng)的臨界值和自振頻率，與理論值比較。三預(yù)習要求1.復習有關(guān)內(nèi)容，畫出系統(tǒng)伯德圖。2.排出模擬實驗圖，擬定實驗步驟。四實驗報告要求1.畫出

12、實驗的模擬實驗線路圖。2.各項實驗參數(shù)選擇方案。3.按各選擇方案進行預(yù)先理論計算，包括計算中有關(guān)公式及運算結(jié)果。4.實驗中數(shù)據(jù)整理，實驗現(xiàn)象記錄。5.實驗結(jié)果分析得出結(jié)論。6.實驗中出現(xiàn)問題，體會及建議。實驗五 自動控制系統(tǒng)靜態(tài)誤差實驗一實驗?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，驗證理論上的結(jié)論。二實驗原理與線路1.實驗線路2.典型輸入信號（1）方波信號 由信號源直接取得（2）斜坡信號（3）加速度輸入信號說明：由于運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：即用 ；3.校正網(wǎng)絡(luò)三實驗內(nèi)容1.定性觀察三種系統(tǒng)在三種不同典型輸入時的誤差，記錄點波形。2.

13、改變O型系統(tǒng)的放大系數(shù)（即改變電位器的衰減系數(shù)a值）觀察在S1信號輸入時的靜態(tài)誤差有何變化。四預(yù)習要求1.復習有關(guān)控制系統(tǒng)誤差的理論，設(shè)計記錄波形的表格。2.寫出實驗內(nèi)容所給三種系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖。3.估計在點測量誤差時的波形。五實驗報告要求1.按設(shè)計的表格畫好實驗中各種波形圖。2.將實驗結(jié)果與理論分析比較，分析產(chǎn)生實驗誤差的原因，討論實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象。六思考問題在取得不同典型輸入信號波形的線路中，在什么情況下可以用近似 ；用近似？實驗六 控制系統(tǒng)的品質(zhì)及校正裝置的應(yīng)用（設(shè)計性）一實驗?zāi)康睦貌聢D對給定非穩(wěn)定系統(tǒng)（或動態(tài)特性不良的系統(tǒng)）設(shè)計校正裝置，并驗證設(shè)計的正確性。二實驗預(yù)習和準備1.對本實驗

14、所給電路，分別推出開環(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)計校正裝置，制定實驗計劃（包括實驗步驟、記錄表格等）。三實驗設(shè)備和儀器1.KJ82-3型自動控制系統(tǒng)模擬機一臺2.Tektronix TDS 1002數(shù)字存儲示波器一臺3.萬用表一塊四實驗線路圖6.1圖6.2五實驗步驟1.按所給實驗電路圖接線，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)計的校正裝置，觀察系統(tǒng)輸出波形的變化，與理論計算比較。六實驗報告要求1.寫明設(shè)計過程，畫出實驗電路圖校正前后的伯德圖。2.按設(shè)計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

15、與品質(zhì)，與實驗結(jié)果對照。3.總結(jié)實驗體會。23實驗七 控制系統(tǒng)頻率特性仿真研究一實驗?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)曲線驗證。二實驗內(nèi)容1.典型二階系統(tǒng) 繪制出取不同值時的伯德圖。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)。三實驗步驟1.熟悉MATLAB的一些基本操作。2.熟悉MATLAB編程語言中與實驗相關(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.打開自動生成的圖形窗口（）查看頻率

16、特性圖及單位沖激響應(yīng)。四實驗報告要求1.使用MATLAB語言編制仿真程序。2.在坐標紙上畫出圖形窗口（）顯示的頻率特性圖及單位沖激響應(yīng)。3.分析仿真結(jié)果。實驗八 非線性系統(tǒng)運動特性的研究一實驗?zāi)康?.了解非線性環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響。2.觀察非線性系統(tǒng)的自持振蕩。3.學習和理解描述函數(shù)分析法。二實驗內(nèi)容（一）死區(qū)特性對控制系統(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)動特性變化。2.加進非線性環(huán)節(jié)，使值由小到大逐步變化，觀察并記錄系統(tǒng)動特性變化，與不加非線性環(huán)節(jié)時比較。（二）飽和特性對線性系統(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

17、組100502000.33101033331100100100注：33可由100/501.按所給模擬運算圖，分別畫出三個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，計算系統(tǒng)自持振蕩的頻率及振幅。2.在學習機上接模擬運算圖接線，分別實現(xiàn)三個方案，對于出現(xiàn)自持振蕩，記錄振蕩的頻率和振幅并記錄各運放輸出端的波形（畫出草圖即可）。3.對于穩(wěn)定的方案，改變輸入擾動信號的幅度（例如，）分別記錄系統(tǒng)輸出端及。三實驗預(yù)習要求1.實驗前復習條件穩(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)計算。3.擬定實驗步驟及記錄表格。四實驗報告要求1.按實驗內(nèi)容要求，整理實驗中記錄的數(shù)據(jù)及圖形，并按自己設(shè)計的表格填寫。2.對比理論計算與實驗結(jié)果，分析對比結(jié)果。3.總結(jié)如何用描述函數(shù)法分析非線性系統(tǒng)。實驗九 非線性系統(tǒng)的計算機仿真