《控制理論》課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

1、PAGE PAGE - 12 -控制理論課程實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書一、課程的目的、任務(wù) 本課程是電子科學(xué)、測控技術(shù)專業(yè)學(xué)生在學(xué)習(xí)控制理論課程間的一門實(shí)踐性技術(shù)基礎(chǔ)課程，其目的在于通過實(shí)驗(yàn)使學(xué)生能更好地理解和掌握基本控制理論，培養(yǎng)學(xué)生理論聯(lián)系實(shí)際的學(xué)風(fēng)和科學(xué)態(tài)度，提高學(xué)生的控制理論實(shí)驗(yàn)技能和分析處理實(shí)際問題的能力。為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)打下基礎(chǔ)。 二、課程的教學(xué)內(nèi)容與要求序號實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目實(shí) 驗(yàn) 內(nèi) 容1倒立擺實(shí)驗(yàn)通過對倒立擺控制系統(tǒng)進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)如何進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，了解控制器各個參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響。2吹擺實(shí)驗(yàn)掌握PID控制算法中各參數(shù)對控制效果的影響。3頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)了解測定系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性的測定方法；

2、進(jìn)一步掌握電子模擬線路的設(shè)計(jì)方法三各實(shí)驗(yàn)具體要求 見P2四、實(shí)驗(yàn)流程介紹 學(xué)生用戶登陸進(jìn)入實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的用戶名為：學(xué)號(如D205001200XX)，密碼：netlab詳細(xì)操作步驟見P5五、實(shí)驗(yàn)報告 請各指導(dǎo)老師登陸該實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)了解具體實(shí)驗(yàn)方法，并指導(dǎo)學(xué)生完成實(shí)驗(yàn)。學(xué)生結(jié)束實(shí)驗(yàn)后應(yīng)完成相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)報告并交給指導(dǎo)老師。其中實(shí)驗(yàn)報告的主要內(nèi)容包括：實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)內(nèi)容，實(shí)驗(yàn)記錄數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)分析與處理等。實(shí)驗(yàn)一倒立擺實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過對倒立擺控制系統(tǒng)進(jìn)行控制實(shí)驗(yàn)，學(xué)習(xí)如何進(jìn)行控制器的設(shè)計(jì)，了解控制器各個參數(shù)對系統(tǒng)控制性能的影響。還可以通過控制實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自行設(shè)計(jì)的算法。二、倒立擺系統(tǒng)原理簡介 環(huán)形一級倒立擺系統(tǒng)

3、的原理框圖如上所示。系統(tǒng)包括計(jì)算機(jī)、運(yùn)動控制卡、伺服機(jī)構(gòu)、倒立擺本體和光電碼盤幾大部分，組成了一個閉環(huán)系統(tǒng)。光電碼盤1將連桿的角度、角速度信號反饋給伺服驅(qū)動器和運(yùn)動控制卡，擺桿的角度、角速度信號由光電碼盤2反饋回控制卡。計(jì)算機(jī)從運(yùn)動控制卡中讀取實(shí)時數(shù)據(jù)，確定控制決策 ，并由運(yùn)動控制卡來實(shí)現(xiàn)該控制決策，產(chǎn)生相應(yīng)的控制量，驅(qū)動電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動連桿運(yùn)動，保持?jǐn)[桿的平衡。三、實(shí)驗(yàn)任務(wù) 注意此實(shí)驗(yàn)只做其中的倒立擺控制實(shí)驗(yàn)，倒立擺辨識實(shí)驗(yàn)不做要求。 該實(shí)驗(yàn)采用LQR控制算法，控制倒立擺擺動至豎直狀態(tài)，并可以控制倒立擺左移和右移。實(shí)驗(yàn)中控制參數(shù)已經(jīng)設(shè)好，實(shí)驗(yàn)只需選擇擾動的波形，及其頻率和幅值大小，注意先啟動伺

4、服，再起擺，記錄實(shí)驗(yàn)過程中的擺桿角度、擺桿角速度、連桿角位移和連桿角速度，并記錄實(shí)驗(yàn)過程中的波形。實(shí)驗(yàn)二 吹擺實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握PID控制算法中各參數(shù)對控制效果的影響。二、吹擺系統(tǒng)原理簡介本實(shí)驗(yàn)為利用PID及各種自定義算法，對風(fēng)扇轉(zhuǎn)速進(jìn)行控制，使擺架固定的擺葉被吹起，到達(dá)所設(shè)定的角度。實(shí)驗(yàn)裝置模型如下圖所示：圖一、實(shí)驗(yàn)裝置模型實(shí)驗(yàn)原理如下：圖二、實(shí)驗(yàn)原理框圖通過閉環(huán)控制，利用角度傳感器測到的角度與設(shè)定角度比較，采用脈沖寬度控制輸出電壓控制風(fēng)扇，輸出風(fēng)力吹動吹擺。三、實(shí)驗(yàn)任務(wù) 1，設(shè)定PID控制參數(shù)Kp,Td,Ti,及激勵函數(shù)的類型和相應(yīng)參數(shù)，記錄設(shè)定的參數(shù)及實(shí)驗(yàn)波形。 2，根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得數(shù)據(jù)

5、討論P(yáng)ID控制中各控制參數(shù)對控制效果的影響。實(shí)驗(yàn)三 頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解測定系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性的測定方法；進(jìn)一步掌握電子模擬線路的設(shè)計(jì)方法。二、實(shí)驗(yàn)任務(wù) 1、簡介系統(tǒng)動態(tài)性能可用時域的階躍響應(yīng)來分析，也可用系統(tǒng)的頻率特性來評價。測試系統(tǒng)的頻率特性時，被測系統(tǒng)施加一種穩(wěn)態(tài)正弦信號，系統(tǒng)處在穩(wěn)態(tài)，外來隨機(jī)干擾對測試結(jié)果的影響比測試時域響應(yīng)時要小的多。因此測量準(zhǔn)確度比較高。本實(shí)驗(yàn)中利用李薩如圖形法，測試系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。系統(tǒng)提供微分積分電路，二階系統(tǒng)電路兩種基本電路。用戶通過組態(tài)，可以繪制需要的電路圖，系統(tǒng)同時提供電路圖檢測功能。客戶端通過服務(wù)器將數(shù)據(jù)發(fā)送給控制端，控制端完成實(shí)驗(yàn)后，將

6、數(shù)據(jù)返回給客戶端，同時用戶可以在客戶端觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 2、實(shí)驗(yàn)任務(wù) 該實(shí)驗(yàn)提供微分積分系統(tǒng)和二階系統(tǒng)兩個系統(tǒng)的頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)，學(xué)生可以任選其中一個系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 進(jìn)入實(shí)驗(yàn)操作界面后，首先要繪制電路圖，利用界面中提供的元器件列表工具欄，繪制相應(yīng)的微分積分系統(tǒng)或二階系統(tǒng)電路圖，設(shè)置好相應(yīng)元件的參數(shù)值，進(jìn)行電路檢測。然后登記、啟動實(shí)驗(yàn)，發(fā)送實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，注意，在完成檢測之前，發(fā)送功能是被禁用的，選定頻率就可以觀察到相應(yīng)的李薩如圖形。本實(shí)驗(yàn)中也提供了標(biāo)準(zhǔn)的電路圖，用戶可以打開安裝目錄下的標(biāo)準(zhǔn)電路圖載入進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 實(shí)驗(yàn)記錄電路圖及相應(yīng)參數(shù)，和頻率響應(yīng)的李薩如圖形；根據(jù)李薩如圖形分析系統(tǒng)的頻率特性。實(shí)驗(yàn)步驟下面

7、以實(shí)驗(yàn)三為例介紹實(shí)驗(yàn)的步驟。1.登陸點(diǎn)擊客戶端軟件“電工電子網(wǎng)絡(luò)實(shí)驗(yàn)室”logo，出現(xiàn)如下圖示： 輸入用戶名，密碼(用戶名為各人的學(xué)號如D205001200 xx，密碼統(tǒng)一為netlab)，點(diǎn)擊“確定”，出現(xiàn)如下界面。這里需要稍微等待（10s）。在左邊任務(wù)欄中選取“頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)”，在上方工具菜單中選取“登記實(shí)驗(yàn)”：會跳出對話框詢問用戶是否開始實(shí)驗(yàn)如右圖所示。點(diǎn)擊確定即可開始實(shí)驗(yàn)。2.排隊(duì)如果用戶進(jìn)入看到左邊的實(shí)驗(yàn)列表中某些實(shí)驗(yàn)有紅色標(biāo)識，如下頁左圖所示（紅色實(shí)圈），則表示該實(shí)驗(yàn)?zāi)壳坝腥艘呀?jīng)在做，并且提示用戶前面有多少個用戶。這種情況下選擇“登記實(shí)驗(yàn)”就可以進(jìn)入排隊(duì)隊(duì)列（下頁右圖，紅色虛圈），等

8、待自己的實(shí)驗(yàn)時間。針對控制理論實(shí)驗(yàn)，每個用戶設(shè)定的時間約一小時。實(shí)驗(yàn)結(jié)束后請正常退出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)，節(jié)約資源，也方便其他用戶進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 3.進(jìn)入實(shí)驗(yàn)以微分積分系統(tǒng)為例。進(jìn)入實(shí)驗(yàn)，登記實(shí)驗(yàn)，可以看到頻率響應(yīng)實(shí)驗(yàn)界面界面：4、繪制電路圖并檢測此時，實(shí)驗(yàn)界面為空白的，用戶可以通過右側(cè)的元器件工具欄拖放相應(yīng)的器件繪制電路圖，或打開安裝目錄下的標(biāo)準(zhǔn)電路圖加載進(jìn)來，如下圖：點(diǎn)擊工具欄中實(shí)驗(yàn)-檢測，檢測電路圖： 此時提示： 點(diǎn)擊開始檢測，若電路圖正確，則提示： 5、發(fā)送實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn) 檢測完電路圖后就可以發(fā)送實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)了： 實(shí)驗(yàn)提供同步實(shí)驗(yàn)和異步實(shí)驗(yàn)兩種方式。若選擇同步實(shí)驗(yàn)，則點(diǎn)擊工具欄上實(shí)驗(yàn)-同步實(shí)驗(yàn)發(fā)

9、送參數(shù)，此時就可以看到此實(shí)驗(yàn)界面：選擇需要的頻率，此時，界面上便會出現(xiàn)你所繪制系統(tǒng)的頻率響應(yīng)李薩如圖形，（此過程中需要等待30s左右）： 若用戶采用異步實(shí)驗(yàn)方式，則點(diǎn)擊異步發(fā)送，在發(fā)送完數(shù)據(jù)后即可退出實(shí)驗(yàn)。經(jīng)過一段時間再次登陸實(shí)驗(yàn)界面后，如果實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)已經(jīng)返回，用戶可以查看實(shí)驗(yàn)結(jié)果，此過程需要用戶事先設(shè)定數(shù)據(jù)保存路徑。6、結(jié)束當(dāng)前實(shí)驗(yàn)當(dāng)前實(shí)驗(yàn)完成時選擇上方工具欄中菜單中的“同步實(shí)驗(yàn)-結(jié)束實(shí)驗(yàn)”選項(xiàng)，如下圖所示：彈出對話框點(diǎn)擊確定。即可停止當(dāng)前實(shí)驗(yàn)。8、退出實(shí)驗(yàn)登記如果已經(jīng)完成了各個實(shí)驗(yàn)，則在工具欄中選擇“同步實(shí)驗(yàn)-撤銷登記”，即可退出實(shí)驗(yàn)：9.退出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)點(diǎn)擊 文件退出，即選擇退出該系統(tǒng)會跳出對話框：點(diǎn)擊“確定”即退出實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。10.注意事項(xiàng)1）進(jìn)行實(shí)驗(yàn)之前請仔細(xì)閱讀該實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，以便對于實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)應(yīng)用