《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)書適用專業(yè): 電氣、測(cè)控、信息課程代碼: 6001359總學(xué)時(shí): 總學(xué):編寫單位: 電氣信息學(xué)院:::批準(zhǔn)時(shí)間: 年 月 日 《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 --PAGE5-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)????????????? 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(gè)參數(shù)T和ζ對(duì)二階系統(tǒng)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。3、觀測(cè)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(gè)參數(shù)T和ζ對(duì)二階系統(tǒng)動(dòng)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(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。（選做）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)原理典型的二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析1-1所示。圖1-11-2所示。（R10KΩ，50KΩ，160KΩ，200KΩ）理論分析

圖1-2系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：實(shí)驗(yàn)內(nèi)容先算出臨界阻尼、欠阻尼、過阻尼時(shí)電阻R的理論值，再將理論值應(yīng)用于模擬電路中，觀察二階系統(tǒng)的動(dòng)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：；阻尼比： 。典型的三階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（選做）1-3所示。所示。

圖1-3圖1-4理論分析系統(tǒng)的開環(huán)傳函為:，系統(tǒng)的特征方程為: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(tσ％，峰值時(shí)間t和調(diào)節(jié)時(shí)間tp p s2、從系統(tǒng)階躍響應(yīng)C(t)波形分析系統(tǒng)穩(wěn)定性六、實(shí)驗(yàn)步驟典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試1-2R=。C(tMttP p S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(cè)量并記錄性能指標(biāo)M、t和t，及系統(tǒng)的穩(wěn)定性。并將測(cè)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P p S入表1-1中。（選做）1-41R=。觀察系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，并記錄波形。減小開環(huán)增益，觀察響應(yīng)曲線，并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-2七、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求C()C(∞)計(jì)測(cè)計(jì)測(cè)計(jì)測(cè)算量算量算量值值值值值值參數(shù)M參數(shù)MptptsRK項(xiàng)目ωn階躍響應(yīng)曲線KΩl/sl/s100<ζ欠阻尼50ζ=1臨界160阻尼ζ>1過阻200尼--PAGE6-R(KΩ)R(KΩ)K輸出波形穩(wěn)定性20（臨界穩(wěn)定RR100表1-2（選做）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(shí)注意抓緊時(shí)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(gè)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(duì)系統(tǒng)的性能有什么影響？ 《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 --PAGE17-實(shí)驗(yàn)二 線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析一、 實(shí)驗(yàn)?zāi)康暮腿蝿?wù)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。掌握實(shí)驗(yàn)方法測(cè)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(cè)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(tái)，TD-ACC+系列教學(xué)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套四、 實(shí)驗(yàn)原理頻率特性當(dāng)輸入正弦信號(hào)時(shí)，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有隨頻率(ω由變至∞)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(hào)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)，但統(tǒng)在任意周期信號(hào)或非周期信號(hào)作用下的運(yùn)動(dòng)情況。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(hào)的幅值比）（ωjΦ和相位差）（ωjΦ∠隨角頻率(ω由0變到∞)變化的特性。而幅值比）（ωjΦ和相位差）（ωjΦ∠恰好是函數(shù)）（ωjΦ的模和幅角。所以只要把系統(tǒng)的傳遞函數(shù)）（sΦ，令ωjs=，即可得到）（ωjΦ。我們把）（ωjΦ稱為系統(tǒng)的頻率特性或頻率傳遞函數(shù)。當(dāng)ω由0到∞變化時(shí)，）（ωjΦ隨頻率ω的變化特性成為幅頻特性，）（ωjΦ∠隨頻率ω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(shí)稱為頻率特性。頻率特性的表達(dá)式的一組曲線。這兩組曲線連同它們的坐標(biāo)組成了對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖。對(duì)數(shù)頻率特性圖的優(yōu)點(diǎn)：①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。點(diǎn)的性質(zhì)，這些可使作圖大為簡化。③通過對(duì)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。直接測(cè)量和間接測(cè)量。直接頻率特性的測(cè)量用來直接測(cè)量對(duì)象的輸出頻率特性，適用于時(shí)域響應(yīng)曲線收斂的對(duì)象（如：慣性環(huán)節(jié)）減情況，就可得到對(duì)象的頻率特性。間接頻率特性的測(cè)量頻率特性。舉例說明間接和直接頻率特性測(cè)量方法的使用。間接頻率特性測(cè)量方法①對(duì)象為積分環(huán)節(jié)：1/0.1S由于積分環(huán)節(jié)的開環(huán)時(shí)域響應(yīng)曲線不收斂，穩(wěn)態(tài)幅值無法測(cè)出，我們采用間接測(cè)量方法，將其構(gòu)成閉環(huán)，根據(jù)閉環(huán)時(shí)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。②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。③理論依據(jù)

圖2-1圖3.1-1所示的開環(huán)頻率特性為：采用對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性表示，則上式表示為：其中G(jw環(huán)節(jié)的波特圖。CH1CH22-1中的反饋測(cè)量點(diǎn)和誤的波特圖。直接頻率特性測(cè)量方法值和相位關(guān)系，就可得出環(huán)節(jié)的頻率特性。①實(shí)驗(yàn)對(duì)象：選擇一階慣性其傳函為②結(jié)構(gòu)框圖：如圖所示③模擬電路圖

圖2-2圖2-3CH1與信號(hào)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(cè)試虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試，畫出對(duì)象波特圖。實(shí)驗(yàn)對(duì)象的結(jié)構(gòu)框圖模擬電路圖

圖2-4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)步驟此時(shí)接至示波器單元的“SL信號(hào)由虛擬儀器自動(dòng)給出。2-5接線，檢查無誤后方可開啟設(shè)備電源。將示波器單元的“SIN”接至圖2-5中的信號(hào)輸入端，“CH1”路表筆插至圖2-5中的4輸出端。打開集成軟件中的頻率特性測(cè)量界面彈出時(shí)域窗口點(diǎn)按鈕在彈出的窗口中根據(jù)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(cè)試完畢，顯示時(shí)域波形，此時(shí)(3)，直到所有參數(shù)測(cè)量完畢。待所有參數(shù)測(cè)量完畢后，點(diǎn)按鈕，彈出波特圖窗口，觀察所測(cè)得的波特圖，該圖由若點(diǎn)構(gòu)成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組參數(shù)下的測(cè)量結(jié)果。點(diǎn)擊極坐標(biāo)圖按，可以得到對(duì)象的閉環(huán)極坐標(biāo)圖。根據(jù)所測(cè)圖形可適當(dāng)修改正弦波信號(hào)的角頻率和幅值重新測(cè)量，達(dá)到滿意的效果。31＃運(yùn)放的輸出端。按直接測(cè)量的參數(shù)根游標(biāo)放在反饋和誤差信號(hào)上。測(cè)得對(duì)象的開環(huán)波特圖。測(cè)得對(duì)象的開環(huán)極坐標(biāo)圖。注意：測(cè)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。不合適，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差較大。所以要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整誤差或反饋比例系數(shù)。六、 實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、采用直接測(cè)量法測(cè)得二階閉環(huán)系統(tǒng)的波特圖為：2、采用直接測(cè)量法測(cè)得二階閉環(huán)系統(tǒng)的極坐標(biāo)圖為：3、采用間接測(cè)量法測(cè)得二階開環(huán)系統(tǒng)的波特圖為：4、采用間接測(cè)量法測(cè)得二階開環(huán)系統(tǒng)的極坐標(biāo)圖為：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(huì)分析校正裝置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和暫態(tài)指標(biāo)的影響。2、學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置二、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容σ％和調(diào)節(jié)時(shí)間tp s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)R(s)+E(s)C(s)-20s(0.5s1)圖3-1

%60%

6.32 p由閉環(huán)傳函

n

4ss22s40 0.158 對(duì)應(yīng)的模擬電路圖：見圖3-2圖3-2

sK20l/sKv%25%2、設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)：

pt 。Kv

s20l/s3．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ξ＝0.5，則T＝0.05s，ω

＝20滿足ωn

≥10，得校正后開環(huán)傳函為：n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對(duì)應(yīng)的模擬電路圖：見圖3-4

圖3-3五、 主要技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)

圖3-4分析校正裝置對(duì)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(cè)量未校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)。3-2σ％和調(diào)節(jié)時(shí)間tp s來。2、測(cè)量校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)。3-4σ％和調(diào)節(jié)時(shí)間tp s若未達(dá)到，請(qǐng)仔細(xì)檢查接線（包括阻容值。3、將測(cè)出的超調(diào)量σ％和調(diào)節(jié)時(shí)間t填入表3-1中，并繪制出相應(yīng)的響應(yīng)曲線。p sM（％）M（％）t（s）p響應(yīng)曲線s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σp％和調(diào)節(jié)時(shí)間ts的讀取九、 思考題如何測(cè)量速度誤差？怎樣檢測(cè)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(huì)綜合應(yīng)用自動(dòng)控制理論和其它學(xué)科的知識(shí)分析系統(tǒng)。2、熟悉單片機(jī)控制的電機(jī)閉環(huán)調(diào)速的基本原理。3、掌握自動(dòng)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(duì)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)字給定值 數(shù)字控制器

驅(qū)動(dòng)單元電路

速度直流電機(jī)驅(qū)動(dòng)單元電路4-14-2上圖中，控制機(jī)算機(jī)“DOUT0”表示386EX的I/O管腳P1.4，輸出PWM脈沖經(jīng)動(dòng)后控制直流電機(jī)表示386EX 內(nèi)部主片8259的7號(hào)中斷，用作測(cè)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(hào)，構(gòu)成系統(tǒng)的控制量，經(jīng)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)后控制電機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)?；魻枩y(cè)速元件輸出的脈沖信號(hào)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(shí)器定時(shí)1ms，作為系統(tǒng)采樣基準(zhǔn)時(shí)鐘；測(cè)速中斷用于測(cè)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、 主要技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)1、電機(jī)閉環(huán)調(diào)速控制的編程方法。2、PID算法中參數(shù)改變對(duì)控制結(jié)果的影響。六、 實(shí)驗(yàn)步驟參照CTangdu/example/ACC6-1-1.ASM，編寫實(shí)驗(yàn)程序，編譯、鏈接。按圖4-2接線，檢查無誤后開啟設(shè)備電源，將編譯鏈接好的程序裝載到控制機(jī)中。打開專用圖形界面，運(yùn)行程序，觀察電機(jī)轉(zhuǎn)速，分析其響應(yīng)特性。Iband、比例系數(shù)KPP、積分系數(shù)數(shù)KDD的值后再觀察其響應(yīng)特性，選擇一組較好的控制參數(shù)并記錄下來。注意：在程序調(diào)試過程中，有可能隨時(shí)停止程序運(yùn)行，此時(shí)DOUT0的狀態(tài)應(yīng)保持上次的狀態(tài)。當(dāng)DOU