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自动控制理论实验指导书






自动控制原理是自动化、自动控制、电子电气技术等专业教学中的一门重要专业基 础课程。它可以处理时变、非线性以及多输入、多输出等复杂的控制系统等问题。本套 EL-AT-II 型自动控制实验系统克服了以前做自动控制理论实验时,连线复杂,接线不稳 定的缺点,通过对单元电路的灵活组合,可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系 统。可以使学

生把主要精力集中在系统电路和系统特性的研究上。 本系统采用 AD/DA 卡通过 RS232 串口与计算机连接实现信号源信号的输出和系统响 应信号的采集,采集后信号通过计算机显示屏显示,省去了外接信号源和示波器测量响 应信号的麻烦。EL-AT-II 型自动控制实验系统支持自动控制理论课的所有实验,通过这 套仪器可使学生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设 计方法,学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术,提高应用计算机的能力及水平。 本书分为三章,第一章为 EL-AT-II 型实验箱硬件资源,主要介绍实验箱的硬件组成 和系统单元电路。第二章为系统集成操作软件,主要介绍系统软件的安装,操作以及计 算机和实验箱的通讯设置。第三章为实验系统部分,主要介绍各个实验的电路组成,实 验原理和实验步骤。另外,在附录部分有部分实验的说明和参考结果。

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1.





第一章 硬件资源……………………………...…………………………..… ………………..2 第二章 软件安装及使用……………………………………………………...……………….5 第三章 实验系统部分………………………...…………………… ………………………...11 实验一 典型环节及其阶跃响应…………………………….……………………………12 实验二 二阶系统阶跃响应…………………………………….………………………....17 实验三 控制系统的稳定性分析……………………………….……………………..…..21 实验四 系统频率特性测量…………………………………….………………………....23 实验五 连续系统串联校正…………………………………….………………………....27 实验六 数字 PID 控制…………………………………………… ……………………....32 实验七 状态反馈与状态观测器…………………………….……………………….…...35 实验八 解耦控制……………………………………………….…………………….…...38 实验九 采样实验……………………………………………….………………………....41 实验十 非线性实验…………………………………………….…………………………44 实验十一 相轨迹实验…………………………………………….……………………....48 附录一 实验说明及参考答案………………………….……………………………………50 附录二 AD/DA 卡调试说明……………………….….….…………...….………………….69

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2.

第一章

硬件资源

EL-AT-II 型实验系统主要由计算机、AD/DA 采集卡、自动控制原理实验箱、打印机 (可选)组成如图 1,其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控 制和数据处理的作用,打印机主要记录各种实验数据和结果,实验箱主要构造被控模拟 对象。 显示器

打印机

计算机

AD/DA 卡 图 1 实验系统构成

实验箱电路

实验箱面板如图 2:

图 2 实验箱面板 下面主要介绍实验箱的构成: 一、 系统电源 EL-AT-II 系统采用本公司生产的高性能开关电源作为系统的工作电源,其主要技术 性能指标为: 1. 输入电压:AC 220V 2. 输出电压/电流:+12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A 3. 输出功率:22W 4. 工作环境:-5℃~+40℃。

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3.

二、 AD/DA 采集卡 AD/DA 采集卡如图 3 采用 ADUC812 芯片做为采集芯片,负责采样数据及与上位机 的通信,其采样位数为 12 位,采样率为 10KHz。在卡上有一块 32KBit 的 RAM62256, 用来存储采集后的数据。AD/DA 采集卡有两路输出(DA1、DA2)和四路输入(AD1、 AD2、AD3、AD4) ,其输入和输出电压均为-5V~+5V。

图 3 AD/DA 采集卡 另外在 AD/DA 卡上有一个 9 针 RS232 串口插座用来连接 AD/DA 卡和计算机, 20 针的插座用来和控制对象进行通讯。 三、 实验箱面板 实验箱面板布局如图 4 AD/DA 卡 输入输出 模块 二极管区 EL-CAT-II 电阻、电容、二极管区 实验模块 3 变阻箱、变容箱模块 实验模块 4

实验模块 1

实验模块 2

电源模块

实验模块 5 实验模块 6 实验模块 7

实验模块 8

图 4 实验箱面板布局 实验箱面板主要由以下几部分构成:

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4.

1. 实验模块 本实验系统有八组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。每个模块中都有一个 由 UA741 构成的放大器和若干个电阻、电容。这样通过对这八个实验模块的灵 活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。 2. 二极管,电阻、电容、二极管区 这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。 3. AD/DA 卡输入输出模块 该区域是引出 AD/DA 卡的输入输出端,一共引出两路输出端和两路输入端,分 别是 DA1、DA2,AD1、AD2。有一个按钮复位,按下一次对 AD/DA 卡进行一 次复位。20 针的插座用来和控制对象连接。 4. 电源模块 电源模块有一个实验箱电源开关,有四个开关电源提供的 DC 电源端子,分别是 +12V、-12V、+5V、GND,这些端子给外扩模块提供电源。 5. 变阻箱、变容箱模块 变阻箱、 变容箱是本实验系统的一个突出特点, 只要按动数字旁边的 “+” 、 “-” 按钮便可调节电阻电容的值,而且电阻电容值可以直接读出。

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5.

第二章 软件安装及使用
一、软件安装 1. 将实验仪器自带的光盘放入计算机光驱,进入软件安装目录[光盘驱动器:\自动 控制\winat。 2. 启动软件安装程序 setup.exe,如下图:

图 1 进入安装界面

图 2 选择安装路径

3. 按照软件提示,一步一步完成安装,如下图:

图 3 显示安装进程

图 4 安装完毕界面

4. 软件安装完毕后,会在桌面和“开始-程序”中自动生成“自动控制实验系统” 快捷方式。 二、软件启动与使用说明 1. 软件启动 在 Windows 桌面上或“开始-程序”中双击“自动控制实验原理”快捷方式, 便可启动软件如图 5。

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6.

图 5 软件启动界面 2. 实验前计算机与实验箱的通讯设置和测试 用实验箱自带的串口线将实验箱后面的串口与计算机的串口连接, 启动 “自动控 制实验原理”软件。 1)实验前通讯口的设置 设置方法:点击[系统设置-串口设置]如图 6,在对话框内填入与计算机相连的 串口值。

图 6 串口设置对话框 2)实验前通讯口的测试 测试方法:接通电源点击[系统设置-通信串口测试]如图 7,点击通信串口测试 按钮,控制测试区内将出现 0-255 个数据,如图 8,如果数据没有或不全,则说明 通讯有故障,应检查计算机串口与实验箱的连接

图 7 串口测试窗口 (a)

图 8 串口测试窗口(b)

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7.

3. 软件使用说明 本套软件界面共分为四个区域如图 9: A. B. C. D. 菜单工具栏区域; 实验课题区域; 采集结果显示区域; 数据测量区域;

图 9 软件界面分配 下面介绍软件的各个区域功能: A. 菜单工具栏 1) 实验课题(ALT+T) 在该菜单下选择所做的实验课题项目。鼠标单击实验课题名称即可进入相应的实验。 2) 系统设置(ALT+M) 串口设置:设置实验中所使用的串口。所设定的串口标号应与计算机实际所使用的 一致。 通信串口测试:测试实验系统与计算机的通信是否正常。在实验之前 k 可以进行串 口通信测试,在确认串口通信正常后才可以进行实验。测试方法是鼠标单击对话框中的 通信串口测试按钮,如果通信正常,所示的空白区内将有信息返回,如果通信不正常则 无返回信息。 测试 DA 信源:这项功能主要测试 DA 是否有信号输出。鼠标单击该选项出现如图 10 的对话框。在该对话框中设置要测试的信源(DA1、DA2) ,信源的类型、频率以及幅 值。然后点击测试按钮,用测量工具在实验箱上的 DA 处测试输出信号,比较测试信号

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8.

和设定值是否一致,如果一致,说明 DA 输出正确,否则检查硬件。

图 10 测试 DA 信源对话框 3) 实验数据(ALT+F) 打开数据:打开已经保存的实验数据。选择该菜单选项后出现如图 11 所示的对话窗 口。在该窗口中选择打开文件的路径和文件名,点击确定按钮即可打开一个已保存的实 验数据

图 11 打开实验数据对话窗口 保存数据:保存当前的实验数据。选择保存文件的路径和文件名,点击确定按钮即 可保存当前的实验数据。 打印:将实验的结果在打印机上打印输出。鼠标单击该选项后弹出如图 12 所示的对 话窗口。打印数据信息的来源有两种途径。 (1) 打印当前内存中的数据; (2) 打印已经保存过的数据;

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9.

两种不同的打印方式可以通过对话窗口进行选择。

图 12 数据打印对话窗口 打印设置:设置打印时的相关信息。鼠标打击将弹出如图 13 所示的对话窗口。将需 要打印的信息填入相应的空白处。填写完成后单击确认按钮保存。保存完成后单击退出 按钮退出该对话窗口。

图 13 打印设置对话窗口 4) 查看(ALT+V) 课题资料:选择该项将显示自控原理课题的基本资料。其中包括实验所用的基本原 理、电路及相应的实验说明。 工具栏:切换工具栏的打开与关闭。

状态栏:切换状态栏的打开与关闭。

5) 帮助(ALT+H)

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10.

该菜单说明本“自动控制原理”软件的版本。 B. 实验课题 在实验课题区域列出了本实验系统所能完成的实验课题,双击其中的一个课题,将 弹出参数设置窗口。具体参数设置请参考实验说明部分。

图 14 实验课题区域 C. 采集结果显示 在该区域内主要是显示实验系统通过 AD 后的结果曲线。 纵坐标是幅值轴, 单位为(V), 范围是:-5V—+5V, 横坐标是时间轴,单位为(ms) 。 D. 数据测量 数据测量是测量系统响应的测量工具如图 15,鼠标单击单游标或双游标,然后单击 测量按钮,即可在显示区显示测量线,测量线可以用鼠标拖动。在拖动的过程中屏幕右 下方将动态显示测量的结果。

图 15 数据测量区域

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第三章

实验系统部分

本套实验系统一共提供了 11 个实验:典型环节及其阶跃响应、二阶系统阶跃响应、 控制系统的稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字 PID 控制、状态 反馈及状态观测器实验、解耦控制实验、采样系统实验、非线性实验、相轨迹观测实验。 除了我们公司配套的这 11 个实验外,各高校可自己灵活地组合各种形式的实验系统,以 满足教学的要求。

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12.

实验一
一、实验目的

典型环节及其阶跃响应

1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。 二、实验仪器 1. EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2. 计算机一台 三、实验原理 1.模拟实验的基本原理: 控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节, 即利用运算放大器不同 的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节,然后按照给定系统的结构图将这些模拟 环节连接起来,便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端, 并利用计算机等测量仪器,测量系统的输出,便可得到系统的动态响应曲线及性能 指标。若改变系统的参数,还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 2. 时域性能指标的测量方法: 超调量 ? %: 1) 启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2) 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查 找原因使通信正常后才可以继续进行实验。 3) 连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 4) 在实验课题下拉菜单中选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。 5) 鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验 参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。 6) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值,代入下式算出超调量: YMAX - Y∞ ? %=——————×100% Y∞ TP 与 TS:

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13.

利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达 95%稳态值所需的时间 值,便可得到 TP 与 TS。 四、实验内容 构成下述典型一阶系统的模拟电路,并测量其阶跃响应: 1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图 1-1。

G(S)= ?R2/R1

2. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图 1-2。

G(S)= ? K/TS+1 K=R2/R1,T=R2C

3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图 1-3。

G(S)=1/TS T=RC 4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图 1-4。

G(S)= ? RCS

5. 例+微分环节的模拟电路及传递函数如图 1-5(未标明的 C=0.01uf) 。

G(S)= ?K(TS+1) K=R2/R1,T=R2C

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14.

6.比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图 1-6。

G(S)=K(1+1/TS) K=R2/R1,T=R2C

五、实验步骤 1.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。 比例环节 3.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-1)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 4.在实验课题下拉菜单中选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。 5.鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参 数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。 6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。 7.记录波形及数据(由实验报告确定) 。 惯性环节 8.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-2)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 9.实验步骤同 4~7 积分环节 10.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-3)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 11.实验步骤同 4~7 微分环节 12.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-4)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 13.实验步骤同 4~7

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15.

比例+积分环节 14.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-6)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 15.实验步骤同 4~7 16. 测量系统的阶跃响应曲线,并记入上表。 六、实验报告 1. 由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数,并与由电路计算的结 果相比较。 2. 将实验中测得的曲线、数据及理论计算值,整理列表。 七、预习要求 1.阅读实验原理部分,掌握时域性能指标的测量方法。 2.分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理。

参数

阶跃响应曲线

TS(秒) 理论值 比例环节 实测值 20ms

R1=R2= 惯性环节 100K 积分环节 C=1uf 微分环节 K=1 比例+微分环节 T=0.1S 比例+积分环节 R1=100K R2=200K C=1uf K=2 比例环节 惯性环节 积分环节 微分环节

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16.

T=1S

比例+微分环节 比例+积分环节 实验数据测试表(学生填写)

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实验二
一、实验目的

二阶系统阶跃响应

1.研究二阶系统的特征参数,阻尼比?和无阻尼自然频率?n 对系统动态性能的影响。 定量分析 ? 和?n 与最大超调量 Mp 和调节时间 tS 之间的关系。 2.进一步学习实验系统的使用方法 3.学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。 二、实验仪器 1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 三、实验原理 1.模拟实验的基本原理: 控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节, 即利用运算放大器不同 的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节,然后按照给定系统的结构图将这些模拟 环节连接起来,便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端, 并利用计算机等测量仪器,测量系统的输出,便可得到系统的动态响应曲线及性能 指标。若改变系统的参数,还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 2. 域性能指标的测量方法: 超调量 ?%: 1)启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2) 测 试 计 算 机 与 实 验 箱 的 通 信 是 否 正 常 , 通 信 正 常 继 续 。 如 通 信 不 正 常 查 找原因使通信正常后才可以继续进行实验。 3) 连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输 出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 4) 在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应] 。 5) 鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的 实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。 6) 利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值,带入下式算出超调 量:

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YMAX - Y∞ ?%=——————×100% Y∞ TP 与 TP: 利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达 95%稳态值所需的 时间值,便可得到 TP 与 TP。 四、实验内容 典型二阶系统的闭环传递函数为 2 ?n ?(S)= 2 2 s +2??ns+? n 其中 ? 和?n 对系统的动态品质有决定的影响。 构成图 2-1 典型二阶系统的模拟电路,并测量其阶跃响应:

(1)

图 2-1 二阶系统模拟电路图 电路的结构图如图 2-2:

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图 2-2 二阶系统结构图 系统闭环传递函数为 (2) 式中 T=RC,K=R2/R1。 比较(1) 、 (2)二式,可得 ?n=1/T=1/RC ?=K/2=R2/2R1 (3)

由(3)式可知,改变比值 R2/R1,可以改变二阶系统的阻尼比。改变 RC 值可以改变 无阻尼自然频率?n。 今取 R1=200K,R2=100K?和 200K?,可得实验所需的阻尼比。电阻 R 取 100K?,电 容 C 分别取 1?f 和 0.1?f,可得两个无阻尼自然频率?n。 五、实验步骤 1.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路 的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 2.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。 4.在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应], 鼠标单击该选项弹出实 验课题参数窗口。 5.取?n=10rad/s, 即令 R=100K?,C=1?f;分别取?=0.5、1、2,即取 R1=100K?,R2 分别等于 100K?、200K?、 400K?。输入阶跃信号,测量不同的?时系统的阶跃响应, 并由显示的波形记录最大超调量 Mp 和调节时间 Ts 的数值和响应动态曲线, 并与理 论值比较。 6.取?=0.5。即电阻 R2 取 R1=R2=100K?;?n=100rad/s, 即取 R=100K?,改变电路中 的电容 C=0.1?f(注意:二个电容值同时改变)。输入阶跃信号测量系统阶跃响应, 并由显示的波形记录最大超调量?p 和调节时间 Tn。 7.取 R=100K?;改变电路中的电容 C=1?f,R1=100K?,调节电阻 R2=50K?。输入阶跃信 号测量系统阶跃响应,记录响应曲线,特别要记录 Tp 和?p 的数值。 8.测量二阶系统的阶跃响应并记入表中:

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实验结果 参数 R1=100K R2=0K ζ =0 R1=100K R =100K C =1μ f ω n=10rad/s R2=50K ζ =0.25 R1=100K R2=100K ζ =0.5 R1=50K R2=200K ζ =1 R1= 100K R1=100K C1=C2=0.1μ f ω n=100rad/s R2=100K ζ =0.5 R1=50K R2=200K ζ =1 六、实验报告

σ%

tp(ms)

ts(ms)

阶跃响应曲线

1.画出二阶系统的模拟电路图,讨论典型二阶系统性能指标与ζ ,ω n 的关系。 2.把不同?和?n 条件下测量的 Mp 和 ts 值列表,根据测量结果得出相应结论。 3.画出系统响应曲线,再由 ts 和 Mp 计算出传递函数,并与由模拟电路计算的传递函 数相比较。 七、预习要求

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21.

1. 阅读实验原理部分,掌握时域性能指标的测量方法。 2. 按实验中二阶系统的给定参数,计算出不同ζ 、ω n 下的性能指标的理论值。

实验三
一、实验目的 1.观察系统的不稳定现象。

控制系统的稳定性分析

2.研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。 二、实验仪器 1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 三、实验内容 系统模拟电路图如图 3-1

图 3-1 系统模拟电路图 其开环传递函数为: G(s)=10K/s(0.1s+1)(Ts+1) 式中 K1=R3/R2,R2=100K?,R3=0~500K;T=RC,R=100K?,C=1?f 或 C=0.1?f 两 种情况。 四、实验步骤 1.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电 路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 2.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。

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3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。 如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。 4.在实验课题下拉菜单中选择实验三[控制系统的稳定性分析], 鼠标单击该选项弹 出实验课题参数窗口。其中设置输入信源电压 U1=1V,点击确认观察波形。 5.取 R3 的值为 50K?,100K?,200K?,此时相应的 K=10K1=5,10,20。观察不同 R3 值时显示区内的输出波形(既 U2 的波形), 找到系统输出产生增幅振荡时相应的 R3 及 K 值。再把电阻 R3 由大至小变化,即 R3=200k?,100k?,50k?,观察不同 R3 值时显示区内的输出波形, 找出系统输出产生等幅振荡变化的 R3 及 K 值, 并观 察 U2 的输出波形。 6.在步骤 5 条件下,使系统工作在不稳定状态,即工作在等幅振荡情况。改变电路 中的电容 C 由 1?f 变成 0.1?f,重复实验步骤 4 观察系统稳定性的变化。 7.将实验结果添入下表中: 参数 R3=50K K=5 C=1uf R3=100K K=10 R3=200K K=20 R3=50K K=5 C=0.1uf R3=100K K=10 R3=200K K=20 五、实验报告 1.画出步骤 5 的模拟电路图。 2.画出系统增幅或减幅振荡的波形图。 3.计算系统的临界放大系数,并与步骤 5 中测得的临界放大系数相比较。 系统响应曲线

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23.

六、预习要求 1. 分析实验系统电路,掌握其工作原理。 2. 理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。

实验四
一、实验目的

系统频率特性测量

1.加深了解系统及元件频率特性的物理概念。 2.掌握系统及元件频率特性的测量方法。 3.掌握利用“李沙育图形法”测量系统频率特性的方法。 二、实验仪器 1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 3.双踪示波器一台 三、实验原理 频率特性的测量方法: 1. 将正弦信号发生器、被测系统和示波器按图 4-1 连接起来。将示波器 X 和 Y 轴的输入选择开关,均打在“DC”输入状态,并调整 X 和 Y 轴的位移,使光点处于萤光 屏上的坐标原点上。
DA1○ ○ ○ ○AD1

AD/DA 卡


被测系统
○ ○

AD/DA 卡


图 4-1 频率特性测量电路 2. 选定信号发生器的频率,调节其输出衰减,使被测系统在避免饱和的情况下,输 出幅度尽可能大。 然后调节示波器的 X 和 Y 轴输入幅值选择开关, 使在所取信号幅度下, 图象尽可能达到满刻度。 3. 根据萤光屏上的刻度及输入幅值选择开关指示的伏/格数,算出 2Xm、2Yn 2ym,并进一步计算幅值比和相位差。 及

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为读数方便,可将示波器 X 轴输入 X-Y 开关打在工作状态,使光点在荧光屏上只作 垂直运动,此时可方便地读出 2ym。同理,也可方便地读出 2Xm。 四、实验内容 1.模拟电路图及系统结构图分别如图 4-2 和图 4-3。

图 4-2 系统模拟电路图 图 4-3 系统结构图 2.系统传递函数 取 R3=500k?,则系统传递函数为 U2(S) 500 G(S)= = 2 U1(S) S +10S+500 U2(t)=U2sin(?t+?) 改变输入信号角频率?值,便可测得二组 U2/U1 和?随?变化的数值,这个变化规律就是 系统的幅频特性和相频特性。 五、实验步骤 1.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电 路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 2.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。 如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。 测频率图

若输入信号 U1(t)=U1sin?t,则在稳态时,其输出信号为

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4.选中 [实验课题→系统频率特性测量→手动方式] 菜单项,鼠标单击将弹出参数 设置窗口。参数设置完成后点确认等待观察波形,如图 4-4 所示。

图 4-4 手动方式测量波特图 测波特图 5. 在测量波特图的过程中首先应选择 [实验课题→系统频率特性测量→自动方式 →数据采集] 采集信息。如图 4-5 所示

图 4-5 数据采集 6. 待数据采样结束后点击 [实验课题→系统频率特性测量→自动方式→波特图观

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测] 即可以在显示区内显示出所测量的波特图。 测奈氏图 7. 在测量波特图的过程中首先应选择 [实验课题→系统频率特性测量→自动方式 →数据采集] 采集信息。 8.待数据采样结束后点击 [实验课题→系统频率特性测量→自动方式→奈氏图观测] 即可以在显示区内显示出所测量的奈氏图。 9.按下表所列频率,测量各点频率特性的实测值并计算相应的理论值。 理论值
F (Hz) ω L (rad/s) (ω ) (ω ) φ L (ω ) φ (ω )

实测值

1.82 3.21 4.06 5.13 7.01 六、实验报告 1. 2. 3.

4.12 7.35 9.12 7.35 7.00

4.12 7.35 9.12 7.35 7.00

151 100 69 31 -1.76

画出被测系统的结构和模拟电路图。 画出被测系统的开环 L (ω )曲线与φ (ω )曲线。 整理表中的实验数据,并算出理论值和实测值。

4. 讨论李沙育图形法测量频率特性的精度。 七、预习要求 1. 2. 阅读实验原理部分,掌握李沙育图形法的基本原理及频率特性的测量方法。 画出被测系统的开环 L (ω )曲线与φ (ω )曲线。

3. 按表中给出格式选择几个频率点,算出各点频率特性的理论值。

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27.

实验五
一、实验目的

连续系统串联校正

1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。 2. 对给定系统进行串联校正设计,并通过模拟实验检验设计的正确性。 二、实验仪器 1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 三、实验内容 1.串联超前校正 (1)系统模拟电路图如图 5-1,图中开关 S 断开对应未校情况,接通对应超前校正。

图 5-1 超前校正电路图 (2)系统结构图如图 5-2

图 5-2 超前校正系统结构图 图中 Gc2(s)= 2.串联滞后校正 (1) 模拟电路图如图 5-3,开关 s 断开对应未校状态,接通对应滞后校正。 Gc1(s)=2 2(0.055s+1) 0.005s+1

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28.

图 5-3 滞后校正模拟电路图 (2)系统结构图示如图 5-4

图 5-4 滞后系统结构图 图中 Gc2(s)= 11s+1 3.串联超前—滞后校正 (1) 模拟电路图如图 5-5,双刀开关断开对应未校状态,接通对应超前—滞后校 正。 Gc1(s)=10 10(s+1)

图 5-5 超前—滞后校正模拟电路图 (2) 系统结构图示如图 5-6。

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29.

图 5-6 超前—滞后校正系统结构图 图中 Gc1(s)=6 Gc2(s)= 四、实验步骤 1.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。 如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。 超前校正: 3.连接被测量典型环节的模拟电路(图 5-1)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 4.开关 s 放在断开位置。 5.选中 [实验课题→ 连续系统串联校正→超前校正] 菜单项,鼠标单击将弹出参数 设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应, 并记录超调量?p 和调节时间 ts。 6.开关 s 接通, 重复步骤 5,将两次所测的波形进行比较。 并将测量结果记入下表中: 超前校正系统 指标 校正前 校正后 6(1.2s+1) (0.15s+1) (6s+1) (0.05s+1)

阶跃响应曲线

δ % Tp(秒) Ts(秒)

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30.

滞后校正: 7.连接被测量典型环节的模拟电路(图 5-3)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 8.开关 s 放在断开位置。 9.选中 [实验课题→ 连续系统串联校正→滞后校正] 菜单项,鼠标单击将弹出参数 设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应, 并记录超调量?p 和调节时间 ts。 10.开关 s 接通,重复步骤 9,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表 中:

滞后校正系统 指标

校正前

校正后

阶跃响应曲线

δ % Tp(秒) Ts(秒) 超前--滞后校正 11.连接被测量典型环节的模拟电路(图 5-5)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 12.开关 s 放在断开位置。 13.选中 [实验课题→ 连续系统串联校正→超前滞后校正 ] 菜单项,鼠标单击将弹 出参数设置窗口。 系统加入阶跃信号。 参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶 跃响应,并记录超调量?p 和调节时间 ts。 14.开关 s 接通,重复步骤 13,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表 中:

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31.

超前-滞后系统 指标

校正前

校正后

阶跃响应曲线

δ % Tp(秒) Ts(秒) 五、实验报告 1.计算串联校正装置的传递函数 Gc(s)和校正网络参数。 2.画出校正后系统的对数坐标图,并求出校正后系统的ω ′c 及ν ′。 3.比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标,说明校正装置的作用。 六、预习要求 1.阅读实验二的实验报告,明确校正前系统的ω c 及ν 。 2. 计算串联超前校正装置的传递函数 Gc(s)和校正网络参数,并求出校正后系统 的ω ′c 及ν ′。

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32.

实验六
一、实验目的

数字 PID 控制

1.研究 PID 控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。 2.研究采样周期 T 对系统特性的影响。 3.研究 I 型系统及系统的稳定误差。 二、实验仪器 1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 三、实验内容 1.系统结构图如 6-1 图。

图 6-1 系统结构图 图中 Gc(s)=Kp(1+Ki/s+Kds) Gh(s)=(1-e )/s Gp1(s)=5/( (0.5s+1) (0.1s+1) ) Gp2(s)=1/(s(0.1s+1) ) 2. 开环系统(被控制对象)的模拟电路图如图 6-2 和图 6-3,其中图 6-2 对应 GP1 (s),图 6-3 对应 Gp2(s) 。
-TS

图 6-2 开环系统结构图 1

图 6-3 开环系统结构图 2

3.被控对象 GP1(s)为“0 型”系统,采用 PI 控制或 PID 控制,可使系统变为“I

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33.

型”系统,被控对象 Gp2(s)为“I 型”系统,采用 PI 控制或 PID 控制可使系统变成“II 型”系统。 4.当 r(t)=1(t)时(实际是方波) ,研究其过渡过程。 5.PI 调节器及 PID 调节器的增益 Gc(s)=Kp(1+K1/s) =KpK1((1/k1)s+1) /s =K(Tis+1)/s 式中 K=KpKi , Ti=(1/K1)

不难看出 PI 调结器的增益 K=KpKi,因此在改变 Ki 时,同时改变了闭环增益 K,如果不 想改变 K,则应相应改变 Kp。采用 PID 调节器相同。 6. “II 型”系统要注意稳定性。对于 Gp2(s),若采用 PI 调节器控制,其开环传递 函数为 G(s)=Gc(s) ·Gp2(s) =K(Tis+1)/s·1/s(0.1s+1) 为使用环系统稳定,应满足 Ti>0.1,即 K1<10 7.PID 递推算法 如果 PID 调节器输入信号为 e(t) ,其输送信号为 u(t),则离散 的递推算法如下: 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--采样周期 四、实验步骤 1.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信 正常后才可以继续进行实验。 3.连接被测量典型环节的模拟电路(图 6-2)。 电路的输入 U1 接 A/D、 D/A 卡的 DA1 输出, 电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 4.在实验 m 课题下拉菜单中选择实验六[数字 PID 控制], 鼠标单击实验课题将弹出实 验课题参数设置窗口。

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5.输入参数 Kp, Ki,

Kd(参考值 Kp=1, Ki=0.02, kd=1) 。

6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意,改变 Kp, Ki, Kd 的数值和与 其相对应的性能指标?p、ts 的数值。 7.取满意的 Kp,Ki,Kd 值,观查有无稳态误差。 8.断开电源,连接被测量典型环节的模拟电路(图 6-3)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 9.重复 4-7 步骤。 10.计算 Kp,Ki,Kd 取不同的数值时对应的?p、ts 的数值,测量系统的阶跃响应曲线 及时域性能指标,记入表中: 实验结果 参数 Kp Ki Kd δ % Tp 阶跃响应曲线

五、实验报告 1.画出所做实验的模拟电路图。 2. 当被控对象为 Gp1 (s 时) 取过渡过程为最满意时的 Kp, Ki, Kd,画出校正后的 Bode 图,查出相稳定裕量?和穿越频率?c。 3.总结一种有效的选择 Kp, Ki, Kd 方法,以最快的速度获得满意的参数。 六、预习要求 1. 熟悉 PID 控制器系统的组成。 2. 熟悉 PID 控制器的参数对系统稳定性的影响。

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实验七
一、实验目的

状态反馈与状态观测器

1.掌握状态反馈极点配置的设计方法。 2.研究不同极点配置对系统动态性能的影响。 3.掌握全维观测器的构成及设计方法。 4.研究观测器在状态反馈极点配置中的应用。 二、实验仪器 1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 三、实验内容 1. 被控对象模拟电路图如图 7-1。

图 7-1 被控对象模拟电路 2.系统数学模型 (1)被控对象传递函数为 Gp(s)=Y(s)/U(s)=100/(s +3.928s+103.57) (2)被控对象状态方程 X=Ax+Bu Y=Cx 式中
2

? 0 A?? ?? 103.57

1 ? ? 3.928? ?

?0? B?? ? ?1? C=?100

0?

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3. 带有状态观测器的状况反馈系统方框图示于图 7-2。

图 7-2 系统方框图 图中 G=e
AT

H=?0 ?(t)dtB
T

?(t)=e

At

K ?1×2 维状态反馈系统矩阵,由计算机算出。 L ?2×1 维观测器的反馈矩阵,由计算机算出。 Kr ?为使 y(t)跟踪 r(t)乘的比例系数,它由计算机自动地递推算出。 4 .希望的系数极点(参考值) : S1,S2=-7.35 ± j7.5, 它对应在 Z 平面上应为 Z1,Z2=0.712±j0.22 5. 观测器极点参考值:Z1,Z2=0.1±j0 四、实验步骤 1.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电 路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 2.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。 如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。 阶跃响应 4.选择 [实验课题→状态反馈与状态观测器→阶跃响应] 菜单项。 5.鼠标单击[阶跃相应]菜单将弹出实验课题参数设置窗口。参数设置完成后点击确 认等待观察波形。 跟踪响应

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6.实验步骤 5 完成后选择 [实验课题→状态反馈与状态观测器→跟踪响应] 菜单项。 鼠标单击该选项将弹出参数设置窗口。参数设置完毕后点击确认等待观察波形。 7.修改实验参数设置窗口中所用的参数值,观察波形的变化。 8.将实验内容中的参考值的实测阶跃响应曲线及性能指标记入下表中: [K1 K2] 阶跃响应曲线 y(t) tp σ% ts

[0.712 0.22] [ 0.1 0 ] 五、实验报告 1.画出上述两个状态反馈系统的结构图和模拟线路图。 2.计算这两个状态反馈系统的状态反馈阵 K 及相应的性能指标:tp、σ % 和 tp,并 与实侧值进行比较,检验状态反馈极点配置是否达到了设计要求。 3.画出全维观测器和降维观测器状态反馈极点配置的结构图和模拟线路图,画出这 两个系统的实测阶跃响应曲线及实测性能指标 tp、σ % 和 ts。 六、预习要求 1. 阅读实验内容。 2. 推导实验系统中的全维观测器方程。 3. 计算两个状态反馈系统的状态反馈阵 K 及相应的性能指标:tp、ts 和σ %。

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实验八
一、实验目的

解耦控制实验

1.掌握解耦控制的基本原理和实现方法。 2.学习利用模拟实验分析研究解耦控制的基本方法。 二、实验仪器 1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 三、实验内容 1. 解藕前原系统结构图如图 8-1 所示, 其被控对象为互相耦合的双输入双输出系统, U1(t)和 U2(t)为控制量,Y1(t)和 Y2(t)为输出量。

图 8-1 原系统结构图 2. 解藕前原系统的模拟电路和结构图如图 8-2 和图 8-3。

图 8-2 原系统模拟电路图

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图 8-3 原系统结构图 3.开环解耦控制方框图如图 8-4。

图 8-4 开环解耦控制方框图 虚线框内系统由计算机软件编程实现。 4.闭环解耦 PID 方框图如图 8-5,这个图是在开环解耦的基础上,构成反馈控制系 统。

图 8-5 闭环解耦 PID 方框图 虚线框内系统由计算机软件编程实现。 经 PID 校正之后, 可形成二独立的闭环系统, PID 参数的选择与单回路系统的选择方 法相同。 为了检验系统是否解耦, 取 DA1 和 DA2 的阶跃输入信号都为 1V。 若将此二信号加入 图 8-1 耦合系统,将会发现 Y1(t)和 Y2(t)的输出信号都为 2V;若将此二信号加入图

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16 开环解耦系统,会看到 Y1(t)和 Y2(t)的输出信号分别为 1V 和 2V,但过渡过程还不算 快;若将此二信号加入图 17 的 PID 解耦控制系统时,有反馈作用和 PID 作用,合理的选 择 PID 参数,将会看到 Y1(t)和 Y(t)基本是 1V 和 2V 信号。 四、实验步骤 1.连接被测量典型环节的模拟电路(图 8-1)。 电路的输入 U1 接 A/D、 D/A 卡的 DA1 输出, 输出 Y1 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。输入 U2 接 A/D、D/A 卡的 DA2 输出, 输出 Y2 接 A/D、D/A 卡的 AD2 输入。检查无误后接通电源。 2.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信 正常后才可以继续进行实验。 开环实验 4.选中 [实验课题→解耦控制→开环实验] 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。参 数设置完成后鼠标单击确认等待观察波形并将实验参数记入下表中。 闭环实验 5.选中 [实验课题→解耦控制→闭环实验] 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。参 数设置完成后鼠标单击确认等待观察波形并将实验参数记入下表中。 耦合实验 6.选中 [实验课题→解耦控制→耦合实验] 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。参 数设置完成后鼠标单击确认等待观察波形并将实验参数记入下表中。 阶跃响应信号 阶跃输入信号 X1(t)=1V X1(t)=1V 五、实验报告 1. 画出闭环解耦系统方框图。 2. 计算 PID 参数并与实验中调节的最后结果比较。 3. 叙述解耦控制的意义。 六、实验预习 1. 阅读实验内容。 2. 预习解藕控制的意义。 X2(t)=1V X2(t)=2V 开环实验 闭环实验 耦合实验

Y1 (t) Y2 (t) Y1 (t) Y2 (t) Y1 (t) Y2 (t)

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实验九
一、实验目的 1.了解采样过程和信号恢复过程。

采样定理实验

2.了解采样器和零阶保持器的电路结构。 3.验证采样定理。 二、实验仪器 1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 三、实验内容 1.正弦信号发生电路

图 9-1 2.采样过程

5Hz 信号源电路

图 9-2 3.采样恢复

5Hz 信号源电路

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图 9-3

5Hz 信号源电路

图 9-4 零阶保持器电路

4.验证采样定理 实验线路同采样恢复实验,改变采样频率,从 1000Hz 减小,取其 值为 500Hz,200Hz,100Hz,观察 Xh(t)波形,对比输入信号频率与采样频率之间的关系。 四、实验步骤 1. 启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。 检测信息 3. 连接被测量典型环节的模拟电路(图 9-1)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输 出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 4. 鼠标单击[实验课题→采样实验→检测信息]实验选项将弹出实验课题参数窗口。 在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认。屏幕显示区将显示正弦信号 源波形。 采样过程 5. 连接被测量典型环节的模拟电路(图 9-2)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输 出,电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。

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6. 鼠标单击[实验课题→采样实验→采样过程]实验选项将弹出实验课题参数窗口。 在 参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认。屏幕显示区 将显示采样的过 程。 采样恢复 7. 连接被测量典型环节的模拟电路(图 9-3 和图 9-4)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡 的 DA1 输出,输出 Y1 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。输入 U2 接 A/D、D/A 卡的 DA2 输出, 输出 Y2 接 A/D、D/A 卡的 AD2 输入。检查无误后接通电源。 8. 鼠标单击[实验课题→采样实验→采样恢复]实验选项将弹出实验课题参数窗口。 在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认。计算机完成采样,并由 DA2 输出到零阶保持器,进行采样恢复,恢复的波形由 AD2 采集并在显示区显示恢复的波 形。 采样定理 9. 实验连线同采样恢复,检查无误后接通电源。 10. 鼠标单击[实验课题→采样实验→采样定理]实验选项将弹出实验课题参数窗口。 在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认。 验证采样定理实验过程: 设置采样频率为 1KHz,500Hz,200Hz,100Hz,再查看零阶保 持器恢复的波形,与源信号进行比较。 五、实验报告 1. 在同一坐标图上,画出 X(t),Xh(t),Xh*(t)的波形图。 2. 讨论本实验是否符合香农采样定理。

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实验十
一、实验目的 1.了解非线性环节的特性。 2.掌握非线性环节的模拟结构。 二、实验仪器

非线性实验

1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 三、实验原理 1. 非线性特性的测量方法 非线性特性的测量线路如图 10-1 所示。三角波发生器的输出 AD1 接至被测非线性环 节的输入端,而非线性环节的输出接至 AD/DA 卡的采集输入端 DA1。这样运行软件,可以 从软件界面上看到输入和输出波形。
○ ○ ○ ○

AD/DA 卡


被测非线性环节


AD/DA 卡


图 10-1 非线性特性的测量电路 2. 三角波信号的产生 三角波信号如图 10-2 所示,是由软件编程后通过 D/A 转换后从 DA1 端输出,是一个 周期从-5 到+5V,然后从+5V 到-5V 变化的波形。 +5V

-5V

图 10-2 三角波信号

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四、实验内容 1.饱和特性、继电器特性和滞环继电器特性模拟电路及输出特性曲线。改变 R1、R2、 R3、R4 的阻值,使 a 的值大于、等于、小于 1,即可得到不同的模拟继电器特性。

图 10-3 非线性环节特性 2. 死区特性模拟电路及输出特性曲线。改变 R1、R2 的阻值可改变死区宽度 M。

图 10-4 死区特性 五、实验步骤 1.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信 正常后才可以继续进行实验。 3.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路 的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入,检查无误后接通电源。 4.鼠标单击 [实验课题→非线性实验] 将弹出参数设置窗口。 5.在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验

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结果。 6.观测显示的波形及数据(由实验报告确定) ,记入表 10-1 中。 表 10-1: 参数 非线性环节 R1 R2 R3 R4 特性曲线 理论值 实测值

理想继电器特性

饱和特性

死区特性

滞环特性

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六.实验报告 1.画出典型非线性环节的模拟电路图及实测特性曲线。 2.调节电路参数,观测并讨论参数对非线性特性的影响。 七、预习要求 阅读实验原理及实验内容,掌握各种典型非线性环节特性的模拟方法和非线性特性 曲线的测量方法。

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实验十一

相轨迹观测实验

一、实验目的 1. 了解相平面法的基本概念。 2. 掌握相轨迹的绘制方法。 3. 掌握用相轨迹法分析阶跃信号响应。 二、实验仪器 1.EL-AT-II 型自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台 三、实验原理 1. 相平面图表征系统在各种初始条件下的运动过程, 相轨迹则表征系统在某个初始 条件下的运动过程,相轨迹可用图解法求得,也可用实验法直接获得。当改变阶 跃信号的幅值,即改变系统的初始条件时,便可获得一系列相轨迹。根据相轨迹 的形状和位置就能分析系统的瞬态响应和稳态误差。 2. 阶跃信号的饱和系统原理 系统结构图如图 11-1:

图 11-1 系统结构图 系统模拟电路图如图 11-2:

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图 11-2 相轨迹模拟电路图 当 D/A 端输入阶跃信号时,通过 A/D1 和 A/D2 端分别做 X 轴和 Y 轴采集数据,描 绘在显示屏上,即可得到系统的相轨迹图。 四、实验步骤 1.连接被测量环节的模拟电路。电路的输入 R(S)接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出,电路的 输出 A/D-X 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入 A/D-Y 接 A/D、D/A 卡的输入 AD2。检查无误 后接通电源。 2.启动计算机,在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通 信正常后才可以继续进行实验。 4.在实验课题下拉菜单中选择实验十一[相轨迹观测], 鼠标单击该选项弹出实验课 题参数窗口。 5.设置参数后,点击确认观测相轨迹图。 五、实验报告 1. 计算系统的相轨迹点,并且和实验结果比较。 2. 利用图解法分析系统。 六、预习要求 1. 预习图解法分析非线性的方法。

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2. 分析实验原理中的系统电路。

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附录一

实验说明及参考答案

实验一 典型环节及其阶跃响应
一、实验说明 典型环节的概念对系统建模、分析和研究很有用,但应强调典型环节的数学模型都 是对各种物理系统元、部件的机理和特性高度理想化以后的结果,重要的是,在一定的 条件下,典型模型的确能在一定程度上忠实地描述那些元、部件物理过程的本质特征。 模拟典型环节是有条件的,即是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器: 1. 输入阻抗为∞,进入运算放大器的电流为零,同时输出阻抗为零; 2. 电压增益为∞; 3. 通频带为∞; 4. 输入和输出之间呈线性; 在实际模拟环节注意: 1. 实际运算放大器输出幅值受其电源限制是非线性的,实际运算放大器是有惯性 的; 2. 对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节,只要控制了输入 量的大小或是输入量施加的时间的长短(对积分或比例积分环节) ,不使其输出 在工作期间内达到饱和,则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免。但对模 拟比例微分环节和微分环节的影响则无法避免, 其模拟输出只能达到有限的最高 饱和值。 3. 实际运放有惯性,它对所有模拟惯性环节的暂态响应都有影响,但情况又有较大 的不同。 二、实验参考曲线 1. 比例环节 2. 惯性环节

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3.积分环节

4. 比例微分环节

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实验二 二阶系统阶跃响应
实验数据表: 1. 取?n=10rad/s,即令 R=100KΩ ,C=1uf;分别取ζ =0、0.25、0.5、1,及取 R1=100KΩ ,R2 分别等于 0、50KΩ 、100KΩ 、200KΩ 。 ζ 0 0.25 0.5 1 R2(KΩ ) 0 50 100 200 44.5% 16.3% 1.2 0.6 Mp(理论值) Ts (理论值) Mp (观测值) Ts (观测值)

2. 取?n=100rad/s,即令 R=100KΩ ,C=0.1uf;分别取ζ =0、0.25、0.5、1,及 取 R1=100KΩ ,R2 分别等于 0、50KΩ 、100KΩ 、200KΩ 。 3. 实验参考曲线如图所示(实验时每次只有一条曲线)

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实验三 控制系统的稳定性分析
一、 实验说明: (1) 熟悉闭环系统稳定和不稳定现象,并加深理解线性系统稳定性只与其结构和参 量有关,而与外作用无关; (2) 老斯稳定判据的应用; (3) 了解系统开环增益与其时间常数的关系,进而理解人为地增大某时间常数(使 各时间常数在数值上错开)是提高系统临界开环增益地一种有效方法; (4) 在实验中,要求实验前计算不同时间常数配合下的系统临界开环增益,并与实 验结果对比分析、讨论。 T=RC=0.1,系统临界开环增益 K=2,K=R3/R2,R2=100K,R3=200K(小于 200K 时 系统稳定) T=RC=0.01,系统临界开环增益 K=11,K=R3/R2,R2=100K,R3=1120K(小于 1100K 系统稳定) 二、 实验参考: 调整电路中 R3 至系统响应呈等幅振荡,测量记录此时电阻数值。R3 取临界值

及临界值左右时的响应曲线如图: 系统临界值时的响应曲线 系统小于临界值时的响应曲线

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系统大于临界值时的响应曲线

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56.

实验四 系统频率特性测量
一、 实验说明 本实验原理是在被测对象的输入端加上正弦信号,待输出稳定后,在输出端可 得到与输入端同濒率的正弦信号,但其幅值和相位与输入端信号不同。如果在足够 的频率范围内测出输出信号与输入信号的幅值比和相角差, 便可得到被测对象的频 率特性,进一步可确定被测对象的参数。 二、 实验观测参考: 1. 单个频率点的响应波形的手动测量观测,如图所示:

2. 单个频率点的响应波形的自动测量观测,如图所示:

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57.

3. 波特图的观测,如图所示:

4. 奈氏图的观测,如图所示:

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58.

实验五 连续系统串联校正
一、实验说明: 1. 串联超前校正:实质是利用相位超前,通过选择适当参数使出现最大超前角时的 频率接近系统幅值穿越频率,从而有效地增加系统地相角裕度,提高系统的相对稳定性。 当系统有满意的稳态性能而动态响应不符合要求时,可采用超前校正。 实验观测:校正前后系统响应

超前校正前系统响应曲线

超前校正后系统响应曲线 2. 串联滞后校正:利用校正后系统幅值穿越频率左移,如果使校正环节的最大滞后 相角的频率远离校正后的幅值穿越频率而处于相当低的频率上,就可以使校正环节的相 位滞后对相角裕度的影响尽可能小。特别当系统满足静态要求,不满足幅值裕度和相角 裕度,而且相频特性在幅值穿越频率附近相位变化明显时,采用滞后校正能够收到较好 的效果。

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59.

实验观测:校正前后的系统响应

滞后校正前系统响应曲线

滞后校正后系统响应曲线 3. 串联超前-滞后校正:如果单用超前校正相角不够大,不足以使相角裕度满足要 求,而单用滞后校正幅值穿越频率又太小,保证不了响应速度时,则需用超前-滞后校 正。 实验观测:校正前后的统响应

超前-滞后校正前系统响应曲线

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60.

超前-滞后校正后系统响应曲线 说明:实验前,应要求学生用频率法分析实验中校正前后系统的参数变化。

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61.

实验六 数字 PID 控制
一、实验说明: 比例-积分(PI)控制规律:它的作用相当于在系统中增加了一个开环极点和开环 零点。位于原点的极点可提高系统的稳态性能,而增加的零点则可缓和和极点对系统稳 定性产生的不利影响。 比例-积分-微分(PID)控制规律:它的作用与 PI 控制器相比,除了同样具有提 高系统稳态性能的优点外,由于系统多一个负实部零点,还对提高系统的动态性能又更 大的优越性。 工程设计中有许多中方法,如对于一个特定的被控对象,在纯比例控制的作用下改 变比例系数可求出产生临界振荡的振荡周期 Tu 和临界比例系数 Ku。 根据 Ziegler-Nichols 条件有 T=0.1Tu;Ti=0.125Tu。 从而根据性能要求调节参数。工程方法有很多,此处不再一一介绍。 二、实验参考(每次实验只有一条曲线) : K、P、I 参数不同时的各种响应曲线:

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62.

实验七 状态反馈与状态观测器
一、 实验说明: 给定控制系统,通过设计反馈增益阵使闭环系统具有期望的极点,从而达到适 当的性能,这就是极点配置问题。但极点配置问题是基于状态反馈,因此状态必须 可测,当状态不可测时,则应设计状态观测器。设计的状态观测器也应具有适当的 频率特性,因此也可指定其极点位置,从而使状态观测器的设计转换为极点配置问 题。对于状态观测器的设计包括:全阶和最小阶状态观测器的设计。设计方法此处 不再细述。要求学生通过实验,掌握极点配置的方法和状态观测器的设计方法。 二、 实验观测:

阶跃响应曲线

阶跃跟踪响应

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63.

实验八 解耦控制
一、 实验说明: 有关系统耦合的现象和解耦的意义需要学生掌握, 并掌握解耦的基本方法, 实验 中可以根据情况在原实验指导书的基础上,改变耦合系统。 二、 实验观测:

1. 耦合系统特性:

2. 解耦系统开环特性:

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64.

3.解耦系统闭环特性:

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65.

实验九 采样系统
一、 实验说明:

采样系统比较重要的概念是采样定理的理解和掌握,并应该掌握零阶保持器的原理。 二、 实验观测:

1. 信号源:

2. 采样过程:

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66.

3. 采样恢复:

4. 验证采样定理:

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67.

实验十 非线性实验
一、 实验说明: 通过实验要求学生了解并掌握典型非线性环节的模拟方法。掌握典型非线性环 节的波形特点及参数对静特性的影响。 二、 实验观测

1. 继电器特性:

2. 饱和特性:

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68.

3. 死去特性:

4. 滞环特性:

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69.

实验十一 相轨迹观测实验
一、 实验说明: 相平面图表征系统在各种初始条件下的运动过程,相轨迹则表征系统在某个初 始条件下的运动过程,要求学生掌握用相轨迹法分析系统响应的方法。 二、 实验观测:

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70.

附录二
1.程序下载

串口 AD/DA 卡调试说明

下载时必须先将跳线 JP1 短接,再上电,此时指示灯一直亮,表明芯片处于下 载模式.ADUC812 要用专门软件(DOWNLOAD.EXE)下载编程,DOWNLOAD.EXE 的用法如下: DOWNLOAD DOWNLOAD filename.hex filename.hex /c:1 /c:2 (COM1 口) (COM2 口)

下载电缆同三合一实验箱电缆 下载完成后,关电将 JP1 断开,使处于正常工作模式。 2.JP1 断开后重新上电,此时指示灯应先亮 2 秒左右再灭,即表示芯片工作正常 如果灯一直亮,可能原因如下: 1)程序下载不正确,检查下载电缆、芯片 ICL232 等下载线路。 2)外部扩展 RAM(62256,74LS373)有问题,使外部 RAM 读写测试通不过,灯就会一 直亮。 3)外部基准电压超过芯片极限电压 5.3V,使芯片出错,检查 T1 过孔处电压,可调节 VR6 降低电压。 3.调基准电压 调节电阻 VR6,使测试点 T1 过孔的电压精确等于 5.0V。 在 T1 电压精确调整之后,调节 VR5 使芯片 U7 第 8 脚电压为-5.0V, 此时 U5、 U6 的 1、 7、 8、14 脚输出应为 2.5V 左右 4.DA +5V 调整

将 P1,P2 均接到 GND,重新启动单片机,进入+5V 调整模式。 用表量 DA0 ,DA1 输出,分别调节 VR4 ,VR1 使输出为+5V。 5.DA 0V 较准

P1,P2 悬空,重启动单片机,进入正常工作模式。 调节 VR3, VR2,使 DA0,DA1 输出为 0V。 6.DA -5V 较准

P1 空,P2 接 GND,重启进入-5V 校验模式。 经 过 上 两 步 校 准 , 此 时 DA0,DA1 输 出 应 为 -5V 左 右 , 差 别 不 大 时 就 不 要 调 VR1,VR2,VR3,VR4,否则前两步要重新调整。

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71.

7.AD 通道测试 P1 接 GND,P2 空,重启进入 AD 通道测试模式。 开始 DA0,DA1 电压应分别为+2.5V ,-2.5V 左右,用导线将 DA0 连至 AD0,此时 DA1 电压 由-2.5 变成+2.5V(在此模式下软件内设计成将 AD 通道采集的数送到 DA1), 说明 AD0 通道采集正确,其它通道按同样方法可测。 说明: 指示灯在正常工作时应熄灭,其他模式都一直亮。


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