《自动控制原理》实验指导书(-).doc

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1、自动控制原理实验指导书梅雪 许必熙 陈凤馨南京工业大学自动化学院2008年4月18目 录实验一 典型环节的模拟研究-1实验二 典型系统时域响应和稳定性-10附录：TDNACP自动控制原理教学实验箱简介-22实验一 典型环节的模拟研究一 实验目的1熟悉并掌握TD-ACP+设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。2熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。对比差异、分析原因。3了解参数变化对典型环节动态特性的影响。二实验内容下面列出各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。1比例环节 (P)A方框图：如图1.1-1所示。图1.1-1B传递函数：C阶跃响

2、应： 其中 D 模拟电路图：如图1.1-2所示。图1.1-2 注意：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100K的电阻，实验中不需要再接。以后的实验中用到的运放也如此。E 理想与实际阶跃响应对照曲线： 取R0 = 200K；R1 = 100K。 取R0 = 200K；R1 = 200K。2积分环节 (I)A方框图：如右图1.1-3所示。图1.1-3B传递函数： C阶跃响应： 其中 D模拟电路图：如图1.1-4所示。图1.1-4(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： 取R0 = 200K；C = 1uF。 取R0 = 200K；C = 2uF。3比例积分环节 (PI)(1) 方框图：如图1.1-

3、5所示。 图1.1-5(2) 传递函数： (3) 阶跃响应： 其中； (4) 模拟电路图：如图1.1-6所示。图1.1-6(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： 取R0 = R1 = 200K；C = 1uF。 取R0=R1=200K；C=2uF。 4惯性环节 (T)(1) 方框图：如图1.1-7所示。图1.1-7(2) 传递函数：。(3) 模拟电路图：如图1.1-8所示。 图1.1-8(4) 阶跃响应：，其中； (5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： 取R0=R1=200K；C=1uF。 取R0=R1=200K；C=2uF。5比例微分环节 (PD)(1) 方框图：如图1.1-9所示。 图1.1-

4、9(2) 传递函数：(3) 阶跃响应：。其中，为单位脉冲函数，这是一个面积为的脉冲函数，脉冲宽度为零，幅值为无穷大，在实际中是得不到的。(4) 模拟电路图：如图1.1-10所示。 图1.1-10(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： 取R0 = R2 = 100K，R3 = 10K，C = 1uF；R1 = 100K。 取R0=R2=100K，R3=10K，C=1uF；R1=200K。 6比例积分微分环节 (PID)(1) 方框图：如图1.1-11所示。 图1.1-11(2) 传递函数：(3) 阶跃响应：。其中为单位脉冲函数，；(4) 模拟电路图：如图1.1-12所示。图1.1-12(5) 理想

5、与实际阶跃响应曲线对照： 取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 100K。 取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 200K。三、 实验设备及仪器1PC机一台；2TD-ACP+实验系统一套；3万用表。四. 注意事项1 连接通信线时，应首先关闭电源。在使用中如果出现不能通讯的情况。请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。2 在使用中如果出现不能通讯的情况。请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观

6、察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。3 连接导线在插拔时，应抓住连接端头，不能拔导线。五. 实验方法及步骤1 按1.1.3节中所列举的比例环节的模拟电路图将线接好。检查无误后开启设备电 源。2 将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关分别设在“方波”档和“500ms5s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为5s左右。3 将2中的方波信号加至环节的输入端Ui，用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际

7、响应曲线U0(t)，记录实验波形及结果。4 改变几组参数，重新观测结果。5 用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比例积分微分环节的模拟电路图。观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实验波形及结果。六. 实验报告内容与要求1 画出各模拟电路图；2 写出各模拟电路图的传递函数；3 分别画出理想阶跃响应曲线和实测阶跃响应曲线。七. 思考1 分析各模拟电路中的元件参数对阶跃响应的影响。2 实验中模拟电路出现的故障，如何排除。实验二 典型系统的时域响应和稳定性分析一实验目的1 研究二阶系统的特征参量 (、n) 对过渡过程的影响。2 研究二阶对象的三种阻尼比下的响应

8、曲线及系统的稳定性。3 熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。二实验内容1 典型的二阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1.2-1所示。 图1.2-1(2) 对应的模拟电路图：如图1.2-2所示。图1.2-2(3) 理论分析系统开环传递函数为：；开环增益。(4) 实验内容先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中(图1.2-2)， ， 系统闭环传递函数为：其中自然振荡角频率：；阻尼比：。2 典型的三阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1.2-3所示。 图1.2-3(2)

9、 模拟电路图：如图1.2-4所示。图1.2-4(3) 理论分析系统的开环传函为:(其中)， 系统的特征方程为:。(4) 实验内容实验前由Routh判断得Routh行列式为：S3 1 20S2 12 20KS1 (-5K/3)+20 0S0 20K 0为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 得： 0 K 41.7K 系统稳定 K = 12 R = 41.7K 系统临界稳定 K 12 R 41.7K 系统不稳定三实验设备及仪器1PC机一台；2TD-ACP+实验系统一套；3万用表。四注意事项1参考实验一。2在做实验前一定要进行对象整定 ，否则将会导致理论值和实际测量值相差较大。五. 实验方法与

10、步骤1 信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关分别设在“方波”档和“500ms5s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为5s左右。2 典型二阶系统瞬态性能指标的测试(1) 按模拟电路图1.2-2接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 10K。(2) 用示波器观察系统响应曲线C(t)，测量并记录超调MP、峰值时间tp和调节时间tS。(3) 分别按R = 40K；160K；360K；改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标MP、tp和tS，及系统的稳定性。并

11、将测量值和计算值进行比较 (实验前必须按公式计算出)。将实验结果填入表1.2-1中。表1.2-2中已填入了一组参考测量值，供参照。3 典型三阶系统的性能(1) 按图1.2-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 30K。(2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。(3) 减小开环增益 (R = 41.7K；100K)，观察响应曲线，并将实验结果填入表1.2-3中。表1.2-4中已填入了一组参考测量值，供参照。六. 实验报告内容与要求 1画出模拟电路图，写出对象的传递函数。2填写典型二阶系统瞬态性能指标实验测试值（见表1.2-1）。表1.2-1参数项目R(K)KnC(tp)C()Mp (%)t

12、p (s)ts (s)响应情况理论值测量值理论值测量值理论值测量值0 1过阻尼 3 填写三阶系统在不同开环增益下的响应情况实验测试值（见表1.2-2）表1.2-2R(K)开环增益K稳定性表1.24七. 思考 分析R参数对、，等质量指标的影响。附录 TDNACP自动控制原理教学实验箱简介+ 一、 系统构成实验箱主要由U1U21单元电路构成，系统布局见附录一或实验箱版面。1 信号源发生电路1） U1单元典型信号源。可以通过S12开关选择方波、斜波和抛物波输出。通过S11开关选择进行信号周期的粗调，通过W11电位器实现信号周期的细调。通过以上的调节，把S与 ST用短路器短接，OUT输出端能够输出你所

13、需要的波形了。2） U15单元正弦波信号源。这个单元能够产生频率0.2Hz400Hz的正弦波，正弦波的幅值在5V范围内可调。3） U13和U14单元组成单脉冲电路。连接如图1-1。4） U19单元的SIN端可以输出受控的正弦波信号。频率特性实验的输入信号由此接入。2 示波器测量电路该测量电路主要由U19单元承担。由89C51单片机、芯片62256、ADC0809、LM324、量程选择开关和双路表笔组成。本单元替代了自控实验中使用长余辉型示波器、频率特性分析仪等实验仪器。开关CH1、CH2不同档对应波形衰减倍数为5、0.5和1，CH1、CH2分别连接的端子为虚拟示波器的两通道的输入端。和PC机连

14、接好串口通信线，在PC机上运行ACP+软件就可以观察所测量的波形图。3 运算模拟单元运算模拟单元主要由U3、U4、U5、U6、U7、U8、U20、U21和U22等单元组成。在这里可以通过不同的连接可以实现我们所需要的各种运算模拟电路。U21单元被称为特殊环节，当你需要串接一个电阻和电容时，或是电阻和电容接成T型网络时，就要靠U21单元来实现。U20单元被称为反相器，实验中常常用到反相器，直接利用U20单元中的反相器就很方便。需要讲明的一点，所有运算放大器的+端，实验箱里已接好，在实验中无需再接。4 采样保持器 由U2单元组成。IN1、IN2分别为采样保持器的输入端；OUT1、OUT2分别为输出

15、端；PU1、PU2分别为控制端，用逻辑电平控制，高电平采样，低电平保持。5 其它单元（略）二、 ACP软件使用说明软件安装完毕后，进入该界面：1 选中“文件”菜单中的菜单项“退出”可退出该界面。2 选中“查看”菜单中的菜单项“状态栏”，则在界面下方有状态栏出现并显示当前状态，若未选中则隐藏状态栏，不显示当前状态。3 “串口”菜单中的选项“COM1”、“COM2”是用来选择与PC及相连的串口号，如果是串口1就选中“COM1”，如果是串口2就选中“COM2”。4 示波器使用说明可以使用菜单中的“窗口-示波器窗口”或者选择工具栏中的图标打开或激活示波器窗口。如果已经示波器窗口已经打开，则激活，否则弹

16、出一个对话框，用户可根据需要选择不同的示波器功能，进入相应的界面。示波器的3个功能a)示波器（对信号进行时域的测量，类似与普通示波器的功能） b)频率特性分析c) 非线性测量 （测量 电压-电压 关系）分别介绍如下：示波器示波器工具栏（按自左向右的顺序逐个介绍） 1）启动示波器不运行程序。适合于只需要观察波形时使用，例如做自控实验时。2）停止测量。停止示波器的采样，如果运行了计控程序，程序将被终止。建议在激活其它窗口时停止示波器测量。3）暂停显示。将当前的波形保留在屏幕上，便于细致观察波形。暂停后可以用游标对波形进行测量、细分显示和打印波形，如果运行了计控程序，程序仍在运行，不会被终止（于停止

17、功能不同），时示波器仍在采样，只是不将数据显示在屏幕上。4） 继续显示。暂停显示后用来恢复示波器的显示。5）横向增加示波器显示比例。6）横向减少示波器显示比例。7）纵向增加示波器显示比例。8）纵向减少示波器显示比例。9） 示波器显示还原。将纵向拉伸过的图形还原为最初显示尺寸。10）快速向左移动游标。在暂停或细分显示时，用来移动测量游标，每次移动10格11）向左移动游标。在暂停或细分显示时， 用来移动测量游，每次移动一格。12）向右移动游标。13）快速向右移动游标。14）细分显示波形。在暂停后可以使用。执行时，示波器窗口标题栏会闪动，此时正在接收数据请等待，数据接收完成后会显示出波形，并可用游标

18、进行测量。15）左移波形。执行细分显示后，可以使用。16）右移波形。执行细分显示后，可以使用。17）在波形显示和保存波形界面间切换18）保存某一时刻CH1的波形显示。此处会弹出一个对话框询问保存到那一个图库中，可选的有三个，选中之后，系统会将用户需要保存的图象保存到用户指定的图库中。19）保存某一时刻CH2的波形显示到用户指定的图库中。20）将两路波形同时保存到一个图库中。21）波形打印。暂停或细分显示时可以使用。频率特性 1）开始测试。测试需要一段时间，时间的长短，主要取决于用户输入的信号角频率。测试期间，窗口标题栏会不断闪动，测试完成后，会显示出测试波形。2）修改参数。执行后弹出一个对话框

19、，用户可以改变信号的角频率和电压。3）停止测量。4）快速向左移动游标。示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游标，每次移动10 格5）向左移动游标。示波器暂停或细分显示时可以使用， 用来移动测量游，每次移动一格。6）向右移动游标。示波器暂停或细分显示时可以使用，用来移动测量游标，每次移动一格。7）快速向右移动游标。示波器暂停时或细分显示可以使用，用来移动测量游标，每次移动10 格。8） 打印波形。测试完成后，可以将测试的波形打印出来。非线性测量1）开始测试。2）清除屏幕。3） 停止测量。附：常见问题4 建议在分辨率为 800*600 下运行程序，如果分辨率低于 800*600 界面会超屏

20、幕，只要调整分辨率即可。5 使用时应该保证计算机的串口工作正常，把实验仪和计算机用系统附带的串行通讯电缆连接上，打开电源后运行程序。6 首次运行时，调试工具默认的通讯口是 COM1 ，如果您的鼠标正好连接在COM1，系统会提示：“通讯端口初始化失败，请重新启动计算机！”您可以忽略这个信息，直接点“确定”按钮进入程序，然后选择菜单项“选择串口”，将联机端口改为COM2 即可正常工作。对于鼠标连接在 COM2 的如果出现类似问题，采用同样方法解决。另外，如果不是因为与鼠标发生冲突导致的问题，则需要重新启动计算机，再尝试连接。7 在使用中如果出现不能通讯的情况。请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。+