北化自动控制原理实验

自动控制原理实验

专业

班级

姓名

学号

实验时间：2010.10—2010.11 .

. 一、 实验目的和要求：

通过自动控制原理实验牢固地掌握《自动控制原理》课的基本分析方法和实验测试手段。能应用运算放大器建立各种控制系统的数学模型，掌握系统校正的常用方法，掌握系统性能指标同系统结构和参数之间的基本关系。通过大量实验，提高动手、动脑、理论结合实际的能力，提高从事数据采集与调试的能力，为构建系统打下坚实的基础。

二、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明

自动控制实验系统 一套

计算机 （已安装虚拟测量软件---LABACT） 一台

椎体连接线 18根

典型环节实验

（一）、实验目的：

1、 了解相似性原理的基本概念。

2、 掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。

3、 掌握各类典型环节的输入和输出时域关系及相应传递函数的表达形式，熟悉各典型环节的参数（K、T）。

4、 学会时域法测量典型环节参数的方法。

（二）、实验内容：

1、用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和比例积分微分环节。

2、在阶跃输入信号作用下，记录各环节的输出波形，写出输入输出之间的时域数学关系。

3、在运算放大器上实现各环节的参数变化。

（三）、实验要求：

1、 仔细阅读自动控制实验装置布局图和计算机虚拟测量软件的使用说明书。

2、 做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传递函数的表达式，并计算各典型环节的时域输出响应和相应参数（K、T）。

3、分别画出各典型环节的理论波形。

5、输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。

实验1 控制系统典型环节的模拟实验（一）

实验目的：

1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。

2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。

实验原理：

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。

实验内容及步骤

实验内容：

观测比例、惯性和积分环节的阶跃响应曲线。

实验步骤：

分别按比例，惯性和积分实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行。

①按各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。(PID先不接)

②将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。

③按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。

④同理得积分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线。

实验数据

实验二 控制系统典型环节的模拟实验（二）

实验目的

1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。

2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。

实验仪器

1．自动控制系统实验箱一台

2．计算机一台

实验原理

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。

实验内容及步骤

内容：

观测PI，PD和PID环节的阶跃响应曲线。

步骤：

分别按PI，PD和PID实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行

实验四 传递函数的零极点对系统过渡过程的影响

一、实验目的

1、研究传递函数的零极点对系统过渡过程的影响。

2、研究高阶系统的闭环主导极点的性质。

三、实验内容

考虑系统的闭环传递函数为：

)2)(1()1()()(222nnnssTsssXsY

求取下列情况下对象的单位阶跃响应，并进行比较（1,5.0n）。

要求：

（1）在纸上画出上述情况下系统闭环零极点分布图。

（2）与标准二阶系统进行比较，说明增加闭环极点对系统性能的影响。

（3）当附加闭环极点与虚轴的距离发生变化时，它对系统的影响如何。

（4）当nT1时，对高阶系统起主导作用的闭环主导极点是哪个？为什么？

1、增加闭环极点对系统性能指标的影响

（1）T=0，0时（标准二阶系统）

解答：代码如下：

wn=1;eita=0.5;

num1=wn^2;

den1=conv([t0,1],[1,2*eita*wn,wn^2]);

pzmap(num1,den1)

闭环零极点分布图如下：

（2）当0时，增加附加闭环极点：①nT51 ②nT1 ③nT1

解答：代码如下： wn=1;eita=0.5;

t0=0;

num1=wn^2;

den1=conv([t0,1],[1,2*eita*wn,wn^2]);

pzmap(num1,den1)

hold on;

t1=1/3;

num2=wn^2;

den2=conv([t1,1],[1,2*eita*wn,wn^2]);

pzmap(num2,den2)

t2=1/0.5;

num3=wn^2;

den3=conv([t2,1],[1,2*eita*wn,wn^2]);

pzmap(num3,den3)

t3=1/0.2;

num4=wn^2;

den4=conv([t3,1],[1,2*eita*wn,wn^2]);

实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量

一、实验目的

1．学习和掌握测量典型环节（或系统）频率特性曲线的方法和技能。

2．学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。

二、实验内容

1．用实验方法完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。

2．用实验方法完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。

3．根据测得的频率特性曲线求取各自的传递函数。

4．用软件仿真方法求取一阶惯性环节频率特性和典型二阶系统开环频率特性，并与实验所得结果比较。

三、实验步骤

1．利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。

在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机情况。仍以一阶惯性环节为例，此时将Ui连到实验箱 U3单元的O1（D/A通道的输出端），将Uo连到实验箱 U3单元的I1（A/D通道的输入端），并连好U3单元至上位机的并口通信线。接线完成，经检查无误，再给实验箱上电后，启动上位机程序，进入主界面。界面上的操作步骤如下：

①按通道接线情况完成“通道设置”:在界面左下方“通道设置”框内，“信号发生通道”选择“通道O1＃”，“采样通道X”选择“通道I1＃”，“采样通道Y”选择“不采集”。

②进行“系统连接”（见界面左下角），如连接正常即可按动态状态框内的提示（在界面正下方）“进入实验模式”；如连接失败，检查并口连线和实验箱电源后再连接，如再失败则请求指导教师帮助。

③进入实验模式后，先对显示进行设置：选择“显示模式”（在主界面左上角）为“Bode”。

④完成实验设置，先选择“实验类别”（在主界面右上角）为“频域”，然后点击“实验参数设置”，在弹出的“频率特性测试频率点设置”框内，确定实验要测试的频率点。注意设置必须满足ω<30Rad/sec。

⑤以上设置完成后，按“实验启动”启动实验。界面中下方的动态提示框将显示实验测试的进展情况，从开始测试直至结束的过程大约需要2分钟。实验自动结束，提供数据表格和显示对数频率特性（Bode图）。