控制工程基础ch1
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控制工程基础控制工程基础控制工程是应用数理科学、工程科学和计算机科学等,对动态系统进行建模、分析、设计和实现的一门学科。
它的基础知识包括:系统理论、信号与系统、自动控制理论、数字信号处理、电子电路、计算机科学基础等,是自动化技术、机械工程、电子工程、信息工程、材料科学、冶金工程、化工工程、生物工程以及安全工程等众多工程领域的基础学科。
下面将对控制工程的基础知识进行简要介绍。
一、系统理论系统理论是控制工程的基石,它研究如何将物理、力学、电子学等各种不同类型的系统用一种公共的方式表示,以便于对系统进行分析和设计。
它包括了系统的三个基本部分:输入、输出和系统本身。
系统理论还涉及到系统的稳定性、响应特性、频率特性、自由度、模态等方面的概念和方法。
以温度调节器为例,它的输入和输出分别是设定的温度值和实际的温度值。
它所调节的系统就是温度系统,该系统可以被看作是一个变量到变量的映射函数。
系统理论的目的就是找到如何调整该映射函数的方法,从而让实际的温度值无限趋近于设定值,即实现对于温度的精确控制。
二、信号与系统信号与系统是控制工程中另一个基础概念,它是指在时间或空间上变化的各种信号,并且它们可以用某种系统进行处理。
信号可以是电压、电流、温度、光等,而系统可以是传感器、运算放大器、放大器、滤波器、元件等。
例如,温度调节器的信号就是温度值的变化,系统就是温度调节器本身。
这个系统可以通过控制电路来实现对于温度的控制。
信号与系统理论主要研究信号的特征、传输及处理系统的处理特性,以及信号和系统之间互相作用的规律等。
三、自动控制理论自动控制理论是指通过一定的算法和控制策略来实现目标的自动控制系统。
当系统出现误差时,自动控制系统会自动地对系统进行反馈调整。
该理论是实现各种控制系统的核心。
它不仅涉及到系统的稳定性分析、响应特性、控制系统的设计方法以及控制策略的选择等基本问题,还包括控制器设计、检测和分析等方面。
四、数字信号处理数字信号处理(DSP)是将模拟信号转化为数字信号,并对这些数字信号进行处理的技术。
自动控制理论实验报告实验一典型环节的时域响应院系:班级:学号:姓名:实验一 典型环节的时域响应一、 实验目的1.掌握典型环节模拟电路的构成方法,传递函数及输出时域函数的表达式。
2.熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。
3.了解各项参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、 实验设备PC 机一台,TD-ACC+教学实验系统一套。
三、 实验步骤1、按图1-2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。
注:图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100k 电阻。
不需再接。
2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”接好。
将信号形式开关设为“方波”档,分别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10s 左右。
3、将方波信号加至比例环节的输入端R(t), 用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入R(t)端和输出C(t)端。
记录实验波形及结果。
4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号的实际响应曲线。
5、再将各环节实验数据改为如下:比例环节:;,k R k R 20020010== 积分环节:;,u C k R 22000==比例环节:;,,u C k R k R 220010010=== 惯性环节:。
,u C k R R 220010=== 用同样的步骤方法重复一遍。
四、 实验原理、内容、记录曲线及分析下面列出了各典型环节的结构框图、传递函数、阶跃响应、模拟电路、记录曲线及理论分析。
1.比例环节 (1) 结构框图:图1-1 比例环节的结构框图(2) 传递函数:K S R S C =)()( KR(S)C(S)(3) 阶跃响应:C(t = K ( t ≥0 ) 其中K = R 1 / R 0 (4) 模拟电路:图1-2 比例环节的模拟电路图(5)记录曲线:(6)k R k R 20020010==,时的记录曲线:_R0=200kR1=100k_ 10K10KC(t)反相器 比例环节 R(t)(7)曲线分析:比例放大倍数K 与1R 的阻值成正比。
Hefei University of Technology《控制工程基础》实验报告学院机械与汽车工程学院姓名学号专业班级机械设计制造及其自动化13-7班2015年12月15日自动控制原理实验• 1、线性系统的时域分析• 1.1典型环节的模拟研究一、实验要求1、掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式。
2、观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线,了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。
二、实验原理(典型环节的方块图及传递函数)三、实验内容及步骤在实验中欲观测实验结果时,可用普通示波器,也可选用本实验机配套的虚拟示波器。
如果选用虚拟示波器,只要运行LABACT 程序,选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目,再选择开始实验,就会弹出虚拟示波器的界面,点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器(B3)单元的CH1测孔测量波形。
具体用法参见用户手册中的示波器部分。
1) 观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图3-1-1所示。
该环节在A1单元中分别选取反馈电阻R1=100K 、200K 来改变比例参数。
图3-1-1 典型比例环节模拟电路实验步骤: 注:“SST ”不能用“短路套”短接!(1)将信号发生器(B1)中的阶跃输出0/+5V 作为系统的信号输入(Ui ) (2)安置短路套、联线,构造模拟电路:(a(b(3)虚拟示波器(B3)的联接:示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT (Uo )。
注:CH1选“X1”档。
时间量程选“x4”档。
(4)运行、观察、记录:按下信号发生器(B1)阶跃信号按钮时(0→+5V 阶跃),用示波器观测A6输出端(Uo )的实际响应曲线Uo (t ),且将结果记下。
改变比例参数(改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1),重新观测结果,其实际阶跃响应曲线见表3-1-1。
2) 观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图3-1-2所示。