自动控制原理实验指导书

自动控制原理实验指导书二○○七年八月实验一自动控制系统认识实验一、实验目的1、使同学们在深入学习自动控制理论之前对自动控制系统有个初步、感性的认识。

2、通过感性认识，加深理解自动控制系统的基本原理与方式，以及初步了解自动控制系统的基本要求的概念。

3、加深理解“控制某个量，与引入该量的负反馈”的关系。

4、结合实物认识、了解反馈控制系统的基本组成。

二、实验仪器设备过程控制实验系统一套三、实验原理1、反馈控制原理：控制装置对被控对象施加的控制作用，是取自被控量的反馈信息，用来不断修正被控量与输入量之间的偏差，从而实现对被控对象进行控制的任务。

这是一般闭环控制系统的基本控制原理。

2、对自动控制系统的基本要求：稳定性、快速性、准确性。

3、反馈控制系统的控制装置由测量元件、给定元件、比较元件、放大元件、执行元件、校正元件等组成。

四、实验内容根据书上内容，结合过程控制实验装置了解自动控制系统基本组成：测量元件；给定元件、比较元件、放大元件、执行元件、校正元件。

了解并熟悉控制系统的原理。

实验装置方框图大致如下图：图一说明：LT—液位检测变送器；TT—温度检测变送器；T1-SCR—移相调控晶闸管模板TC—温度调节器；LC—液位调节器五、讨论1、上图中画出了两个控制量的控制回路，试画出流量控制的控制回路2、分别指出3个被控量的检测元件分别是什么？3、针对过程控制实验装置，说明温度控制、液位控制、流量控制的大体原理。

4、举出日常生活中的一些自动控制系统。

实验二 控制系统的时间响应分析一、实验目的1、熟悉并掌握MA TLAB 的工具箱simulink 在自动控制仿真中的应用。

2、通过对典型二阶系统特征参数的调整，了解并比较系统分别在欠阻尼、临界阻尼和过阻尼时动态品质。

3、通过对高阶系统的闭环极点的不同设置，观察系统的动态响应曲线有何异同，从而理解闭环主导极点。

4、命令方式求取系统的阶跃响应和脉冲响应等（补充） 二、实验仪器设备微型计算机 一台三、实验原理1、 通过simulink 工具箱构建系统结构图，通过改变不同系统参数，实现仿真不同状态下的系统。

系统输出可以输出到示波器（scope ），通过示波器观察系统输出，从而了解系统的各种动态性能。

2、 线性定常系统阶跃响应动态性能指标定义如下：延时时间t d ：响应曲线第一次达到其终值一半所需时间上升时间t r ：响应曲线从终值10%上升到终值90%所需的时间；对于有振荡的系统，也可定义为响应从零第一次上升到终值所需的时间。

峰值时间t p ：响应超过其终值到达第一个峰值所需的最短时间。

调节时间t s ：响应到达并保持在终值%5±内所需的时间。

超调量%σ：响应的最大偏离量h(t p )与终值h(∞)比的百分数。

四、实验内容1、 设单位负反馈二阶系统的结构图如图一所示。

（ 图一 ）特征参数选取见下表，分别观测系统的阶跃响应曲线，测试系统时域性能指标，并比较之。

2、设三阶系统结构如下图（图二）所示（图二）当参数作如下两种调整时，观察阶跃响应曲线，并比较之。

（1）、取a 0=0.05,a 1=0.25,a 2=1.2,b 0=0.2 （2）、取a 0=174,a 1=53,a 2=10,b 0=2五、实验步骤1、 运用simulink 连接如图一所示系统。

2、 分别观察ξ=0.707,1,10时的阶跃响应曲线，测试并记录超调量%σ和调节时间s t 。

3、 运用simulink 连接如图二所示系统。

4、 求取图二系统在两组参数下的闭环极点并记录之。

5、 分别观察图二系统在两组参数下的阶跃响应曲线，测试并记录%σ、s t 。

六、讨论1、在图一所示系统中，当阻尼比取三种不同值时，哪种动态相应性能更好？为什么？2、在图二所示系统中，当选取两种不同参数时，对应的系统闭环极点分别是多少？哪种情况下的动态响应性能更好些，为什么？3、说明主导极点的概念即成立的条件。

七、补充（一）、以一例说明使用命令求取阶跃响应、脉冲响应、斜坡响应 例：一系统为G(S)=254252++S S ,求取其单位阶跃响应 源程序：num=[0 0 25];den=[1 4 25]; %或者加上 sys=tf(num,den) step(num,den)%或者使用 step(sys)title('G(s)=25/(s^2+4s+25)的单位阶跃响应')得到下图所示的响应曲线1、求取单位阶跃响应：step 命令详细见附录2-1 2、求取单位脉冲响应：（1）、直接使用impulse 命令（类似step 命令）（2）、初始条件为零时，G(S)单位脉冲响应与s G(S)的单位阶跃响应相同，可以将求取单位脉冲响应转化为求取单位阶跃响应。

3、求取单位斜坡响应：MATLAB中没有斜坡响应命令，利用阶跃响应命令求斜坡响应。

即，先用s除以G(S)，再利用阶跃响应命令。

（思考？）（二）、系统时域响应的直接求取利用MATLAB语言的residue()函数命令，可以方便地求取线性时域响应的解析解。

自行使用help residue,此处略。

实验三控制系统根轨迹实验一、实验目的1、掌握在MA TLAB下绘制线性控制系统根轨迹和根轨迹簇的方法。

2、理解具有同一结构的系统，其开环零、极点的变化可能导致系统根轨迹产生的变化。

3、理解增加开环零、极点对系统性能的影响。

4、理解广义根轨迹绘制。

5、理解零、极点对消。

二、实验仪器设备微型计算机一台三、实验原理1、对于线性单输入单输出系统，开环增益K的变化，引起系统闭环极点的变化。

当K从零到无穷大变化时，闭环极点变化的轨迹即为系统根轨迹。

2、绘制系统根轨迹使用命令：rlocus(sys)。

sys即为描述的线性系统，可使用tf或zpk 函数描述。

3、使用hold命令，绘制根轨迹簇。

四、实验内容1、系统结构图如图一所示，当分别要求系统具有一个、两个或没有分离点时，作出系统的根轨迹，观察并比较之。

同时，构造使系统出现零、极点对消的情形，观察系统的根轨迹，记录之。

（图一）2、系统结构如图二所示，分别作出系统以及增加零点Z时的系统根轨迹,观察根轨迹有何变化,并分析对系统有何影响。

其中增加零点Z分别为：-2；-0.5的情形。

（图二）3、系统结构如图三所示，分别作出系统既增加开环极点P时的系统根轨迹，观察根轨迹有何变化，并分析对系统性能有何影响。

其中增加极点P分别为：0；-24、如图四所示系统，绘制参数K不同取值，绘制系统时间常数T a从零到无穷大变化时的根轨迹簇。

（图四）五、实验步骤1、计算图一所示系统的分离点，求出使系统具有一个、两个和没有分离点时a的取值范围。

2、对应1中三种情况下a的取值范围以及出现零极点对消时，分别取一特定值，作出系统的根轨迹，并记录之。

3、作出图二系统不同情况下的根轨迹。

4、图三中，作出系统三种情况下的根轨迹。

5、图四中，得出等效开环传递函数。

取不同K值（如K=0.5,2,4），绘制根轨迹簇。

六、讨论1、出现零极点对消的系统，根轨迹如何绘制。

2、增加系统开环零点和开环极点，系统的根轨迹如何变化。

3、讨论系统根轨迹法判定系统稳定性。

实验四典型环节（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．熟悉实验箱上的信号源，掌握改变正弦波信号幅值和频率的方法。

利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接“一阶惯性环节”模拟电路（如用U9+U8连成）或“两个一阶惯性环节串联”的模拟电路（如用U9+U11连成）。

2．利用实验设备完成一阶惯性环节的频率特性曲线测试。

无上位机时，利用实验箱上的信号源单元U2所输出的正弦波信号作为环节输入，即连接箱上U2的“正弦波”与环节的输入端（例如对一阶惯性环节即图1.5.2的Ui）。

然后用示波器观测该环节的输入与输出（例如对一阶惯性环节即测试图1.5.2的Ui和Uo）。

注意调节U2的正弦波信号的“频率”电位器RP5与“幅值”电位器RP6，测取不同频率时环节输出的增益和相移（测相移可用“李沙育”图形），从而画出环节的频率特性。

有上位机时，必须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）。

⑥改变显示模式，从“Bode”改为“Polar”,图框内即显示幅相频率特性（Nyquist图）。

⑦按实验报告需要，将图形结果保存为位图文件，操作方法参阅软件使用说明书3．利用实验设备完成典型二阶系统开环频率特性曲线的测试。

具体操作方法参阅步骤2。

4．参考附录的提示，根据测得的频率特性曲线（或数据）求取各自的传递函数。

5．用位机软件界面上提供的软件仿真功能，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。

现以求取一阶惯性环节频率特性为例，说明怎样利用上位机软件完成环节频率特性软件仿真的操作。

这里，前①②③步骤与2相同，其后操作步骤如下：④在上位机界面右上角“实验类别”中选择“软件仿真”。