自动控制原理实验教学

,单击此处编辑母版标题样式,*,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,自动控制原理实验教学课件,信息学院自控原理实验室,开始播放,自动控制原理,实验项目,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验五 二阶系统的分析及校正设计,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真,实验线路及原理,实验,方法及步骤,实验报告及要求,实验目的,实验,设备和仪器,实验,内容,实验,思考题,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真,实验方法及步骤,1.利用实验台上的各电路单元，构建所设计比例环节 (可参考本实验附录)的模拟电路并连接好实验电路.2.连接好采集卡接口单元与,PC,上位机的通信线。待 接线完成并检查无误后，操作,“,THBDC-1,”,软件。,3参照本实验步骤1、2，依次构建相应的积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节及惯性环节；并观察各个环节实验波形及参数。,注意：凡是带积分环节的，都需要在实验前按下,“,锁零按钮,”,对电路的积分电容放电；实验时再次按下,“,锁零按钮,”,取消锁零。,4点击,“,仿真平台,”,按钮，根据环节的传递函数，在,“,传递函数,”,栏中填入该环节的相关参数。,5根据实验时存储的波形及记录的实验数据完成实验报告。,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真,实验报告及要求,1画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。,2写出各典型环节的传递函数。,3根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。,返回,实验设备和仪器,THBDC-1,型控制理论,计算机控制技术实验平台,USB,数据采集卡,计算机,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真,实验,思考题,1用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？,2积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？,3在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真,实验线路及原理,自控系统是由比例、积分、微分、惯性等典型环节按一定的关系连接而成。熟悉这些环节对阶跃输入的响应，对分析线性系统将是十分有益的。,在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论的阶跃响应曲线和环节的模拟电路图。,图1-1 比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线,图,1-2,积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线,图1-3惯性环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线,返回,返回,USB,数据采集卡,返回,计算机,返回,THBDC-1,型控制理论,计算机控制技术实验平台,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真,实验目的,1熟悉并掌握,THBDC-1,型控制理论,计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。,2熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟与软件仿真研究。,3测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。,返回,实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真,实验,内容,1设计并组建各典型环节的模拟电路；,2测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；,3在上位机界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验线路及原理,实验,方法及步骤,实验报告及要求,实验目的,实验设备和仪器,实验,内容,实验,思考题,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验方法及步骤,1.设计,(,具体可参考本实验附录的图,2-2),一个由积分环节（积分环节锁零端的使用请参考实验一的相关步骤）和一个惯性环节相串联组成的二阶闭环系统的模拟电路。,2.观察二阶系统模拟电路的阶跃响应特性，并测出其超调量和调整时间。,3改变二阶系统模拟电路的开环增益,K(,改变图,2-2,所示电路中,Rx,的阻值，具体数值参考本实验附录,),，观测当阻尼比为不同值时系统的动态性能。,4利用上位机界面提供的软件仿真功能，完成上述两个典型线性定常系统的动态性能研究，并与实验中观察的波形相比较。,5根据计算机保存的实验参数及波形，完成实验报告。,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验报告及要求,1,根据附录中的图,2-1,和图,2-3,画出二阶定常系统的实验电路图，写出它们的闭环传递函数，并标明电路中的各参数。,2,根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增益,K,和时间常数,T,对系统动态特性及稳定性的影响。,3,设计一个一阶线性定常闭环系统，并根据系统的阶跃输入响应确定该系统的时间常数。,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验设备和仪器,THBDC-1,型控制理论,计算机控制技术实验平台,USB,数据采集卡,计算机,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验,思考题,1,如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？,2,在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？,3,为什么本实验中二阶对阶跃输入信号的稳态误差都为零？,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验线路及原理,本实验是研究二阶的瞬态响应。为了使二阶系统的研究具有普遍性意义，通常把它的闭环传递函数写如下的标准形式：,式中,系统的阻尼比，系统的无阻尼自然频率。任何的二阶系统都可以化为上述的标准形式。对于不同的系统，它们的,和所包含的内容也是不同的。,调节系统的开环增益,K,，可使系统的阻尼比分别为：,01,三种。对应于这三种情况下系统的阶跃响应曲线，在实验中都能观测到，它们分别为附录中的图,2,3,所示,图,2-2,二阶系统的模拟电路图,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验目的,1,掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法。,2,研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定性的影响。,返回,实验二 线性定常系统的瞬态响应,实验,内容,1,观测二阶系统的阶跃响应，并测出其超调量和调整时间。,2,调节二阶系统的开环增益,K,，使系统的阻尼比,=,，测出此时系统的超调量和调整时间。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验线路及原理,实验,方法及步骤,实验报告及要求,实验目的,实验设备和仪器,实验,内容,实验,思考题,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验方法及步骤,1.利用实验平台上的通用电路单元，设计,(,具体可参考本实验附录中的图,3-2),一个由两个惯性环节组成的,0,型二阶闭环系统的模拟电路。,2.观测,0,型二阶模拟电路的阶跃特性，保存实验曲线并测出其稳态误差。,3参考实验步骤,2,观测,0,型二阶模拟电路的斜坡响应曲线，并保存实验曲线，据此确定其稳态误差,。,4参考实验步骤,1,、,2,、,3,，设计一个由一个积分环节和一个惯性环节组成的,型二阶闭环系统的模拟电路。并用上位机软件,“,THBDC-1,”,观测该系统的阶跃特性和斜坡特性,。,5设计一个由两个积分环节和一个比例微分环节组成的,型二阶闭环系统的模拟电路。并用上位机软件,“,THBDC-1,”,观测该系统的斜坡特性和抛物线特性。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验报告及要求,1,画出,0,型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。,2,画出,型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。,3,画出,型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位斜坡和单位抛物线函数作用下的稳态误差。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验设备和仪器,THBDC-1,型控制理论,计算机控制技术实验平台,USB,数据采集卡,计算机,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验,思考题,1,为什么,0,型系统不能跟踪斜坡输入信号？,2,为什么,0,型系统在阶跃信号输入时一定有误差存在？,3,为使系统的稳态误差减小，系统的开环增益应取大些还是小些？,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验线路及原理,下图为控制系统的方框图：,该系统误差,E(S),的表达式为,式中,G(S),和,H(S),分别为系统前向通道和反馈通道中的传递函数。由上式可知，系统的误差不仅与其结构参数有关，而且也与其输入信号,R(S),的大小有关。本实验就是研究系统的稳态误差与上述因素间的关系。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验目的,1,了解不同典型输入信号对于同一个系统所产生的稳态误差。,2,了解一个典型输入信号对不同类型系统所产生的稳态误差。,3,研究系统的开环增益,K,对稳态误差的影响。,返回,实验三 线性系统稳态误差的研究,实验,内容,1,观测,0,型二阶系统的单位阶跃和斜坡响应，并测出它们的稳态误差。,2,观测,型二阶系统的单位阶跃和斜坡响应，并测出它们的稳态误差。,3,观测,型二阶系统的单位斜坡和抛物线响应，并测出它们的稳态误差。,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验线路及原理,实验,方法及步骤,实验报告及要求,实验目的,实验设备和仪器,实验,内容,实验,思考题,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验方法及步骤,1.利用实验平台上的通用电路单元，设计一个惯性环节的模拟电路。,2.待接线完成并检查无误后，在,PC,机上启动,“,THBDC-1,”,软件,保存实验波形。,3参考实验步骤,2,观测,0,型二阶模拟电路的斜坡响应曲线，并保存实验曲线，据此确定其稳态误差,。,4用实验平台上的通用电路单元，设计一个二阶闭环系统的模拟电路。完成二阶系统闭环频率特性曲线的测试,.,5点击,“,仿真平台,”,按钮，观测该电路的仿真曲线（,Bode,图），并与电路模拟研究的结果相比较。,6,根据实验时存储的波形完成实验报告,.,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验报告及要求,1,写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图。,2,把实验测得的数据和理论计算数据列表，绘出它们的,Bode,图，并分析实测的,Bode,图产生误差的原因。,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验设备和仪器,THBDC-1,型控制理论,计算机控制技术实验平台,USB,数据采集卡,计算机,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验,思考题,1,在实验中如何选择输入正弦信号的幅值？,2,用示波器测试相频特性时，若把信号发生器的正弦信号送入,Y,轴，被测系统的输出信号送至,X,轴，则根据椭圆光点的转动方向，如何确定相位的超前和滞后？,3,根据上位机测得的,Bode,图的幅频特性，就能确定系统（或环节）的相频特性，试问这在什么系统时才能实现？,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验线路及原理,设,G(S),为一最小相位系统（环节）的传递函数。如在它的输入端施加一幅值为,Xm,、频率为的正弦信号，则系统的稳态输出,得出系统输出，输入信号的幅值比,显然，是输入,X(t),频率的函数，故称其为幅频特性。如用,db,（分贝）表示幅频值的大小。在实验时，只需改变输入信号频率的大小（幅值不变），就能测得相应输出信号的幅值,Ym,，代入上式，就可计算出该频率下的对数幅频值。根据实验作出被测系统,(,环节,),的对数幅频曲线，就能对该系统（环节）的数学模型作出估计。与上述因素间的关系。,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验目的,1,了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法。,2,根据实验求得的频率特性曲线求取传递函数。,返回,实验四 典型环节和系统频率特性的测量,实验,内容,1,惯性环节的频率特性测试。,2,二阶系统频率特性测试。,3,由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数。,4,用软件仿真的方法，求取惯性环节和二阶系统的频率特