自控原理实验教案精要.doc

自动控制原理实验教案 王晓明 辽宁科技大学电信学院 实 验 要 求 1.实验预习： 实验前必须认真预习实验指导书及其相关的理论知识，作好充分准备。对于设计性实验和综合性实验，学生必须在实验前拿出设计方案，以其达到预期的目标，写出预习报告。让指导老师检查合格的方可进行实验。 2.实验进行： 学生进入实验室，要保持室内整洁安静。按照预习报告进行实验。实验中需要改接线的，应关掉电源后才能拆、接线。实验时应注意观察，若发现有异常现象，应立即关掉电源，保持现场并报告指导老师处理。 3.实验数据： 实验过程中应仔细观察实验现象，认真记录实验结果、数据、波形。所记录的实验结果经指导老师审阅后再拆除实验线路。 4.实验报告： 要求学生独立完成实验报告，不许抄袭或请人代劳。报告内容包括实验目的、实验设备、实验内容、实验电路图、实验数据及仿真曲线、实验思考题等。要求文字书写整齐清洁。 5.未尽事项由实验教师和认课教师协商决定。 目 录 实验一 线性定常系统的瞬态响应……………………………………………3 实验二 控制系统稳定性分析…………………………………………………6 实验三 根轨迹法………………………………………………………………10 实验四 典型环节和系统频率特性的测量……………………………………13 实验五 串联校正环节的设计…………………………………………………16 实验六 离散控制系统的设计…………………………………………………24 实验七 典型非线性环节的静态特性…………………………………………27 实验八 PID的控制作用………………………………………………………31 附 录 硬件的组成及原理……………………………………………………33 实验一 线性定常系统的瞬态响应 一、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。 二、实验设备 1、THBCC-1型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台 2、PC机1台(含上位机软件) USB通信线1根 3、MATLAB软件 4、万用表1只 三、实验内容 1、观测一阶、二阶系统的阶跃响应，并测出（或计算出）其上升时间、超调量和调节时间； 改变一阶系统的时间常数，测出（或计算出）其上升时间和调节时间； 3、调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比ζ=，测出（或计算出）此时系统的上升时间、超调量和调整时间； 4、二阶系统的开环增益K固定，调节二阶系统的时间常数，分别使二阶系统的ζ=0，0ζ1，ζ＝1和ζ1，测出（或计算出）此时系统的上升时间、超调量和调整时间。 四、实验原理 本实验是研究一阶、二阶系统的瞬态响应。 一阶系统（闭环）的传递函数为： 图1-1一阶系统模拟电路图 K==1 T=RC R=R=100K C=10f R=200K 改变R、R、C的值就可改变K、T的值。 二阶系统（单位反馈）的开环传递函数为： 闭环传递函数：W（S）==W== R=R=R=100K C=10f 图1-2 二阶系统方框图 图1-3 二阶系统模拟电路图 (a) 欠阻尼(01) (b)临界阻尼() (c)过阻尼() 图1-4 二阶系统的动态响应曲线 五、实验步骤 根据上图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。 1. 值一定时，图1-3中取C=1uF，R=100K(此时)，Rx阻值可调范围为0～470K。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同值时的实验曲线。 1.1当可调电位器RX=250K时，=0.2，系统处于欠阻尼状态，其超调量为53%左右； 1.2若可调电位器RX=70.7K时，=0.707，系统处于欠阻尼状态，其超调量为4.3%左右； 1.3若可调电位器RX=50K时，=1，系统处于临界阻尼状态; 1.4若可调电位器RX=25K时，=2，系统处于过阻尼状态。 2. 值一定时，图1-3中取R=100K，RX=250K(此时=0.2)。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同值时的实验曲线。 2.1若取C=10uF时， 2.2若取C=0.1uF时， 六、实验报告要求 1、根据题目要求，画出一阶、二阶线性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。 七、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