《自动控制理论》实验报告

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1、西华大学实验报告（理工类）开课学院及实验室：实验时间 ：年月日学生姓名学号学生所在学院年级/专业/班课程名称课程代码实验项目名称典型系统的瞬态响应（和稳定性）项目代码指导教师项目学分一、实验目的通过模拟实验，定性和定量地分析二阶系统的两个参数T和Z对二阶系统动态性能的影响。通过模拟实验，定性和定量地分析系统开环增益K对系统稳定性的影响。观测系统处于稳定、临界稳定和不稳定情况下的输出响应的差别。二、实验原理1典型的二阶系统稳定性分析结构框图如下图所示。系统开环传递函数为：二砖（2 + i）= s（t;s + i）；开环增益* =先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R的理论值，再将理论值应用于模拟

2、电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中（图1-2），系统闭环传递函数为：S2 + 2乙$ + 0； S2 + 5S + K其中自然振荡角频率：阻尼比：2典型的三阶系统稳定性分析(选做)结构框图如下图所示系统的开环传函为:50%恥皿)二丽冷E(其中系统稳定 系统临界稳定 系统不稳定由Rou th判断得：系统稳定性和K的关系为:0 K41.7KQK= 12=R = 41.7KQK 12=R41.7KQ三、实验设备、仪器及材料TDN-AC/ACS 教学实验系统、导线四、实验步骤(按照实际操作过程)1. 典型二阶系统瞬态性能指标的测试(1) 按模拟电路图1-2接线，将

3、阶跃信号接至输入端，取R = 10K。用示波器观察系统响应曲线C(t),测量并记录超调M、峰值时间t和调节时间t。PpS分别按R = 50K； 160K； 200K；改变系统开环增益，观察响应曲线t),测量并记录性能指标M、Pt和t ,及系统的稳定性。并将测量值和计算值(实验前必须按公式计算出)进行比较。将实验结果填入表1-1 pS中。2典型三阶系统的性能 (选做)(1) 按图1-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 30K。(2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。(3) 减小开环增益，观察响应曲线，并将实验结果填入表1-2中。五、实验过程记录（数据、图表、计算等）参数项目:l/sC(

4、tpC3Mptpts阶跃响应曲线计算值测量值计算值测量值计算值测量值0z 1 过阻尼200/表 1-1R(KQ)K输出波形稳定性20（临界稳定 时的R值）100表 1-2（选做）六、实验结果分析及问题讨论实验线路中如何确保系统实现负反馈？如果反馈回路中有偶数个运算放大器，则构成什么反馈？有那些措施能增加系统的稳定度？它们对系统的性能有什么影响？西华大学实验报告（理工类）开课学院及实验室：成 绩年级/专业/班课程代码项目代码项目学分实验时间 ： 年 月 日学生姓名 学号 学生所在学院课程名称线性系统的频率响应分析实验项目名称指导教师一、实验目的掌握波特图的绘制方法及由波特图来确定系统开环传函。掌

5、握实验方法测量系统的波特图。二、实验原理1频率特性当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率（w由0变至8 ）而变化的特性。频率响应法 的基本思想是：尽管控制系统的输入信号不是正弦函数，而是其它形式的周期函数或非周期函数，但是， 实际上的周期信号，都能满足狄利克莱条件，可以用富氏级数展开为各种谐波分量；而非周期信号也可以 使用富氏积分表示为连续的频谱函数。因此，根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意 周期信号或非周期信号作用下的运动情况。2线性系统的频率特性系统的正弦稳态响应具有和正弦输入信号的幅值比）（w je和相位差）（w je Z随角频率（w由0变到 -）变化的特性。而

6、幅值比）（w je和相位差）（w je z恰好是函数）（w je的模和幅角。所以只要把系统 的传递函数）（se，令wjs=，即可得到）（w je。我们把）（w je称为系统的频率特性或频率传递函数。 当w由0到8变化时，）（w je随频率w的变化特性成为幅频特性，）（w je z随频率w的变化特性称为 相频特性。幅频特性和相频特性结合在一起时称为频率特性。3频率特性的表达式（1）对数频率特性：又称波特图，它包括对数幅频和对数相频两条曲线，是频率响应法中广泛使用的 一组曲线。这两组曲线连同它们的坐标组成了对数坐标图。对数频率特性图的优点： 它把各串联环节幅值的乘除化为加减运算，简化了开环频率特性

7、的计算与作图。 利用渐近直线来绘制近似的对数幅频特性曲线，而且对数相频特性曲线具有奇对称于转折频率点 的性质，这些可使作图大为简化。 通过对数的表达式，可以在一张图上既能绘制出频率特性的中、高频率特性，又能清晰地画出其 低频特性。（2）极坐标图 （或称为奈奎斯特图）（3）对数幅相图 （或称为尼柯尔斯图）本次实验中，采用对数频率特性图来进行频域响应的分析研究。实验中提供了两种实验测试方法：直 接测量和间接测量。直接频率特性的测量用来直接测量对象的输出频率特性，适用于时域响应曲线收敛的对象(如：惯性环节)。该方法在时 域曲线窗口将信号源和被测系统的响应曲线显示出来，直接测量对象输出与信号源的相位差

8、及幅值衰减情 况，就可得到对象的频率特性。间接频率特性的测量 用来测量闭环系统的开环特性，因为有些线性系统的开环时域响应曲线发散，幅值不易测量，可将其 构成闭环负反馈稳定系统后，通过测量信号源、反馈信号、误差信号的关系，从而推导出对象的开环频率 特性。三、实验设备、仪器及材料PC机一台，TD-ACC列教学实验系统一套四、实验步骤(按照实际操作过程)此次实验，采用直接测量方法测量对象的闭环波特图及间接测量方法测量对象的开环波特图。将信号 源单元的“ST”插针分别与“S”插针和“ +5V”插针断开，运放的锁零控制端“ST”此时接至示波器单元 的“SL”插针处，锁零端受“SL”来控制。实验过程中“S

9、L”信号由虚拟仪器自动给出。1. 实验接线：按模拟电路图2-5接线，检查无误后方可开启设备电源。2. 直接测量方法 (测对象的闭环波特图)(1) 将示波器单元的“SIN”接至图2-5中的信号输入端，“CH1”路表笔插至图2-5中的4#运放的输出 端。(2) 打开集成软件中的频率特性测量界面，弹出时域窗口，点击忘按钮，在弹出的窗口中根据需要设 置好几组正弦波信号的角频率和幅值，选择测量方式为“直接”测量，每组参数应选择合适的波形比例系 数，具体如下图所示:(3) 确认设置的各项参数后，点击 按钮，发送一组参数，待测试完毕，显示时域波形，此时需要 用户自行移动游标，将两路游标同时放置在两路信号的相

10、邻的波峰 (波谷) 处，或零点处，来确定两路信 号的相位移。两路信号的幅值系统将自动读出。重复操作(3)，直到所有参数测量完毕。(4) 待所有参数测量完毕后，点击R按钮，弹出波特图窗口，观察所测得的波特图，该图由若干点构 成，幅频和相频上同一角频率下两个点对应一组参数下的测量结果。点击极坐标图按钮可以得到对象的闭环极坐标图。（5）根据所测图形可适当修改正弦波信号的角频率和幅值重新测量，达到满意的效果。3. 间接测量方法：（测对象的开环波特图）将示波器的“CH1”接至3#运放的输出端，“CH2”接至1#运放的输出端。按直接测量的参数将 参数设置好,将测量方式改为间接测量。此时相位差是指反馈信号和

11、误差信号的相位差,应将两根游 标放在反馈和误差信号上。测得对象的开环波特图。测得对象的开环极坐标图。五、实验过程记录（数据、图表、计算等）六、实验结果分析及问题讨论西华大学实验报告（理工类）开课学院及实验室：实验时间 ：年月日学生姓名学号学生所在学院年级/专业/班课程名称课程代码实验项目名称系统校正项目代码指导教师项目学分一、实验目的学会分析校正装置对系统稳定性和暂态指标的影响。学会设计串联校正装置二、实验原理6、 原系统的原理方框图：见图 3-1严）-20C(s)1-s (0.5 s +1)R(s) +由闭环传函（s ）=二s 2 + 2 s + 40=6.32n二 匚二 0.158图 3-

12、1心 % 二 60%pt = 4ssK 二 201/sv图 3-2b % 25%2、设计串联校正装置，使系统满足性能指标： 201/sv3串联校正环节的理论推导由公式M20,则KM20。校正后系统的闭环传函为:叫+丄zT T2%亠时-蘇TG(S)=设校正后的系统开环传函为、八+1)，由期望值得：丘 二 lim SG( $)二 lim e心75 + 1GQ)二- S(0.05S +1) 取g =0.5，贝叶=0.05s，3 =20满足3三10，得校正后开环传函为：nn因为原系统开环传函为：G(S)= 5(0.55 + 1).、 卄 、，且米用串联校正，所以串联校正环节的传函为:G _ 0.5S

13、+ 1，加校正环节后的系统结构框图：见图3-3图3-3对应的模拟电路图：见图3-4三、实验设备、仪器及材料TDN-AC/ACS 教学实验系统、导线四、实验步骤(按照实际操作过程)a) 测量未校正系统的性能指标。(1)按图3-2 线。(2)加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量o %和调节时间t ,将曲线及参数记录下来。 psb) 测量校正系统的性能指标。( 1)按图 3-4 接线。(2)加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量o %和调节时间t,看是否达到期望值，若未 ps 达到，请仔细检查接线(包括阻容值)。c) 将测出的超调量o %和调节时间t填入表3-1中，并绘制出相应的响应曲

14、线。ps五、实验过程记录(数据、图表、计算等)Mp(%)ts (s)响应曲线校正前校正后六、实验结果分析及问题讨论7、如何测量速度误差？8、怎样检测静态速度误差系数是否满足希望值？西华大学实验报告（理工类）开课学院及实验室：实验时间 ： 年 月 日学生姓名学生所在学院课程名称实验项目名称指导教师直流电机闭环调速成 绩年级/专业/班课程代码项目代码项目学分9、实验目的10、学会综合应用自动控制理论和其它学科的知识分析系统。11、熟悉单片机控制的电机闭环调速的基本原理。12、掌握自动控制的PID算法。二、实验原理直流电机闭环调速系统原理如图4-1 所示，实验接线图如图4-2所示图 4-1霍尔输出控

15、制计算机P1.4-.-1386EX 心.cpu7-+j +jIRQ 丁松直流电机P+-+-Id4驰动单些屮3+DOUT罟3/ -图 4-2上图中，控制机算机的DOUTO”表示386EX的I/O管脚P1.4,输出PWM脉冲经驱动后控制直流电机， “IRQ7” 表示 386EX 内部主片 8259 的 7 号中断，用作测速中断。实验中，用系统的数字量输出端口 DOUTO”来模拟产生PMW脉宽调制信号，构成系统的控制 量，经驱动电路驱动后控制电机运转。霍尔测速元件输出的脉冲信号记录电机转速构成反馈量。在参 数给定情况下，经 PID 运算，电机可在控制量作用下，按给定转速闭环运转。系统定时器定时 1m

16、s， 作为系统采样基准时钟；测速中断用于测量电机转速。直流电机闭环调速控制系统实验的参考程序流程图及参考程序见附录。三、实验设备、仪器及材料TDN-AC/ACS 教学实验系统、导线四、实验步骤（按照实际操作过程）1 参照C盘Tangdu/example/ACC6-l-l.ASM,编写实验程序，编译、链接。2按图 4-2 接线，检查无误后开启设备电源，将编译链接好的程序装载到控制机中。3打开专用图形界面，运行程序，观察电机转速，分析其响应特性。4若不满意，改变参数：积分分离值Iband、比例系数KPP、积分系数KII、微分系数 KDD 的值后再观察其响应特性，选择一组较好的控制参数并记录下来。5

17、.注意：在程序调试过程中，有可能随时停止程序运行，此时DOUT0的状态应保持上次的状态。当 DOUTO 为 1 时，直流电机将停止转动；当 DOUTO 为 O 时，直流电机将全速转动，如果长时间让直 流电机全速转动，可能会导致电机单元出现故障，所以在停止程序运行时，最好将连接DOUT0的排线拔 掉或按系统复位键。五、实验过程记录（数据、图表、计算等）1、观察电机转速及示波器上给定值与反馈值的波形，分析其响应特性，结果记录在表4-1 中。2、记录较好的一组较好的控制参数，结果记录在表4-1 中。项了7.参数IBANDKPPKIIKDD超调稳定2%时间例程中参数响应特性0060H1060H1010H0020H自测一组较好参数表 4-1 实验结果3、分析参数IBAND、KPP、KII、KDD对响应特性的影响。六、实验结果分析及问题讨论在程序中，PID算法是怎么实现的?