自控原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書

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1、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書機(jī)械與電氣工程學(xué)院自動(dòng)化系二00九年九月43前言自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)課是一門專業(yè)基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)課。本實(shí)驗(yàn)課程以培養(yǎng)和鍛煉學(xué)生的動(dòng)手實(shí)踐和理論應(yīng)用能力為指導(dǎo)思想。通過實(shí)驗(yàn)，加強(qiáng)學(xué)生對(duì)控制理論的理解和認(rèn)識(shí)，提高對(duì)自動(dòng)控制系統(tǒng)分析和綜合的能力，掌握必要的專業(yè)實(shí)驗(yàn)技能，并掌握基于MATLAB軟件的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)進(jìn)行自動(dòng)控制系統(tǒng)仿真研究的基本操作技能，為學(xué)習(xí)后續(xù)課程打下基礎(chǔ)。自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)分模擬對(duì)象和數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)兩部分。模擬對(duì)象實(shí)驗(yàn)在北京理工達(dá)盛科技有限公司生產(chǎn)的EL型自控/計(jì)控二合實(shí)驗(yàn)箱、A/D、D/A卡和計(jì)算機(jī)

2、上完成。計(jì)算機(jī)根據(jù)不同的實(shí)驗(yàn)分別起信號(hào)產(chǎn)生、測(cè)量、顯示、系統(tǒng)控制及數(shù)據(jù)處理的作用；模擬電路起模擬被控對(duì)象的作用。實(shí)驗(yàn)箱中備有7個(gè)運(yùn)算放大器。集成運(yùn)算放大器與電阻、電容相配合，可以構(gòu)成多種特性的被控對(duì)象。A/D、D/A卡起模擬信號(hào)與數(shù)字信號(hào)的轉(zhuǎn)換作用，可根據(jù)實(shí)驗(yàn)的要求產(chǎn)生不同的信號(hào)（階躍、三角、正弦）。實(shí)驗(yàn)時(shí)用RS232串口電纜將A/D、D/A卡與計(jì)算機(jī)相連即可。數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)利用MATLAB軟件來完成。MATLAB是Mathworks公司推出的一套高性能的數(shù)值計(jì)算和可視化軟件，它集數(shù)值分析、矩陣運(yùn)算、信號(hào)處理、圖形

3、處理于一體，構(gòu)成一個(gè)方便、界面友好的用戶環(huán)境。它所提供的控制系統(tǒng)工具箱（ControlSystemToolbox）及仿真環(huán)境Simulink不僅功能強(qiáng)大，而且使用直觀方便，學(xué)生只要在Simulink模型窗口調(diào)出各個(gè)系統(tǒng)環(huán)節(jié)，并用連線將它們連接起來，即可利用Simulink提供的功能對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行仿真和分析。本指導(dǎo)書的編寫參閱了北京理工達(dá)盛科技有限公司配備的實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書。本書由廣州大學(xué)機(jī)械與電氣工程學(xué)院自動(dòng)化系姚菁、王清、宋年年編寫，由于編者學(xué)識(shí)有限，時(shí)間倉促，書中不妥之處，請(qǐng)讀者批評(píng)指正。編者：姚菁王清二0一0年九月4

4、3對(duì)學(xué)生的要求1．閱讀實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書，復(fù)習(xí)與實(shí)驗(yàn)有關(guān)的理論知識(shí)，明確每次實(shí)驗(yàn)的目的，了解實(shí)驗(yàn)內(nèi)容和方法。2．按實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書要求進(jìn)行接線和操作。3．在實(shí)驗(yàn)中注意觀察，記錄有關(guān)數(shù)據(jù)和圖像，實(shí)驗(yàn)后應(yīng)斷電，整理實(shí)驗(yàn)臺(tái)，恢復(fù)到實(shí)驗(yàn)前的情況。4．認(rèn)真寫實(shí)驗(yàn)報(bào)告，按規(guī)定格式做出圖表、曲線，并分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果。字跡要清楚，結(jié)論要明確。利用MATLAB軟件做的仿真實(shí)驗(yàn)要提交仿真程序。5．愛護(hù)實(shí)驗(yàn)設(shè)備，遵守實(shí)驗(yàn)室規(guī)章制度。6．若實(shí)驗(yàn)未通過，必須補(bǔ)做。實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求實(shí)驗(yàn)前應(yīng)預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書中有關(guān)內(nèi)容，了解實(shí)驗(yàn)原理，明確實(shí)驗(yàn)步驟及注意事項(xiàng)。預(yù)習(xí)實(shí)驗(yàn)時(shí)

5、須寫預(yù)習(xí)報(bào)告，包括：（1）實(shí)驗(yàn)名稱，實(shí)驗(yàn)?zāi)康?，?shí)驗(yàn)內(nèi)容（2）自己設(shè)計(jì)的原始記錄表格（3）必要的預(yù)習(xí)計(jì)算（4）注意事項(xiàng)。做完實(shí)驗(yàn)后，應(yīng)根據(jù)所取數(shù)據(jù)及觀察到的現(xiàn)象做實(shí)驗(yàn)報(bào)告，實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須包括以下三個(gè)方面：（1）為什么做此實(shí)驗(yàn)（2）怎樣進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，要指明關(guān)鍵問題所在（3）實(shí)驗(yàn)得到怎樣的結(jié)果實(shí)驗(yàn)報(bào)告采用專用的實(shí)驗(yàn)報(bào)告紙，附上實(shí)驗(yàn)原始數(shù)據(jù)、原始程序及實(shí)驗(yàn)結(jié)果。實(shí)驗(yàn)報(bào)告必須裝訂好以免散失、脫落。實(shí)驗(yàn)報(bào)告應(yīng)按要求時(shí)間交給老師。每班在本學(xué)期結(jié)束前將所有同學(xué)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告刻錄在一張光盤上，交給老師。43目錄前言2對(duì)學(xué)生的要求3實(shí)驗(yàn)報(bào)告要

6、求3實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)5實(shí)驗(yàn)二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)及性能分析9實(shí)驗(yàn)三系統(tǒng)的根軌跡分析11實(shí)驗(yàn)四系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量與分析13實(shí)驗(yàn)五單回路系統(tǒng)的數(shù)字PID控制器設(shè)計(jì)16附錄一實(shí)驗(yàn)箱配套軟件及硬件使用說明17附錄二數(shù)字仿真實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)20附錄三SIMULINK使用指南41參考文獻(xiàn)4343實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?．學(xué)習(xí)構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路，了解電路參數(shù)對(duì)環(huán)節(jié)特性的影響。2．學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測(cè)量方法，并學(xué)會(huì)由階躍響應(yīng)曲線計(jì)算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(一)用實(shí)驗(yàn)箱構(gòu)成下述典型環(huán)節(jié)的模擬電路，并

7、測(cè)量其階躍響應(yīng)。1．比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖2-1。R2R1圖1－1G(S)=－R2/R12．慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖2-2。CR2R143圖1－2G(S)=－K/(TS+1)K=R2/R1,T=R2C3．積分環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖2-3。CR圖1－3G(S)=－1/TST=RCC2RC14．微分環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖2-4。圖1－4G(S)=－RCS5．比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖2-5。R2R1C2C圖1－5G(S)=－K(TS+1)K=R2/R1,T=R2C6

8、．比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-6。43R2CR1圖1－6G(S)=K(1+1/TS)K=R2/R1,T=R2C三、實(shí)驗(yàn)步驟1．啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)（自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)）運(yùn)行軟件。2．測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。比例環(huán)節(jié)3．連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖1-1）。電路的輸入U(xiǎn)1接A