自動控制原理实验指导书145.doc

实验设备介绍 自动控制理论实验所使用的设备为北京理工大自动控制原理教学实验装置，它由计算机、A/D 、D/A接口板、模拟实验电路、打印机及直流稳压电源组成（见图1），其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制及数据处理的作用，模拟电路起被控对象的作用。 图1 实验箱板上装有6个运算放大器，与电阻、电容相配合，可以构成多种特性的被控对象；在计算机内，插有A/D、D/A接口板，它起模拟信号与数字信号的转换作用；可根据软件产生不同的信号（ 阶跃、三角、正弦），直流稳压电源为+12V、-12V，为模拟电路供电；打印机可以把有关的信号及图形记录下来，不过在一般情况下，做实验时并不连接打印机，需要时再连接。这样，一套实验设备可以构成一个自动控制元件，也可以构成一个自动控制系统，并对其特性进行测量。 实验一 典型环节及其阶跃响应 一、实验目的： 1、学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。 2、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 二、实验原理及模拟电路： 本实验介绍典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。 比例环节的模拟电路 图1-1 其传递函数为： 2、惯性环节的模拟电路 图1-2 其传递函数为： 其中 , 3、积分环节的模拟电路 图1-3 其传递函数为： 其中： 4、微分环节的模拟电路 图1-4 其传递函数为： 其中： 三、软件使用 连接被测量典型环节的模拟电路及DA1、AD1，检查无误后接通电源。 打开实验课题菜单，选中实验课题。 3．启动应用程序，设置T和N。参考值：T=0.05秒,N=200。 3．选确认键执行实验操作，选取消键重新设置参数。 4．观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据并记录下来。 四、实验报告 1．画出惯性环节、积分环节、比例加微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所有记录的惯性环节、积分环节、比例加微分环节的响应曲线。 2．由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。 实验二 二阶系统阶跃响应 一、实验目的： 1、研究二阶系统的特征参数，阻尼比ζ 和无阻尼自然频 ωn 对系统动态性能的影响，定量分析ζ和ωn与最大相对超调量σ％和调节时间 ts 之间的关系。 2、进一步学习实验仪器的使用方法。 3、学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。 二、实验原理及模拟电路： 典型二阶系统的闭环传递函数为 -------------------(1) 其中ζ和ωn对系统的动态品质有决定的影响。二阶系统模拟电路如图2-1示。 图2-1 图2-2 该系统的结构框图如2-2图所示。 经计算得系统闭环传递函数为： ------------------(2) 式中, 比较 (1),(2)二式，可得 ---------------------------(3) ζ= ---------------------------(4) 由 (3) 式可知，改变RC值可以改变无阻尼自然频率ωn。 由 (4) 式可知,改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比ζ。 今取R1=200k，R2=0～500KΩ (R2由电位器调节)，可得实验所需的阻尼比；电阻R取100KΩ，电容Ｃ分别取１μf和0.1μf，可得得两个无阻尼自然频率ωn。 实验步骤 1、按系统模拟电路接好线路，检查无误后接通电源。 2、取ωn =10 rad/s,即令R=100KΩ，C=1uf;分别取ζ=0.25,0.5,0.7,1,即取R1=100KΩ，R2 (R2由电位器调节)分别等于50 KΩ，100 KΩ，140 KΩ，200 KΩ。输入阶跃信号，测量系统阶跃响应，记录最大相对超调量σ％和调节时间ts的数值和响应的动态曲线，并于理论值比较。 3、取ζ=0.5,即取R1=R2=100 KΩ;ωn=100rad/s,即取R=100 KΩ,C=0.1uf 注意：C1、C2二个电容值同时改变，测量系统阶跃响应，并记录最大相对超调量σ％和调节时间ts。 ζ=0.25 ζ=0.5 ζ=0.7 ζ=1 σ％ ts σ％ ts σ％ ts σ％ ts ωn =10rad ωn =100rad ---- ---- ---- ---- ---- ---- 四、软件使用 1、打开实验课题菜单，选中实验课题。 2、启动应用程