自动控制理论实验指导书讲解

目录
第一章硬件资源 (1)
第二章软件的使用 (3)
第三章实验系统部分 (5)
实验一典型环节及其阶跃响应 (5)
实验二二阶系统阶跃响应 (8)
实验三控制系统的稳定性分析 (11)
实验四连续系统串联校正 (13)
第一章 硬件资源
实验系统主要由计算机、AD/DA 采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成如图1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。

图1 实验系统构成
实验箱面板如图2：
图2实验箱面板
下面主要介绍实验箱的构成： 一、 系统电源
EL-AT 教学实验系统采用高性能开关电源作为系统的工作电源，其主要技术性能指标为： 1． 输入电压：AC 220V
2． 输出电压/电流：＋12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A 3． 输出功率：22W
4． 工作环境：－5℃～＋40℃。

二、AD/DA采集卡
AD/DA采集卡如图3采用ADUC812芯片做为采集芯片，负责采样数据及与上位机的通信，其采样位数为12位，采样率为10KHz。

在卡上有一块32KBit的RAM62256，用来存储采集后的数据。

AD/DA采集卡有两路输入（AD1、AD2）、输出（DA1、DA2），其输入和输出电压均为－5V～+5V。

另外在AD/DA卡上有一个9针RS232串口插座用来连接AD/DA卡和计算机20针的插座用来和控制对象进行通讯
图3 AD/DA采集卡
三、实验箱面板
实验箱面板主要由以下几部分构成：
1．实验模块
本实验系统有七组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。

每个模
块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。

这样通
过对这七个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟
环节和控制系统。

2．AD/DA卡输入输出模块
该区域是引出AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路
输入端，分别是DA1、DA2，AD1、AD2。

25针的插座用来和控制
对象连接。

3．电源模块
电源模块有一个实验箱电源开关，有四个开关电源提供的DC电源
端子，分别是＋12V、-12V、+5V、GND，这些端子给外扩模块提
供电源。

第二章 软件的使用
一、软件启动与使用说明
1． 软件启动
在Windows 桌面上,双击“ZK ”快捷方式，便可启动软件如
图4。

图4 软件启动界面
2．
实验前计算机与实验箱的通讯设置和测试
用实验箱自带的串口线将实验箱后面的串口与计算机的串口连接，启动ZK “自动控制实验原理”软件。

1）实验前通讯口的设置
设置方法：点击[系统设置－串口设置]如图5，在对话框内填入与计算机相连的串口值。

图5串口设置对话框
2）实验前通讯口的测试
测试方法：接通电源点击[系统设置－通信串口测试]如图6(a)，点击通信串口测试按钮，控制测试区内将出现0－255个数据，如图6(b)，如果数据没有或不全，则说明通讯有故障，应检查计算机串口与实验箱的连接。

图6 串口测试窗口(a) 图6 串口测试窗口(b)
3．软件使用说明
A 实验课题
在实验课题区域列出了本实验系统所能完成的实验课题，双击其中的一个课题，将弹出参数设置窗口。

具体参数设置请参考实验说明部分。

B 采集结果显示
在该区域内主要是显示实验系统通过AD后的结果曲线。

纵坐标是幅值轴，单位为(V),范围是：－5V—+5V, 横坐标是时间轴，单位为（ms）。

C 数据测量
数据测量是测量系统响应的测量工具如图7，鼠标单击单游标或双游标，然后单击测量按钮，即可在显示区显示测量线，测量线可以用鼠标拖动。

在拖动过程中屏幕右下方将动态显示测量的结果。

图7数据测量区域
第三章实验系统部分
实验一典型环节及其阶跃响应
一、实验目的
1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。

2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器
1．EL-AT自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验原理
模拟实验的基本原理：
控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。

再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

四、实验内容
构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：
1.比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。

G（S）= R2/R1
2.惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。

G（S）= - K/TS+1
K=R2/R1，T=R2C
3.积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。

G（S）=1/TS
T=RC
4.微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。

G（S）= - RCS
5.比例微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。

G（S）= -K（TS+1）
K=R2/R1，T=R2C
五、实验步骤
1．启动计算机，在桌面双击图标 ZK(自动控制实验系统) 运行软件。

2．测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3. 连接各个被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A
卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无
误后接通电源。

4. 在实验课题下拉菜单中选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。

5. 单击实验课题弹出实验课题参数窗口。

在参数设置窗口中设置相应
的实验参数后，鼠标单击确认，等待屏幕的显示区显示实验结果。

6. 观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。

7. 记录波形及数据。

六、实验报告
1.画出比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例微分环节的
模拟电路图，并记录其响应曲线。

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。

七、预习要求
1、阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。

2、分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理。

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和无阻尼自然频率ωn对系统动态性能的影响。

定量分析ζ和ωn与最大超调量Mp和调节时间t S
之间的关系。

3．学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。

二、实验仪器
1．EL-AT型自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验内容
典型二阶系统的闭环传递函数为
ω2n
ϕ（S）= （1）
s2＋2ζωn s＋ω2n
其中ζ和ωn对系统的动态品质有决定的影响。

构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：
图2-1 二阶系统模拟电路图
电路的结构图如图2-2：
图2-2 二阶系统结构图
系统闭环传递函数为
（2）式中 T=RC，K=R2/R1。

比较（1）、（2）二式，可得
ωn=1/T=1/RC
ζ=K/2=R2/2R1 （3）
由（3）式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。

改变RC值可以改变无阻尼自然频率ωn。

今取R1=200K，R2=100KΩ和200KΩ，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,可得两个无阻尼自然频率ωn。

四、实验步骤
1．取ωn=10rad/s, 即令R=100KΩ，C=1μf；分别取ζ=0、0.25、0.5、0.75、
1、2，即取R1=100KΩ，R2分别等于0、50KΩ、100KΩ、150KΩ、200KΩ、
400KΩ。

输入单位阶跃信号，测量不同的ζ时系统的阶跃响应，并
由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态
曲线，并与理论值比较。

2．取ζ=0.5。

即电阻R2取R1=R2=100KΩ；ωn=100rad/s, 即取R=100KΩ，改变电路中的电容C=0.1μf(注意：二个电容值同时改变)。

输入单位
阶跃信号，测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量σp
和调节时间Tn。

五、实验报告
1. 画出二阶系统的模拟电路图，讨论典型二阶系统性能指标与ζ，ωn
的关系。

2. 把不同ζ和ωn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应
结论。

3. 根据实验步骤3画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，
并与由模拟电路计算的传递函数相比较。

七、预习要求
1．了解模拟实验的基本原理，掌握时域性能指标的测量方法。

2．按实验中二阶系统的给定参数，计算出不同ζ、ωn下的性能指标的理论值。

实验三控制系统的稳定性分析
一、实验目的
1．观察系统的不稳定现象。

2．研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。

二、实验仪器
1．EL-AT型自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验内容
系统模拟电路图如图3-1
图3-1 系统模拟电路图
其开环传递函数为:
G（s）=10K/s(0.1s+1)(Ts+1)
式中 K1=R3/R2，R2=100KΩ，R3=0～500K；T=RC，R=100KΩ，C=C1=1μf 或C=1μf C1=0.1μf两种情况。

四、实验步骤
1.取C=C1=1μf，改变电位器阻值，使R3从0→500 KΩ方向变化，此时
相应的K=10K1。

观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生等幅振荡时相应的R3及K值。

观察R3取临界值左
右时的响应曲线，并记录其波形。

2.在步骤1条件下，使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况。

改变电路中的电容C1 ，由1μf变成0.1μf，观察系统稳定性的变化。

五、实验报告
1．画出步骤1的模拟电路图。

2．画出系统增幅或减幅振荡的波形图。

3．计算系统的临界放大系数，并与步骤1中测得的临界放大系数相比较。

六、预习要求
1．分析实验系统电路，掌握其工作原理。

2．理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。

实验四连续系统串联校正
一、实验目的
1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。

2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。

二、实验仪器
1．EL-AT型自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验内容
1．串联超前校正
（1）系统模拟电路图如图4-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。

图4-1 超前校正电路图
（2）系统结构图如图5-2
图4-2 超前校正系统结构图
图中 Gc1（s）=2
2（0.055s+1）
Gc2（s）=
0.005s+1
2．串联滞后校正
（1）模拟电路图如图4-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。

图4-3 滞后校正模拟电路图
（2）系统结构图示如图4-4
图4-4 滞后系统结构图
图中 Gc1(s）=10
10（s+1）
Gc2（s）=
11s+1
3．串联超前—滞后校正
（1）模拟电路图如图4-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前—滞后校正。

图4-5 超前—滞后校正模拟电路图
（2）系统结构图示如图4-6。

图4-6超前—滞后校正系统结构图
图中 Gc1（s）=6
6（1.2s+1）（0.15s+1）
Gc2（s）=
（6s+1）（0.05s+1）
四、实验步骤
超前校正：
1．连接被测量典型环节的模拟电路(图4-1)，开关s放在断开位置。

系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录超调量σp
和调节时间ts。

2．开关s接通，重复步骤1，并将两次所测的波形进行比较。

滞后校正：
3．连接被测量典型环节的模拟电路(图4-3)，开关s放在断开位置。

系统加入阶跃信号。

测量系统阶跃响应，并记录超调量σp
和调节时间ts。

4．开关s接通，重复步骤1，并将两次所测的波形进行比较超前--滞后校正
5. 接被测量典型环节的模拟电路(图4-5)。

双刀开关放在断开位
置。

系统加入阶跃信号。

测量系统阶跃响应，并记录超调量σp
和调节时间ts
6．双刀开关接通，重复步骤1，并将两次所测的波形进行比较。

五、实验报告
1．计算串联校正装置的传递函数Gc（s）和校正网络参数。

2．画出校正后系统的对数坐标图，并求出校正后系统的ω′c及ν′。

3．比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置作用。

六、预习要求
计算串联超前校正装置的传递函数Gc（s）和校正网络参数，并求出校正后系统的ω′c及ν′。