自动控制原理实验指导书

目录实验一演示实验 (2)实验二典型系统瞬态响应和稳定性 (5)实验三控制系统频率特性 (10)实验四系统校正 (13)实验五非线性系统 (14)实验六状态反馈 (17)实验七采样系统分析 (18)附录TDN―ACS系统简介 (22)实验一演示实验一、实验目的：1、了解控制系统的基本组成及工作原理。

2、增强系统结构形式的感性认识。

二、实验要求：观察二级倒立摆实验装置的结构及实验现象，观测步进电机转速与参数之间的关系。

三、实验仪器：1、TDN—ACS实验箱一台2、计算机一台3、万用表一块4、BDL二级到立摆实验装置一台四、步进电机调速实验的实验原理及接线：本实验使用35BYJ46形四项八拍电机，电压DC12V，器励磁线圈及励磁顺序如下图：1、实验线路：STACK SEGMENT STACKDW 256 DUPSTACK ENDSDATA SEGMENTTABLE DB 01H，03H，02H，06H，04H，0CH，08H，09H；步进电机对应步值DATA ENDS ；8255B口输出值CODE SEGMENTASSUME CS：CODE，DS：DATASTART：MOV AX，DATAMOV DS，AXMAIN：MOV AL，90HOUT 63H，ALA1：MOV BX，OFFSET TABLEMOV CX，0008H ；步进电机步数为8A2：MOV AL，BX ；8255 输出OUT 61H，ALCALL DALLY ；调DALLY延二级倒立摆系统的时程序INC BXLOOP A2JMP A1DALLY：PUSH CXMOV CX，5000H ；增减输入到BX中的值可改变步；间延时值T1：PUSH AXPOP AXLOOP T1POP CXRETCODE ENDSEND STAR五、实验内容及步骤1、按图接线，经检查无误后连结计算机及实验箱电源线和串口线。

2、打开实验箱及计算机电源，不要动任何键，系统会自动进入ACS实验系统界面，输入串口号1或2，系统即进入ACS调试界面。

3、从硬盘中调用EXP3.EXE文件。

4、在成功调入文件的信息显示后，输入〉U 0000:2000 ↙即显示出EXP3.EXE文件的前半部分汇编语言程序，再在〉号下敲入〉U ↙即显示出后半部分程序，寻找语句：MOV CX,5000H ，记录下5000H的偏移地址。

5、按F7选择1，进入示波器状态，按F1,输入 CS:0000↙ IP:2000↙观察电机转速，改变步间延时值为2000和A000，再观察电机转速变化。

六、二级倒立摆实验装置结构及工作原理简介：二级倒立摆系统的结构示意图见下图，可在轨道上作直线运动的小车被力矩电机通过带轮、传动带驱动，下摆与小车铰链，上摆与下摆的上部铰链，而摆均可在于导轨平行的竖直平面内自由转动，检测器位置P1、P2和P3分别检测小车相对轨道中心点偏移、下摆与铅垂线的角度偏移以及上下摆之间的相对角度偏移。

测量所得的电压信号分别由三个运算放大器进行放大、标定后，作为二级倒立摆对象系统的三个输出量，被送入模拟控制器。

控制器输出的控制信号经功率放大器放大后驱动力矩电机，使二级倒立摆在不稳定的平衡点处稳定。

实验二 典型系统瞬态响应和稳定性一﹑实验目的：1、学习瞬态性能指标的测试技能2、了解参数变化对系统瞬态性能及稳定性的影响二﹑实验要求：观测不同参数下二阶系统的阶跃响应曲线并测出性能指标: 超调量δp ,峰值时间t p ,调节时间t s 。

三﹑实验仪器：1、TDN ——ACS 实验箱 一台2、计算机 一台3、万用表 一块四﹑实验原理及电路：应用模拟电路来模拟典型二阶系统，图2——1是典型二阶系统原理方块图，其中To=1秒；T 1=0.1秒；K 1分别为10；5；2.5；1。

开环传递函数为：)1()1()(111+=+=S S K S S S G TT T K 其中，K=K 1/T 0=开环增益。

闭环传递函数为其中，TT KT K T n 01111===ω TK T1121=ξ（1）当0<ξ<1，即欠阻尼情况时，二阶系统的阶跃响应为衰减振荡，如图ωωωξξ22222212121)(n nns TS KS KS s ST ST ++=++=++=Φ2—2中曲线1所示。

)52()0()sin(11)(2-≥+--=-t t t C d Tenθωωξξ式中ξωω21-=ndξθξ211-=-tg峰值时间可由式（2―5）对时间求导，并令它为零，得：)62(12--==ξωωππndp t超调量：调节时间t s ，采用2％允许误差范围时，近似地等于系统时间常数1/(ξ·ωn)的四倍，即：)82(4-=ωξns t（2）当ξ=1，临界阻尼时，系统的阶跃响应为单调的指数曲线，如图中2―2曲线2所示)0()1(1)(≥+-=-t t t c nte n ωω令输出为0.98可求得t s 。

(3)当ξ>1时,即过阻尼时,系统的阶跃响应为单调的指数曲线,图2―2中曲线3所示:()0121)(21221≥⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛--+=--t s s t c s e s e tt n ξω式中ωξωξξξn ns s ⎪⎭⎫ ⎝⎛--=⎪⎭⎫ ⎝⎛-+=112221当ξ远大于1时,可忽略S 1的影响，则()01)(12≥-=⎪⎪⎭⎫ ⎝⎛---t t c etnωξξ这时调节时间t s 近似为:ωξξns t ⎪⎭⎫ ⎝⎛--=142图2―3是图2―1的模拟电路图:五﹑实验内容及步骤:准备:将U 1 SG 单元的ST 插针和+5V 插针用“短路块”短接,使运算放大器上的场效应管夹断。

1、按图2—3连接实验线路，R=10K 。

2、检查无误后用串口线连接计算机与实验箱并打开实验箱与计算机的电源，进入示波器状态。

3、在r(t)端加入阶跃信号，观察阶跃响应，测量并记录超调量δp ，峰值时间t p ，调节时间t s 。

4、分别按R=20K；40K；100K改变开环增益，记录性能指标δp，t p，t s。

六﹑实验报告要求：1、实验前按给定参数计算出二阶系统的性能指标的理论值记入表中。

2、实验观测记录。

七﹑思考题:1、实验中如何确保系统实现负反馈，如果反馈中有偶数个运算放大器构成什么反馈？2、实验中阶跃输入信号的幅值范围应该如何考虑？3、误差分析。

八、阶跃信号产生电路：1、准备：将(U1SG)单元ST（插针）与+5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管夹断，使运放处于工作状态。

2、电路：电路如下图所示，由“单脉冲单元”（U13SP）及“电位器单元”（U14P）组成。

3、连接方法：在U13 SP 单元中，将H1与+5V插针用“短路”块短接，H2插针用排线接至U14 P单元的X插针；在U14 P单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。

当按下U13单元的SP按键时，信号即可输出。

实验三 控制系统频率特性一﹑实验目的:1、学习测量系统（或环节）频率特性曲线的方法和技能。

2、学习根据频率特性的实验曲线求取系统开环传递函数的方法。

二﹑实验要求:测量模拟系统的开环频率特性曲线（对数幅频曲线和相频曲线）。

三﹑实验仪器:1、TDN —ACS 试验箱 一台2、计算机 一台3、万用表 一块四﹑实验原理及电路:系统（或环节）的频率特性G (j ω)是一个复变量，可以表示成以角频率ω为参数的幅值和相角：G(j ω)=|G(j ω)| G(j ω) (3—1)设被测系统的原理方块图如图3―1所示，图3―2是相应的电路图。

)(S 13—图图3―1所示系统的开环频率特性为采用对数幅频特性和相频特性表示，则式(3―2)表示为：和将系统产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化，并施加于被测系统的输入端[r(t)]，然后分别测量相应的反馈信号[b(t)]和误差信号[e(t)]的对数幅值和相位。

系统将测试数据经运算后在示波器中显示图形。

根据实验开环对数幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再根据渐近线的斜率和转角频率确定频率特性（或传递函数）。

所确定的频率特性（或传递函数）的正确性可以由测量的相频曲线来检验，对最小相位系统而言，实际测量所得的相频曲线必须与由确定的频率特性（或传递函数）所画出的理论相频曲线在一定程度上相符。

五﹑实验内容及步骤:1、按图(3―2)接线。

检查无误后接通实验箱及计算机的电源。

2、将U10单元中的DAC0832调零。

在ACS调试界面下，启动小汇编，键入：〉A2000↙0000：2000 MOV AL，80↙0000：2002 OUT 00，AL↙0000：2004 JMP 2000↙0000: 2006 ↙输入命令 > G=0000：2000 ↙，连续运行以上程序。

细微调节．．．．U10单元的W101微调电阻，将毫伏万用表“+”端接U10单元的OUT端，“-”端接地，细微调节．．．．直至0毫伏附近（若调不到绝对0MV，可偏正一点亦可。

但切不可偏负，如-0.2mv）3、将U10单元中的OUT端接至图(3―2)中的r(t)处。

将U1 SG单元中的ST.S.+5V处的短路块拔下,总线接口处的PB10接至ST端。

4、将CH1探笔接至B(t)处，进入频率特性测试示波器状态，输入角频率值ω=0至500,可以用“+”,“-”键改变信号源的幅值,以使输入输出的信号幅值范围在示波器的范围之内。

回车后即可进行测量。

当输出信号和输入信号同时显示出来后，移动方向键，读出幅值和相角。

如需重新测试，则按“N”键，系统会自动清除当前的测试结果，并等待输入新的角频率，准备开始进行下次测试。

测试过程中ω在不断闪动。

5、将CH1探笔接至E(t)处，测出该处的幅值和相角，并计算出闭环系统的开环频率特性。

6、分别取ω=0.1,0.2,0.5,1，2，3.5，5，10，20，50，100，200，500六﹑实验报告要求:1、将实验数据填入下表。

2、画出开环对数幅频曲线和相频曲线（理论和实验两种）。

3、根据实验曲线推导传递函数。

七﹑思考题:1、传递函数概念适用于什么系统？2、系统输入正弦信号的幅值能太大吗，能太小吗，应该如何选取？3、若需要测量系统内部某个环节或闭环系统的频率特性，如何测量？4、误差分析。

实验四系统校正一、实验目的：1、了解和观测校正装置对系统稳定性及瞬态特性的影响。

2、设计并验证校正装置是否满足系统的性能要求。

二、实验要求：1、已知未校正的二阶系统参数如下，搭接模拟电路并观测未校正系统的稳定性及瞬态特性。

δp=60%t s=4sK v=202、推导并设计校正环节。

要求设计一校正装置使系统满足以下性能指标:δp≤25%t s≤1sK v≥20(1/s)3、观测校正后系统的稳定性及瞬态特性。