《自动控制理论》实验指导书_59285.doc

概 述 一、系统功能特点 1．以PC微机为操作台，高效率支持“自动控制原理”的教学实验。 2．系统含有高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。 3．系统含有界面友好、功能丰富的软件。PC微机在实验中，除了满足数字仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。 系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。 5．增加选件后，可构成综合型很强的研究型高级实验系统。 二、系统构成 实验系统由上位PC微机（含实验系统软件）、KSL-A实验箱、并行通讯线等组成。KSL-A实验箱内装有以AD(C812芯片（含数据采集系统软件）为核心构成的数据采集卡，通过并口与PC微机连接。 1．控制理论实验箱KSL－A简介 控制理论实验箱KSL－A主要由电源部分U1单元，信号源部分U2单元，与PC机进行通讯的数据采集U3单元， 元器件单元U4，非线性单元U5，U6，U7，模拟电路单元U8－U16组成。 电源单元U1，包括电源开关，保险丝，＋5V，－5V，＋15V，－15V，0V，1.3V－15V可调电压的输出。 U2信号源单元可以产生周期方波信号，周期斜坡信号，抛物线信号和正弦信号，频率幅值可调。 U3单元为数据采集与处理模块，通过并行口与上位PC进行通讯。 U4单元提供了实验所需的电容与电阻，电位器，另提供插接电路供放置自己选定大小的元器件。 U5，U6，U7分别为典型的非线性环节电路。 U8－U16为由运算放大器与电阻，电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成的电路用于锁零。 2．系统软件说明详见《KSL－A自动控制理论实验箱（上位机程序）使用说明书》。 三、自动控制理论实验系统实验内容 1． 典型环节的电路模拟与数字仿真研究； 2． 典型系统动态性能和稳定性分析的电路模拟与数字仿真研究； 3． 典型环节（或系统）的频率特性测量； 4． 线性系统串联校正的电路模拟与数字仿真研究； 5． 典型非线性环节的电路模拟与数字仿真研究； 6． 非线性系统相平面法的电路模拟与数字仿真研究； 7． 非线性系统描述函数法的电路模拟与数字仿真研究； 8． 极点配置线性系统全状态反馈控制的电路模拟与数字仿真研究； 9． 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究； 10．采样控制系统串联校正的混合仿真研究； 四、实验注意事项 1．实验前运放需要调零。 2．运算放大器边上的锁零点G接线要正确。不需要锁零，请把G与－15V相连，一般情况下如此；需要锁零时则与输入信号对应的锁零信号相连，采用PC产生输入信号，则连U3单元的G1（对应O1），G2（对应O2），采用U2单元的输入信号，则连接G。锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合。 3．被控对象的搭建中，注意核心一点，运放都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确需要仔细考虑，必要时构建连接反相器加入连接。 实验一 典型环节的电路模拟与数字仿真研究 一、实验目的 通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和数字仿真研究方法。 二、实验内容 1．设计各种典型环节的模拟电路 2．编制获得各种典型环节阶跃特性的数字仿真程序。 3．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。 4．运行所编制的程序，完成典型环节阶跃特性的数字仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。 三、实验步骤 1．熟悉实验设备，设计并连接各种典型环节（如：比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路； 2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响； 3．用MATLAB编写计算各典型环节阶跃响应的计算机仿真程序； 4．计算机上运行仿真程序，完成各典型环节阶跃特性的数字仿真研究，并与电路模拟测试的结果作比较。 5．分析实验结果，完成实验报告。 四、附录 1．比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例环节的传递函数为： 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示，于是，实验参数取R0＝100k，R1＝200k， R=10k。 2．积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 积分环节的传递函数为： 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是，实验参数取R0＝100k，C＝1uF， R=10k。 3．比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例积分环节的传递函数为： 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是，，实验参数取R0＝200k，R1＝200k，C＝1uF， R