自动控制理论实验指导书.doc

前言 自动控制原理是自动化、自动控制、电子电气技术等专业教学中的一门重要专业基础课程。它可以处理时变、非线性以及多输入、多输出等复杂的控制系统等问题。本套EL-AT-III型自动控制实验系统克服了以前做自动控制理论实验时，连线复杂，连接不稳定的缺点，通过对单元电路的灵活组合，可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。可以使学生把主要精力集中在系统电路和系统特性的研究上。 本系统采用DA/AD卡通过USB口和计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集后的信号通过计算机显示屏显示，省去了外接信号源和示波器测量相应信号的麻烦。EL-AT-III型自动控制实验系统支持自动控制理论课的所有实验，通过这套仪器可使学生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法，学习和掌握系统模拟电路的构成和测试技术，提高应用计算机的能力和水平。 本书分为三章，第一章为EL-AT-III型实验箱硬件资源，主要介绍实验箱的硬件组成和系统单元电路。第二章为系统集成操作软件，主要介绍系统软件的安装，操作以及计算机和实验箱的通讯设置。第三章为实验系统部分，主要介绍各个实验的电路组成，誓言原理和实验步骤。另外，在附录部分由部分实验的说明和参考结果。 目 录 第一章 硬件资源 2 第二章 软件安装及使用 5 第三章 实验系统部分 12 实验一 典型环节及其阶跃响应 13 实验二 二阶系统阶跃响应 18 实验三 控制系统的稳定性分析 22 实验四 系统频率特性测量 25 实验五 连续系统串联校正 31 实验六 数字PID控制 36 实验七 状态反馈与状态观测器 39 实验八 解耦控制实验 42 实验九 采样定理实验 46 实验十 非线性实验 49 实验十一 相轨迹观测实验 53 实验十二 数据采集 55 实验十三 离散系统稳定性分析 56 实验十四 系统根轨迹特性测量 58 附录一 实验说明及参考答案 65 附录二 USB AD/DA卡调试说明 90 第一章 硬件资源 EL-AT-III型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： 系统电源 EL-AT-III系统采用本公司生产的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： 输入电压：AC 220V 输出电压/电流：＋12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A 输出功率：22W 工作环境：－5℃～＋40℃。 AD/DA采集卡 AD/DA采集卡如图3采用EZUSB2131芯片做为主控芯片，负责数据采集和USB通信，用EPM7128作为SPI总线转换，AD为TL1570I其采样位数为10位，采样率为1KHz。DA为MAX5159转换位数为10位，转换速率为1K。 AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和两路输入（AD1、AD2），其输入和输出电压均为－5V～+5V。 图3 AD/DA采集卡 实验箱面板 实验箱面板布局如图4 AD/DA卡输入输出模块 实验模块1 实验模块2 电源模块 模拟开关 二极管区 EL-CAT-II 实验模块3 电阻、电容、二极管区 实验模块4 变阻箱、变容箱模块 实验模块5 实验模块8 实验模块6 实验模块7 图4 实验箱面板布局 实验箱面板主要由以下几部分构成： 实验模块 本实验系统有八组由放大器、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。这样通过对这八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。 二极管，电阻、电容、二极管区 这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻和电容。 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。有一个按钮复位，按下一次对AD/DA卡进行一次复位。20针的插座用来和控制对象连接。 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。 变阻箱、变容箱模块 变阻箱、变容箱是本实验系统的一个突出特点，只要按动数字旁边的“＋”、“－”按钮便可