自动控制理论实验指导书(2011级).doc

目 录 实验装置介绍 …………………………………………………… 1 实验一 控制系统稳定性分析 ………………………………… 2 实验二 控制系统的时域分析 …………………………………5 实验三 控制系统的根轨迹 …………………………………… 8 实验四 控制系统的频域分析 ……………………… …… …11 实验装置介绍 自动控制原理实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是：一方面，通过实验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；另一方面，帮助学生学习和提高系统模拟电路的构成和测试技术。 TAP-2型自动控制原理实验系统的基本结构 TAP-2型控制理论模拟实验装置是一个控制理论的计算机辅助实验系统。如上图所示，TAP-2型控制理论模拟实验由计算机、A/D/A接口板、模拟实验台和打印机组成。计算机负责实验的控制、实验数据的采集、分析、显示、储存和恢复功能，还可以根据不同的实验产生各种输出信号；模拟实验台是被控对象，台上共有运算放大器12个，与台上的其他电阻电容等元器件配合，可组成各种具有不同系统特性的实验对象，台上还有正弦、三角、方波等信号源作为备用信号发生器用；A/D/A板安装在模拟实验台下面的实验箱底板上，它起着模拟与数字信号之间的转换作用，是计算机与实验台之间必不可少的桥梁；打印机可根据需要进行连接，对实验数据、图形作硬拷贝。 实验台由12个运算放大器和一些电阻、电容元件组成，可完成自动控制原理的典型环节阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字PID、状态反馈与状态观测器等相应实验。 实验一 控制系统稳定性分析 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．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2-1 图2-1 系统模拟电路图 其开环传递函数为: G（s）=10K1/s(0.1s+1)(Ts+1) 式中 K1=R3/R2，R2=100K(，R3=0～500K；T=RC，R=100K(，C=1(f或C=0.1(f两种情况。 四、实验步骤 1.连接被测量系统的模拟电路。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。 2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。 3.在实验项目的下拉列表中选择实验三[控制系统的稳定性分析]。 4.取R3的值为50K(，100K(，200K(，此时相应的K=10K1=5，10，20。观察不同R3值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K1值。再把电阻R3由大至小变化，即R3=200k(，100k(，50k(，观察不同R3值时显示区内的输出波形, 找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K1值，并观察U2的输出波形。 五、实验报告 1．画出系统的模拟电路图。 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，并与实验中测得的临界放大系数相比较。 六、预习要求 分析实验系统电路，掌握其工作原理。 理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。 MATLAB及仿真实验 学习利用MATLAB进行以下实验，要求熟练掌握以下实验内容中所用到的指令，并按内容要求完成实验。（注：以下实验如果自己建立对象，可适当予以加分） 实验二 控制系统的时域分析 一、实验目的 学习利用MATLAB进行控制系统时域分析，包括典型响应、判断系统稳定性和分析系统的动态特性； 二、预习要点 系统的典型响应有哪些？ 如何判断系统稳定性？ 系统的动态性能指标有哪些？ 三、实验方法 四种典型响应 阶跃响应： 阶跃响应常用格式： 1、；其中可以为连续系统，也可为离散系统。 2、；表示时间范围0---Tn。 3、；表示时间范围向量T指定。 4、；可详细了解某段时间的输入、输出情况。 脉冲响应： 脉冲函数在数学上的精确定义： 其拉氏变换为： 所以脉冲响应即为传函的反拉氏变换。 脉冲响应函数常用格式： ① ； ② ③ 分析系统稳定性 有以下三种方法： 利用pzmap绘制连续系统的零极点图； 利用tf2zp求出系统零极点； 利用roots求分母多项式的根来确定系统的极点 系统的动态特性分析 Matlab提供