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自动控制原理实验方案

一、实验目的

(一)理解控制系统的传递函数和动态响应特性。

(二)掌握系统稳定性、稳态误差和动态性能的分析方法。

(三)学习使用实验设备模拟实际控制过程，并进行数据采集与处理。

二、实验原理

自动控制原理实验基于经典控制理论，通过搭建闭环或开环控制系统，研究输入信号作用下系统的输出响应。核心原理包括：

(一)传递函数：描述系统输入与输出之间的数学关系，通常表示为s域的代数分式。

(二)稳定性分析：通过极点分布判断系统是否稳定，极点位于s平面左半平面时系统稳定。

(三)动态性能指标：包括上升时间、超调量、调节时间等，用于量化系统响应速度和振荡情况。

三、实验设备与软件

(一)硬件设备

1.控制器模块：如DSP或PLC，用于产生控制信号。

2.执行机构：如伺服电机或模拟输出模块，实现物理动作。

3.传感器：如编码器或电压传感器，采集系统反馈信号。

4.示波器/数据采集卡：用于实时监测电压、电流等信号。

(二)软件工具

1.MATLAB/Simulink：用于系统建模、仿真和参数优化。

2.LabVIEW：用于数据采集和可视化分析。

四、实验步骤

(一)系统建模

1.根据实验需求选择控制对象（如二阶振荡系统或一阶惯性系统）。

2.测量或查阅系统参数，如时间常数τ或阻尼比ζ，构建传递函数G(s)。

-示例：二阶系统传递函数为G(s)=K/(s2+2ζs+ωn2)。

(二)实验搭建

1.连接控制器、执行机构与传感器，确保信号通路完整。

2.设置初始参数，如增益K和参考电压值。

(三)测试与数据采集

1.单位阶跃响应测试：

-输入阶跃信号，记录输出波形，计算上升时间t_r、超调量σ_p。

-示例：对于二阶系统，若σ_p=10%，则ζ≈0.59。

2.频率响应测试：

-输入正弦信号，扫描频率范围0.1Hz~10Hz，绘制波特图。

(四)结果分析

1.对比理论计算与实验数据，分析误差来源（如噪声干扰、模型简化）。

2.调整系统参数（如增大阻尼比）并重新测试，观察动态性能变化。

五、实验注意事项

(一)安全操作：避免高电压直接接触，所有连接需牢固。

(二)数据记录：确保采样频率高于奈奎斯特频率（≥2倍信号最高频率）。

(三)环境控制：减少温度和振动对传感器精度的影响。

六、总结与报告要求

1.实验报告需包含系统模型、测试数据表格、波形图及分析结论。

2.对比不同参数设置下的系统性能，提出优化建议。

（注：以上内容为通用框架，具体参数需根据实际实验对象调整。）

四、实验步骤（续）

(一)系统建模（续）

1.选择控制对象：

-根据实验目的选择典型系统，如RC低通滤波器（一阶系统）、RLC振荡电路（二阶系统）或电机转速控制系统（高阶系统）。

-记录系统物理参数，如电阻、电容值（RC）或电感、电容、电阻值（RLC），以及电机参数（如转动惯量J、阻尼系数b、电机常数K_t）。

2.传递函数推导：

-RC低通滤波器：

-输入电压V_in，输出电压V_out。

-依据基尔霍夫电压定律：V_in=IR+V_out，其中R为电阻，C为电容，I为电流。

-电流I=d(CV_out)/dt。

-传递函数：G(s)=V_out(s)/V_in(s)=1/(1+sRC)。

-RLC振荡电路：

-输入电压V_in，输出电压V_out（取自电容两端）。

-依据基尔霍夫电压定律：L(di/dt)+Ri+V_out=V_in，其中L为电感，R为电阻。

-电流i=d(CV_out)/dt。

-传递函数：G(s)=V_out(s)/V_in(s)=s2/(s2+sωn+ωn2)，其中自然频率ωn=1/√(LC)。

3.参数辨识：

-若参数未知，可通过实验测量阶跃响应曲线，利用MATLAB的`stepinfo`函数拟合得到τ、ζ等参数。

-示例：测量二阶系统阶跃响应，通过峰值时间t_p和超调量σ_p反推ζ和ωn。

(二)实验搭建（续）

1.硬件连接清单：

-控制器模块：

-选择微控制器（如Arduino或STM32）或运算放大器（如LM741）搭建比例控制器（P控制）。

-连接电源（±12V或+5V）、接地及控制信号输出端。

-执行机构：

-电机驱动：若使用直流电机，需连接H桥驱动模块（如L298N），输入PWM控制信号。

-模拟输出：若使用模拟阀，直接连接运算放大器的输出端。

-传感器：

-位置传感器：使用旋转编码器测量角度，输出脉冲信号至微控制器计数器。

-压力/温度传感器：连接模数转换器（ADC）输入端，如ADS1115（16位精度