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第一章 硬件资源

EL-AT-II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。

显示器 打印机 计算机 AD/DA卡 实验箱电路

图1 实验系统构成

实验箱面板如图2所示：

图2 实验箱面板

下面主要介绍实验箱的构成： 一、 系统电源

EL-AT-II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主要技术性能指标为：

1． 输入电压：AC 220V

2． 输出电压/电流：＋12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A 3． 输出功率：22W

4． 工作环境：－5℃～＋40℃。 二、 AD/DA采集卡

AD/DA采集卡如图3采用ADUC812芯片做为采集芯片，负责采样数据

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及与上位机的通信，其采样位数为12位，采样率为10KHz。在卡上有一块32KBit的RAM62256，用来存储采集后的数据。AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和四路输入（AD1、AD2、AD3、AD4），其输入和输出电压均为－5V～+5V。

图3 AD/DA采集卡

另外在AD/DA卡上有一个9针RS232串口插座用来连接AD/DA卡和计算机，20针的插座用来和控制对象进行通讯。 三、 实验箱面板

实验箱面板布局如图4所示。

AD/DA卡输入输出模块 实验模块1 实验模块2 二极管区 EL-CAT-II 电阻、电容、二极管区 实验模块3 变阻箱、变容箱模块 实验模块5 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： 1． 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。

实验模块8 实验模块4 电源模块 - 2 -

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2． 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。 3． 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。 4． 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。

5． 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“＋”、“－”按钮便可调节电阻电容的值，而且电阻电容值可以直接读出。

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第二章 软件安装及使用

一、软件安装

1． 将实验仪器自带的光盘放入计算机光驱，进入软件安装目录[光盘驱

动器：\\自动控制\\winat。

2． 启动软件安装程序setup.exe，如图5～图6：

图5 进入安装界面 图6 选择安装路径

3． 按照软件提示，一步一步完成安装，如图7～图8：

图7 显示安装进程 图8 安装完毕界面

4． 软件安装完毕后，会在桌面和“开始－程序”中自动生成“自动控

制实验系统”快捷方式。

二、软件启动与使用说明

1． 软件启动

2． 在Windows桌面上或“开始－程序”中双击“自动控制实验原理”

快捷方式，便可启动软件如图9。

3． 实验前计算机与实验箱的通讯设置和测试

用实验箱自带的串口线将实验箱后面的串口与计算机的串口连接，启动“自动控制实验原理”软件。

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图9 软件启动界面 图10 串口设置对话框

1）实验前通讯口的设置

设置方法：点击[系统设置－串口设置]如图10，在对话框内填入与计算机相连的串口值。 2）实验前通讯口的测试

测试方法：接通电源点击[系统设置－通信串口测试]如图11，点击通信串口测试按钮，控制测试区内将出现0－255个数据，如图12，如果数据没有或不全，则说明通讯有故障，应检查计算机串口与实验箱的连接。

图11 串口测试窗口 图12 串口测试成功窗口

4． 软件使用说明

本套软件界面共分为四个区域如图13： A. 菜单工具栏区域； B. 实验课题区域； C. 采集结果显示区域； D. 数据测量区域；

下面介绍软件的各个区域功能：

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图13 软件界面分配

A. 菜单工具栏

1） 实验课题（ALT+T）

在该菜单下选择所做的实验课题项目。鼠标单击实验课题名称即可进入相应的实验。

2） 系统设置（ALT+M）

串口设置：设置实验中所使用的串口。所设定的串口标号应与计算机实际所使用的一致。

通信串口测试：测试实验系统与计算机的通信是否正常。在实验之前k可以进行串口通信测试，在确认串口通信正常后才可以进行实验。测试方法是鼠标单击对话框中的通信串口测试按钮，如果通信正常，所示的空白区内将有信息返回，如果通信不正常则无返回信息。

测试DA信源：这项功能主要测试DA是否有信号输出。鼠标单击该选项出现如图14的对话框。在该对话框中设置要测试的信源（DA1、DA2），信源的类型、频率以及幅值。然后点击测试按钮，用测量工具在实验箱上的DA处测试输出信号，比较测试信号和设定值是否一致，如果一致，说明DA输出正确，否则检查硬件。

图14 测试DA信源对话框

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3） 实验数据（ALT+F）

打开数据：打开已经保存的实验数据。选择该菜单选项后出现如图15所示的对话窗口。在该窗口中选择打开文件的路径和文件名，点击确定按钮即可打开一个已保存的实验数据

图15 打开实验数据对话窗口

保存数据：保存当前的实验数据。选择保存文件的路径和文件名，点击确定按钮即可保存当前的实验数据。

打印：将实验的结果在打印机上打印输出。鼠标单击该选项后弹出如图16所示的对话窗口。打印数据信息的来源有两种途径。

（1） 打印当前内存中的数据； （2） 打印已经保存过的数据；

两种不同的打印方式可以通过对话窗口进行选择。

图16 数据打印对话窗口

打印设置：设置打印时的相关信息。鼠标打击将弹出如图17所示的对话窗口。将需要打印的信息填入相应的空白处。填写完成后单击确认按钮保存。保存完成后单击退出按钮退出该对话窗口。

4） 查看（ALT+V）

选择该项将显示自控原理课题的基本资料。其中包括实验所用的基本原理、电路及相应的实验说明。

5）帮助（ALT+H）

该菜单说明本“自动控制原理”软件的版本。

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图17 打印设置对话窗口

B. 实验课题

在实验课题区域列出了本实验系统所能完成的实验课题，双击其中的一个课题，将弹出参数设置窗口。具体参数设置请参考实验说明部分。

图18 实验课题区域

C. 采集结果显示

在该区域内主要是显示实验系统通过AD后的结果曲线。纵坐标是幅值轴，单位为(V),范围是：－5V—+5V, 横坐标是时间轴，单位为（ms）。 D. 数据测量

数据测量是测量系统响应的测量工具如图19，鼠标单击单游标或双游标，然后单击测量按钮，即可在显示区显示测量线，测量线可以用鼠标拖动。在拖动的过程中屏幕右下方将动态显示测量的结果。

图19 数据测量区域

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第三章 实验系统部分

本套实验系统一共提供了11个基本实验：典型环节及其阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统的稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字PID控制、状态反馈及状态观测器实验、解耦控制实验、采样系统实验、非线性实验、相轨迹观测实验，另外还有两个设计性高级实验。

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实验一 典型环节及其阶跃响应

一、实验目的

1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。 二、实验仪器

1． EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2． 计算机一台 三、实验原理

控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。 四、实验内容

构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应： 1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1（未标明的电阻为1k）。

G(s)=-R2/R1

2. 惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2（未标明的电阻为1k）。

G(s)??其中，K??

KTs?1R2R1T?R2C3. 积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3（未标明的电阻为1k）。

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G(s)??其中，T?RC1Ts

4. 微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4（未标明的电阻为1k）。

G(s)??RCsRC1s?1??Ts

其中，T?RC,C??10C15. 比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的电阻为1k）。

G(s)??R2R1Cs?1R1R2C1s?1??K(Ts?1)其中，K?R2/R1，T?R1C

R1C??10R2C16.比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6（未标明的电阻为1k）。

1)Ts其中，K?R2/R1，T?R2CG(s)??K(1?

五、实验步骤

1.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3.连接被测量典型环节的模拟电路(图1-1～图1-6)。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。

4.在实验课题下拉菜单中选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。

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5.鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。 7.记录波形及数据（由实验报告确定）。 六、实验报告

1. 由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电

路计算的结果相比较。

2. 理论上推导几种典型环节的阶跃响应表达式。

3. 测量曲线坐标，在实验报告中进行描点绘制，并取采样点坐标与理

论值进行比较。

七、预习要求

1、阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。 2、分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理。 参数 阶跃响应曲线 R =100K R1=100K R2=100K C=1uf R =100K R1=100K R2=200K C=1uf 采样点比较 比例环节 惯性环节 积分环节 微分环节 比例+微分环节 比例+积分环节 比例环节 惯性环节 积分环节 微分环节 比例+微分环节 比例+积分环节

理论值 实测值 - 12 -

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实验二 二阶系统阶跃响应

一、实验目的

1．研究二阶系统的特征参数，阻尼比?和无阻尼自然频率?n对系统动态

性能的影响。定量分析 ? 和?与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。

2．进一步学习实验系统的使用方法

3．学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台

三、时域性能指标的测量方法

典型二阶系统的闭环传递函数为

2?n （1） ?(s)?22s?2??ns??n其中 ? 和?对系统的动态品质有决定的影响。

图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应（未标明的电阻为1k）：

图2-1 二阶系统模拟电路图

系统闭环传递函数为

U2(s)1/T2 （2） ?(s)??22U1(s)s?(K/T)s?1/T- 13 -

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式中 T=RC，K=R2/R1。

比较（1）、（2）二式，可得 ????1/T?RC （3）

???K/2?R2/R1 由（3）式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。改变RC值可以改变无阻尼自然频率?。 四、实验内容

1. 超调量σ%

1) 启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2) 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3) 连接被测量典型环节的模拟电路。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。

4) 在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应] 。

5) 鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

6) 利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，带入下式算出超调量：

?%?Ymax?Y??100% Y?2. 峰值时间TP与调节时间TS的测量

利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值(TP)与从零到达95%稳态值所需的时间值(TS)，便可得到TP与TS。

改变R1和R2的值，可得实验所需的阻尼比；改变R和C可得不同的自然频率?。 五、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路。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 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

4.在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应], 鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。

5.根据表格参数，测量阶跃响应时不同?和ωn的系统性能指标，并与理论值比较。

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六、实验报告

1.根据二阶系统的模拟电路图，绘制其系统结构图。

2.把不同?和?n条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果，讨论典型二阶系统性能指标与ζ，ωn的关系。

3.画出系统响应曲线，再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。 七、预习要求

1. 阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。

2. 按实验中二阶系统的给定参数，计算出不同ζ、ωn下的性能指标的理论值。 实验结果 参数 R1=100K σ% tp（ms） ts（ms） 阶跃响应曲线 R2=0K R =100K C =1μf R1=100K R2=50K R1=100K R2=100K R1=50K R2=200K R=100K C=0.1μf

R1= 100K R2=100K R1=50K R2=200K - 15 -

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实验三 控制系统的稳定性分析

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．EL-AT-II型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3-1

图3-1 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.连接被测量典型环节的模拟电路。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 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

4.在实验课题下拉菜单中选择实验三[控制系统的稳定性分析], 鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。其中设置输入信源电压U1=1V,点击确认观察波形。

5.取R3的值为50K?，100K?，200K?，此时相应的K=10K1=5，10，20。

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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K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K值，并观察U2的输出波形。

6.在步骤5条件下，使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况。改变电路中的电容C由1?f变成0.1?f，重复实验步骤4观察系统稳定性的变化。

7.将实验结果记录于下表中 五、实验报告

1．绘制模拟电路图的系统结构图。 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，并与步骤5中测得的临界放大系数相比

较。

六、预习要求

1． 分析实验系统电路，掌握其工作原理。

2．理论计算系统产生等幅振荡、增幅振荡、减幅振荡的条件。 参数 R3=50K K=5 C=1uf R3=100K K=10 R3=200K K=20 R3=50K K=5 C=0.1uf R3=100K K=10 R3=200K K=20

系统响应曲线 - 17 -

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实验四 系统频率特性测量

一、实验目的

1．加深了解系统及元件频率特性的物理概念。 2．掌握系统及元件频率特性的测量方法。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 3．双踪示波器一台 三、实验原理

频率特性的测量方法：

（1）将正弦信号发生器、被测系统和示波器按图4-1连接起来。将示波器X和Y

○ ○ ○AD1 DA1 ○ 被测系统 AD/DA卡 AD/DA卡

○ ○ ○ ○ 图4-1 频率特性测量电路

轴的输入选择开关，均打在“DC”输入状态，并调整X和Y轴的位移，使光点处于萤光屏上的坐标原点上。

（2）选定信号发生器的频率，调节其输出衰减，使被测系统在避免饱和的情况下，输出幅度尽可能大。然后调节示波器的X和Y轴输入幅值选择开关，使在所取信号幅度下，图象尽可能达到满刻度。

（3）根据萤光屏上的刻度及输入幅值选择开关指示的伏/格数，算出2Xm、2Yn 及2ym，并进一步计算幅值比和相位差。

为读数方便，可将示波器X轴输入X-Y开关打在工作状态，使光点在荧光屏上只作垂直运动，此时可方便地读出2ym。同理，也可方便地读出2Xm。

四、实验内容

1． 模拟电路图及系统结构图分别如图4-2和图4-3。

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图4-2 系统模拟电路图

图 4-3 系统结构图

2．系统传递函数

取R3=500k?，则系统传递函数为

?(s)?U2(s)500 ?2U1(s)s?10s?500若输入信号U1（t）=U1sin?t,则在稳态时，其输出信号为

u2(t)?U2sin(?t??)

改变输入信号角频率?值，便可测得二组U2/U1和?随?变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。 五、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路。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 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

4.测频率图

a) 选中 [实验课题→系统频率特性测量→手动方式] 菜单项,鼠标单

击将弹出参数设置窗口。参数设置完成后点确认等待观察波形，如图4－4所示。 5.测波特图

a) 在测量波特图的过程中首先应选择 [实验课题→系统频率特性测

量→自动方式→数据采集] 采集信息。如图4－5所示

b) 待数据采样结束后点击 [实验课题→系统频率特性测量→自动方

式→波特图观测] 即可以在显示区内显示出所测量的波特图。

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图4－4 手动方式测量波特图 图4－5 数据采集

6.测奈氏图

1. 在测量波特图的过程中首先应选择 [实验课题→系统频率特性测量→自动方式→数据采集] 采集信息。

2. 待数据采样结束后点击 [实验课题→系统频率特性测量→自动方式→奈氏图观测] 即可以在显示区内显示出所测量的奈氏图。

3. 按下表所列频率，测量各点频率特性的实测值并计算相应的理论值。

F (Hz) ω(rad/s) 理论值 L(ω) φ(ω) 2Xm 2yo 实测值 2ym L (ω) φ(ω) 六、实验报告

1. 画出被测系统的结构和模拟电路图。

2. 画出被测系统的开环L （ω）曲线与φ（ω）曲线。 3. 整理表中的实验数据，并算出理论值和实测值。 七、预习要求

1. 阅读实验原理部分，掌握李沙育图形法的基本原理及频率特性的测

量方法。

2. 画出被测系统的开环 L （ω）曲线与φ（ω）曲线。

3. 按表中给出格式选择几个频率点，算出各点频率特性的理论值。

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实验五 连续系统串联校正

一、实验目的

1. 加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。

2. 对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验内容

1．串联超前校正

（1）系统模拟电路图如图5-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对

应超前校正。

图5-1 超前校正电路图

（2）系统结构图如图5-2

图5-2 超前校正系统结构图

图中

?2?Gc??2(0.055s?1)

??0.005s?1 2．串联滞后校正

（1） 模拟电路图如图5-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞

后校正。

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图5-3 滞后校正模拟电路图

（2）系统结构图示如图5-4

图5-4 滞后系统结构图

图中

?10?Gc??10(s?1)

??11s?1 3．串联超前—滞后校正

（1） 模拟电路图如图5-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应

超前—滞后校正。

图5-5 超前—滞后校正模拟电路图

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（2） 系统结构图示如图5-6。

图5-6超前—滞后校正系统结构图

图中

?6?Gc??6(1.2s?1)(0.15s?1)

?(6s?1)(0.05s?1)?四、实验步骤

1.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3.超前校正

a) 连接被测量典型环节的模拟电路(图5-1)。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。

b) 开关s放在断开位置。

c) 选中 [实验课题→ 连续系统串联校正→超前校正] 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量?p和调节时间ts。

d) 开关s接通，重复步骤5,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中. 超前校正系统 指标 阶跃响应曲线 δ% Tp（秒） Ts（秒） 校正前 校正后 4. 滞后校正

a)连接被测量典型环节的模拟电路(图5-3)。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。

b)开关s放在断开位置。

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c)选中 [实验课题→ 连续系统串联校正→滞后校正] 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量?p和调节时间ts。

d)开关s接通，重复步骤9,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中. 滞后校正系统 指标 阶跃响应曲线 δ% Tp（秒） Ts（秒） 校正前 校正后 5.超前--滞后校正

a)连接被测量典型环节的模拟电路(图5-5)。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。

b)开关s放在断开位置。

c)选中 [实验课题→ 连续系统串联校正→超前滞后校正] 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。系统加入阶跃信号。参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量?p和调节时间ts。 d)开关s接通，重复步骤13,将两次所测的波形进行比较。并将测量结果记入下表中. 超前-滞后系统 指标 阶跃响应曲线 δ% Tp（秒） Ts（秒） 校正前 校正后 五、实验报告 1．计算串联校正装置的传递函数 Gc（s）和校正网络参数。

2．画出校正后系统的对数坐标图，并求出校正后系统的ω′c及ν′。 3．比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置的作用。

六、预习要求

1．阅读实验二的实验报告，明确校正前系统的ωc及ν。

2． 计算串联超前校正装置的传递函数 Gc（s）和校正网络参数，并求

出校正后系统的ω′c及ν′。

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实验六 数字PID控制

一、实验目的

1．研究PID控制器的参数对系统稳定性及过渡过程的影响。 2．研究采样周期T对系统特性的影响。 3．研究I型系统及系统的稳定误差。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验内容

1．系统结构图如6-1图。

图6-1 系统结构图

图中

Gc(s)?Kp(1?Ki?Kds)s1?e?Ts Gh(s)?s5??(0.5s?1)(0.1s?1)?Gp(s)??1???s(0.1s?1) 2．开环系统（被控制对象）的模拟电路图如图6-2和图6-3，其中图

6-2对应Gp1（s）,图6-3对应Gp2（s）。

图6-2 开环系统结构图1 图6-3开环系统结构图2

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3．被控对象为Gp1(s)时，采用PI控制或PID控制，可使系统变为“I型”系统，被控对象为Gp2（s）时，采用PI控制或PID控制可使系统变成“II型”系统。

4．当r（t）=1（t）时（实际是方波），研究其过渡过程。 5．PI调节器及PID调节器的增益 Gc(s)?Kp(1?KiTis?1)?K ss式中, K=KpKi , Ti=（1/Ki）

不难看出PI调结器的增益K=KpKi，因此在改变Ki时，同时改变了闭环增益K，如果不想改变K,则应相应改变Kp。采用PID调节器相同。 6．“II型”系统要注意稳定性。对于Gp(s),若采用PI调节器控制，其开环传递函数为

G(s)?Gc(s)Gp(s)?KTis?11? ss(0.1s?1)为使用环系统稳定，应满足Ti>0.1，即Ki<10

7．PID递推算法

如果PID调节器输入信号为e(t)，其输送信号为u（t）,则离散的递推算法如下：

u(k)?u(k?1)?Ae(k)?Be(k?1)?Ce(k?2) 其中

?A?Kp(1?KiT?Kd/T)? T--采样周期 ?B??Kp(1?2Kd/T)?C?KpKd/T?四、实验步骤

1.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。

2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3.连接被测量典型环节的模拟电路(图6-2)。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。

4.在实验课题下拉菜单中选择实验六[数字PID控制], 鼠标单击实验课题将弹出实验课题参数设置窗口。

5.输入参数Kp, Ki, Kd（参考值Kp=1, Ki=0.02, kd=1）。

6.参数设置完成点击确认后观察响应曲线。若不满意，改变Kp, Ki, Kd

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的数值和与其相对应的性能指标?p、ts的数值。 7.取满意的Kp,Ki,Kd值，观查有无稳态误差。

8.断开电源，连接被测量典型环节的模拟电路(图6-3)。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。 9.重复4-7步骤。

10．计算Kp，Ki，Kd取不同的数值时对应的?p、ts的数值，测量系统的

阶跃响应曲线及时域性能指标，记入表中： 实验结果 参数 Kp Ki Kd δ% Tp 阶跃响应曲线 五、实验报告

1．画出所做实验的模拟电路图。

2．当被控对象为0型时，取过渡过程为最满意时的Kp, Ki, Kd,画出校

正后的Bode图，查出相稳定裕量?和穿越频率?c。

3．总结一种有效的选择Kp, Ki, Kd方法，以最快的速度获得满意的参

数。 六、预习要求

1． 熟悉PID控制器系统的组成。

2． 熟悉PID控制器的参数对系统稳定性的影响。

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实验七 采样定理实验

一、实验目的

1．了解采样过程和信号恢复过程。

2．了解采样器和零阶保持器的电路结构。 3．验证采样定理。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验内容

1．正弦信号通路及零阶保持器电路（图7-1）

图7-1

2．采样过程（图7-2）

图7-2

3．采样恢复（图7-3）

图7-3

4．验证采样定理 实验线路同采样恢复实验，改变采样频率，从1000Hz减小，取其值为500Hz,200Hz,100Hz,观察Xh(t)波形，对比输入信号频率与采样频率之间的关系。

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四、实验步骤

1. 启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

检测信息

3. 连接被测量典型环节的模拟电路(图7-1)。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。

4. 鼠标单击[实验课题→采样实验→检测信息]实验选项将弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认。屏幕显示区将显示正弦信号源波形。

? 采样过程

5. 连接被测量典型环节的模拟电路(图7-2)。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。

6. 鼠标单击[实验课题→采样实验→采样过程]实验选项将弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认。屏幕显示区 将显示采样的过程。

? 采样恢复

7. 连接被测量典型环节的模拟电路(图7-3和图7-4)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，输出Y1接A/D、D/A卡的AD1输入。输入U2接A/D、D/A卡的DA2输出, 输出Y2接A/D、D/A卡的AD2输入。检查无误后接通电源。

8. 鼠标单击[实验课题→采样实验→采样恢复]实验选项将弹出实验课题参数窗口。在

参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认。计算机完成采样，并由DA2输出到零阶保持器，进行采样恢复，恢复的波形由AD2采集并在显示区显示恢复的波形。

? 采样定理

9. 实验连线同采样恢复，检查无误后接通电源。

10. 鼠标单击[实验课题→采样实验→采样定理]实验选项将弹出实验课题参数窗口。在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认。

验证采样定理实验过程：设置采样频率为1KHz,500Hz,200Hz,100Hz,再查看零阶保持器恢复的波形，与源信号进行比较。 五、实验报告

1. 在同一坐标图上，画出X(t),Xh(t),Xh*(t)的波形图。 2. 讨论本实验是否符合香农采样定理。

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实验八 非线性实验

一、实验目的

1．了解非线性环节的特性。

2．掌握非线性环节的模拟结构。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验原理

1． 非线性特性的测量方法

非线性特性的测量线路如图8-1所示。三角波发生器的输出AD1接至被测非线性环节的输入端，而非线性环节的输出接至AD/DA卡的采集输入端DA1。这样运行软件，可以从软件界面上看到输入和输出波形。 ○ ○ ○ ○ 被测非线性环节 AD/DA卡 AD/DA卡 图8-1 非线性特性的测量电路

2． 三角波信号的产生

三角波信号如图8-2所示，是由软件编程后通过D/A转换后从DA1端输出，是一个周期从-5到+5V，然后从+5V到-5V变化的波形。 +5V

-5V

图8-2 三角波信号 四、实验内容

1.饱和特性、继电器特性和滞环继电器特性模拟电路及输出特性曲线。改变R1、R2、R3、R4的阻值，使a的值大于、等于、小于1，即可得到不同的模拟继电器特性。

2.死区特性模拟电路及输出特性曲线。改变R1、R2的阻值可改变死区宽度M。

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图8-3 非线性环节特性

图8-4 死区特性 五、实验步骤

1.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。

2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3.连接被测量典型环节的模拟电路。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。 5.鼠标单击 [实验课题→非线性实验] 将弹出参数设置窗口。

6.在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

7.观测显示的波形及数据（由实验报告确定），记入表中。 六．实验报告

1． 画出典型非线性环节的模拟电路图及实测特性曲线。 2． 调节电路参数，观测并讨论参数对非线性特性的影响。 七、预习要求

阅读实验原理及实验内容，掌握各种典型非线性环节特性的模拟方法和

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非线性特性曲线的测量方法。 参数 非线性环节 理想继电器特性 R1 饱和特性 死区特性 滞环特性 R2 R3 R4 特性曲线 理论值 实测值

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实验九 相轨迹观测实验

一、实验目的

1． 了解相平面法的基本概念。 2． 掌握相轨迹的绘制方法。

3． 掌握用相轨迹法分析阶跃信号响应。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验原理

相平面图表征系统在各种初始条件下的运动过程，相轨迹则表征系统在某个初始条件下的运动过程，相轨迹可用图解法求得，也可用实验法直接获得。当改变阶跃信号的幅值，即改变系统的初始条件时，便可获得一系列相轨迹。根据相轨迹的形状和位置就能分析系统的瞬态响应和稳态误差。

阶跃信号的饱和系统原理。 系统结构图如图9－1：

图9－1 系统结构图

系统模拟电路图如图9－2：

图9－2 相轨迹模拟电路图

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当D/A端输入阶跃信号时，通过A/D1和A/D2端分别做X轴和Y轴采集数据，描绘在显示屏上，即可得到系统的相轨迹图。 四、实验步骤

1.连接被测量环节的模拟电路。电路的输入R(S)接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出A/D-X接A/D、D/A卡的AD1输入A/D-Y接A/D、D/A卡的输入AD2。检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

4.在实验课题下拉菜单中选择实验十一[相轨迹观测], 鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。

5．设置参数后，点击确认观测相轨迹图。 五、实验报告

1． 计算系统的相轨迹点，并且和实验结果比较。 2． 利用图解法分析系统。 六、预习要求

1． 预习图解法分析非线性的方法。 2． 分析实验原理中的系统电路。

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实验十 状态反馈与状态观测器

一、实验目的

1．掌握状态反馈极点配置的设计方法。

2．研究不同极点配置对系统动态性能的影响。 3．掌握全维观测器的构成及设计方法。

4．研究观测器在状态反馈极点配置中的应用。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验内容

1． 被控对象模拟电路图如图10-1。

图10-1 被控对象模拟电路

2．系统数学模型

（1）被控对象传递函数为 Gp(s)?Y(s)U(s)?100s2?3.928s?103.57 （2）被控对象状态方程

??x??Ax?Buy?Cx ?式中

A???01???103.57?3.?B???0?928??1?? C=?100 0

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?

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3． 带有状态观测器的状况反馈系统方框图示于图10-2。

图10-2 系统方框图

图中

?G?eAT? T?AtH??edtB?0? K ?1×2维状态反馈系统矩阵，由计算机算出。

L ?2×1维观测器的反馈矩阵，由计算机算出。 Kr ?为使y(t)跟踪r(t)乘的比例系数，它由计算机自动地递推算出。 4．希望的系数极点（参考值）：S1,S2=-7.35±j7.5,它对应在Z平面上应为Z1,Z2=0.712±j0.22

5． 观测器极点参考值：Z1,Z2=0.1±j0

四、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路。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 [自动控制实验系统] 运行软件。 3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。 ? 阶跃响应

4.选择 [实验课题→状态反馈与状态观测器→阶跃响应] 菜单项。 5.鼠标单击[阶跃响应]菜单将弹出实验课题参数设置窗口。参数设置完成后点击确认等待观察波形。 ? 跟踪响应

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6.实验步骤5完成后选择 [实验课题→状态反馈与状态观测器→跟踪响应] 菜单项。鼠标单击该选项将弹出参数设置窗口。参数设置完毕后点击确认等待观察波形。

7.修改实验参数设置窗口中所用的参数值,观察波形的变化。

8.将实验内容中的参考值的实测阶跃响应曲线及性能指标记入下表中 [K1 K2] [0.712 0.22] 阶跃响应曲线y（t） tp σ% ts [ 0.1 0 ] 五、实验报告 1．画出上述两个状态反馈系统的结构图和模拟线路图。

2．计算这两个状态反馈系统的状态反馈阵K及相应的性能指标：tp、

σ% 和tp，并与实侧值进行比较，检验状态反馈极点配置是否达到了设计要求。

3．画出全维观测器和降维观测器状态反馈极点配置的结构图和模拟线

路图，画出这两个系统的实测阶跃响应曲线及实测性能指标 tp、σ% 和ts。

六、预习要求

1．阅读实验内容。

2．推导实验系统中的全维观测器方程。 3．计算两个状态反馈系统的状态反馈阵K及相应的性能指标：tp、ts 和σ%。

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实验十一 解耦控制实验

一、实验目的

1．掌握解耦控制的基本原理和实现方法。

2．学习利用模拟实验分析研究解耦控制的基本方法。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、实验内容

1．解藕前原系统结构图如图11-1所示，其被控对象为互相耦合的双输入双输出系统，U1（t）和U2（t）为控制量，Y1（t）和Y2（t）为输出量。

图11-1 原系统结构图

2． 解藕前原系统的模拟电路和结构图如图11-2和图11-3。

图11-2 原系统模拟电路图

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图11-3 原系统结构图

3．开环解耦控制方框图如图11-4。

图11-4 开环解耦控制方框图

虚线框内系统由计算机软件编程实现。

4．闭环解耦PID方框图如图11-5，这个图是在开环解耦的基础上，构成反馈控制系统。

图11-5 闭环解耦PID方框图

虚线框内系统由计算机软件编程实现。

经PID校正之后，可形成二独立的闭环系统，PID参数的选择与单回路系统的选择方法相同。

为了检验系统是否解耦， 取DA1和DA2的阶跃输入信号都为1V。若将此二信号加入图11-1耦合系统，将会发现Y1(t)和Y2（t）的输出信号都为2V；若将此二信号加入图11-2开环解耦系统，会看到Y1(t)和Y2(t)的输出

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信号分别为1V和2V，但过渡过程还不算快；若将此二信号加入图11-5的PID解耦控制系统时，有反馈作用和PID作用，合理的选择PID参数，将会看到Y1(t)和Y(t)基本是1V和2V信号。 四、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路(图11-1)。电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，输出Y1接A/D、D/A卡的AD1输入。输入U2接A/D、D/A卡的DA2输出, 输出Y2接A/D、D/A卡的AD2输入。检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。

3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。 ? 开环实验

4.选中 [实验课题→解耦控制→开环实验] 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。参数设置完成后鼠标单击确认等待观察波形并将实验参数记入下表中。 ? 闭环实验

5.选中 [实验课题→解耦控制→闭环实验] 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。参数设置完成后鼠标单击确认等待观察波形并将实验参数记入下表中。 ? 耦合实验

6.选中 [实验课题→解耦控制→耦合实验] 菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。参数设置完成后鼠标单击确认等待观察波形并将实验参数记入下表中。 闭环实验 耦合实验 阶跃响应信号 开环实验 阶跃输入信号 Y1（t） Y2（t） Y1（t） Y2（t） Y1（t） Y2（t） X1（t）=1V X2（t）=1V X1（t）=1V X2（t）=2V 五、实验报告 1. 画出闭环解耦系统方框图。

2. 计算PID参数并与实验中调节的最后结果比较。 3. 叙述解耦控制的意义。 六、实验预习

1. 阅读实验内容。

2. 预习解藕控制的意义。

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实验十二 ITAE最优控制系统设计

一、实验目的

1．了解ITAE性能指标的一般描述及其标准化传递函数； 3． 掌握利用状态反馈实现模式匹配的基本设计方法。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、预备知识

ITAE性能指标的数学描述为：

0 （12－1）

其含义是：对误差（Error）的绝对值（Absolute value）乘以时间（Time）．．．

J??te?t?dt?min?进行积分（Integration）。 ．

对上式我们作如下物理解释：积分项中的t可以看作是误差绝对值|e(t)|的一个时变权系数，这个权系数随时间由0??变化。当控制系统开始运行时，系统的目标值与实际输出之间的误差较大，这时候权系数较小，即对|e(t)|的“重视”程度小。这符合一个实际物理系统的要求。但是随着时间的推移，我们要求|e(t)|能够很快收敛到0，这样系统就能实现稳态无静差。因此在系统运行的后期需要加大对|e(t)|的重视程度。时间t正好满足这种时变的权系数要求。

对于位移无静差系统来讲，满足ITAE性能指标的标准传递函数为：

w0???S??nn?1nn?1S??wS????wS?wn?10100

称上式为ITAE最佳位移无静差控制系统。该系统具有良好的过程（建议大

家利用Matlab仿真，观察其阶跃响应的调节时间和超调量；同时，了解其频域特性）。

表12－1 位移无静差ITAE最佳控制系统系数阵?i

nn 2 3 4 5 6 ?1 ?2 ?3 ?4 ?5 1.41 2.15 1.75 2.7 3.4 2.1 3.4 5.5 5.0 2.8 3.95 7.45 8.6 6.6 3.25 - 41 -

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四、实验内容及要求

利用实验装置搭建如下控制系统，将该系统（K1,K2,T1,T2自定）设计成ITAE三阶（即n=3）位移无静差最佳控制系统：

(1)、要求理论上推导Kc,K1,K2的表达式；

(2)、当w0取不同值时，观察y(t)的输出波形及系统的调节时间和超调量，并与仿真结果进行比较；

(3)、验证w0ts是否为常数。 K1 K2 图 12－1 系统结构方框图

五、思考题

1．式(12－1)中，除了用t作为权系数外，你还能提出哪些合适的权系数。

2．如果本次实验中的被控对象G?S??r(s) K K

Kc21y(s) ST1S?1T2S?1K1K2?的状态不能进行

T1S?1T2S?1物理上的提取，如何设计状态观测器进行状态重构并进行闭环系统的极点配置，将系统设计成一个最佳3阶ITAE控制系统。

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实验十三 非线形特性在系统校正中的应用

一、实验目的

1．深入理解稳定裕度的含义，学会利用Nyquist图定性分析被控对象

特性；

2．学习非线性特性在控制系统设计过程中的应用方法。 二、实验仪器

1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台 三、预备知识

1．Nyquist图与稳定裕度

Nyquist图又称极坐标图，反映的是动态过程的幅相频率特性，设系统结构如图(10-1)所示，则开环传递函数G(S)（以G(S)?K 为

S(T1S?1)(T2S?1)例）的Nyquist图如图(13-2)所示，图中实线为G(S)的幅相频率特性曲线，与负实轴的交点为Km，则闭环系统的幅值裕度为h=1/Km。设负实轴与单位圆交点的夹角为?m，则闭环系统的相角裕度为?=?m。

Km R(s) Y(s) G (S) ?m -1

图13—1 图13—2

2．描述函数

描述函数法是达尼尔（P.J.Daniel）于1940年首先提出的。基本思想是：当系统满足一定的假设条件时，系统中非线性环节在正弦信号作用下的输出可用一次谐波分量来近似，因此导出非线性环节的近似等效频率特性，即描述函数。

图13—3是一个含有继电器环节的非线性系统。继电器的描述函数为

N(A)?4M,由非线性系统的稳定性判据知，系统存在稳定的自振荡，在?ANyquist中，A点为稳定的振荡点。利用描述函数法，我们能近似地计算出线性环节与负实轴的交点及频率。

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M -M 图13—3 A

-1/ N (A) -1 图13—4

G(S) 四、实验内容及要求

1．利用实验装置搭建如图所示系统

Kc

G(S) M -M 图13—5

2．如何利用该系统设计比例控制器Kc，使得系统具有指定的幅值裕度？

五、思考题

1．如果将该系统中的继电器换成其它非线性环节行不行？为什么？ 2．如果控制器是PI或PID，如何设计控制器参数使得系统具有指定的幅值裕度或相位裕度。

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附录一 实验说明及参考答案

实验一 典型环节及其阶跃响应

一、实验说明

典型环节的概念对系统建模、分析和研究很有用，但应强调典型环节的数学模型都是对各种物理系统元、部件的机理和特性高度理想化以后的结果，重要的是，在一定的条件下，典型模型的确能在一定程度上忠实地描述那些元、部件物理过程的本质特征。

模拟典型环节是有条件的，即是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器：

1． 输入阻抗为∞，进入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零； 2． 电压增益为∞； 3． 通频带为∞；

4． 输入和输出之间呈线性； ? 在实际模拟环节注意

1． 实际运算放大器输出幅值受其电源限制是非线性的，实际运算放大

器是有惯性的；

2． 对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节，只

要控制了输入量的大小或是输入量施加的时间的长短（对积分或比例积分环节），不使其输出在工作期间内达到饱和，则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免。但对模拟比例微分环节和微分环节的影响则无法避免，其模拟输出只能达到有限的最高饱和值。 3． 实际运放有惯性，它对所有模拟惯性环节的暂态响应都有影响，但

情况又有较大的不同。

二、实验参考曲线

1． 比例环节 2. 惯性环节

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3．积分环节 4. 比例微分环节

实验二 二阶系统阶跃响应

实验数据表：

1． 取?n＝10rad/s，即令R＝100KΩ，C=1uf；分别取ζ＝0、0.25、0.5、

1，及取R1=100KΩ,R2分别等于0、50KΩ、100KΩ、200KΩ。 ζ 0 0.25 0.5 1 R2(KΩ) 0 50 100 200 Mp(理论值) 44.5％ 16.3％ Ts（理论值） 1.2 0.6 Mp（观测值） Ts（观测值） 2． 取?n＝100rad/s，即令R＝100KΩ，C=0.1uf；分别取ζ＝0、0.25、

0.5、1，及取R1=100KΩ,R2分别等于0、50KΩ、100KΩ、200KΩ。 3． 实验参考曲线如图所示（实验时每次只有一条曲线）

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实验三 控制系统的稳定性分析

一、 实验说明：

(1) 熟悉闭环系统稳定和不稳定现象，并加深理解线性系统稳定性只

与其结构和参量有关，而与外作用无关； (2) 劳斯稳定判据的应用；

(3) 了解系统开环增益与其时间常数的关系，进而理解人为地增大某

时间常数（使各时间常数在数值上错开）是提高系统临界开环增益地一种有效方法；

(4) 在实验中，要求实验前计算不同时间常数配合下的系统临界开环

增益，并与实验结果对比分析、讨论。 T=RC＝0.1，系统临界开环增益K=2, K=R3/R2, R2=100K, R3=200K (小于200K时系统稳定)

T=RC=0.01,系统临界开环增益K=11, K=R3/R2, R2=100K, R3=1120K (小于1100K系统稳定)

二、 实验参考：

调整电路中R3至系统响应呈等幅振荡，测量记录此时电阻数值。R3取临界值及临界值左右时的响应曲线如图：

系统临界值时的响应曲线 系统小于临界值时的响应曲线

系统大于临界值时的响应曲线

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实验四 系统频率特性测量

一、 实验说明

本实验原理是在被测对象的输入端加上正弦信号，待输出稳定后，在输出端可得到与输入端同濒率的正弦信号，但其幅值和相位与输入端信号不同。如果在足够的频率范围内测出输出信号与输入信号的幅值比和相角差，便可得到被测对象的频率特性，进一步可确定被测对象的参数。 二、 实验观测参考：

1． 单个频率点的响应波形的手动测量观测，如图所示：

2． 单个频率点的响应波形的自动测量观测，如图所示：

3．波特图 4.奈氏图

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实验五 连续系统串联校正

实验说明：

1．串联超前校正：实质是利用相位超前，通过选择适当参数使出现最大超

前角时的频率接近系统幅值穿越频率，从而有效地增加系统地相角裕度，提高系统的相对稳定性。当系统有满意的稳态性能而动态响应不符合要求时，可采用超前校正。

超前校正前系统响应曲线 超前校正后系统响应曲线

2．串联滞后校正：利用校正后系统幅值穿越频率左移，如果使校正环节的

最大滞后相角的频率远离校正后的幅值穿越频率而处于相当低的频率上，就可以使校正环节的相位滞后对相角裕度的影响尽可能小。特别当系统满足静态要求，不满足幅值裕度和相角裕度，而且相频特性在幅值穿越频率附近相位变化明显时，采用滞后校正能够收到较好的效果。

滞后校正前系统响应曲线 滞后校正后系统响应曲线

3．串联超前－滞后校正：如果单用超前校正相角不够大，不足以使相角裕

度满足要求，而单用滞后校正幅值穿越频率又太小，保证不了响应速度时，则需用超前－滞后校正。

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自动控制理论实验指导书 .

超前－滞后校正前系统响应曲线 超前－滞后校正后系统响应曲线 说明：实验前，应要求学生用频率法分析实验中校正前后系统的参数变化。

实验六 数字PID控制

一、 实验说明：

比例－积分（PI）控制规律：它的作用相当于在系统中增加了一个开环极点和开环零点。位于原点的极点可提高系统的稳态性能，而增加的零点则可缓和和极点对系统稳定性产生的不利影响。

比例－积分－微分（PID）控制规律：它的作用与PI控制器相比，除了同样具有提高系统稳态性能的优点外，由于系统多一个负实部零点，还对提高系统的动态性能又更大的优越性。

工程设计中有许多中方法，如对于一个特定的被控对象，在纯比例控制的作用下改变比例系数可求出产生临界振荡的振荡周期Tu和临界比例系数Ku。

根据Ziegler－Nichols条件有T=0.1Tu；Ti=0.125Tu。

从而根据性能要求调节参数。工程方法有很多，此处不再一一介绍。 二、实验参考（每次实验只有一条曲线）：

K、P、I参数不同时的各种响应曲线：

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