自动控制理论(甲)实验.doc

《自动控制理论(甲)实验.doc》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在行业资料-天天文库。

1、控制理论（甲）吴越韩涛2011年9月目录绪论1第一部分模拟实验部分3实验一典型环节的电路模拟11实验二二阶系统的瞬态响应17实验三高阶系统的瞬态响应和稳定性分析21实验四系统频率特性的测量23实验五线性定常系统的串联校正29实验六随动系统特性实验35实验七单容水箱液位定值控制系统49实验八双容水箱液位串级控制系统53第二部分MATLAB仿真实验部分57实验九控制系统的模型转换83实验十控制系统的时域分析85实验十一控制系统的频域分析87实验十二控制系统的根轨迹分析89实验十三控制系统的极点配置91绪论自动控制技术在电

2、力、机械、石油、化工、生物医学、交通运输、航空航天、制导等工程领域中有着广泛的应用。主要有两种分析方法，一种是传统的经典控制理论，主要用于分析和处理单输入单输出的对象问题，通常采用频率法或根轨迹法作为主要的分析手段；另一种是上世纪50年代发展起来的研究系统状态运动的理论，即现代控制理论，主要适用于处理多变量系统、时变系统等方面问题，也可以根据所要求的各种性能指标，选用最恰当的控制规律，设计出最优化的系统。控制理论所要分析解决的最基本的三个问题：首先是要考虑系统的稳定性，这是衡量一个系统能否适用于实际生产的前提。当一个

3、系统受到扰动时，它的被控制量虽然偏离了原有平衡状态，但当扰动消失后，经过一段时间，若系统仍能恢复到原有的平衡状态，则这个系统是稳定的。在遇到实际系统时不仅要求能够稳定，还保有一定的稳定裕量。这样就能保证系统内部参数有所偏离或是初始条件以及工作环境有所改变时，仍能正常工作；其次，在稳态的情况下，还需要考虑系统的准确度(或称稳态精度)。这指的是在系统完成调整调整过程后，输出量与参考输入量之间的偏差。这也是衡量系统性能的重要参数。偏差越小，表示系统的输出跟随参考输入的精度越高。在我们的实验当中，采用的是比较容易生成的阶跃、

4、斜坡或抛物线这几个典型输入信号；在考虑了系统的稳态特性后，有时还需考虑系统的动态性能指标，主要分为时域性能指标和频域性能指标两类。根据被控对象的不同，各种系统对上述三方面性能要求的侧重点也有所不同。例如随动系统对响应速度和稳态精度的要求较高，而恒值控制系统一般侧重于稳定性能和抗扰动的能力。在同一个系统中，三方面的性能要求又通常是相互制约的。我们在实验中采用的方法主要有两种：一种是在真实系统上进行，另一种是在模型上进行。对于比较简单的被控对象，可以在实际系统上进行试验和调整，可以获得较好的性能指标。但在大多数情况下，被

5、控对象情况比较复杂的，且有可能已实际投入使用，因而我们不能在实际系统上进行实验，而只能建立相应的数学模型来进行研究，仿真成功后才应用到实际系统中去。建模大致可分为两类，一是建立物理模型，二是建立数字仿真。比较而言，物理仿真较为直观，就是建立尺寸或容量缩放了的原系统模型，模型的各变量与实际系统的完全一致。它的缺点是需要耗费长时间进行组装调试等工作，且仿真系统有造价、损耗等，成本较高。后期还需要进行大量的实验来完成数据采集和处理方面的工作。数字仿真则基本克服了这方面的问题，它将被研究对象的运动规律描述为数学方程，这样对系

6、统进行研究就被简化为了用计算机解数学方程。同时，它可以方便地用于模拟各种物理性质各异的控制系统因而它比物理仿真更具有良好的适应性。这里所讲述的控制理论实验分为两大部分：1.物理仿真部分本实验采用的硬件为天煌THBDC-2型控制理论实验平台以及THBSD-1型直流随动系统实验装置。在实验设置上既有利用运算放大器的基本特性，设置不同的输入网络和反馈网络来模拟各典型环节和控制系统，并对控制系统进行各种仿真研究的实验，又有对实际被控对象进行控制、分析的随动系统实验。2.数字仿真部分主要包括基于MATLAB语言的控制系统分析、

7、设计及Simulink仿真。第一部分模拟实验部分实验平台综述本实验采用的是THBDC-2型控制理论·计算机控制技术实验平台。它的硬件部分主要由直流稳压电源、低频函数信号发生器、阶跃信号发生器、低频频率计、交/直流数字电压表、数据采集接口单元、通用单元电路、电位器组等单元组成。其面板图如图1所示。直流稳压电源用于给实验平台提供电源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保护自恢复功能。控制理论实验主要用到±5V和±15V电源。低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围

8、电路组合而成，主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为T1、T2、T3、T4四档。对应的正弦信号的频率范围分别为0.1Hz～3.3Hz、2.5Hz～86.4Hz、49.8Hz～1.7KHz、700Hz～10KHz四档，Vp-p值为14V。锁零按钮用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效