自动控制原理实验讲义修改稿

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1、自动控制原理实验讲义北京信息科技大学自编实验讲义控制理论实验指导书许晓飞吴细宝编著自动化学院智能科学与技术系2011年1月40自动控制原理实验讲义前言一、自动控制理论的发展与现状自动控制理论是研究自动控制共同规律的技术学科，它的发展可以追述到十七世纪，那时人们就在水轮的转动、风车的转速上开始采用自动控制技术。特别是在1784年，瓦特蒸汽机的发明，成为世界上非常瞩目的成就，人们逐步认识到控制动力学的问题，并寻找其自动控制的实现方法及理论研究应用于生产实际。二战期间，为了设计和制造飞机和船用自动驾驶仪、火炮方位系统、雷达跟踪系统，进一步促进并完善了自动控制理论的发展。到战后

2、，已形成了一套完整的自动控制理论体系。它主要是以传递函数为基础，从时域、频域两个方面研究系统的稳定性、稳定的范围和条件，例如常用的劳斯稳定判据、奈奎斯特准则、根轨迹和Bode图等。从研究系统的动态特行中，研究系统稳定所需要的条件和拟采取的措施，如串联系统的校正、PID控制器的校正，这些方法主要用于研究系统单输入—单输出线性定常系统的分析和设计。到本世纪四十年代，对非线性控制系统的研究已取得了明显的进展，主要的研究方法有：相平面法、描述函数法、李亚普诺夫方法等。通常，可把自动控制系统分为线性系统和非线性系统两大类，对于一个系统，若存在一个非线性环节或一个非线性元件，则这个

3、系统就是非线性系统。精确的分析结果表明，所有的系统都是非线性的，而线性系统则是一种简化或近似，因此，在实际应用中，非线性系统本身愈来愈多的成为人们所关心的问题，尤其是某些非线性系统所具有的独特性质，如自激振荡、跳越现象、区域稳定、非线性补偿等，使得非线性系统在工程范围中的应用有所推广，并日益为各学科所重视。近年来，随着计算机的不断发展，自动控制理论也跨入了一个飞速发展的新阶段，如人造卫星的控制、宇宙飞行器的控制、机器人的控制等都是采用控制思想与计算机技术相结合的方法，同时，现代科学技术的突飞猛进，也对自动控制的精度提出了更高的要求。二、自动控制理论实验的任务   自动控

4、制理论实验是自动控制理论课的一部分，任务是：通过实验进一步了解和掌握控制理论的基本概念、控制系统的分析和设计方法；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及水平。三、自动控制理论实验装置简介自动控制理论原理实验是在具体的实际系统上进行的，纯模拟实验系统的最基本组成部分包括信号发生装置、控制对象、放大环节、执行环节和测量环节，为了改善系统的性能，还需有校正环节，对于闭环系统要有反馈环节。其框图如下：40自动控制原理实验讲义信号发生装置被控对象测量校正环节放大环节执行环节反馈环节其中：信号发生装置是根据不同需求产生的激励信号，如阶跃、方波、三角波、正弦波

5、等；被控对象有一阶、二阶和高阶系统，由电阻、电容、电感和放大器组成；校正环节分为有源校正、无源校正、数字校正和非线性校正，其作用是使系统达到稳定或满足给定的性能指标；放大环节有电压放大和功率放大两种，一般采用晶体管放大器和集成运放放大器；执行环节有交、直流伺服电动机、液压马达等，其作用是操纵控制对象中执行机构工作；测量环节由仪表、示波器、计算机等。反馈环节有位置反馈、速度反馈及加速度反馈。为了达到与生产实际相结合的目的，在实验手段和实验方法上不断改进和提高，目前，有关自动控制理论模拟实验在国内高校大多采用模拟仿真实验系统。本系统以计算机为主体，利用计算机速度快、实时性强

6、、控制精度高、存储量大、控制算法灵活等优点，把模拟信号由模数转换采集到计算机，或把计算机与被控对象构成闭环系统，让计算机完成信号输出、数据处理、系统控制、显示和绘图的任务，取代了原有的信号发生器、示波器，既提高了精度，又节约了设备购置费用。新型实验系统结构图为：板上装有6个运算放大器，与电阻、电容相配合，可以构成多种特性的被控对象；在计算机机箱内，插有A/D、D/A接口板，它起模拟信号与数字信号的转换作用；可根据软件产生不同的信号（阶跃、三角、正弦），直流稳压电源为+12V、-12V，为模拟电路供电；打印机可以把有关的信号及图形记录下来，不过在一般情况下，做实验时并不连

7、接打印机，需要时再连接。这样，一套实验设备可以构成一个自动控制元件，也可以构成一个自动控制系统，并对其特性进行测量。所有的自动控制理论课实验都可在这套装置上完成的。40自动控制原理实验讲义目录1、一阶系统的阶跃响应……………………………………52、二阶系统的阶跃响应……………………………………93、控制系统的稳定性分析…………………………………134、系统频率特性测量………………………………………155、连续系统串联校正………………………………………196、数字校正…………………………………………………247、状态反馈与状态观测器…………