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自动控制原理和智能控制实验指导书电气电子信息工程系自动化教研室目录第1篇 自动控制原理模拟实验 1实验一控制系统典型环节的模拟 1实验二一阶系统的时域响应及参数测定 5实验三 二阶系统的瞬态响应分析 7实验四 三阶系统的瞬态响应及稳定性分析 9实验五 PID控制器的动态特性 11实验六 控制系统的动态校正 13实验七 典型环节频率特性的测试 17实验八 线性系统频率特性的测试 21第2篇自动控制原理 MATLAB仿真实验 24实验一典型环节的 MATLAB 仿真 24实验二 线性系统时域响应分析 27实验三 线性系统的根轨迹 33实验四 线性系统的频域分析 37实验五 线性系统串联校正 41实验六 数字PID控制 47第3篇智能控制一模糊控制 51实验一认识实验 51实验二模糊逻辑工具箱的使用 52实验三 模糊PD控制器设计 53实验四 模糊PID控制器设计 55第4篇 智能控制二 神经网络 59实验一 BP神经网络设计 59实验二 基于BP神经网络自整定 PID控制 60第1篇自动控制原理模拟实验实验一控制系统典型环节的模拟、实验目的(1) 熟悉超低频扫描示波器的使用方法。

2) 掌握用运放组成控制系统典型环节的模拟电路3) 测量典型环节的阶跃响应曲线4) 通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响序号型 号备 注1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块2DJK15控制理论实验或DJK16控制理论实验3双踪慢扫描示波器或数子示波器4万用表、实验所需挂件及附件三、实验线路及原理以运算放大器为核心元件， 由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节， 如图1-1所示图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由 R、C构成基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流， 则由图1-1得：-u Z2(1)由上式可求得，由下列模拟电路组成的典型环节的传递 函数及其单位阶跃响应1) 比例环节图1-1运放的反馈连接比例环节的模拟电路如图 1-2所示：G(s^Z^ =820K =2乙 41OKR|=41OK接示菠器Ua图1-2 比例环节(2) 惯性环节惯性环节的模拟电路如图1-3所示取参考值R1=1OOK R2=100K C=1uFRa / Cs〜、Z2 R2+1/CS R2 1 KG(s) 2 2 2乙 R R RzCs+1 Ts+1,Ui=-lV接示彼器0r惯性环节11(3)Ts图IUi-lVUo接示液器线图如图及阶跃响(4)C图1-5次分环节的接线图单位阶跃响应如图(5)波器01RCsC=1uF图1-31RCs其中K(3)积分环节1-5所示。

环节(4)比例微分(PD比例微分环节(6)振荡环节振荡环节的原理框图、接线图及单位阶跃响应波形分别如图1-4积分环节1-7、1-8 所示R2(R1Cs 1)二 K(Tds 1)R1其中 K =R2. R1, T2 二R2C参考值 R1=100K, Rz=200K, C=0.1uF的接应如图_ R2 1/Cs _(R2Cs 1) R2—R1 RCs R1.1 丄1)=K(1+=)T2S= R2.；R, Td = RC参考值 R=200K, R=410K, C=0.1uF] ♦比例微分环节Z2 R2G(s)=h^7CTR1+1/CSZ2G(s)：Z1R2 (1 -R1 R2Cslui=-iv RlZ2 1/ CsG (s)-Z1 R式中积分时间常数 T=RC取参考值R=200KL 1—1 HrRz JA-+—1I+接示图1-6 比例积分环节1图1-8 振荡环节接线图图1-8为振荡环节的模拟线路图，它是由惯性环节，积分环节和一个反号器组成根据它们的 传递函数，可以画出图 1-7所示的方框图，图中 K T二RG，T2 =R3C2由图1-7可求得系统的开环传递函数为G(s)=srU其中K =K1 /T，则KUi(s) T1s2 s KUo(s)K/Ti■n2s2 s/T1 K/T1£ , 2 筑 1欲使图1-8为振荡环节， 应呈振荡衰减形式。

四、实验内容(1) 分别画出比例、惯性、须调整参数 K和T1,使0< <1,呈欠阻尼状态即环节的单位阶跃响(2) 按下列各典型环节的传递函数, 形① 比例环节积分、微分和振荡环节的模拟电路图调节相应的模拟电路的参数，观察并记录其单位阶跃响应波② 积分环节 G③ 比例微分环节④ 惯性环节 G⑤ 比例积分环节(PI)i(S)=1 和 G(S)=2i(S)=1/S 和 Ga(S)=1/ ( 0.5S)i(S)=2+S 和 Q(S)=1+2S1(S)=1/(S+1)和 G(S)=1/(0.5S+1)G (S) =1+1/S 和 G (S) =2 (1 + 1/2S)⑥震汤环节G（S）,s2 s K100.1s2 s 10五、 思考题(1) 用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？(2) 积分环节和惯性环节主要差别是什么 ？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节什么条件下，又可以视为比例环节？(3) 如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？六、 实验报告(1) 画出六种典型环节的实验电路图，并注明相应的参数2) 画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。

3) 写出实验的心得和体会七、 注意事项(1) 输入的单位阶跃信号取自实验箱中的函数信号发生器2) 电子电路中的电阻取千欧，电容为微法实验二 一阶系统的时域响应及参数测定一、 实验目的(1) 观察一阶系统在单位阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应⑵ 根据一阶系统的单位阶跃响应曲线确定系统的时间常数二、 实验所需挂件及附件三、实验线路及原理图2-1为一阶系统的模拟电路图由该图可知io=i1-i2 ，所以Ui Uo Uo LU _Ro Ro 1/ Cs R)U01/Cs根据上式，画出图 2-2其中T=R0C由图2-2得：所示的方框图,图2-1 一阶系统模拟电路图Uo(s) _ 1Ui(s) ~Ts 1令 Ui(t) =1(t),即Ui(s)=1/s ,1U°(s)= 1则系统的输出为Ui1)_ ATSs(Ts 1) s s 1/T图2-2 一阶系统原理框图序号型 号备注1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块2DJK15控制理论实验或DJK16控制理论实验3双踪慢扫描示波器或数子示波器4万用表(1)t =T时，c(T) =1 -e丄=0.632这表示当c(T)上升T,根据这个原理，由图2-3可测得一阶1,因而该系统的跟踪阶跃输入的稳态误差图2-3为一阶系统的单位阶跃响应曲线取拉式逆变换，得uo(t) =1 -e"图2-3为一阶系统的单位阶跃响应曲线，当到稳定值的63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数 系统的时间常数 T。

由上式(1)可知，系统的稳态值为 ess — 01/T当 Ui(s)"s2 则，U0(s"E=S^T—S S 1/T1所以U0(t) =t -T Te7这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入， 但有稳态误差存在，其误差的大小为系统的时间常数 To四、思考题(1) 一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜坡输入的稳态误差为 T？(2) 一阶系统的单位斜坡响应能否由其单位阶跃响应求得？试说明之五、实验方法(1) 根据图2-1所示的模拟电路，调整 R)和C的值，使时间常数 T=1S和T=0.1S2) u i(t)=1V时，观察并记录一阶系统的时间常数 T分别为1S和0.1S时的单位阶跃响应曲线并标注时间坐标轴3) 当ui (t)=t时，观察并记录一阶系统时间常数 T为1S和0.1S时的响应曲线，其中斜坡信号可以通过实验箱中的三角波信号获得，或者把单位阶跃信号通过一个积分器获得六、实验报告(1) 根据实验，画出一阶系统的时间常数 T=1S时的单位阶跃响应曲线，并由实测的曲线求得时间常数 T2) 观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由图确定跟踪误差 ess，这一误差值和由终值定理求得的值是否相等？分析产生误差的原因。

实验三 二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的(1) 熟悉二阶模拟系统的组成⑵研究二阶系统分别工作在 £=1，0＜匕＜1，和E ＞ 1三种状态下的单位阶跃响应3) 增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量 ；丁、峰值时间tp和调整时间ts4) 观测系统在不同 K值时跟踪斜坡输入的稳态误差实验所需挂件及附件序号型 号备注1DJK01电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块2DJK15控制理论实验或DJK16控制理论实验3双踪慢扫描示波器或数子示波器4万用表三、实验线路及原理图3-1二阶系统的模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反号器组成图3-1二阶系统的模拟电路图3-2为图3-1的原理方框图，图中 K=R2/R1, T1=R2C1，T2=R3C2°图3-2二阶系统原理框图由图3-2求得二阶系统的闭环传递函数为：Uo(s) K K/TT2一 2 — 2Ui(s) TT2s T2s K s T1s K /TT2而二阶系统标准传递函数为G(s)二s2 2 'n^ - '2n对比式⑴和式(2),得n = K TT2 , 1T2 4hK若令 匚=0.2s, T2 =0.5s ,贝"n =*0K ,「=(0.625 K3 n和阻尼比•的值，而且还可以得到调节开环增益 K值，不仅能改变系统无阻尼自然振荡频率过阻尼(>1)、临界阻尼(=1)和欠阻尼(<1 )三种情况下的阶跃响应曲线。

1) 当K> 0.625，0 :：: ' :：: 1,系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为:%(t) =1一，1 2 e'"sin(①dt+tg，式中COd =心』一孑图3-3为二阶系统在欠阻尼。