自動控制原理實驗

1、1,1,自動控制原理實驗,（一）,2,自動控制原理是研究自動控制系統(tǒng)共同規(guī)律的一門學科，是分析、設計和研究自動控制系統(tǒng)的理論基礎。因此，自動控制原理是一門理論性強，其中許多內容實踐性又較強，具有一定的實際工程背景的課程，也比較難“教”與難“學”。,一、實驗目的,3,3,自動控制原理實驗是自動控制原理課程教學的一個組成部分。通過一定量的實驗教學可使學生進一步了解和掌握自動控制原理的基本概念、控制系統(tǒng)分析和設計的方法，有助于加深對抽象理論

2、教育內容的理解 。,,一、實驗目的,4,4,自動控制原理是通過研究控制系統(tǒng)的數學模型實現對控制系統(tǒng)共同規(guī)律的研究。理論教學方法：在經典控制理論教學中，對控制系統(tǒng)分析和綜合，一般先依據一定的數學知識和相關的學科知識，建立和確定（如隨動系統(tǒng)的數學模型）實際控制系統(tǒng)的數學模型，然后對數學模型進行分析和綜合。,,二、實驗方法,5,5,數學模型一般用微分方程來表示，由于微分方程求解比較復雜，因此常用拉氏變換將微分方程變?yōu)閭鬟f函數

3、，然后進行分析和求解。傳遞函數不僅可以表征系統(tǒng)性能，而且可以用來研究系統(tǒng)的結構參數對系統(tǒng)性能的影響 。從一定意義上來說，做實驗就是用實驗方法來求解系統(tǒng)的傳遞函數,對系統(tǒng)進行分析和綜合。,,二、實驗方法,6,6,在對控制系統(tǒng)分析、認識和綜合的實驗教學中，從分析思路來說是與理論教學相仿的。 一個實際的自動控制系統(tǒng)是由多種元器件相互有機連結組成的，牽涉到多門學科知識，而在學習自動控制原理時，有關實際控制系統(tǒng)的其它相關學科知

4、識還,二、實驗方法,7,7,沒有學或正在學，因此若用實際控制系統(tǒng)進行實驗教育，對分析和理解會帶來很大困難。因此，自動控制原理實驗一般是用仿真模擬方法進行的 。實驗教育方法：結合自動控制原理理論教學進程，用具體的物理裝置或計算機軟件構造或模擬一個系統(tǒng)，然后利用儀,,二、實驗方法,8,8,器儀表或軟件對系統(tǒng)輸入端加入不同的激勵信號（由信號發(fā)生器、計算機本身產生，如時域特性——階躍信號，頻率特性——正弦波信號），在系統(tǒng)的某

5、一環(huán)節(jié)或輸出端利用相應的測試儀器（如示波器、記錄儀、打印機等），觀測和記錄系統(tǒng)輸出響應曲線，用以分析,,二、實驗方法,9,9,系統(tǒng)的動態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，驗證和體會理論教學的內容。為了分析和研究系統(tǒng)的內部運動過程，先建立系統(tǒng)的模型，然后在模型上進行試驗分析，這一過程稱為仿真。在自動控制原理實驗中，仿真就是用物理模型或數學模型代替實際控制系統(tǒng)進行分析研究的過程。,,二、實驗方法,10,10,數學仿真：將實際系統(tǒng)運動規(guī)律用數

6、學方程（一組微分方程或分方程）來描述，然后用計算機求解數學方程的過程。數學仿真按所用計算機不同可分為三種：模擬仿真、數字仿真和混合仿真 。,,二、實驗方法,11,11,模擬機仿真在數字計算機發(fā)展起來之前用得很廣泛。目前在國內高校，模擬機仍是自動控制原理實驗教育的主要實驗裝置之一。模擬機是以運算放大器為基本運算部件的模擬計算裝置，其工作原理，簡而言,,二、實驗方法,12,12,三、模擬仿真方法,之，就是運算放大器的工作

7、原理，而運算放大器的工作原理已在“模擬電子技術”課中學過。這里僅是拿來應用而已。運算放大器是一種高增益、低漂移的直流放大器，有一個輸出端、一個同相輸入端和一個反相輸入端。,,13,13,由于同相放大電路會出現共模電壓，易于導致運算誤差，因此，模擬機一般是運用運算放大器的反相工作狀態(tài)。運算放大器反相工作的輸入電壓Ui與輸出電壓Uo關系式和電路圖：,,三、模擬仿真方法,14,三、模擬仿真方法,15,圖中的 Z 1、Z2

8、表示由R、C構成的復數阻抗，Z 1、Z2取不同的復數阻抗，可以實現不同的數學運算。例如，若圖中的 Z 1取R，Z2取C，則構成,三、模擬仿真方法,16,16,積分電路；若Z 1取R1，Z2取R2 和C，則構成慣性電路。運放和不同復數阻抗的組合，就可以構成“加法 （比例）電路”、“積分電路”、“慣性電路”等。這些“加法（比例）電路”、“積分電路”和“慣性電路”等，在控制理論中被統(tǒng)稱為典型環(huán)節(jié)。,三、模擬仿真方法,17,

9、17,一個線性控制系統(tǒng)可以用一個n階微分方程來表示，而一個n階微分方程可由若干個典型環(huán)節(jié)組成。運放電路可以模擬各種典型環(huán)節(jié)，將若干個典型環(huán)節(jié)有機組合就可以模擬一個線性控制系統(tǒng)。由于運放工作于反相工作狀態(tài)的緣故，進行系統(tǒng)（典型環(huán)節(jié)）模擬時須注意“負號”的影響。,三、模擬仿真方法,18,18,控制系統(tǒng)（典型環(huán)節(jié)）的模擬方法：傳遞函數模擬法：根據系統(tǒng)（典型環(huán)節(jié)）傳遞函數進行模擬。微分方程模擬法：根據系統(tǒng)（典型環(huán)節(jié)）的微分方

10、程進行模擬；控制系統(tǒng)一般多用傳遞函數表示，所以傳遞函數模擬法相對用得比較多。,三、模擬仿真方法,19,19,任何模擬仿真只能進行數值運算，故對傳遞函數應給予具體的數值方可進行。例如: 不可以模擬； 可以模擬。,三、模擬仿真方法,20,三、模擬仿真方法,根據模擬機具體配置的電阻、電容和所