信阳师范大学：《电工电子》课程教学资源（实验讲义，打印版）《自动控制理论》实验指导书（共十一个实验）

自动控制原理指导书 信阳师范学院 物理电子工程学院

自动控制实验指导书 前言 自动控制原理是自动化、自动控制、电子电气技术等专业教学中的一门重要专业基 础课程。它可以处理时变、非线性以及多输入、多输出等复杂的控制系统等问题，本套 ELATⅢ型自动控制实验系统克服了以前做自动控制理论实验时，连线复杂，连接不稳 定的缺点，通过对单元电路的灵活组合，可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系 统。可以使学生把主要精力集中在系统电路和系统特性的研究上。 本系统采用DA/AD卡通过USB口和计算机连接实现信号源信号的输出和系统响应 信号的采集，采集后的信号通过计算机显示屏显示，省去了外接信号源和示波器测量相 应信号的麻烦。EL-ATⅢ型自动控制实验系统支持自动控制理论课的所有实验，通过这 套仪器可使学生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设 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和水平。 本书分为三章，第一章为EL-ATIⅢ型实验箱硬件资源，主要介绍实验箱的硬件组成 和系统单元电路。第二章为系统集成操作软件，主要介绍系统软件的安装，操作以及计 算机和实验箱的通讯设置。第三章为实验系统部分，主要介绍各个实验的电路组成，实 验原理和实验步骤。 对参加实验学生有以下几点要求： 1.爱护实验设备、遵守实验室规定。 2.阅读实验指导书、复习与实验有关的理论知识、明确每次实验的目的，了解实 验内容和方法 3.按实验指导书要求进行接线和操作，经检查后再通电。 4.在实验中注意观察、记录有关数据和图像，并由指导教师复查记录后才能结束 实验。自带U盘将各自实验的输出结果拷贝回去整理在报告中。 5.实验后应断电、整理实验台、填写实验记录本，恢复到实验前的情况。 6.认真写实验报告，按规定格式做出图表、曲线、并分析实验结果。字迹要清楚， 结论要明确。实验报告封皮采用“自控控制原理实验报告”，写上学生姓名、班级、专 业等，将所有的6个实验的报告整理后按顺序装订成册在实验结束后一周统一上交。 1154

自动控制实验指导书 目 录 第一章硬件资源 第二章软件使用 8 第三章实验系统部分1 实验一典型环节及其阶跃响应. .2 实验二二阶系统阶跃响应15 √实验三控制系统的稳定性分析… 20 实验四系统须率特性测量23 √实验五连续系统串联校正…27 实验六数字PD控制32 实验七状态反馈与状态观测器35 实验八解耦控制… 38 √实验九采样实验… .42 √实验十非线性实验 ..45 实验十一相轨迹实验52 2154

自动控制实验指导书 第一章硬件资源 EL-ATⅢ型实验系统主要由计算机、ADDA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、系统挖 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 ADDA卡 实验箱电路 图1实验系统构成 实验箱面板如图2： 8 8888888 块 86o0 。° 888 电源 oiio ofo ofio ofo oio ofo ⊙H9⊙H9⊙9 http://www.techshine.com 达盛科拉 http://www.techshine.com oio 。 ⊙io 99 9 9 5 90 图2实验箱面板 3154

自动控制实验指导书 下面主要介绍实验箱的构成： 一、系统电源 ELAT-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，其主要技术 性能指标为： 1.输入电压：AC220V 2.输出电压/电流：+12V70.5A,-12V/0.5A,+5V/2A 3.输出功率：22W 4.工作环境：-5℃~+40℃ 二、AD/DA采集卡 ADDA采集卡如图3采用EZUSB2131芯片做为主控芯片，负责数据采集和USB通 信，用EPM7128作为SPI总线转换，AD为TL1570I其采样位数为12位，采样率为10KHz DA为MAX5159转换位数为12位，转换速率为10K。ADDA采集卡有两路输出(DA1 DA2)和两路输入(AD1、AD2),其输入和输出电压均为一5V~+5V。 图3AD/DA采集卡 三、实验箱面板 实验箱面板布局如图4。 4154

自动控制实验指导书 AD/DA卡 电源摸块 实验模块1 实验模块2 输入输出 模块 模拟开关 二极管区 EL-CAT-III 电阻、电容、二极管区 实验模块3 实验模块4 变阻箱、变容箱模块 实验模块5 实验模块8 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U八741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。 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.ADDA卡输入输出模块 该区域是引出ADDA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ADDA卡进行 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 5154

自动控制实验指导书 +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“十”、“一” 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。 6154

自动控制实验指导书 第二章软件使用 一、软件启动 1.软件启动 在Windows桌面上或“开始一程序"中双击“快捷方式到Cybernation A.exe快捷方 式，便可启动软件如图15 2.实验前计算机与实验箱的连接 用实验箱自带的USB线将实验箱后面的USB口与计算机的USB口连接，启动 Cybernation A”软件。 3.软件使用说明 本套软件界面共分为三个组画面 A.软件说明和实验指导书画面（如图15）。 B.数据采集显示画面（如图16）。 @自动控制理论实验系统 口回☒ 实验项目〖F1】:■ 一工具按钮：国园因 软件使用指南 ☆工具栏按钮： 1. 点击〖或按F1】可以选择实验项目作为当前实验项目，系 统在指导书窗口显示相应的实验指导书，在实验进行过程 中处手禁止状态 2.回 点击【或按F2】切换回指导书“窗口。 8.回 点击【或按F3】切换到示波器“窗口。 4. 点击【或按F4】切换到频率特性窗口. 5.0 点击【或按℉5】开始/放弃当前实验顶目，在没有选择任 何实验项目的时候为禁止状态。 6.y 点击【或按6】弹出关于“对话框，显示程序信息、版本 号和版权信息。 就绪 大写数字 图15 7154

自动控制实验指导书 ©自动控制理论实验系统 日▣☒ 实验项目〖F1〗： 可工具按钮：回园图⑦ 200400 600800100012001400160018002000 300g -300 -4000 -5000 X1= 0X2 2000X1-X21 20 Y1- 5000Y2 -5o00Y1-Y2 10 大写数字 图16 二、软件具体操作和功能 (一)工具栏按钮： 1. 点击〖或按F1】可以选择实验项目作为当前实验项目，系统在指导 书窗口显示相应的实验指导书，在实验进行过程中处于禁止状态。 2画 点击〖或按℉2】切换回"指导书"窗口。 3回 点击〖或按F3】切换到"示波器"窗口。 4因 占击〖成按F4习切换到"图形"窗口。 5 点击〖或按F5】开始/放弃当前实验项目，在没有选择任何实验项 目的时候为禁止状态。 6 点击【或按F6】弹出"关于"对话框，显示程序信息、版本号和版权信 息。 (二)示波器操作： 在国示波器窗口按下鼠标右使会弹出如固17所示的对话框 8/54

自动控制实验指导书 200 400 600 800 1000 1200 5000 300 打面问 3000 图17 1.测量在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择“测量”打开测量 游标（重复前述步骤隐藏测量游标），拖动任一游标到感兴趣的位置， 图表区下方会显示当前游标的位置和与同类的另一游标之间距离的 绝对值，如果想精确定位游标只需用鼠标左键单击相应的游标位置栏 并在编辑框中输入合法值回车即可。（系统自带两组游标） 2快照在"示波器"窗口单击鼠标右键，在弹出菜单中选择“快照”将当前图 像复制到剪贴板，以便粘贴到画图或其他图像编辑软件中编辑和保 存。 3打印目前尚不支持 4.线型在"示波器"窗口单击鼠标右健，在弹出菜单中可点击"直线”、"折线" 或"点线"来选择数据点和数据点之间的连接方式，体会各种连接方式 的差异。 5.配色用鼠标左键双击图表区除曲线之外的元素会弹出标准颜色对话框，用 户可以更改相应元素的颜色（比如将网格颜色改成与背景相同颜色）。 6缩放用鼠标左锭单击图表区刻度区的边界刻度并在编辑框中输入合法值 回车即可改变当前显示范围。 9154