自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)

1、1,1,自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn),（一）,2,自動(dòng)控制原理是研究自動(dòng)控制系統(tǒng)共同規(guī)律的一門學(xué)科，是分析、設(shè)計(jì)和研究自動(dòng)控制系統(tǒng)的理論基礎(chǔ)。因此，自動(dòng)控制原理是一門理論性強(qiáng)，其中許多內(nèi)容實(shí)踐性又較強(qiáng)，具有一定的實(shí)際工程背景的課程，也比較難“教”與難“學(xué)”。,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?3,3,自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)是自動(dòng)控制原理課程教學(xué)的一個(gè)組成部分。通過一定量的實(shí)驗(yàn)教學(xué)可使學(xué)生進(jìn)一步了解和掌握自動(dòng)控制原理的基本概念、控制系統(tǒng)分析和設(shè)計(jì)的方法，有助于加深對(duì)抽象理論

2、教育內(nèi)容的理解 。,,一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?4,4,自動(dòng)控制原理是通過研究控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型實(shí)現(xiàn)對(duì)控制系統(tǒng)共同規(guī)律的研究。理論教學(xué)方法：在經(jīng)典控制理論教學(xué)中，對(duì)控制系統(tǒng)分析和綜合，一般先依據(jù)一定的數(shù)學(xué)知識(shí)和相關(guān)的學(xué)科知識(shí)，建立和確定（如隨動(dòng)系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型）實(shí)際控制系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型，然后對(duì)數(shù)學(xué)模型進(jìn)行分析和綜合。,,二、實(shí)驗(yàn)方法,5,5,數(shù)學(xué)模型一般用微分方程來表示，由于微分方程求解比較復(fù)雜，因此常用拉氏變換將微分方程變?yōu)閭鬟f函數(shù)

3、，然后進(jìn)行分析和求解。傳遞函數(shù)不僅可以表征系統(tǒng)性能，而且可以用來研究系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響 。從一定意義上來說，做實(shí)驗(yàn)就是用實(shí)驗(yàn)方法來求解系統(tǒng)的傳遞函數(shù),對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行分析和綜合。,,二、實(shí)驗(yàn)方法,6,6,在對(duì)控制系統(tǒng)分析、認(rèn)識(shí)和綜合的實(shí)驗(yàn)教學(xué)中，從分析思路來說是與理論教學(xué)相仿的。 一個(gè)實(shí)際的自動(dòng)控制系統(tǒng)是由多種元器件相互有機(jī)連結(jié)組成的，牽涉到多門學(xué)科知識(shí)，而在學(xué)習(xí)自動(dòng)控制原理時(shí)，有關(guān)實(shí)際控制系統(tǒng)的其它相關(guān)學(xué)科知

4、識(shí)還,二、實(shí)驗(yàn)方法,7,7,沒有學(xué)或正在學(xué)，因此若用實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)教育，對(duì)分析和理解會(huì)帶來很大困難。因此，自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)一般是用仿真模擬方法進(jìn)行的 。實(shí)驗(yàn)教育方法：結(jié)合自動(dòng)控制原理理論教學(xué)進(jìn)程，用具體的物理裝置或計(jì)算機(jī)軟件構(gòu)造或模擬一個(gè)系統(tǒng)，然后利用儀,,二、實(shí)驗(yàn)方法,8,8,器儀表或軟件對(duì)系統(tǒng)輸入端加入不同的激勵(lì)信號(hào)（由信號(hào)發(fā)生器、計(jì)算機(jī)本身產(chǎn)生，如時(shí)域特性——階躍信號(hào)，頻率特性——正弦波信號(hào)），在系統(tǒng)的某

5、一環(huán)節(jié)或輸出端利用相應(yīng)的測(cè)試儀器（如示波器、記錄儀、打印機(jī)等），觀測(cè)和記錄系統(tǒng)輸出響應(yīng)曲線，用以分析,,二、實(shí)驗(yàn)方法,9,9,系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性和穩(wěn)態(tài)特性，驗(yàn)證和體會(huì)理論教學(xué)的內(nèi)容。為了分析和研究系統(tǒng)的內(nèi)部運(yùn)動(dòng)過程，先建立系統(tǒng)的模型，然后在模型上進(jìn)行試驗(yàn)分析，這一過程稱為仿真。在自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)中，仿真就是用物理模型或數(shù)學(xué)模型代替實(shí)際控制系統(tǒng)進(jìn)行分析研究的過程。,,二、實(shí)驗(yàn)方法,10,10,數(shù)學(xué)仿真：將實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)規(guī)律用數(shù)

6、學(xué)方程（一組微分方程或分方程）來描述，然后用計(jì)算機(jī)求解數(shù)學(xué)方程的過程。數(shù)學(xué)仿真按所用計(jì)算機(jī)不同可分為三種：模擬仿真、數(shù)字仿真和混合仿真 。,,二、實(shí)驗(yàn)方法,11,11,模擬機(jī)仿真在數(shù)字計(jì)算機(jī)發(fā)展起來之前用得很廣泛。目前在國(guó)內(nèi)高校，模擬機(jī)仍是自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)教育的主要實(shí)驗(yàn)裝置之一。模擬機(jī)是以運(yùn)算放大器為基本運(yùn)算部件的模擬計(jì)算裝置，其工作原理，簡(jiǎn)而言,,二、實(shí)驗(yàn)方法,12,12,三、模擬仿真方法,之，就是運(yùn)算放大器的工作

7、原理，而運(yùn)算放大器的工作原理已在“模擬電子技術(shù)”課中學(xué)過。這里僅是拿來應(yīng)用而已。運(yùn)算放大器是一種高增益、低漂移的直流放大器，有一個(gè)輸出端、一個(gè)同相輸入端和一個(gè)反相輸入端。,,13,13,由于同相放大電路會(huì)出現(xiàn)共模電壓，易于導(dǎo)致運(yùn)算誤差，因此，模擬機(jī)一般是運(yùn)用運(yùn)算放大器的反相工作狀態(tài)。運(yùn)算放大器反相工作的輸入電壓Ui與輸出電壓Uo關(guān)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(gòu)成的復(fù)數(shù)阻抗，Z 1、Z2取不同的復(fù)數(shù)阻抗，可以實(shí)現(xiàn)不同的數(shù)學(xué)運(yùn)算。例如，若圖中的 Z 1取R，Z2取C，則構(gòu)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(gòu)成慣性電路。運(yùn)放和不同復(fù)數(shù)阻抗的組合，就可以構(gòu)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(gè)線性控制系統(tǒng)可以用一個(gè)n階微分方程來表示，而一個(gè)n階微分方程可由若干個(gè)典型環(huán)節(jié)組成。運(yùn)放電路可以模擬各種典型環(huán)節(jié)，將若干個(gè)典型環(huán)節(jié)有機(jī)組合就可以模擬一個(gè)線性控制系統(tǒng)。由于運(yùn)放工作于反相工作狀態(tài)的緣故，進(jìn)行系統(tǒng)（典型環(huán)節(jié)）模擬時(shí)須注意“負(fù)號(hào)”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(shù)模擬法：根據(jù)系統(tǒng)（典型環(huán)節(jié)）傳遞函數(shù)進(jìn)行模擬。微分方程模擬法：根據(jù)系統(tǒng)（典型環(huán)節(jié)）的微分方

10、程進(jìn)行模擬；控制系統(tǒng)一般多用傳遞函數(shù)表示，所以傳遞函數(shù)模擬法相對(duì)用得比較多。,三、模擬仿真方法,19,19,任何模擬仿真只能進(jìn)行數(shù)值運(yùn)算，故對(duì)傳遞函數(shù)應(yīng)給予具體的數(shù)值方可進(jìn)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(jù)模擬機(jī)具體配置的電阻、電容和所