1、1,1,自动控制原理实验,（一）,2,自动控制原理是研究自动控制系统共同规律的一门学科，是分析、设计和研究自动控制系统的理论基础。因此，自动控制原理是一门理论性强，其中许多内容实践性又较强，具有一定的实际工程背景的课程，也比较难“教”与难“学”。,一、实验目的,3,3,自动控制原理实验是自动控制原理课程教学的一个组成部分。通过一定量的实验教学可使学生进一步了解和掌握自动控制原理的基本概念、控制系统分析和设计的方法，有助于加深对抽象理论教育内容的理解 。,一、实验目的,4,4,自动控制原理是通过研究控制系统的数学模型实现对控制系统共同规律的研究。理论教学方法：在经典控制理论教学中，对控制系统分析
2、和综合，一般先依据一定的数学知识和相关的学科知识，建立和确定（如随动系统的数学模型）实际控制系统的数学模型，然后对数学模型进行分析和综合。,二、实验方法,5,5,数学模型一般用微分方程来表示，由于微分方程求解比较复杂，因此常用拉氏变换将微分方程变为传递函数，然后进行分析和求解。传递函数不仅可以表征系统性能，而且可以用来研究系统的结构参数对系统性能的影响 。从一定意义上来说，做实验就是用实验方法来求解系统的传递函数,对系统进行分析和综合。,二、实验方法,6,6,在对控制系统分析、认识和综合的实验教学中，从分析思路来说是与理论教学相仿的。 一个实际的自动控制系统是由多种元器件相互有机连结组成的，牵
3、涉到多门学科知识，而在学习自动控制原理时，有关实际控制系统的其它相关学科知识还,二、实验方法,7,7,没有学或正在学，因此若用实际控制系统进行实验教育，对分析和理解会带来很大困难。因此，自动控制原理实验一般是用仿真模拟方法进行的 。实验教育方法：结合自动控制原理理论教学进程，用具体的物理装置或计算机软件构造或模拟一个系统，然后利用仪,二、实验方法,8,8,器仪表或软件对系统输入端加入不同的激励信号（由信号发生器、计算机本身产生，如时域特性阶跃信号，频率特性正弦波信号），在系统的某一环节或输出端利用相应的测试仪器（如示波器、记录仪、打印机等），观测和记录系统输出响应曲线，用以分析,二、实验方法,
4、9,9,系统的动态特性和稳态特性，验证和体会理论教学的内容。为了分析和研究系统的内部运动过程，先建立系统的模型，然后在模型上进行试验分析，这一过程称为仿真。在自动控制原理实验中，仿真就是用物理模型或数学模型代替实际控制系统进行分析研究的过程。,二、实验方法,10,10,数学仿真：将实际系统运动规律用数学方程（一组微分方程或分方程）来描述，然后用计算机求解数学方程的过程。数学仿真按所用计算机不同可分为三种：模拟仿真、数字仿真和混合仿真 。,二、实验方法,11,11,模拟机仿真在数字计算机发展起来之前用得很广泛。目前在国内高校，模拟机仍是自动控制原理实验教育的主要实验装置之一。模拟机是以运算放大器
5、为基本运算部件的模拟计算装置，其工作原理，简而言,二、实验方法,12,12,三、模拟仿真方法,之，就是运算放大器的工作原理，而运算放大器的工作原理已在“模拟电子技术”课中学过。这里仅是拿来应用而已。运算放大器是一种高增益、低漂移的直流放大器，有一个输出端、一个同相输入端和一个反相输入端。,13,13,由于同相放大电路会出现共模电压，易于导致运算误差，因此，模拟机一般是运用运算放大器的反相工作状态。运算放大器反相工作的输入电压Ui与输出电压Uo关系式和电路图：,三、模拟仿真方法,14,三、模拟仿真方法,15,图中的 Z 1、Z2表示由R、C构成的复数阻抗，Z 1、Z2取不同的复数阻抗，可以实现不
6、同的数学运算。例如，若图中的 Z 1取R，Z2取C，则构成,三、模拟仿真方法,16,16,积分电路；若Z 1取R1，Z2取R2 和C，则构成惯性电路。运放和不同复数阻抗的组合，就可以构成“加法 （比例）电路”、“积分电路”、“惯性电路”等。这些“加法（比例）电路”、“积分电路”和“惯性电路”等，在控制理论中被统称为典型环节。,三、模拟仿真方法,17,17,一个线性控制系统可以用一个n阶微分方程来表示，而一个n阶微分方程可由若干个典型环节组成。运放电路可以模拟各种典型环节，将若干个典型环节有机组合就可以模拟一个线性控制系统。由于运放工作于反相工作状态的缘故，进行系统（典型环节）模拟时须注意“负号
7、”的影响。,三、模拟仿真方法,18,18,控制系统（典型环节）的模拟方法：传递函数模拟法：根据系统（典型环节）传递函数进行模拟。微分方程模拟法：根据系统（典型环节）的微分方程进行模拟；控制系统一般多用传递函数表示，所以传递函数模拟法相对用得比较多。,三、模拟仿真方法,19,19,任何模拟仿真只能进行数值运算，故对传递函数应给予具体的数值方可进行。例如: 不可以模拟； 可以模拟。,三、模拟仿真方法,20,三、模拟仿真方法,根据模拟机具体配置的电阻、电容和所模拟系统参数，作适当的选择和配置。用模拟机模拟控制系统时，由于运放工作于反相工作状态，所以任一闭合回路所用运放都必须是奇数个，方能满足系统负反馈工作条件。,21,自动控制原理实验室,22,模拟仿真实验所用实验仪器:控制理论实验平台；慢扫描示波器；数字万用表。,
