自动控制原理王军

第一篇：自动控制原理王军

自动控制原理实验教案

王晓明

辽宁科技大学电信学院

实 验 要 求

1.实验预习： 实验前必须认真预习实验指导书及其相关的理论知识，作好充分准备。对于设计性实验和综合性实验，学生必须在实验前拿出设计方案，以其达到预期的目标，写出预习报告。让指导老师检查合格的方可进行实验。 2.实验进行： 学生进入实验室，要保持室内整洁安静。按照预习报告进行实验。实验中需要改接线的，应关掉电源后才能拆、接线。实验时应注意观察，若发现有异常现象，应立即关掉电源，保持现场并报告指导老师处理。

3.实验数据： 实验过程中应仔细观察实验现象，认真记录实验结果、数据、波形。所记录的实验结果经指导老师审阅后再拆除实验线路。

4.实验报告： 要求学生独立完成实验报告，不许抄袭或请人代劳。报告内容包括实验目的、实验设备、实验内容、实验电路图、实验数据及仿真曲线、实验思考题等。要求文字书写整齐清洁。

5.未尽事项由实验教师和认课教师协商决定。

目 录

实验一 线性定常系统的瞬态响应„„„„„„„„„„„„„„„„„3

1 实验二 控制系统稳定性分析„„„„„„„„„„„„„„„„„„„6 实验三 根轨迹法„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„10 实验四 典型环节和系统频率特性的测量„„„„„„„„„„„„„„13 实验五 串联校正环节的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„16 实验六 离散控制系统的设计„„„„„„„„„„„„„„„„„„„24 实验七 典型非线性环节的静态特性„„„„„„„„„„„„„„„„27 实验八 PID的控制作用„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„31 附 录 硬件的组成及原理„„„„„„„„„„„„„„„„„„„„33

实验一 线性定常系统的瞬态响应

一、实验目的

1、掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法;

2、研究线性定常系统的参数对其动态性能和稳定性的影响。

二、实验设备

1、THBCC-1型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件) USB通信线1根

3、MATLAB软件

4、万用表1只

三、实验内容

1、观测一阶、二阶系统的阶跃响应，并测出(或计算出)其上升时间、超调量和调节时间;

2、改变一阶系统的时间常数，测出(或计算出)其上升时间和调节时间;

13、调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比ζ=，测出(或计算出)

2此时系统的上升时间、超调量和调整时间;

4、二阶系统的开环增益K固定，调节二阶系统的时间常数，分别使二阶系统的ζ=0，0<ζ<1，ζ=1和ζ>1，测出(或计算出)此时系统的上升时间、超调量和调整时间。

四、实验原理

本实验是研究一阶、二阶系统的瞬态响应。

一阶系统(闭环)的传递函数为：

1 G(s)Ts

1图1-1一阶系统模拟电路图

K=R2=1 T=R2C R1=R2=100K C=10f R0=200K R1

3 改变R

2、R

1、C的值就可改变K、T的值。 二阶系统(单位反馈)的开环传递函数为：G(s)Ks(Ts1)

Wn2KC(S)1闭环传递函数：W(S)==2W== nT1T2RCR(S)S2WnSWn2

12T2R R=R1=R2=100K C=10f K1K22Rx图1-2 二阶系统方框图

图1-3 二阶系统模拟电路图

(a) 欠阻尼(0<<1) (b)临界阻尼(1) (c)过阻尼(1) 图1-4 二阶系统的动态响应曲线

五、实验步骤

根据上图，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。

1. n值一定时，图1-3中取C=1uF，R=100K(此时n10)，Rx阻值可调范围为0～470K。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同值时的实验曲线。

1.1当可调电位器RX=250K时，=0.2，系统处于欠阻尼状态，其超调量

4 为53%左右;

1.2若可调电位器RX=70.7K时，=0.707，系统处于欠阻尼状态，其超调量为4.3%左右;

1.3若可调电位器RX=50K时，=1，系统处于临界阻尼状态; 1.4若可调电位器RX=25K时，=2，系统处于过阻尼状态。

2. 值一定时，图1-3中取R=100K，RX=250K(此时=0.2)。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位软件观测并记录不同n值时的实验曲线。

2.1若取C=10uF时，n1 2.2若取C=0.1uF时，n100

六、实验报告要求

1、根据题目要求，画出一阶、二阶线性定常系统的实验电路图，写出它们的闭环传递函数，并标明电路中的各参数。

2、根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增益K和时间常数T对系统动态特性的影响。

3、设计一个一阶线性定常闭环系统，并根据系统的阶跃输入响应确定该系统的时间常数。

七、实验思考题

1、如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果?

2、在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈?

3、为什么本实验中一阶系统对阶跃输入信号的稳态误差不为零?二阶系统对阶跃输入信号的稳态误差都为零?

注意：Ui输入一个单位阶跃信号，用电压表调单位阶跃;地与稳压电源的地短接。输出可调电阻用面板上的可调电位器0-470K调节。点时间轴自动弹出时间轴放大按住鼠标左键向右移动可放大图象示波器，波形复制→WORD文档粘贴。

实验二

控制系统稳定性分析

一、实验目的

1、 通过观察三阶系统在单位阶跃信号作用下的动态特性，判断系统的稳定性，并定量了解放大倍数和时间常数对系统稳定性的影响。

2、 研究二阶欠阻尼系统的暂态特性。

3、研究测速反馈二阶系统的暂态特性。

4、 掌握MATLAB中SIMULINK 的使用方法。

二、实验设备

1、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、研究三阶系统参数对系统稳定性的影响。 连接系统, 如图所示:

2、研究二阶欠阻尼加零点系统的动态特性

连接系统，如图所示:

说明：在命令空间中plot(t,y)可实时记录曲线图，背景为白色。然后拷贝到word文档粘贴。To work 改成阵列形式。

Math operations(数学运算)：sources信号源clock时钟step阶跃sinks

6 接收器scope示波器gain增益sum 求和continuous连续transfer fan 分子分母形式的传函。加时钟t→y 表示点对点即一个时间严格y值，可在word文档中粘贴的，save format→array点阵形式。

3、掌握测速反馈对二阶系统动态性能的影响

连接系统, 如图所示:

旋转指令format可将方框图旋转，反馈回路接

四、实验原理

本实验是研究三阶系统稳定性问题和二阶系统的动态响应。 1. 三阶系统的开环传递函数为：G(s)K3K1K2

T1s1T2s1T3s1du和放大器，方向向左←。 dt研究改变放大系数和时间常数对系统稳定性的影响，最后得出放大系数和时间常数之间的关系。

Ts12.二阶系统的开环传递函数为：G(s)2，研究二阶系统加零点对系统

ss1性能的影响，特别是改变时间常数T对系统性能的影响。

K3.二阶系统速度反馈前，内环开环传递函数为：G(s)2，速度反馈环

sTsGf(s)K1s，节的传递函数为：研究速度反馈对二阶系统性能的影响，设K

1、T1，试确定0、0

1、1时，K1的取值范围。

五、实验步骤

1、利用MATLAB平台搭建一个单位反馈的三阶系统，其开环传递函数为：G(s)K3K1K2，固定K

1、K

2、K

3、T

1、T

2、T3六个参数中的五T1s1T2s1T3s1个参数，例如：K2=

2、K3=

3、T1=

2、T2=

5、T3=6，改变K1，当系统加阶跃输入时，观察输出波形，判断系统的稳定性。

2、利用MATLAB平台搭建一个单位反馈二阶欠阻尼加零点的系统，系统的开环传递函数为：G(s)Ts1，分别设定T0(无零点)和T0(有零点)时，2ss1观察其单位阶跃响应曲线，并计算其上升时间、超调量和调整时间。

3、利用MATLAB平台搭建一个带速度反馈的二阶系统，内环开环传递函数为：G(s)K，速度反馈环节的传递函数为：Gf(s)K1s，研究T

1、K1，s2Ts当改变K1数值时，观察其单位阶跃响应曲线，并计算其上升时间、超调量和调整时间。

六、实验报告要求

1、根据题目要求，利用MATLAB画出三阶系统和二阶系统加零点及二阶系统带速度反馈的系统图，并写出它们的闭环传递函数。

2、根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析三阶系统各环节开环增益K和时间常数T对系统稳定性的影响。

3、根据测得的系统单位阶跃响应曲线，比较二阶欠阻尼系统有零点和无零点的性能指标。

4、根据测得的系统单位阶跃响应曲线，比较二阶系统有速度反馈和无速度反馈的性能指标。

七、实验思考题

1、三阶系统稳定时，各环节放大倍数、时间常数的关系表达式?

2、二阶系统加零点对系统的动态性能有何影响?

3、二阶系统加速度反馈对系统的阻尼比有何影响?

实验三

根轨迹法

一、实验目的

1、 通过根轨迹图的绘制，对典型根轨迹图进行分析及利用根轨迹法对控制系

9 统稳定性进行分析。

2、 了解典型根轨迹图的绘制。

3、 掌握MATLAB中根轨迹图绘制方法。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件) 37针通信线1根

3、万用表1只

4、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、已知负反馈控制系统的开环传递函数为G(s)的根轨迹图。

2、已知单位反馈系统的开环传递函数为G(s)下列两种情形的根轨迹图。

 绘制负反馈控制系统的根轨迹图。  绘制正反馈控制系统的根轨迹图。

四、实验原理

1、利用改变系统的根轨迹放大倍数，研究系统闭环性能及系统闭环的稳定性。

2、绘制负反馈系统的根轨迹图。

3、绘制正反馈系统的根轨迹图。

4、研究改变根轨迹放大系数对系统性能指标的影响。

五、实验步骤

1、绘制系统的根轨迹图，程序代码如下：

>>den=conv([1，0]，conv([1 2.73]，[1 2 2]));分母多项式 G=tf(1，den); rlocus(G);画根轨迹

K，试作系统

s(s2.73)(s22s2)K(s2)，试画出2s(s4)(s8)(s2s5)axis([-4 2 –3 3]);估计根轨迹图的范围设定 set(findobj(‘marker’，‘x’)，‘markersize’，8); set(findobj(‘marker’，‘x’)，‘linewidth’，1.5); 运行该程序即可得到系统的根轨迹图。

2、绘制负反馈控制系统的根轨迹图，程序代码如下： >>num=[1 2];

den1=conv([1 0]，[1 4]); den2=conv([1 8]，[1 2 5]); den=conv(den1，den2); G=tf(num，den); rlocus(G);

axis([-14 6 -10 10]); title(‘单位负反馈系统根轨迹图’)

set(findobj(‘marker’，‘x’)，‘markersize’，8);X-点标志 set(findobj(‘marker’，‘x’)，‘linewidth’，1.5);

set(findobj(‘marker’，‘o’)，‘markersize’，8);O-零点标志set(findobj(‘marker’，‘o’)，‘linewidth’，1.5); 运行该程序即可得到负反馈系统的根轨迹图。

3、绘制正反馈控制系统的根轨迹图，程序代码如下： >>num=-[1 2] den1=conv([1 0]，[1 4]); den2=conv([1 8]，[1 2 5]); den=conv(den1，den2); G=tf(num，den); rlocus(G);

axis([-14 6 -10 10]); title(‘单位正反馈系统根轨迹图’);

set(findobj(‘marker’，‘x’)，‘markersize’，8);

set(findobj(‘marker’，‘x’)，‘linewidth’，1.5); set(findobj(‘marker’，‘o’)，‘markersize’，8); set(findobj(‘marker’，‘o’)，‘linewidth’，1.5); 运行该程序即可得到正反馈系统的根轨迹图。

六、实验报告要求

1、根据题目要求，编写出绘制各系统的根轨迹图的程序，并绘制各系统的根轨迹图。

2、研究系统临界稳定的条件。

七、实验思考题

1、如果根轨迹放大倍数过大，会对系统性能有那些影响?

2、在MATLAB系统图中，如何实现负反馈和正反馈?

4、如何根据系统主导极点的要求，来确定系统的根轨迹放大倍数?

5、如何根据系统的要求，确定系统的分离点和汇合点?

实验四 典型环节和系统频率特性的测量

一、实验目的

1、了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法;

2、根据实验求得的频率特性曲线求取传递函数。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件) USB通信线1根

3、万用表1只

4、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、惯性环节的频率特性测试;

2、二阶系统频率特性测试;

3、频率响应分析;

4、由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数;

5、用MATLAB软件仿真的方法，求取惯性环节和二阶系统的频率特性。

四、实验原理

设G(S)为一最小相位系统(环节)的传递函数。如在它的输入端施加一幅值为Xm、频率为的正弦信号，则系统的稳态输出为

yYmsin(t)XmG(j)sin(t) ① 由式①得出系统输出，输入信号的幅值比 YmXmG(j)G(j) ② XmXm显然，G(j)是输入X(t)频率的函数，故称其为幅频特性。如用db(分贝)表示幅频值的大小，则式②可改写为

L()20LgG(j)20lgYm ③ Xm在实验时，只需改变输入信号频率的大小(幅值不变)，就能测得相应输出信号的幅值Ym，代入上式，就可计算出该频率下的对数幅频值。根据实验作出被测系统(环节)的对数幅频曲线，就能对该系统(环节)的数学模型作出估计。

五、实验步骤

1、绘制一阶惯性环节的伯特图 G(s)= 程序代码如下：

1 4s113 》num=1; den=[4 1]; G=tf(num,den); bode(G,‘r’);

wn

22、绘制二阶惯性环节的伯特图 G(s)=22grid on;

,其中Wn=0.8，

s2w1，1.5，2 nw=0.1，0.5，n程序代码如下：

》W=logspace(-2，2，200); Wn=0.8;

for zeta=[0.1 0.5 1 1.5 2] G=tf([Wn* Wn],[Wn^2 2*zeta* Wn Wn* Wn]); bode(G,W); hold on; grid on; end

500(0.0167s1)

1、已知某系统的开环传函为G0(s)=

s(0.05s1)(0.0025s1)(0.001s1)

试绘制系统的伯特图，并求系统的相角稳定裕量和幅值稳定裕量。 绘制对数幅频特性图，程序代码如下： num=500*[0.0167 1]; den1=conv([1 0],[0.05 1]); den2=conv([0.0025 1],[0.001 1]); den=conv(den1,den2); G0=tf(num,den); W=logspace(0,4,50); bode(G0,w);

14 grid on; 确定系统的相角稳定裕量和幅值稳定裕量，程序代码如下： 》margin(G0) [Gm，Pm,Wcg,Wcp]=margin(Go)

六、实验报告要求

1、写出被测环节和系统的传递函数，绘出它们的Bode图。

2、用上位机实验时，根据由实验测得二阶闭环频率特性曲线，求出相应的参数。

七、实验思考题

1、在实验中如何选择输入正弦信号的幅值?

3、根据上位机测得的Bode图的幅频特性，就能确定系统(或环节)的相频特性，试问这在什么系统时才能实现?

实验五

串联校正环节的设计

一、实验目的

1.学习使用MATLAB绘制根轨迹和伯德图。

2.熟悉使用根轨迹法和频率特性法设计典型滞后环节。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件) 37针通信线1根

3、万用表1只

4、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、有一单位反馈系统，其开环传递函数为G(s)K，试用根

(s0.5)(s0.1)(s0.2)轨迹设计一个滞后校正环节，要求对应主导极点的ζ=0.5，K=10,以满足性能指标的要求。

2、有一单位反馈系统的开环传递函数为G(s)0.08K,试用频率特性法设计

s(s0.5)一个滞后校正环节，使得Kv≥4,相位裕量(c)500，超调量Mp≤30% 。

四、实验原理

1、利用MATLAB画出校正前系统的根轨迹图，求出当K?时，系统的主导极点，求出这时系统的阻尼比。根据题目要求，设计滞后校正环节参数，满足系统性能指标的要求。

2、利用MATLAB画出校正前系统的频率特性，求出这时系统的性能指标，根据题目要求，设计滞后校正环节参数，并利用MATLAB画出校正后系统的频率特性，满足系统性能指标的要求。

五、实验步骤

按实验内容讲法如下：

解：1. 校正前系统的根轨迹如下：

set(findobj(„marker‟,‟x‟),‟markersize‟,8) c=conv([1,0.5],[1,0.1])

set(findobj(„marker‟,‟x‟),‟linewidth‟,1.5) b=conv([c],[1,0.2])

存盘看跟轨迹，得如下图： num=[1] den=[b] h=tf(num,den)

16 rlocus(h) axis([-1.6 0.4 -1 1])

由图中可以看到：当0.5时，根轨迹放大倍数为K*0.0165 看根 format long g c=conv([1,0.5],[1,0.1]) b=conv([c],[1,0.2]) num=[1] den=[b] h=tf(num,den) %rlocus(h) %[r,k]=rlocus(num,den) [r]=rlocus(num,den,0.0165) 存盘看根 r = 这时，系统的三个根分别为：

Columns 1 through 2

-0.587389596777613

17 -0.106305201611194 +

0.183886011134289i

Column 3

-0.106305201611194

0.123167323703981i 0.556862874409537/0.0715685627952311=7.8>5

*0.0113 所以，两个共轭复根是主导极点，可以认为当根轨迹放大倍数为Kkp时，系统呈现二阶欠阻尼特性。且阻尼比等于0.5。

2. 1)原系统传递函数为：G0(s)0.08K0.08K0.16K s(s0.5)0.5s(s/0.51)s(s/0.51)KVlimsG0(s)limss0s00.16K0.16K

4所以K25

s(s/0.51)42 s(s/0.51)s(s0.5)所以原系统传递函数为：G0(s)画波特图程序： c=conv([1,0],[2,1]) num=[4] den=[c] G=tf(num,den) Bode(G,‟b‟)

b表示画出的线是兰色 grid on

画图以网格线出现 运行

φ(w)- 滞后角

在相频特性找-120度,f=0.29点

在幅频高度=21.5db处幅频折线要下移21.5db. 画出原系统对数渐进幅频特性曲线如下：

20 L -1 18 -2 ω 0.1 0.5 1.414 原系统传递函数为：G0(s)42 s(s/0.51)s(s0.5)2n与标准的传递函数比较G0(s)得到：n21.414 2n0.5

s(s2n)0.510.177由此得到相角裕度： 2n42214422arctan20.177140.177420.1772arctan0.3542000.9685arctan显然小于要求的相角裕度500 超调量：%e/12e0.56557%显然大于要求的30%。

原系统不满足要求。根据题目要求，采用滞后校正。

原系统的相角计算如下：

(c)900arctanc0.5

相位裕量1800(c)1800900arctan取相位裕量600

得到c0.29

c0.5

21

420lg13.822.8(dB) 0.2910.29所以20lg22.8由此得到：b0.0725

b411取0.1c20.029

由此得到：T476 0.002 1bTT校正后的系统的对数频率渐进曲线如下： 校正后系统的传递函数为： 在截止频率原系统的幅频为20lgG(s)4(bTs1)4(bTs1)4(34.5s1) s(s/0.51)(Ts1)s(s/0.51)(Ts1)s(s/0.51)(476s1)G(s)bTs134.5s1s/0.0291 G0(s)Ts1476s1s/0.00211由G(s)G0(s)Gc(s)得到Gc(s)画图程序如下：

num=4*[34.5 1] c=conv([1,0],[2,1]) den=conv([c],[476,1]) G=tf(num,den) Bode(G,‟b‟) L -1 22.8 18 -2 -2 -1 0.0021 0.029 0.1 0.29 0.5 -2 1.414 ω

校验校正后系统参数：

0.290.290.291800arctan900arctanarctan54.70

0.0290.00210.5因为校正后的系统为高阶系统，采用教材中220页公式(6-8)-(6-10)如下：

22 Mr

1 (6-8)

谐振峰 sinMr11.23 0sin54.71Mr1.8

(6-9) 0.160.4(Mr1)由公式(6-9)0.160.4(1.231)0.2520.

3 所以校正后系统满足指标要求

六、实验报告要求

1.对于根轨迹校正法，给出如下内容： (1)原系统的稳态速度误差系数KP (2)校正后的系统稳态速度误差系数Kp (3)校正环节的传函GC(S) 2.对于频率特性校正，给出如下内容： (1)新增益穿越频率Wc‟和a值 (2)原相位裕量Pm (3)校正环节的传函GC(S) 3. SIMULINK 搭建未校正系统的模块图，观察其超调量;校正好后，将校正环节串入原系统，观察其超调量。 写出实验体会并进行校正前后的比较。

七、写出设计性实验心得

23

实验六

离散控制系统的设计

一、实验目的

1、 使用MATLAB判断线性离散系统的稳定性。

2、 使用MATLAB进行线性离散系统的时域分析。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件) 37针通信线1根

3、万用表1只

4、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、给定系统传递函数为：

G(s)2 s2s试判断下列两种情形时系统的稳定性。 (1)采样时间T1s时; (2)采样时间T2s时。

2、设系统的传递函数为

Gp(s)10

(s1)(s2)采样时间分别为T0.5s,1s,1.5s,2s时，试分别绘制此系统的脉冲响应和单位阶跃响应。

四、实验原理

1、线性离散系统稳定的充要条件是：当所有的特征根的模都小于1时，系统稳定;如果模的值大于1时，系统不稳定。即i1(i=1,2,„,n)

2、采用单位脉冲和单位阶跃作为输入信号，研究线性离散系统的过渡过程。

五、实验步骤

1、 程序代码如下：

24 >>num=[2];

den=[1 1 0]; G=tf(num，den);

G1=c2d(G，1);

将连续系统模型转换成离散模型 G2=c2d(G，2);

将连续系统模型转换成离散模型

y1=G1.den{1}+[zeros(1，length(G1.den{1})- length(G1.num{1})) G1.num{1}]; y2=G2.den{1}+[zeros(1，length(G2.den{1})- length(G2.num{1})) G2.num{1}]; 带零阶保持器的分子与分母的维数(阶次)必须相同，上面语句表示分子与分母各项系数相加。 r1=roots(y1) r2=roots(y2)

运行该程序后，即可判断系统的稳定性。

2、

(1) 脉冲响应程序如下： >>num=[10];

den=conv([1 1]，[1 2]); G=tf(num，den); for T=0.5：0.5：2

Gd=c2d(G，T，‘tustin‟);

Dimpulse(Gd.num，Gd.den); hold on; impulse(G); end 运行该程序后，可得到单位脉冲响应曲线。 (2) 单位阶跃响应程序如下： >>num=[10];

25 den=conv([1 1]，[1 2]); G=tf(num，den); for T=0.5：0.5：2

Gd=c2d(G，T，‘tustin‟);

dstep(Gd.num，Gd.den); hold on; step(G); end 运行该程序后，可得到单位阶跃响应曲线。

六、实验报告要求

1、 编写判别线性离散系统稳定性、单位脉冲和单位阶跃响应的程序。

2、 绘制线性离散系统单位脉冲和单位阶跃响应曲线。

3、 分析采样时间对线性离散系统稳定性的影响。

4、分析采样时间对线性离散系统动态性能的影响。

5、结合实验中遇到的问题说出自己的看法和体会。

七、实验思考题

1、如果采样时间过大，会在实验中产生什么后果?

2、如何将连续系统模型转换为离散系统模型?

3、试比较连续系统的动态响应曲线和离散系统动态响应曲线的差别?

26

实验七 典型非线性环节的静态特性

一、实验目的

1、了解典型非线性环节输出——输入的静态特性;

2、掌握典型非线性环节电路模拟的研究方法。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件) 37针通信线1根

3、双踪慢扫描示波器1台(可选)

4、万用表1只

5、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、继电器型非线性环节静特性的电路模拟;

2、饱和型非线性环节静特性的电路模拟;

3、具有死区特性的非线性环节静特性的电路模拟;

4、具有间隙特性的非线性环节静特性的电路模拟。

四、实验原理

控制系统中元件的非线性有很多种，最常见的有饱和特性、死区特性、继电性特性和间隙特性，基于这些特性对系统的影响是各不相同的，因而了解它的输出-输入的静态特性将有助于对非线性系统的分析。

有关上述四种典型非线性元件的静态特性和模拟电路，请参见附录。

五、实验步骤

1、利用实验设备，设计并连接继电型非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试;当改变环节参数时，观测其对静态特性的影响。

2、用正弦信号测试继电型非线性环节的静态特性

1) 不用上位机时，把实验平台上的“低频函数信号发生器”单元的输出端与继电型非线性环节输入端相连，当“低频函数信号发生器”输出一个正弦信号(或周期斜坡信号，其频率一般均不超过10Hz)时，便可用示波器的X-Y显示模式观测该环节输入与输出的静态特性曲线。

27 2) 用上位机时，可利用上位机提供的“虚拟示波器”与“信号发生器”的功能测取继电型非线性环节的静态特性曲线。接线时把采集卡接口单元中输出端DA1与非线性环节的输入端相连(同时也与采集卡接口单元中的输入端AD2相连)，非线性环节的输出则与采集卡接口单元中的输入端AD1相连，并接好采集卡接口单元与PC上位机的并口通信线。待接线完成并检查无误后，在上位机启动“THBCC-1”软件，其具体操作步骤如下：

① 在用户“登录窗口”中输出自己的学号，并点击“登录”按钮进入软件主窗口。

② 点击工具栏上的“实验选择”按钮，选择相应的实验项目。

③ 点击 “通道设置”按钮，选择相应的数据采集通道，然后点击“开始采集”按钮，进行数据采集。

④ 点击“虚拟示波器”按钮，选择“X-Y”图显示模式，然后顺序点击“启动”、“开始”按钮。

⑤ 点击 “信号发生器”按钮，选择“正弦波信号(或周期斜坡信号，其频率一般为5Hz左右)”，并把幅值设为2V，然后点击“ON”按钮即可观测非线性环节的静态特性曲线。

⑥ 点击“暂停”及“存储”按钮”，保存实验波形。

1. 继电器型非线性环节

图7-1 继电型非线性环节模拟电路(电路单元：非线性单元和电位器组) 在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y(虚拟示波器上的Plot XY模式，本实验中其它部分相同)显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性M值的大小并记录。

1.1 当47K可调电位器调节至约1.8K(M=1)时; 1.2 当47K可调电位器调节至约3. 6K(M=2)时;

28 1.3 当47K可调电位器调节至约5.4K(M=3)时; 1.4 当47K可调电位器调节至约10K(M=6左右)时;

注：本实验中所采用的正弦波最好用实验台上的“低频函数信号发生器”提供。 2. 饱和型非线性环节

设计并连接饱和型非线性环节的模拟电路，完成该环节的静态特性测试;当改变环节参数时，观测其对静态特性的影响。具体步骤请参考本实验的实验步骤2。

图7-2 饱和型非线性环节模拟电路(电路单元：非线性单元和电位器组) 在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，频率为10Hz。将前一级运放中的电位器值调至10K (此时k=1)，然后在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性M和k值的大小并记录。

2.1 当后一级运放中的电位器值调至约1.8K(M=1)时; 2.2 当后一级运放中的电位器值调至约3.6K(M=2)时; 2.3 当后一级运放中的电位器值调至约5.4K(M=3)时; 2.4 当后一级运放中的电位器值调至约10K时;

注：为了更好的观察实验效果，“THBCC-1”软件的时基最好设为-10～+10或自动。 3. 死区特性非线性环节

设计并连接具有死区特性的非线性环节(可参考本实验附录的图6-3)的模拟电路，完成该环节的静态特性测试;当改变环节参数时，观测其对静态特性的影响。具体步骤请参考本实验的实验步骤2。

图7-3 死区特性非线性环节模拟电路(电路单元：非线性单元、反相器单元和电位器组)

在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，频率为10Hz。在

29 下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性uio和k值的大小并记录。

3.1调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K，R2=8.0K时; 3.2调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K时;

注：本实验的±E值也可采用±5V。

4. 具有间隙特性非线性环节

设计并连接具有间隙特性的非线性环节(可参考本实验附录的图6-4)的模拟电路，完成该环节的静态特性测试;当改变环节参数时，观测其对静态特性的影响。具体步骤请参考本实验的实验步骤2。

图7-4 间隙特性非线性环节模拟电路(电路单元：非线性单元、U

4、U9和电位器组) 在ui输入端输入一个低频率的正弦波，正弦波的Vp-p值大于12V，频率为10Hz。在下列几种情况下用示波器的X-Y显示方式(ui端接至示波器的第一通道，uo端接至示波器的第二通道)测量静态特性uio和k值的大小并记录。

4.1调节两个可变电位器，当两个R1=2.0K，R2=8.0K时; 4.2调节两个可变电位器，当两个R1=2.5K，R2=7.5K时;

注意由于元件(二极管、电阻等)参数数值的分散性，造成电路不对称，因而引起电容上电荷累积，影响实验结果，故每次实验启动前，需对电容进行短接放电。

注：本实验的±E值也可采用±5V。

5、点击“实验报告”，根据实验时存储的波形完成实验报告。

六、实验报告要求

1、画出各典型非线性环节的模拟电路图，并选择好参数。

2、根据实验，绘制相应的非线性环节的实际静态特性，与理想的静态特性相比较，并分析电路参数对特性曲线的影响?

七、实验思考题

1、带回环的继电器特性电路中，如何确定环宽电压?

2、模拟继电型电路的特性与理想特性有何不同?为什么?

3、饱和特性电路中的限幅网络改接在反馈回路，对特性有何影响?

30 实验八 PID的控制作用(设计性)

一、实验目的

1. 了解PID控制器中P，I，D三种基本控制作用对控制系统性能的影响。 2. 进行PID控制器参数工程整定技能训练。

二、实验设备

1、THBCC-1型信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台

2、PC机1台(含上位机软件) USB口通信线1根

4、万用表1只

5、PC机及MATLAB平台

三、实验内容

1、PID控制器的数学模型为：

GcKp{e1deedtT} dTidt

2、控制对象的数学模型为：

11.89sG(s)e

24s

13、使用Z-N法整定PID参数。

四、实验原理

1、利用PID控制器改善系统动态性能指标。

2、研究PID三个参数对系统性能的影响。

五、实验步骤

1、利用MATLAB搭建系统图(学生自己做);

2、令Ti、Td0，使用Z-N法确定PID参数，并求出系统的性能指标，即上升时间tr、最大超调量%和调节时间ts;

3、分别调整PID三个参数，观察系统性能指标的变化。

六、实验报告要求

1、使用MATLAB画出系统结构图;

2、根据实验，绘制等幅振荡曲线、按Z-N法整定PID参数时系统响应曲线;

31

3、编写求系统动态性能指标的程序;

4、求出系统性能指标最佳时PID的三个参数。

七、实验思考题

1、Kp过大和过小对系统动态性能有何影响?

2、Ti过大和过小对系统动态性能有何影响?

3、Td过大和过小对系统动态性能有何影响?

4、Td改进动态系统性能指标的原理。

32 附录

硬件的组成及使用

一、直流稳压电源

直流稳压电源主要用于给实验平台提供电源。有±5V/0.5A、±15V/0.5A及+24V/1.0A五路，每路均有短路保护自恢复功能。它们的开关分别由相关的钮子开关控制，并由相应发光二极管指示。其中+24V主用于温度控制单元和直流电机单元。

实验前，启动实验平台左侧的空气开关和实验台上的电源总开关。并根据需要将±5V、±15V、+24V钮子开关拔到“开”的位置。

实验时，通过2号连接导线将直流电压接到需要的位置。

二、低频函数信号发生器及锁零按钮

低频函数信号发生器由单片集成函数信号发生器专用芯片及外围电路组合而成，主要输出有正弦信号、三角波信号、方波信号、斜坡信号和抛物线信号。输出频率分为T

1、T

2、T

3、T4四档。其中正弦信号的频率范围分别为0.1Hz～3.3Hz、2.5Hz～86.4Hz、49.8Hz～1.7KHz、700Hz～10KHz三档，Vp-p值为16V。

使用时先将信号发生器单元的钮子开关拔到“开”的位置，并根据需要选择合适的波形及频率的档位，然后调节“频率调节”和“幅度调节”微调电位器，以得到所需要的频率和幅值，并通过2号连接导线将其接到需要的位置。

另外本单元还有一个锁零按钮，用于实验前运放单元中电容器的放电。当按下按钮时，通用单元中的场效应管处于短路状态，电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V;当按钮复位时，单元中的场效应管处于开路状态，此时可以开始实验。

三、阶跃信号发生器

阶跃信号发生器主要提供实验时的阶跃给定信号，其输出电压范围为-5～+5V，正负档连续可调。使用时根据需要可选择正输出或负输出，具体通过“阶跃信号发生器”单元的拔动开关来实现。当按下自锁按钮时，单元的输出端输出一个可调(选择正输出时，调RP1电位器;选择负输出时，调RP2电位器)的阶跃信号(当输出电压为1V时，即为单位阶跃信号)，实验开始;当按钮复位时，单元的输出端输出电压为0V。

注：单元的输出电压可通过实验台上的直流数字电压表来进行测量。

四、低频频率计

低频频率计是由单片机89C2051和六位共阴极LED数码管设计而成的，具有输入阻抗大和灵敏度高的优点。其测频范围为：0.1Hz～10.0KHz。

低频频率计主要用来测量函数信号发生器或外来周期信号的频率。使用时先将低频频率计的电源钮子开关拔到“开”的位置，然后根据需要将测量钮子开关拔到“外测”(此时通过“输入”或“地”输入端输入外来周期信号)或“内测”(此时测量低频函数信号发生器输出信号的频率)。

另外本单元还有一个复位按钮，以对低频频率计进行复位操作。

33 注：将“内测/外测”开关置于“外测”时，而输入接口没接被测信号时，频率计有时会显示一定数据的频率，这是由于频率计的输入阻抗大，灵敏度高，从而感应到一定数值的频率。此现象并不影响内外测频。

五、交/直流数字电压表

交/直流数字电压表有三个量程，分别为200mV、2V、20V。当自锁开关不按下时，它作直流电压表使用，这时可用于测量直流电压;当自锁开关按下时，作交流毫伏表使用，它具有频带宽(10Hz～400kHz)、精度高(±5‟)和真有效值测量的特点，即使测量窄脉冲信号，也能测得其精确的有效值，其适用的波峰因数范围可达到10。

六、通用单元电路

通用单元电路具体见实验平台所示“通用单元电路**”单元、“带调零端的运放单元”“反相器单元”和“无源元件单元”。这些单元主要由运放、电容、电阻、电位器和一些自由布线区等组成。通过接线和短路帽的选择，可以模拟各种受控对象的数学模型，主要用于比例、积分、微分、惯性等电路环节的构造。一般为反向端输入，其中电阻多为常用阻值51k、100k、200k、510k;电容多在反馈端，容值为0.1uF、1uF、10uF，其中通用单元电路

二、

三、九反向输入端有0.1uF电容，通用单元电路八反向输入端有4.7uF电容，可作带微分的环节。

以通用单元为例，现在搭建一个积分环节，比例常数为1s。我们可以选择常用元件100k、10uF，T=1k×10uF=1s，其中通用单元电路二是满足要求的，把对应100k和10uF的插针使用短路帽连接起来，锁零按钮按下去先对电容放电，然后用二号导线把正单位阶跃信号输入到积分单元的输入端，积分电路的输出端接入反向器单元，保证输入、输出方向的一致性。观察输出曲线，其具体电路如下图所示。

七、非线性单元

由两个含有非线性元件的电路组成，一个含有双向稳压管，另一个含有两个单向二极管并且需要外加正负15伏直流电源，可研究非线性环节的静态特性和非线性系统。其中10k、47k电位器由电位器组单元提供。例如47k电位器，既可由一号导线连接也可由二号导线连接电位器单元组中的可调电位器两个端点。

34

CR0R0uiR-++-++uo以连接死区非线性环节为例，输入端与正电源端、输入端与负电源端分别为两个10k可调电位器的固定端，分别用导线连接;正电源所连电位器的可调端与D1相连，另一个可调端与D2相连。然后使用低频函数信号发生器输出10Hz16v的正弦波，用导线连接到非线性环节的输入端。实验前断开电位器与电路的连线，用万用表测量R的阻值，然后再接入电路中。

八、零阶保持器

零阶保持器为实验主面板上U3单元。它采用“采样-保持器”组件LF398，具有将连续信号离散后的零阶保持器输出信号的功能，其采样频率由外接的方波信号频率决定。使用时只要接入外部的方波信号及输入信号即可。

九、数据采集接口单元

数据采集卡采用THBXD，它可直接插在IBM-PC/AT 或与之兼容的计算机内，其采样频率为350K;有16路单端A/D模拟量输入，转换精度均为14位;4路D/A模拟量输出，转换精度均为12位;16路开关量输入，16路开关量输出。接口单元则放于实验平台内，用于实验平台与PC上位机的连接与通讯。

数据采集卡接口部分包含模拟量输入输出(AI/AO)与开关量输入输出(DI/DO)两部分。其中列出AI有4路，AO有2路，DI/DO各8路。

使用虚拟示波器观察一个模拟信号，可以用导线直接连接到接口中 AD端;若使用采集卡中的信号源，用DA输出(即实验中我们通常将信号输入到AD1端，软件内部信号DA1输出)。

十、实物实验单元

包括温度控制单元、直流电机单元和步进电机单元，主要用于计算机控制技术实验中，使用方法详见实验指导书。

35

第二篇：自动控制原理总结报告

专 业 自动化 班 级 09自动化<1>班 姓 名 学 号

完成 时间

自动控制原理总结报告

摘要: 本学期我们学习了自动控制原理的前前8章，重点介绍了前6章，离散系统的分析与线性系统类似。 自动控制技术所取得的成就和起到的作用给各行各业的人们留下了深刻的印象。从最初的机械转速、位移的控制到工业过程中对温度、压力、流量、物位的控制，从远洋巨轮到深水潜艇的控制，而今的数控机床，汽车工业，自动控制技术的应用几乎无处不在。关键是自动控制理论和技术已经介入到了电气、机械、航空、化工、核反应等诸多的学科和领域。所以越来越多的工程技术人员和科学工作者开始了解和关注自动控制的知识。 关键字：控制 方法 发展 正文:

一、自动控制理论的分析方法：(1)时域分析法;(2)频率法;(3)根轨迹法;(4)状态空间方法;(5)离散系统分析方法;(6)非线性分析方法

系统的数学模型(1)解析表达：微分方程;差分方程;传递函数;脉冲传递函数;频率特性;脉冲响应函数;阶跃响应函数(2)图形表达：动态方框图(结构图);信号流图;零极点分布;频率响应曲线;单位阶跃响应曲线

自动控制原理基础系列课程内容体系具有系统性、科学性、先进性、实用性，对课程体系进行了改革确立了以系统分析、系统建模、系统综合为自动控制原理课程的主线构建了由时域分析、复域分析、频域分析、系统校正4个模块构成的知识体系。

从课程的体系出发以系统建模→系统分析→综合设计作为课程主线。数学模型是描述系统内部各物理量或变量之间关系的数学表达式建立一个合理的模型是系统分析和设计的前提。从不同的角度对系统进行建模加深对这方面内容的理解。例如可用船舶上的电机调速系统为例通过建立它的微分方程、传递函数、结构图、信号流图这些不同的数学模型来建立各模型的联系。

系统分析方法是控制系统综合设计的基础这部分的内容主要包括时域分析法、根轨迹法、频域响应法是控制理论的重点。在控制系统中稳定性、快速性和准确性是对控制系统的基本要求也是衡量系统性能的重要指标控制系统不同的分析问题方法都是紧紧围绕这三个方面展开的。只要抓住这个特点就抓住了系统分析的关键有助于加深对不同方法的理解。例如以我军某军舰上的雷达定位系统为例假设给定目标信号要求设计控制器使系统在给定输入下跟踪指定目标最小且抗干扰性最好。这些生动的工程实例大大激发了我的兴趣使我感受到了控制理论的魅力深刻理解了

结合控制理论的发展更新教学内容 近年来控制理论得到了蓬勃发展特别在非线性控制、分布参数控制、鲁棒控制、自适应控制、智能控制等方向上取得了重要进展。例如每章结束后都开设一个专题介绍本学科的发展动态这种方法扩大了我们的知识面培养了我们探索科学技术的兴趣。 结合船舶电气的发展而言近几年来随着电力、电子、控制技术、通讯及信息技术等的不断发展及其在船舶上的广泛应用船舶电气自动化程度大大地提高。新一代大功率半导体电力电子器件在材料、理论、机理、制造工艺和应用技术等方面的研究开发取得了突破性的进展船舶设备进一步向高可靠、节能型方向发展对船舶电力推进和辅机电力拖动技术带来重大变革可编程序控制器和单片机已逐渐发展成为船舶控制中的一种普遍控制方式。自动控制原理课程虽然是电专业的基础专业课程但是一般学时安排也不十分充裕。要想在有限的时间内把这门理论性和工程应用性都很强的课程学好必须认真的学习。例如在课程绪论部分通过与专业相关的典型示例引出控制、开环控制、闭环控制以及反馈等基本概念使我们认识到学习本课程的重要性并对控制理论在专业发展的作用有了一定的了解。

二、控制未来发展

1.智能控制(Intelligent Control) 智能控制是人工智能和自动控制的结合物,是一类无需人的干预就能够独立地驱动智能机器,实现其目标的自动控制。智能控制的注意力并不放在对数学公式的表达、计算和处理上,而放在对任务和模型的描述,符号和环境的识别以及知识库和推理机的设计开发上。智能控制用于生产过程,让计算机系统模仿专家或熟练操作人员的经验,建立起以知识为基础的广义模型,采用符号信息处理、启发式程序设计、知识表示和自学习、推理与决策等智能化技术,对外界环境和系统过程进行理解、判断、预测和规划,使被控对象按一定要求达到预定的目的。智能控制的理论基础是人工智能,控制论,运筹学和系统学等学科的交叉。 2.非线性控制(Nonlinear Control) 非线性控制是复杂控制理论中一个重要的基本问题,也是一个难点课题,它的发展几乎与线性系统平行。非线性系统的发展,数学工具是一个相当困难的问题,泰勒级数展开对有些情况是不能适用的。古典理论中的“相平面”法只适用于二阶系统,适用于含有一个非线性元件的高阶系统的“描述函数”法也是一种近似方法。由于非线性系统的研究缺乏系统的、一般性的理论及方法,于是综合方法得到较大的发展。

3.自适应控制(Adaptive Control) 自适应控制系统通过不断地测量系统的输入、状态、输出或性能参数,逐渐了解和掌握对象,然后根据所得的信息按一定的设计方法,作出决策去更新控制器的结构和参数以适应环境的变化,达到所要求的控制性能指标。 4.鲁棒控制(Robust Control) 过程控制中面临的一个重要问题就是模型不确定性,鲁棒控制主要解决模型的不确定性问题,但在处理方法上与自适应控制有所不同。自适应控制的基本思想是进行模型参数的辩识,进而设计控制器。控制器参数的调整依赖于模型参数的更新,不能预先把可能出现的不确定性考虑进去。而鲁棒控制在设计控制器时尽量利用不确定性信息来设计一个控制器,使得不确定参数出现时仍能满足性能指标要求。

鲁棒控制认为系统的不确定性可用模型集来描述,系统的模型并不唯一,可以是模型集里的任一元素,但在所设计的控制器下,都能使模型集里的元素满足要求。鲁棒控制的一个主要问题就是鲁棒稳定性。 5.模糊控制(Fuzzy Control) 模糊控制借助模糊数学模拟人的思维方法,将工艺操作人员的经验加以总结,运用语言变量和模糊逻辑理论进行推理和决策,对复杂对象进行控制。模糊控制既不是指被控过程是模糊的,也不意味控制器是不确定的,它是表示知识和概念上的模糊性,它完成的工作是完全确定的。

1974年英国工程师E.H.Mamdam首次把Fuzzy集合理论用于锅炉和蒸气机的控制以来,开辟了Fuzzy控制的新领域,特别是对于大时滞、非线性等难以建立精确数学模型的复杂系统,通过计算机实现模糊控制往往能取得很好的结果。 6.神经网络控制(Neural Network Control) 神经网络是由所谓神经元的简单单元按并行结构经过可调的连接权构成的网络。神经网络的种类很多,控制中常用的有多层前向BP网络,RBF网络,Hopfield网络以及自适应共振理论模型(ART)等。

神经网络控制就是利用神经网络这种工具从机理上对人脑进行简单结构模拟的新型控制和辨识方法。神经网络在控制系统中可充当对象的模型,还可充当控制器

7.实时专家控制(Real Time Expert Control) 专家系统是一个具有大量专门知识和经验的程序系统,它应用人工智能技术,根据某个领域一个或多个人类专家提供的知识和经验进行推理和判断,模拟人类专家的决策过程,以解决那些需要专家决定的复杂问题。专家系统和传统的计算机程序最本质的区别在于:专家系统所要解决的问题一般没有算法解,并且往往要在不完全、不精确或不确定的信息基础上作出结论。

实时专家系统应用模糊逻辑控制和神经网络理论,融进专家系统自适应地管理一个客体或过程的全面行为,自动采集生产过程变量,解释控制系统的当前状况,预测过程的未来行为,诊断可能发生的问题,不断修正和执行控制计划。实时专家系统具有启发性、透明性、灵活性等特点,目前已经在航天试验指挥、工业炉窑的控制、高炉炉热诊断中得到广泛应用。目前需要进一步研究的问题是如何用简洁语言来描述人类长期积累的经验知识,提高联想化记忆和自学习能力。 8.定性控制(Qualitative Control) 定性控制是指系统的状态变量为定性量时(其值不是某一精确值而只知其处于某一范围内),应用定性推理对系统施加控制变量使系统在某一期望范围。 定性控制与模糊控制的区别:模糊控制不需建模,其控制律凭经验或算法调整,而定性控制基于定性模型,控制规则基于对系统的定性分析;模糊控制是基于状态的精确测量值,而定性控制基于状态的定性测量值。

定性控制面临的问题:发展定性数学理论,改进定性推理方法,注重定性和定量知识的结合;研究定性建模方法,定性控制方法;加强定性控制应用领域的研究。 9.预测控制(Predictive Control) 预测控制是在工业实践过程中独立发展起来的一种新型控制方法,它不仅适用于工业过程这种“慢过程”的控制,也能适用于快速跟踪的伺服系统这种“快过程”控制。目前实用的预测控制方法有动态矩阵控制(DMC),模型算法控制(MAC),广义预测控制(GPC),模型预测启发控制(MPHC)以及预测函数控制(PFC)等。这

最近有人提出一种新的基于主导内模概念的预测控制方法:结构对外来激励的响应主要由其本身的模态所决定,即结构只对激励信息中与其起主导作用的几个主要自振频率相接近的频率成分有较大的响应。目前利用神经网络对被控对象进行在线辨识,然后用广义预测控制规律进行控制得到较多重视。

预测控制目前存在的问题是预测精度不高;反馈校正方法单调;滚动优化策略少;对任意的一般系统,其稳定性和鲁棒性分析较难进行;参数调整的总体规则虽然比较明确,但对不同类型的系统的具体调整方法仍有待进一步总结。 10.分布式控制系统(Distributed Control System) 分布式控制系统又称集散控制系统,是70年代中期发展起来的新型计算机控制系统,它融合了控制技术(Control),计算机技术(Computer),通信技术(Communication),图像显示技术(CRT)的“4C”技术,形成了以微处理器为核心的系统,实现对生产过程的监视、控制和管理。

既打破了常规控制仪表功能的局限,又较好地解决了早期计算机系统对于信息、管理过于集中带来的危险,而且还有大规模数据采集、处理的功能以及较强的数据通信能力。

分布式控制系统既有计算机控制系统控制算法灵活,精度高的优点,又有仪表控制系统安全可靠,维护方便的优点。它的主要特点是:真正实现了分散控制;具有高度的灵活性和可扩展性;较强的数据通信能力;友好而丰富的人机联系以及极高的可靠性。

总结：通过这一学期的学习，我对自动控制原理这门课有了深刻的认识，现在能够简单的分析一些问题了，过程实验给我们很大的提高。虽然现在还不知道未来要从事什么行业，但不管怎样要学好当前的每门课。基础一定要打好。

第三篇：自动控制原理实验说明书

实验的目的：学习掌握直流电动机速度控制的原理、方法，通过实验加深对控制理论的理解;学习掌握控制系统设计、综合的常用方法。

一、实验装置说明

1) 调速原理：

由于电动机电枢线圈有内阻存在，当电动机负载变化时使电枢两端实际电压也产生变化，这样就使转速变化。经过推证可以得到下面两条结论：

1) 当电动机负载恒定时，直流电动机转速与电枢两端电压成线性关系。

2) 转速n随转矩Tem的增大而降低，电动机电磁转矩与电枢电流成正比。调节电动机电枢电压改变电动机转速：转速给定信号由一个两端接正负12V的电位器构成。通过调节电位器滑动端位置改变加到电动机电枢两端的电压值，从而达到控制电动机转速的目的。

定义电动机顺时针转动为正转，逆时针转动为反转。实验时，改变电位器滑动端的位置，可以控制电动机正反转及转速。电位器滑动端输出正电压时使电动机正转，输出负电压时使电动机反转。

电动机负载变动对电动机转速影响：实验时，通过给惯性盘加摩擦力改变电动机负载，如调速性不好电动机转速随负载变化有明显变化。实验时注意观察负载电流(电流取样电阻上的电压)及转速(测速发电机输出)变化。

2) 实验装置

图一机械装置示意图

为了实验方便，实验装置由两部分组成：

一个是机械装置，用于固定直流电动机、

测速发电机以及惯性盘部件，其直观图如图一

所示。

另一个是功率模块，它与外部电路的接口

由电源输入端子和信号输入输出端子组成。其

原理图如图二所示。其中J1为功率模块电源

输入端子，J2为信号输入输出端子，J4为功

率输出到电动机的端子。模块中的电阻R2为

电流取样电阻，在按电流补偿开环控制实验时

用到。功率驱动模块固定在机械装置的底座上。图二 电机功率驱动电路原理

电流取样

二、

开环实验

TDA2030A是功率放大器，其输出能够直接驱动直流电动机。开环增益通过运算放大器LM347构成的反

相放大器进行调节。

1) 2) 3) 4)

三、 直流电动机转速开环按扰动补偿控制实验(选做)

1、 原理：通过电动机负载电流取样电阻获得电动机电枢电流信号。将该信号经放大反馈至输入端，

形成一个按电流补偿的电路。

设功率放大器输出电阻为零，电动机电枢电阻值Ra ，取样电阻阻值为4.3Ω。

2、 实验要求：

1) 分析按电流补偿的原理，设计按电流补偿的控制电路。2) 计算所设计电路的参数。

3) 观察按电流补偿控制系统抗负载干扰的能力，记录实验数据。

4) 调节电流取样放大电路的放大倍数，观察电机抭负载电流能力变化。 5) 根据以上要求写出实验步骤。

3、 推荐电路如下：

四、

1、 0型电动机转速控制

用测速发电机作速度反馈，形成转速闭环结构。此时系统无积分环节，为0型系统。

实验要求：

1) 设计0型电动机转速控制系统电路，要求能调节控制系统开环增益，计算电路参数，并说明计算

方法。 2) 让系统形成负反馈，调节开环增益，观察电动机响应。得到系统最大稳定工作时的开环增益值。 3) 当系统稳定时，改变电动机负载，观察负载变化对电动机转速影响。由于所选电动机额定力矩较小，因此所施加在惯性盘上的力不能太大。为了便于观察转速的变化，可以用电压表测量测速发电机输出电压。

4) 当系统稳定时，观察A、B点电压，看是否相等，为什么?调节输入电压大小，观察A、B间电压

差异变化。 5) 根据以上要求写出实验步骤。

图四 按电流补偿控制系统参考电路

直流电动机转速闭环控制实验

50k

图五 0型控制系统参考电路

2、 I型电动机转速控制

在控制系统前向通道中增加一积分环节构成I型控制系统，用测速发电机作速度反馈，形成转速闭环结构。

实验要求：

1)设计I型电动机转速控制系统电路，要求能调节控制系统开环增益，计算电路参数，并说明计算方法。

2)让系统形成负反馈，调节开环增益，观察电动机响应。得到系统最大稳定工作时的开环增益值，并记录此时的开环增益。 3)当系统稳定时，改变电动机负载，观察负载变化对电动机转速影响。由于所选电动机额定力矩较小，

因此所施加在惯性盘上的力不能太大。为了便于观察转速的变化，可以用电压表测量测速发电机输出电压。

4)当系统稳定时，观察A、B点电压，看是否相等，为什么?调节输入电压大小，观察A、B间电压差异变化，与0型系统进行比较。 5)根据以上要求写出实验步骤。

图六 I型控制系统参考电路

五、 I型控制系统校正实验(提高部分，选做)

在I型控制系统实验中，当开环增益变大时系统出现振荡(不稳定)，在保证系统为I型系统的前提下，试引入校正技术，使得I型控制系统的开环增益增大。 1) 试设计控制电路，说明电路原理。 2) 观察实验现象，写出实验步骤。

(由电被控对象的传递函数未知，可根据I型控制系统结果估算，进行大致校正即可，可有PI校正，或在I型控制基础上采用第6章知识设计校正环节)

图七校正实验电路示意图

总要求：

1) 做开环控制(二)和闭环控制(四)两个实验，其他选做。

2) 两人一组进行实验，自由组合。实验地点：六层测控技术与传感器实验室(603)，请班长联系实验室老师预订时间并通知任课教师。

3) 实验现象、实验电路报告交实验室指导老师和任课教师各一份。

2012年12月

第四篇：内部控制研究论文自动控制原理论文

ERP环境下采购模块的内部控制研究

[摘 要] 由于采购与付款业务是企业经营活动的首要环节，直接影响企业最终的利润。本文通过研究ERP环境下采购业务的控制环节，提出针对采购模块的具体内部控制措施，以便优化会计组织结构，防止违法行为的发生，提高会计工作效率和质量，保证会计信息的真实性和可靠性。

[关键词] ERP;采购;内部控制

一、研究综述

企业内部控制制度体系是企业内部为了有效地进行经营管理而制定的一系列相互联系、相互制约、相互监督的制度、措施和方法的总称。企业资源计划(ERP)系统在企业中的应用，一方面可对企业内部供应链上的所有环节如订单、采购、库存、计划、生产制造等有效地进行管理，但另一方面也给企业内部控制体系带来了新的挑战。

不论是工业企业还是商业企业，采购与付款业务都是企业经营活动的首要环节，采购成本的高低对企业最终的利润是有直接影响的，同时，与采购业务相关的应付账款或预付账款的管理对企业来说也是至关重要的。鉴于此，本文探讨在ERP环境下如何加强采购模块的控制，使企业建立完善的采购业务内部控制制度，确保采购事项的真实性、合理性、合法性，及时准确地提供采购业务的会计信息，保证采购付款业务循环有效运转，以确保企业会计信息系统能够正常、安全地运行。

二、采购业务的控制环节

(一)采购业务处理流程

从物流的角度看，最初的采购流程运行的成功与否将直接影响到企业生产、销售最终产品的定价情况和整个供应链的最终获利情况。换言之，企业采购流程的“龙头”作用不可轻视。具体处理流程如图1所示。

(二)采购业务的控制点

采购系统实际是由采购管理和应付账款两个子系统构成的，它们是企业信息系统中比较复杂的子系统。在这个子系统中存在物流和资金流两条线，如何保证这两条线相互联系，正确形成与供应商的往来账，是这个系统的关键。同时，根据目前企业管理的要求，采购系统不但完成采购活动的事中管理、事后核算，同时完成采购计划的产生和采购资金需求的预测。尽管对于不同的企业采购与应付业务管理的目的是相同的，但不同的企业在管理模式上和业务流程上有一定的区别，本文介绍比较常规的一种处理模式。具体来说，有以下几个关键的业务处理环节和控制点：

1.授权

企业必须按要求设定涉及采购流程的每一个人员对ERP系统的操作权限，例如，对供应商信息的录入须得到对数据库的操作授权，订单输入后的修改必须得到操作授权，采购人员必须在授权范围内签订采购合同。

2.审批

审批程序是采购业务中非常重要的一个环节。审批的目的有两个：一是对请购活动审核，二是明确请购和采购活动的有关责任。通过各部门和人员之间相互审查、核对和制衡，避免一个人控制一项交易的各个环节，以此防止员工

部门负责人审批的目的是保证请购商品的品种、质量满足经营活动的需要;采购部门审批的目的是防止重复采购和控制采购成本。

3.供应商管理

对于采购业务来说，供应商和采购部门的关系是较容易出现问题的环节。公司要对供应商建立完善的档案，及时掌握各供应商的信誉等情况。如果由询价人员进行供应商的选择，就有可能产生舞弊行为，因此这一环节关键是要做到信息公开，选择的过程要公平、公正，其中价格是选择供应商的重要因素。另外，供应商的品质和信誉管理制度以及生产能力都会影响采购业务及以后生产销售环节的运行。

4.采购结算

采购是企业经营的首要环节，控制材料采购成本对一个企业提升经营业绩是很重要的。由于材料成本占生产成本的比例比较高，因此降低材料采购成本可以增加企业的利润，从而增强企业的竞争力。

5.付款结算

付款业务是采购业务不可分割的组成部分，其主要内容建立在采购业务基础之上，是将企业的资金支付给采购商品供应商。付款涉及资金使用，因此是内部会计控制的重点。付款业务控制的关键点主要包括应付账款业务控制和资金支付控制。

三、ERP环境下加强采购模块内部控制的具体措施

(一)权限的控制

单位应当对采购与付款业务建立严格的授权批准制度，明确授权批准方式、权限、程序、责任和相关控制措施，规定经办人办理采购与付款业务的职责范围和工作要求。对各类不同的物资请购，企业应建立完善的责任授权体系。部门物资需求由部门资产主管人负责;特殊请购计划的制订必须由公司计划部、营销部等相关部门综合讨论决定，与战略相关的大宗支出还必须取得高层领导的同意。同时，为了保证权责对等，企业应建立适当的考核体系，真正做到谁拥有权利谁承担责任。例如，某公司账套主管是李明，采购部业务员王丽向公司上级主管提出请购键盘计划，请购数量为10只，业务员据此填制请购单。此时就必须需要账套主管李明登录系统，启动采购管理系统，执行“采购选项”、“业务及权限控制命令”，在“权限控制”下，选中“检查业务员权限和检查操作员权限”复选框。如果账套主管没有赋予业务员王丽操作权限，则在王丽录入请购单时会弹出“对不起，您没有录入该部门的权限”窗口。

(二)审批的控制

企业的各个部门都应该力求使采购申请业务制度化，即明确不同类型、不同级别的请购业务审批流程，保证所有的采购申请业务都经过规定的审批程序。对于采购申请、采购订单、外协加工订单等，必须经过某一个人的审核才能接着处理下一流程。对于不同的部门可能会指定不同的审核人。不正确的业务更正与删除，待解报单的处理等都必须严格按规定进行，严格执行复核制度，充分保证计算机账务处理不错不乱。无论是静态审核，还是动态审核，都要仔细核对输出的账务凭证与实际发生的经济业务是否一致。另外，制定相应的上机守则与操作规程，是操作控制制度化的具体体现。比如固定资产的审核归口到设备管理部门;计算机等IT设备的采购归口到IT主管部门;预算审核归口

更高级别的人审核。

(三)业务执行控制

1.到货数量控制

控制到货的数量是否允许超过订单数量。对采购数量进行控制，采购部门首先应当对每一份请购单审查其请购数量是否在控制限额的范围内，其次是检查使用物品或获得劳务的部门主管是否在采购单上签字同意。对于大宗采购必须做各种采购数量对成本影响的分析。内部会计控制制度必须对这些成本分析做出强制性的规定，并指定专人对成本分析是否实施进行监督。将各种请购项目进行有效的分类，然后利用经济批量法测算出成本;对于请购数量不大或者零星请购的物品，采购批量的成本分析控制可参照资金预算来执行。采购量越多，价格相对越低，但并不是采购越多越好，资金周转率、仓库储存的成本等都会直接影响采购成本，应根据资金周转率、储存成本物料需求计划等综合计算出最经济的采购量。因此必须事先确定好采购量。使存货总成本最低的订购量被称为经济订购量。

2.到货成本控制

控制到货成本是否允许超过订单或合同成本。比如，设置了某一货物的采购入库成本不能超过订单的10%，系统就不允许录入成本超过订单10%的采购入库。从成本的角度来说，采购原材料或待售商品的价格和采购行为本身的成本构成了产品成本中相当大的一部分，因此，采购作业对企业盈利能力和财务流动性有着显著影响。采购作业和存货管理有着密切的关系，可以说，企

业采购作业的成本在很大程度上取决于存货管理的质量。科学的、精确的存货管理会在保证正常生产的基础上，最大程度地降低采购作业的成本。

第五篇：浅谈高职自动控制原理的教学改革

【摘 要】自动控制原理课程不仅是控制类专业而且是电气自动化专业的重要专业基础课。本文根据自动控制原理课程在电气自动化专业中的地位，从教学内容及方法、实践教学、教材建设以及师资队伍建设方面进行了分析，以期对教学效果起到提高的作用。

【关键词】电气自动化 自动控制 课程 教学改革

自动控制原理是指在没有人直接参与的情况下，利用外加的设备或装置(称控制装置或控制器)，使机器、设备或生产过程(统称被控对象)的某个工作状态或参数(即被控制量)自动地按照预定的规律运行。是研究自动控制系统的共同规律，为自动控制系统的分析和综合提供基本理论、基本方法的一门专业基础课。该课程，是一门重要的控制类专业的基础课，具有较强的理论性，对于工程实践具有重要的指导作用，因而受到人们的广泛重视。自动控制原理课程数学计算和理论分析比重大，是高职生遇到的最抽象、难度最大的课程之一，加之未接触专业课，没有具体应用的物理模型，仅以数学模型为基线讲，学生往往会认为“自动控制理论”与专业无关而无学习兴趣，这是多年来常规教学始终感到困惑的原因。笔者对于这方面的问题，提出以下的思路：

一、教学内容及方法

从教学内容方面看，近几年随着现代科技以及经济的发展，在教学方面要不断地更新知识的储备，做好新旧知识点的连接，避免出现知识的重复化，进而做到大力优化课程体系。建立由理论讲解、多媒体辅助教学、实习车间实践教学以及技能强化训练为整体的教学新体系。

从教学方法及手段方面看，在以信息、知识爆炸为特征的今天，传统的教学手段以不能适应时代的需要，传统的教学方法及手段已经不适应时代的需求。可以将课堂教学、实验教学、实践教学融合在一起，再通过课堂研讨以及网络答疑形成整体教学模块。在教学的组织过程中，充分利用多媒体教学的手段，制作CAI系列课件，在内容方面，选取学生感兴趣的内容。也可以将实验指导书、教学计划、教学大纲等相关资料发到网上，形成网络教学资源，便于师生查阅交流。开展网上教师答疑栏目，打破班级之间的束缚，加强授课教师与学生的联系。

二、实践教学

高职院校注重于学生实践能力的培养，在本专业本课程的实践能力的培养方面，应该从以下两个方面来着手：

1.建立一体化实验教学体系。实验教学是“控制理论”课程的重要组成部分。通过实验不仅能够培养学生分析问题和解决问题的能力，验证所学理论，而且对所学内容能够提出一些新的见解。为了适应教学改革的需要，在实验室建设方面的指导思想是：将传统的模拟实验与MATLAB环境下的仿真实验相结合，将基础理论验证类实验与自主型、综合型、设计型实验相结合，将基本实验与创新实验相结合，建立一个立体化的实验教学体系，从而满足不同阶段实践教学的需要，为激发学生的创新意识提供硬件平台。由于实验课内容和形式的多元化，大大激发了学生做实验的主动性、积极性和创新性，学生可以通过预约或上网自主地开展多项实验，进行理论验证、性能分析和综合设计，对提高学生的实践能力和本课程的学习都将起到良好的作用。 课程组织形式与教师指导方法，对于教学大纲规定的必做实验，由任课教师和实验教师共同指导完成;对于设计性、综合性、创新性实验，学生自己利用课余时间完成，可以预约指导教师给予宏观上的指导。

2.建立健全实训基地。高职院校在加强实验教学体系的同时，还要大力加强实习基地的建设，提供给学生下厂实习的机会，在生产一线边学先做，同样，教师也可以在带队参加的同时，进一步提高自己的业务素质。在厂实习期间，学生的出色表现，也会令用人单位满意，为高职学生最终的就业提供有力的保证和平台。而厂家在学生实习期间的反馈意见，又可以使学生加强自身的素质提高，高职院校也能够及时调整人才培养方案，为“订单式人才培养”做全方位的准备。

三、教材建设

精简教材和教学内容，教学组定期进行集体备课，加大对该课程与前后各门课程之间的衔接研究，避免内容上的重复，使其与其他相关课程融合为一个有机的整体。建设可用于大多数工科专业的“控制理论”平台课程，不断改进和完善本课程的新体系结构，充分体现其基础性、应用性、前沿性和系统性;配合新的教材和课程体系，研究并建立配套的新实验体系，强化自主性、设计性、综合性和创新性;以MATLAB软件为基础，构造开放式小车倒立摆综合实验平台，将分析、设计、仿真、虚拟实验、模拟实验融为一体;开发先进的多媒体课件，将MATLAB平台和虚拟实验融入到教学过程中，使教学更为直观生动，更具趣味性和吸引力;完善了课程网站，完成了课程辅助教材的修改和编写，各类题库建设、网络统计功能、远程教学管理系统、虚拟实验内容的扩展及网络版的开发等，使其真正成为学生自主学习、师生互动、双向交流的园地;教考分离，采用试题库出题，统一考试，流水阅卷，考后进行详细的试卷分析。

四、师资队伍建设

首先，要在思想上转变教师观念。高职院校的环境单纯，教师应该与时代和市场相连接，不能固步自封，守着自有的观念不与时俱进。

其次，理论知识的不断进步，还应该和教师的学位提高相结合。教师尤其是年轻的教师要不断提高自己的学位，不断地汲取相关专业的先进理论技术，与更高级院校的专业导师联系，可以开拓高职院校教师的眼界，拓宽思路，做好专业知识的储备。

最后，鼓励并组织教师申报有关科研项目，在科研中提高自身业务水平，更好的为教学服务。

笔者所在的宝鸡职业技术学院电子信息工程系所开设的电气自动化专业，在所在的相关班级还实行了学生调查制度，对于学生所反馈的教学意见、教师意见以及实践教学意见，及时的了解和掌控，并作出处理。

新的世纪中，中国经济不断高速发展，电气自动化专业将具有更加光明的前景，自动控制原理的研究范围将更加广泛，电气自动化专业自动控制原理的课程设置及教学内容改革也将不断地进行下去。