前言

自动控制原理是自动化、自动控制、电子电工技术等专业教学中重要的专业基础课，可处理时变、非线性、多输入、多输出等复杂控制系统。本套EL-AT-III自动控制实验系统克服了以往自动控制理论实验中接线复杂、连接不稳定的缺点，通过单元电路的灵活组合，可构建多种类型、多种顺序的仿真环节和控制系统，使学生将主要精力集中在系统电路、系统特性的研究中。

本系统采用DA/AD卡通过USB口与计算机连接，实现信号源信号的输出和系统响应信号的采集，采集到的信号显示在计算机屏幕上，省去了外接信号源和示波器测量相应信号的麻烦。EL-AT-III自动控制实验系统支持自动控制理论课程的所有实验，通过这套仪器，学生可以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组成和测试技术，提高计算机应用能力和水平。

本书共分为三章，第一章为EL-AT-III实验箱硬件资源，主要介绍实验箱硬件组成及系统单元电路。第二章为系统集成操作软件，主要介绍系统软件及计算机、实验箱的安装、运行及通讯设置。第三章为实验系统，主要介绍各个实验的电路组成、原理及实验步骤。另外附录中还包含部分实验的说明及参考结果。

目录

第一章 硬件资源（二）

第二章 软件安装与使用（5）

第三章 实验系统部分（11）

实验1 典型链路及其阶跃响应 (12)

实验2：二阶系统阶跃响应 (17)

实验3 控制系统稳定性分析（21）

实验4 系统频率特性测量 (24)

实验五：连续系统系列校准 (30)

实验6 数字PID控制 (35)

实验7 抽样实验（38）

第 1 章 硬件资源

EL-AT-III实验系统主要由计算机、AD/DA采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（选配）等组成，如图1所示。计算机根据不同的实验起到信号发生、测量、显示、系统控制、数据处理等作用；打印机主要记录各种实验数据和结果；实验箱主要构建被控模拟对象。

图1 实验系统组成

实验箱面板如图2所示：

图2 实验箱面板

监视器

电脑

打印机

实验箱电路

AD/DA 卡

下面主要介绍实验箱的组成：

1.系统电源

EL-AT-III系统采用我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：交流220V

2、输出电压/电流：+12V/0.5A、-12V/0.5A、+5V/2A

3.输出功率：22W

4、工作环境：-5℃～+40℃。

2.AD/DA采集卡

图3所示的AD/DA采集卡采用一颗芯片作为主控芯片，负责数据采集和USB通讯，并用于SPI总线转换。AD的采样位数为10位，采样率为1KHz。DA的转换位数为10位，转换率为1K。该AD/DA采集卡有两路输出（DA1、DA2）和两路输入（AD1、AD2），其输入输出电压均为-5V至+5V。

图3 AD/DA采集卡

3.实验箱面板

AD/DA 卡

输入和输出

模块

实验模块1 实验模块2

电源模块

模拟开关

二极管面积

图4 实验箱面板布置图

实验箱面板主要由以下几部分组成：

1.实验模块

本实验系统共有8组由放大器、电阻、电容组成的实验模块，每个模块都有一个由若干个电阻、电容组成的放大器，通过这8个实验模块的灵活组合，可以构建出各种类型、各种顺序的仿真环节和控制系统。

2. 二极管、电阻、电容、二极管区域

这些区域主要提供实验所需的二极管、电阻器和电容器。

3.AD/DA卡输入输出模块

此区域用于引出AD/DA卡的输入输出端子，输出端子有两个，输入端子两个，分别是DA1、DA2、AD1、AD2。有一个复位按钮，按一次可复位AD/DA卡。20针插座用于连接控制对象。

4. 电源模块

电源模块带有实验箱电源开关及开关电源提供的四个直流电源端子，分别为+12V、-12V、+5V、GND，这些端子为外部扩展模块提供电源。

5.可变电阻箱、可变电容箱模块

可变电阻箱和可变电容箱是本实验系统的一大特色，只需按下数字旁边的“+”或“-”按钮即可。

电阻、电容值可通过按键调整，并可直接读取。

第二章 软件安装与使用

1.软件安装

软件安装（分为两部分）

1.安装应用软件

1.按照软件提示一步步完成安装

图1 进入安装界面 图2 选择安装路径

图3 点击图4 完成安装界面

2.完成应用软件的安装；应用软件会自动出现在“开始->程序”列表中。

2. USB驱动安装（不同操作系统安装步骤不同）

2000操作系统下：

1、通过USB硬件接口将实验箱与电脑连接，电脑自动显示图5

图5 进入安装界面 图6 选中单选按钮后，点击下一步 2、图6中的驱动安装文件是在第一步安装的应用程序文件中，所以要选择第一步安装的应用程序的路径和文件名，然后点击“确定”，系统会自动找到驱动安装文件。

．

图7 勾选如图所示复选框，点击下一步 图8 选择驱动安装文件路径

图9 单击下一步 图10 安装完成界面 在XP操作系统下：

1、通过USB硬件接口将实验箱与电脑连接，电脑自动显示图1

2、图2中的驱动安装文件是在第一步安装的应用程序文件中，所以要选择第一步安装的应用程序的路径和文件名，然后点击“确定”，系统会自动搜索驱动安装文件。

图11 选中如图所示的单选按钮，单击“下一步” 图12 选择驱动安装文件路径

图13 点击“仍然继续” 图14 安装完成界面

应用软件和USB驱动程序安装完成后即可运行实验系统。

98操作系统下：

1、通过USB硬件接口将实验箱与电脑连接，电脑自动显示图1

图1 进入安装界面 图2 选择如图所示的单选按钮，点击下一步 2、图3中的驱动安装文件是在第一步安装的应用程序文件中，所以要选择第一步安装的应用程序的路径和文件名，然后点击“下一步”，系统会自动搜索驱动安装文件。

图3 选择驱动安装文件路径 图4 点击下一步

图5 安装完成界面

2.软件启动及使用说明

1.启动软件

双击桌面上或“开始-程序”中的快捷方式“快捷方式到.exe”，启动软件如图15

2.实验前计算机与实验箱的连接

使用实验箱附带的USB线，将实验箱背面的USB口与电脑上的USB口连接起来。

启动“”软件。

3. 软件说明

软件界面分为三组屏幕

A.软件说明及实验指导画面（如图15所示）

B.数据采集显示屏（如图16）

图15

图16

下面介绍该软件的具体操作和功能：

1：工具栏按钮：

1、点击“或按F1”键，选择实验项目作为当前实验项目，系统将

窗口显示相应的实验指示，这些指示在实验过程中是被禁止的。

2、点击◆◆或按F2◆◆切换回“说明书”窗口。

3、单击¶或按F3¶切换到“示波器”窗口。

4、单击¶或按F4¶键切换到“频率特性”窗口。

5、点击◆◆或按F5◆◆开始/放弃当前实验项目。

处于禁止状态。

6、单击¶或按F6¶，弹出“关于”对话框，显示程序信息、版本号、版权信息。

兴趣。

2.示波器操作：

1.测量：在“示波器”窗口中单击右键，在弹出的菜单中选择“测量”，打开测量窗口。

光标（重复上述步骤隐藏测量光标），将任意光标拖到感兴趣的位置，

当前光标位置和到另一个同类型光标的距离显示在图表区域下方。

绝对值，若要精确定位光标，只需用鼠标左键单击相应的光标位置栏即可。

在编辑框中输入合法值并按 。

2. 快照 在“示波器”窗口单击鼠标右键，在弹出的菜单中选择“快照”，可以对当前图像进行快照。

复制到剪贴板以便粘贴到 或其他图像编辑软件中进行编辑和保存。

3. 暂不支持打印。

4、线型 在“示波器”窗口单击鼠标右键，在弹出的菜单中依次选择“直线”、“折线”。

“线”或“点线”选择数据点之间的连接方式，体验各种连接方式

方法的差异。

5、配色 用鼠标左键双击图表区中曲线以外的元素，弹出标准颜色对话框。

用户可以改变相应元素的颜色（例如，将网格颜色改为与背景相同的颜色）。

颜色）。

6、放大和缩小。用鼠标左键单击图表区刻度区域的边框，在编辑框中输入数值。

按 键更改当前显示范围。

第三章 实验系统

本套实验系统共提供12个实验：典型环节及其阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联校正、数字PID控制、状态反馈与状态观测器实验、解耦控制实验、采样系统实验、非线性实验、相轨迹观测实验、数据采集实验。除我公司提供的12个实验外，高校可灵活组合多种形式的实验系统，满足教学需求。

实验一 典型链路及其阶跃响应

1.实验目的

1、掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。

2.掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

2. 实验仪器

1、EL-AT-III自动控制系统实验箱一台

2. 一台电脑

3 实验原理

1.模拟实验基本原理：

控制系统仿真实验采用复合网络法模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，得到相应的仿真系统。然后将输入信号加到仿真系统的输入端，利用计算机等测量仪器测量系统的输出，得到系统的动态响应曲线和性能指标。如果改变系统的参数，可以进一步分析研究这些参数对系统性能的影响。

2、时域性能指标测量方法：

超调量ó %：

1）启动计算机，双击桌面上【自动控制实验系统】图标，运行软件。

0%最大 ?-=

∞

∞

YYY σ2) 检查USB线是否连接正常，在实验项目下拉框中选择任意一个实验，点击按钮显示该实验。

在参数设置对话框中设置好参数后按OK键，若没有出现警告对话框则表示通讯正常，若出现警告对话框则表示通讯异常，请查明原因，使通讯正常后再继续实验。

3）连接待测典型链路的模拟电路，电路输入端U1接A/D或D/A卡的DA1输出端，电路输出端U2接A/D或D/A卡的AD1输入端，检查无误后，接通电源。4）

在实验项下拉列表中选择实验1【典型环节及其阶跃响应】。5) 点击

按钮，弹出实验题目参数设置对话框，设置

输入相应的实验参数后，点击鼠标确认，等待实验结果显示在屏幕显示区。 6）用软件上的光标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下列公式，计算过冲量：TP和TS：

利用软件光标测量水平方向从零点到最大值所需的时间，以及水平方向从零点到95％稳态值所需的时间，可以得到TP和TS。

构建如下典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应： 1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1所示。

G(S) = -R2/R1

2、惯性链模拟电路及其传递函数如图1-2所示。

G（S）=-K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C

3、积分环节的模拟电路和传递函数如图1-3所示。

G(S)=1/TS

温度=RC

4、差分链路的模拟电路和传递函数如图1-4所示。

G(S) = -RCS

5、比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5所示（未标注C=0.01uf）。

G(S) = -K(TS+1)

K=R2/R1，T=R2C

6、比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6所示。

G(S)=K(1+1/TS)

K=R2/R1，T=R2C

5. 实验步骤

1、启动计算机，双击桌面上【自动控制实验系统】图标，运行软件。

2、测试电脑与实验箱通讯是否正常，若通讯正常则继续实验，若通讯不正常则查找原因，使通讯正常后再继续实验。

比例链接

3、连接待测典型链路的模拟电路（图1-1），电路输入端U1接A/D、D/A卡的DA1。

输出，电路输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入端。检查一切无误后，接通电源。

4. 从实验项目下拉列表中选择实验 1[I.典型链接及其阶跃响应]。

5、用鼠标单击按钮，弹出实验题目参数设置对话框。设置

输入相应的实验参数，点击鼠标确认。等待实验结果显示在屏幕的显示区域。

6.观察计算机屏幕上显示的响应曲线和数据。

7、记录波形及数据（由实验报告确定）。

惯性连杆

8、连接待测典型链路的模拟电路（图1-2），电路输入端U1接A/D、D/A卡的DA1。

输出，电路输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入端。检查一切无误后，接通电源。

9.实验步骤同4至7

积分

10、连接待测典型链路的模拟电路（图1-3），电路输入端U1接A/D、D/A卡的DA1。

输出，电路输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入端，积分电容两端接模拟开关。检查一切无误后，接通电源。

11.实验步骤同4~7

差异化

12、连接待测典型链路的模拟电路（图1-4），电路输入端U1接A/D、D/A卡的DA1。

输出，电路输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入端。检查一切无误后，接通电源。

13.实验步骤同4~7

比例+积分环节

14、连接待测典型链路的模拟电路（图1-6），电路输入端U1接A/D、D/A卡的DA1。

输出，电路输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入端，积分电容接模拟开关。

检查无误后，接通电源。

15.实验步骤同4~7

16.测量系统的阶跃响应曲线，并记录在上表中。

6.实验报告

1、由阶跃响应曲线计算出惯性环节和积分环节的传递函数，并与电路计算的结果进行比较。

水果比较。

2、整理并列出实验中测得的曲线、数据及理论计算值。

7. 预学习要求

1、阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法。

2.分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理。

实验数据测试表（学生填写）

实验 2：二阶系统的阶跃响应

1.实验目的

1.研究二阶系统特征参数、阻尼比ζ、无阻尼固有频率ωn对系统动态性能的影响。

定量分析ζ与ωn以及最大超调量Mp与调节时间tS的关系。

2. 进一步研究如何使用实验系统

3.学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。

2. 实验仪器

1、EL-AT-III自动控制系统实验箱一台

2. 一台电脑

3 实验原理

1.模拟实验基本原理：

控制系统仿真实验采用复合网络法模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，得到相应的仿真系统。然后将输入信号加到仿真系统的输入端，利用计算机等测量仪器测量系统的输出，得到系统的动态响应曲线和性能指标。如果改变系统的参数，可以进一步分析研究这些参数对系统性能的影响。

2.领域性能指标测量方法：

超调量ó%：

1）启动计算机，双击桌面上【自动控制实验系统】图标，运行软件。

2）检查USB线是否连接正常，在实验项目下拉框中选择实验，点击按钮显示实验

在参数设置对话框中设置完参数后，点击确定按钮，如果没有出现警告对话框，说明系统运行正常。

若出现警告，表示通讯异常，请查明原因，使通讯正常后再继续。

实验。

3)连接待测典型链路的模拟电路，该电路的输入端U1连接到A/D、D/A卡的DA1输入端。

电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入端，两个积分电容接模拟开关。

检查一切无误后，开启电源。

4）从实验项目下拉列表中选择实验2[二阶系统阶跃响应]。

5）用鼠标单击按钮，弹出实验主题​​参数设置对话框。设置

输入相应的实验参数，点击鼠标确认。等待实验结果显示在屏幕的显示区域。

6）用软件上的光标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入以下公式计算超调量：Y MAX - Y∞

ó%=——————×100%

∞

TP 与 TP：

利用软件光标测量水平方向从零到最大值所需的时间、水平方向从零到95%稳态值所需的时间，可以得到TP和TP。

4.实验内容

典型二阶系统的闭环传递函数为

ω2n

（S）=（1）

s2＋2ζωn s＋ω2n

其中，ζ和ωn对系统的动态品质有决定性的影响。

构建图2-1中典型二阶系统的模拟电路搜索下拉框软件，并测量其阶跃响应：

图2-1 二阶系统仿真电路图

电路结构如图2-2所示：

图2-2 二阶系统结构图

系统闭环传递函数为：

（2）其中，T = RC，K = R2/R1。

比较公式（1）和公式（2），我们可以得到

ωn=1/T=1/RC

ζ=K/2=R2/2R1 （3）

从式（3）可知，改变R2/R1的比值可以改变二阶系统的阻尼比，改变RC的值可以改变无阻尼固有频率ωn。

现在取R1=200K，R2=100KΩ和200KΩ，即可得到实验所需的阻尼比。电阻R为100KΩ，电容C分别为1μf和0.1μf，可得到两个无阻尼固有频率ωn。

5. 实验步骤

1、连接待测典型链路的模拟电路，电路输入端U1连接至A/D、D/A卡的DA1输出。

U2的输出接A/D、D/A卡的AD1输入端，两个积分电容的两端接模拟开关。

检查无误后，接通电源。

2、启动计算机，双击桌面上【自动控制实验系统】图标，运行软件。

3.检查USB线是否连接正常。在实验项目下拉框中选择任意一个实验，点击按钮。

在参数设置对话框中设置参数，按确定按钮即可。若没有出现警告对话框，则表示通讯正常。

正常。若出现警告，表示通讯异常。请查明原因，使通讯正常后，再继续实验。