自动控制原理实验指导书.docx

1、自动控制原理实验指导书自动控制原理实验指导书湖南工学院电气与信息工程系目 录实验一 典型环节的模拟研究 2实验二 典型系统瞬态响应和稳定性 6实验三 控制系统的频率特性 10实验四 线性连续系统校正 13实验五 采样系统分析 16实验六 采样控制系统的校正 20实验七 典型非线性环节 24附: 实验系统介绍 实验一 典型环节模拟研究本实验为验证性实验。一、实验目的1、学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性影响。2、熟悉各种典型环节的阶跃响应。3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。三实验原

2、理及电路下面列出了各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。1、各环节的方块图及传递函数典型环节名称方块图传递函数比例（P）KUi(s) Uo(s)Ui(s)Uo(s)K积分（I）Uo(s)Ui (s)TS1Uo(s)1Ui(s)TS比例积分（PI）Uo(s)KUi(s)TS1Uo(s)TS1Ui(s)K比例微分（PD）Uo(s)Ui(s) K(1+TS)惯性环节（T）Ui(s)Uo(s)TS+1KKTS+1Uo(s)Ui(s)比例积分微分（PID）KPTiS1Ui(s)Uo(s)TdS2、各典型环节的模拟电路图及输出响应各典型环节名称模拟电路图输出响应比例（P）U

3、0(t)=K (t0)其中K=R1/R0积分（I）U0(t)=(t0)其中T=R0C比例积分（PI）U0(t)= (t0)其中K=R1/R0，T=R0C比例微分（PD）U0(t)=KT(t)+K其中(t)为单位脉冲函数惯性环节（T）U0(t)=K(1-e-t/T)其中K=R1/R0，T=R1C比例积分微分（PID）其中(t)为单位脉冲函数Kp=R1/R0 ;Ti=R0C1Td=R1R2C2/R0四、实验内容及步骤1、观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。（1）实验接线准备：使运放处于工作状态。将信号源单元（U1 SG）的ST端（插针）与+5V端（插针）用“短路块”短接，使

4、模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态阶跃信号的产生；电路可采用图1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（U13 SP）及“电位器单元”（U14 P）组成。具体线路形成：在U13 SP单元中，将H1与+5V 插针用“短路块”短接，H2 插针用排线接至U14 P单元的X插针；在U14 P 单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。以后实现再用到阶跃信号时，方法同上，不再累赘。（2）实验操作1. 按2中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例）。（PID先不接）2. 将模拟电路输入端（Ui）与阶跃信号的输出端Y相联接；模拟电路的输出端（U0）接至示波

5、器。3. 按下按钮（或松平按扭）H 时 ，用示波器观测输出端U0(t)的实际响应曲线，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。4. 同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线见表1-1。2、观察PID环节的响应曲线。1. 此时Ui采用U1 SG单元的周期性方波信号（U1单元的ST 的插针改为与S 插针用“短路块”短接，S11波段开关置于“阶跃信号”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12与电位器W12调节，信号幅值由电位器W11调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜）。2. 参照2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接

6、好。3. 将中产生的周期性方波加到PID环节的输入端（Ui），用示波器观测PID的输出端（U0），改变电路参数，重新观察并记录。实验二 典型系统瞬态响应和稳定性本实验为验证性实验。一、实验目的1、熟悉有关二阶系统的特性和模拟仿真方法。2、研究二阶系统的两个重要参数阻尼比和无阻尼自然频率n对过渡过程的影响。3、研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。4、熟悉劳斯判据，用劳斯判据对三阶系统进行稳定性分析。二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。三实验原理及电路1、典型二阶系统典型二阶系统的方块图及传递函数图2-1是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1s，T1=0.1s，K

7、1分别为10、5、2、1。开环函数：开环增益：K=K1/T0=K1闭环函数：其中，模拟电路图：见图2-2 图2-22典型三阶系统典型三阶系统的方块图：见图2-3 图 2-3开环传递函数为：其中，K=K1K2/T0(开环增益)模拟电路图：见图2-4图2-4开环传递函数为： （其中K=500/R）系统的特征方程为1+G(S)H(S)=0 即S3+12S2+20S+20K=0由Routh判据得： 0K41.7K 系统稳定 K=12，即R=41.7 K 系统临界稳定 K12，即R20ms时，没有输出波形，即系统采样失真，从而验证了香农定理。3.采样系统的稳定性及瞬态响应实验步骤按图5-5接线。检查无误

8、后开启设备电源.取T=5ms加阶跃信号r（t），观察并记录系统的输出波形C（t），测量超调量%。将信号源单元的开关S12置于2-600ms档，调节电位器W11使采样周期T=30ms，系统加入阶跃信号，观察并纪录系统输出波形，测出超调量%。调节电位器W11使采样周期T=150ms，观察并记录系统的输出波形。将实验结果填入表5-1：表5-1采样周期T（ms）%稳定性响应曲线530150实验六 采样控制系统的校正本实验为设计性实验一、实验目的掌握采样控制系统的校正方法。二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。三实验原理及电路 根据性能指标设计串联校正装置，验证校正后的系统是否满足期望性

9、能指标。 1、校正前闭环采样系统设计 设待校正的采样系统方框图为：图6-1 校正前闭环采样系统 采样系统对应的模拟电路如下：图6-2 校正前系统的模拟电路 2、系统期望的性能指标（1）静态误差系数：（2）超调量：校正前系统的静态误差系数满足期望值，但是该系统不稳定。3、串联校正装置设计（设计步骤略） 采用断续校正网络：校正网络采用有源校正装置，如图6-3所示。图6-3 校正装置校正装置的传递函数为：图6-4是校正后采样系统的方块图。图6-5是校正后采样系统的模拟电路。图6-4 校正后采样系统图6-5 校正后系统的模拟电路四、实验步骤1、准备：将信号源单元的“ST”的插针和“+5” 插针用“短路块”短接。2、阶跃信号的产生：详见实验一。3、观测未校正系统的阶跃响应 （1）按图6-2接线，检查无误后开启设备电源。 （2）将阶跃信号加至信号输入端r(t)，按动阶跃按钮，用示波器测量对象输出端的波形，可以看出，原采样系统出现等幅震荡，系统不稳定。4、观测校正后系统的阶跃响应，测量超调量 （1）按图6-5接线，检查无误