安阳工学院自动控制实验指导书.docx

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安阳工学院自动控制实验指导书

一实验要求

一、实验前必须充分预习，完成指定的预习任务。

二、用仪器和实验箱前必须了解其性能、操作方法及注意事项，在操作时应严格遵守。

三、实验时接线要认真，相互仔细检查，确定无误才能接通电源。

四、实验时应注意观察，若发现有破坏性异常现象，例如元件冒烟、发烫或有异味等，应立即关断电源，保持现场，报告指导老师。

找出原因、排除故障，经指导老师同意后再继续做实验。

五、实验过程中需要改接线时，应关断电源后才能拆、接线，使用自锁紧插头时，严禁用力拉线，拆线时，应手捏线端并旋转轻微向上用力拔起，以防线被拉断。

六、实验过程中要仔细观察实验现象，记录实验结果（数据、波形、现象）。

所记录的实验结果经指导老师审阅签字后再拆除实验线路。

七、实验结束后，必须关断电源、拔出电源插头，并将仪器、设备、工具、导线等按规定整理。

八、实验后每个学生必须按要求独立完成实验报告。

使用注意事项

1．使用前应先检查各电源是否正常，检查步骤为：

（1）先关闭实验箱的所有电源开关，然后用随箱的三芯电源线接通实验箱的220V交流电源。

（2）开启实验箱上的电源总开关，则开关指示灯被点亮。

（3）用万用表的直流电压档（或直接用面板上的直流数字电压表）测量面板上的15V和5V，看是否有正确的电压输出。

（4）开启函数信号发生器开关，则应有信号输出；当频率计打到内测时，应有相应的频率显示。

（5）开启交流毫伏表，数码管应被点亮。

（6）开启直流数字电压表，数码管应被点亮。

2．接线前务必熟悉实验线路的原理及实验方法。

3．实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关，严禁带电接线。

接线完毕，检查无误后，才可进行实验。

4．实验自始至终，实验板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。

5．实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置到规定的位置。

6．实验时需用到外部交流供电的仪器，如示波器等，这些仪器的外壳应妥为接地。

三试验部分

实验一控制系统典型环节的模拟

一、实验目的

1）、熟悉超低频扫描示波器的使用方法

2）、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路

3）、测量典型环节的阶跃响应曲线

4）、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响

二、实验仪器

1）、控制理论电子模拟实验箱一台

2）、超低频慢扫描示波器一台

3）、万用表一只

三、实验原理

以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。

图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R、C构成。

图1-1、运放的反馈连接

基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：

由上式可求得由下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。

1）、比例环节

比例环节的模拟电路如图1-2所示：

图1-2比例环节

2）、惯性环节

取参考值R1=100K，R2=100K，C=1uF

图1-3、惯性环节

3）、积分环节

取参考值R=200K，C=1uF

图1-4、积分环节

4）、比例微分环节（PD），其接线图如图及阶跃响应如图1-5所示。

参考值R1=200K，R2=410K，C=0.1uF

图1-5比例微分环节

5）、比例积分环节，其接线图单位阶跃响应如图1-6所示。

参考值R1=100KR2=200KC=0.1uF

图1-6比例积分环节

6）、振荡环节，其原理框图、接线图及单位阶跃响应分别如下所示。

图1-7振荡环节原理框图

图1-8振荡环节接线图

图1-8为振荡环节的模拟线路图，它是由惯性环节，积分环节和一个反相器组成。

根据它们的传递函数，可以画出图1-7所示的方框图，图中

欲使图1-8为振荡环节，须调整参数K和T1，使0<<1，呈欠阻尼状态。

即环节的单位阶跃响应呈振荡衰减形式。

四、实验内容与步骤

1、分别画出比例、惯性、积分、微分和振荡环节的电子电路图。

1、按下列各典型环节的传递函数，调节相应的模拟电路的参数。

观察并

记录其单位阶跃响应波形。

1）、比例环节G1（S）=1和G2（S）=2

2）、积分环节G1（S）=1/S和G2（S）=1/（0.5S）

3）、比例微分环节G1（S）=2+S和G2（S）=1+2S

4）、惯性环节G1（S）=1/（S+1）和G2（S）=1/（0.5S+1）

5）、比例积分环节（PI）G（S）=1+1/S和G（S）=2（1+1/2S）

五、注意事项

1）、输入的单位阶跃信号取自实验箱中的函数信号发生器。

2）、电子电路中的电阻取千欧，电容为微法。

六、实验报告要求

1）、画出六种典型环节的实验电路图，并注明相应的参数。

2）、画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。

3）、写出实验心得与体会。

七、实验思考题

1）、用运放模拟典型环节时，其传函是在哪两个假设条件下近似导出的？

2）、积分环节和惯性环节主要差别是什么?

在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节?

在什么条件下，又可以视为比例环节？

3）、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？

实验二一阶系统的时域响应及参数测定

一、实验目的

1）、观察一阶系统在单位阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应。

2）、根据一阶系统的单位阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。

二、实验仪器

1）、控制理论电子模拟实验箱一台。

2）、双踪低频慢扫描示波器一台。

3）、万用表一只。

三、实验原理

图2-1为一阶系统的模拟电路图。

由该图可知io=i1-i2

根据上式，画出图2-2所示

的方框图，其中T=R0C。

由图图2-1一阶系统模拟电路图

2-2得：

图2-3为一阶系统的单位阶跃响应曲线。

当t=T时，C（T）=1–e-¹=0.632。

这表示当C（t）上升到稳定值的63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T，根据这个原理，由图2-3可测得一阶系统的时间常数T。

由上式

（1）可知，系统的稳态值为1，因而该系统的跟踪阶跃输入的稳态误差ess=0。

这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入，但有稳态误差存在。

其误差的大小为系统的时间常数T。

四、实验内容与步骤

1、根据图2-1所示的模拟电路，调整R0和C的值，使时间常数T=1S和T=0.1S。

2、uI（t）=1V时，观察并记录一阶系统的时间常数T分别为1S和0.1S时的单位阶跃响应曲线,并标注时间坐标轴。

3、当uI（t）=t时，观察并记录一阶系统时间常数T为1S和0.1S时的响应曲线，其中斜坡信号可以通过实验箱中的三角波信号获得，或者把单位阶跃信号通过一个积分器获得。

五、实验报告

1、根据实验，画出一阶系统的时间常数T=1S时的单位阶跃响应曲线，

并由实测的曲线求得时间常数T。

2、观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由图确定跟踪误差ess，这

一误差值与由终值定理求得的值是否相等？

分析产生误差的原因。

六、实验思考题

1、一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜坡输入的

稳态误差为T？

2、一阶系统的单位斜坡响应能否由其单位阶跃响应求得？

试说明之。

实验三二阶系统的瞬态响应分析

一、实验目的

1、熟悉二阶模拟系统的组成。

2、研究二阶系统分别工作在=1，0<<1，和1三种状态下的单

位阶跃响应。

3、分析增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量P、峰值时间tp和调

整时间ts。

4、研究系统在不同K值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。

一、

实验原理

图3-1二阶系统的模拟电路

图3-1为二阶系统的模拟电路图，

它是由惯性环节、积分环节和反相器

组成。

图3-2为图3-1的原理方框图，

图中K=R2/R1，T1=R2C1，T2=R3C2。

由图3-2求得二阶系统的闭环传递函图3-2二阶系统原理框图

数为：

调节开环增益K值，不仅能改

变系统无阻尼自然振荡频率ωn和

的值，还可以得到过阻尼（>1）、临界

阻尼（=1）和欠阻尼（<1）三种

情况下的阶跃响应曲线。

（1）、当K>0.625，01，图3-301时的阶跃响应曲线

系统处在欠阻尼状态，它的单位阶跃响应表达式为：

（2）、当K=0.625时，=1，系统

处在临界阻尼状态，它的单位阶

跃响应表达式为：

如图3-4为二阶系统工作临界阻尼

时的单位响应曲线。

图3-4=1时的阶跃响应曲线

（3）、当K0.625时，1，系统工作在过阻尼状态，它的单位阶跃响应曲线和临界阻尼时的单位阶跃响应一样为单调的指数上升曲线，但后者的上升速度比前者缓慢。

三、实验内容与步骤

1、根据图3-1，调节相应的参数，使系统的开环传递函数为：

2、令ui（t）=1V，在示波器上观察不同K（K=10，5，2，0.5）时的单位

阶跃响应的波形，并由实验求得相应的σp、tp和ts的值。

3、调节开环增益K，使二阶系统的阻尼比

，观察并记录此时的单位阶跃响应波形和σp、tp和ts的值。

4、用实验箱中的三角波或输入为单位正阶跃信号积分器的输出作为二

阶系统的斜坡输入信号。

5、观察并记录在不同K值时，系统跟踪斜坡信号时的稳态误差。

四、实验报告

1、画出二阶系统在不同K值（10，5，2，0.5）下的4条瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。

2、按图3-2所示的二阶系统，计算K=0.625，K=1和K=0.312三种情况下和ωn值。

据此，求得相应的动态性能指标σp、tp和ts，并与实验所得出的结果作一比较。

3、写出本实验的心得与体会。

五、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、在电子模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？

3、为什么本实验的模拟系统中要用三只运算放大器？

实验四PID控制器的动态特性

一、实验目的

1）、熟悉PI、PD和PID三种控制器的模拟电路。

2）、通过实验，深入了解PI、PD和PID三种控制器的阶跃响应特性和相关参数对它们性能的影响。

二、实验仪器

1）、控制理论电子模拟实验箱一台

2）、慢扫描示波器一台

3）、万用表一只

三、实验要求

1、设计PI控制器的电路模型，并使用控制理论电子模拟试验箱搭接实现电路。

当激励为阶跃响应时，测试并记录响应特性。

调节PI控制器参数，测试并记录系统响应的变化，从而理解PI控制器参数对它们性能的影响。

2、设计PD控制器的电路模型，并使用控制理论电子模拟试验箱搭接实现电路。

当激励为阶跃响应时，测试并记录响应特性。

调节PD控制器参数，测试并记录系统响应的变化，从而理解PD控制器参数对它们性能的影响。

3、设计PID控制器的电路模型，并使用控制理论电子模拟试验箱搭接实现电路。

当激励为阶跃响应时，测试并记录响应特性。

调节PID控制器参数，测试并记录系统响应的变化，从而理解PID控制器参数对它们性能的影响。

四、实验内容

1、令Ur=1V，C=1uF，用慢扫描示波器分别测试R1=10K和20K时的PD控制器的输出波形。

2、令Ur=1V，C=1uF，用示波器分别测试R2=10K和20K时的PI控制器的输出波形。

3、令Ur=1V，用示波器测试PID控制器的输出波形。

五、实验报告

1、画出PD、PI、和PID三种控制器的实验线路图，并注明具体的参数值。

2、根据三种控制器的传递函数，画出它们在单位阶跃信号作用下的理论上的输出波形图。

3、根据实验，画出三种控制器的单位阶跃响应曲线，并与由理论求得

的输出波形作一分析比较。

4、分析参数对三种控制器性能的影响。

六、实验思考题

1、试说明PD和PI控制器各适用于什么场合？

它们各有什么优、缺点？

2、试说明PID控制器的优点。

3、为什么由实验得到的PD和PID输出波形与它们的理想波形有很大的不同？