自控实验报告.docx
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自控实验报告
自动控制原理实验报告
实验一典型环节及其阶跃响应
一、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。
二、实验仪器
1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验原理
1．模拟实验的基本原理：
控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，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，便得到了相应的模拟系统。
再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测
量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。
若改变系统的参数，
还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。
四、实验内容
构成下述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
G（S）=-R2/R1
2.惯性环节的模拟电路及其传递函数
G（S）=−K/TS+1
K=R2/R1，T=R2C
3.积分环节的模拟电路及传递函数
G（S）=-1/TS
T=RC
4.微分环节的模拟电路及传递函数
G（S）=−RCS
5.比例+微分环节的模拟电路及传递函数
G（S）=−K（TS+1）
K=R2/R1，T=R2C
五、实验波形及数据
比例环节
惯性环节
积分环节
微分环节
比例加微分
六、计算
1惯性环节
取R2=200K，R1=100K，则理论值G（S）=-2.
由以上惯性环节的图形得输出为-2000mv,输入为1000mv.g（s）=-2,与理论值相同。
2积分环节
取R=50K,C=0.1uf,则理论输出值为G（S）=-0.005S
由实验所得图形看出输出为y2=-5s,输入y1=1000.得g（s）=-0.005,与理论值相同。
实验二二阶系统阶跃响应
一、实验目的
1．研究二阶系统的特征参数，阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对系统动态性能的影响。
定
量分析ζ和ωn与最大超调量Mp和调节时间tS之间的关系。
2．学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。
二、实验仪器
1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验原理
控制系统模拟实验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，便得到了相应的模拟系统。
再将输入
信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统
的动态响应曲线及性能指标。
若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的
影响。
四、实验内容
典型二阶系统的闭环传递函数为
其中ζ和ωn对系统的动态品质有决定的影响。
构成图2-1典型二阶系统的模拟电路，
并测量其阶跃响应：
根据二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。
把不同ζ
和ωn条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。
.画出系统响应曲线，
再由ts和Mp计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。
五、实验波形及数据
R2=100k
R2=0k
R2=50k
R2=200k
R2=400k
C=0.01u
六、实验数据分析
1.二阶系统的模拟电路图如下
系统结构图如下
G3（S）
G4（S）
G1（S）
R（S）C（S）
G2（S）
系统闭环传递函数
G（S）=G1G2G3/（1+G2G3G4+G1G2G3）（其中G1=10/s,G2=10/s,G3=1,G4=R2/R1）
2.不同ζ和ωn条件下测量的Mp和ts值
R1
R2
C
ζ
ωn
MP（mv）
TS（ms）
100KΩ
0
1μf
0
10rad/s
-
无穷大
100KΩ
50KΩ
1μf
0.25
10rad/s
461（46.1%）
1203
100KΩ
100KΩ
1μf
0.5
10rad/s
181（18.1%）
646
100KΩ
200KΩ
1μf
1
10rad/s
0
473
100KΩ
400KΩ
1μf
2
10rad/s
0
1270
100KΩ
100KΩ
0.1μf
0.5
100rad/s
167（16.7%）
67
由表可知，当ζ为0时系统处于临界阻尼状态，等幅振荡。
当ζ在（0，1）之间时系统处于欠阻尼状态，当ζ大于0时系统处于过阻尼状态，超调量为0.相同阻尼比的情况下，通过改变ωn，可以减小系统的响应时间并减少超调量。
3.实际值与理论值的比较（小写为理论值）
ζ
ωn
MP
TS（ms）
mp
ts（ms）
0
10rad/s
-
无穷大
-
无穷大
0.25
10rad/s
461（46.1%）
1203
51.4%
1200
0.5
10rad/s
181（18.1%）
646
16.3%
800
1
10rad/s
0
473
0
-
2
10rad/s
0
1270
0
-
0.5
100rad/s
167（16.7%）
67
16.3%
80
又上表可以看出实验值与理论值基本相同。
实验三连续系统串联校正
一、实验目的
1.加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。
2.对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。
二、实验仪器
1．EL-AT-III型自动控制系统实验箱一台
2．计算机一台
三、实验内容
1．串联超前校正
（1）系统模拟电路图如图3-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。
（2）系统结构图如图3-2
图中
2．串联滞后校正
（1）模拟电路图如图3-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。
（2）系统结构图示如图3-4
图中
3．串联超前—滞后校正
（1）模拟电路图如图5-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前—滞后校正。
（2）系统结构图示如图3-6。
图中
四、实验步骤
超前校正：
1．连接被测量典型环节的模拟电路（图5-1），开关s放在断开位置。
2．系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录超调量σp和调节时间ts。
3．开关s接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较。
滞后校正：
4．连接被测量典型环节的模拟电路（图5-3），开关s放在断开位置。
系统加入阶
跃信号。
测量系统阶跃响应，并记录超调量σp和调节时间ts。
5．开关s接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较
超前--滞后校正
6.接被测量典型环节的模拟电路（图5-5）。
双刀开关放在断开位置。
系统加入阶
跃信号。
测量系统阶跃响应，并记录超调量σp和调节时间ts
7．双刀开关接通，重复步骤2，并将两次所测的波形进行比较。
五、实验波形及数据
串联超前校正
1时间353167
21240559
红为校正后
串联滞后校正
未加校正5278685
校正后1112307紫
3未调节1533671
调节684293
六实验结果分析
1超前校正
校正前系统传递函数为G=40/（0.2s*s+s）,校正后系统传递函数为G=（2.2s+40）/（0.01s*s*s+0.25s*s+s）
波特图如下
通过波特图和系统阶跃响应可以看出超前校正增大系统的相角裕度，改善了系统的稳定性和平稳性。
2滞后校正
校正前系统传递函数为G=50/（0.005s*s*s+0.5s*s+s）校正后系统传递函数为G=（50s+50）/（0.03s*s*s*s+3.005s*s*s+6.5s*s+s）
波特图如下
通过波特图和系统阶跃响应可以看出滞后校正通过对快速性的限制换取了系统的稳定性。
3滞后-超前校正
校正前系统传递函数为G=60/（0.001s*s*s+0.11s*s+s）,校正后系统传递函数为G=60（1.2s+1）（0.15s+1）/[（0.001s*s*s+0.11s*s+s）（0.3s*s+6.05s+1））
波特图如下
通过波特图和系统阶跃响应可以看出滞后-超前校正能够综合超前和滞后校正的优点，全面提高系统的控制性能。
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