南昌大学自动控制原理实验报告Word文档下载推荐.docx

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1.为了避免积分饱和，在主实验板上，用函数发生器所产生的周期性矩形波信号代替信号发生器中的人工阶跃信号作为信号输入Ui，该信号为0输出时，将自动对模拟电路锁零。

2.根据实验书上的积分环节模拟电路图接线，构造模拟电路。

3.打开虚拟示波器的界面，点击开始，观测波形。

4.待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到0V处，再移动另一根横游标到1V处，得到与积分的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量的惯性关节模拟电路时间常数Ti。

5.改变时间常数Ti，重新观测结果，并记录数据。

4）观察比例积分环节的阶跃响应曲线

2.根据实验书上的比例积分环节模拟电路图接线，构造模拟电路。

4.待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1V处，再移动另一根横游标到Kp*输入电压处，得到与积分曲线的两个交点，再移动虚拟示波器两根纵游标到两个交点，量的比例积分环节模拟电路时间常数Ti。

5.改变时间常数Ti及比例系数K，重新观测结果，并记录数据。

5）观察比例微分环节的阶跃响应曲线

1.将函数信号发生器的矩形波输出作为输入信号Ui.

2.根据实验书上的比例微分环节模拟电路图接线，构造模拟电路。

4.待完整波形出来后，移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到△V=2.7V处为止，得到与微分曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得△t。

5、实验结果

1）比例环节的阶跃响应曲线2）惯性环节的阶跃响应曲线

3）积分环节的阶跃响应曲线4）比例积分环节的阶跃响应曲线

5）比例微分环节的积分响应曲线

6、实验心得及总结

通过本次实验，加深了我对典型环节的理解，并且对典型环节的阶跃响应有了比较直观的理解。

同时，也掌握了虚拟示波器的基本用法，并对课本上的知识有了更进一步的掌握，增加了我对自动控制原理一课的兴趣。

实验二二阶系统瞬态响应和稳定性

一、实验目的

1.了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型二阶闭环系统的递函数标准式。

2.研究Ⅰ型二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ωn、阻尼比ξ对过渡过程的影响。

3.掌握欠阻尼Ⅰ型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算。

4.观察和分析Ⅰ型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts值，并与理论计算值作比对

二、实验仪器

LABACT自控原理试验机一台，装有虚拟示波器程序的计算机一台，导线若干 

三、实验内容及步骤

本实验用于观察和分析单位阶跃二阶系统瞬态响应和稳定性。

开环传递函数：

闭环传递函数标准式：

自然频率（无阻尼振荡频率）：

阻尼比：

超调量：

峰值时间：

有二阶闭环系统模拟电路如图一所示。

它由积分环节（A2）和惯性环节（A3）构成。

。

图一Ⅰ型二阶闭环系统模拟电路

图一的二阶系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：

积分环节（A2单元）的时间积分常数Ti=R1*C1=1S

惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T=R2*C2=0.1S

该闭环系统在A3单元中改变输入电阻R来调整增益K，R分别设定为4k、40k、100k。

当R=100k，K=1ξ=1.58>

1为过阻尼响应，

当R=40k，K=2.5ξ=1为临界阻尼响应，

当R=4k，K=25ξ=0.3160<

ξ<

1为欠阻尼响应。

欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态指标Mp、tp、ts的计算：

（K=25、

=0.316、

=15.8）

（1）用信号发生器的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号Ui。

（2）按照实验书上的I型二阶闭环系统的模拟电路图接线，构造模拟电路。

（3）打开虚拟示波器的界面，点击开始，运行、观察输出端Uo的实际响应曲线。

（4）分别改变比例系数K，惯性时间常数T，积分时间常数Ti，重新观测结果，并记录数据。

四、实验结果

1.改变比例系数K

理论值和实际值

表一

输出端C（t）的系统阶跃响应：

分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到4K、40K、100K，用示波器观察在三种增益K下，A6输出端C（t）的系统阶跃响应，分别见下图：

图二R=4K图三R=40K

图四100K

2.改变时间积分常数Ti

实验值和理论值

惯性时间常数T=0.1，惯性环节增益K=25，R=4K，C2=1u，重新观测结果，记录超调量MP，峰值时间tp和调节时间ts，见下表:

Ti

Mp%

tp/s

ts/s

计算值

测量值

0.5

48.57

42

0.144

0.18

0.599

0.62

1

35.12

35.5

0.21

0.22

0.601

0.73

实验图

图五Ti=0.5,T=0.1,R=4K图六Ti=1

3.改变惯性时间常数T

时间积分常数Ti=1，惯性环节增益K=25，R=4K，C1=2u，重新观测结果，记录超调量MP，峰值时间tp和调节时间ts，见表三。

Ti=1,R=4K,C1=2u,K=25

T

0.2

48.64

45.5

0.2883

0.28

1.2

1.24

图七T=0.1图八T=0.2

五、实验心得及总结

通过本次实验，我对二阶系统有了一个更加清晰的了解，同时，也掌握了无阻尼振荡角频率和阻尼比对二阶系统响应的影响。

掌握了二阶系统的阶跃响应的暂态性能各项性能指标的计算及其物理意义。

实验三三阶系统的瞬态响应和稳定性

1.了解和掌握典型三阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型三阶系统的传递函数表达式。

2.熟悉劳斯（ROUTH）判据使用方法。

3.应用劳斯（ROUTH）判据，观察和分析Ⅰ型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。

2、实验仪器

LABACT自控原理试验机一台，装有虚拟示波器程序的计算机一台，导线若干

三．实验内容及步骤

实验电路图

本实验用于观察和分析三阶系统瞬态响应和稳定性。

Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路如图3-1-8所示。

它由积分环节（A2）、惯性环节（A3和A5）构成。

Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路图

图一的Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：

积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S，

惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T1=R3*C2=0.1S，K1=R3/R2=1

惯性环节（A5单元）的惯性时间常数T2=R4*C3=0.5S，K2=R4/R=500k/R

该系统在A5单元中改变输入电阻R来调整增益K，R分别为30K、41.7K、100K。

闭环系统的特征方程为：

特征方程标准式：

由ROUTH判据，得

Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路图见图一，分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到30K、41.7K、100K，跨接到A5单元（H1）和（IN）之间，改变系统开环增益进行实验。

实验步骤

（2）根据模拟电路图接线，构造模拟电路。

（4）改变时间常数，重新观测结果，并记录数据。

图一R=100kC2=C3=1u图二R=41.7kC2=C3=1uf

图三R=30kC2=C3=1uf图四R=100kC2=2ufC3=1uf

图五R=41.7kC2=2ufC3=1uf图六R=30.0kC2=2ufC2=1uf

图七R=100kC2=1ufC3=2uf图八R=41.7kC2=1ufC3=2uf

五、实验总结及心得

通过本次实验，我掌握了典型三阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型三阶系统的传递函数表达式。

熟悉了劳斯判据的使用方法。

学会了应用劳斯判据观察和分析Ⅰ型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。

使我们对劳斯判据的运用更加的灵活。

实验四一阶惯性环节的频率特性曲线

一、实验要求

了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。

本实验用于观察和分析一阶惯性环节的频率特性曲线。

频域分析法是应用频率特性研究线性系统的一种经典方法。

它以控制系统的频率特性作为数学模型，以波德图或其他图表作为分析工具，来研究和分析控制系统的动态性能与稳态性能。

本实验将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，自动产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化（0.5Hz~64Hz），OUT2输出施加于被测系统的输入端r（t），然后分别测量被测系统的输出信号的对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。

惯性环节的频率特性测试电路见图3-2-1。

图3-2-1惯性环节的频率特性测试电路

实验步骤：

（1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。

（2）构造模拟电路：

按图3-2-1安置短路套及测孔联线。

（3）运行、观察、记录：

①运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，选择一阶系统，就会弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，实验机将自动产生0.5Hz~64Hz多个频率信号，测试被测系统的频率特性，等待将近十分钟，测试结束。

②测试结束后，可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图），同时在界面上方将显示该系统用户点取的频率点的L、

、Im、Re等相关数据。

点击停止后，将停止示波器运行。

③改变惯性环节开环增益：

改变A6的输入电阻R=50K、100K、200K。

C=1u，R2=50K（T=0.05）。

改变惯性环节时间常数：

改变A6的反馈电容C2=1u、2u、3u。

R1=50K、R2=50K（K=1）

注：

本实验要求惯性环节开环增益不能大于1。

（1）R=5K欧C=1U

幅频特性相频特性

幅相特性

（2）R=100K欧C=1U

幅相特性相频特性

幅相特性曲线

通过这次实验，我掌握了使用一阶惯性环节的频率特性曲线的画法，同时也掌握了一节惯性环节频率特性的特点，对其有了直观的了。

进一步的加深了我对书本上相关知识的理解。

实验五二阶闭环系统的频率特性曲线

1.了解和掌握二阶闭环系统中对数幅频特性

和相频特性

实频特性

和虚频特性

的计算。

2.了解和掌握欠阻尼二阶闭环系统中的自然频率

、阻尼比

对谐振频率

和谐振峰值

的影响及

和

3.观察和分析欠阻尼二阶开环系统的谐振频率

、谐振峰值

，并与理论计算值作比对。

二、实验仪器 

三、实验步骤

本实验用于观察和分析二阶开环系统的频率特性曲线。

由于Ⅰ型系统含有一个积分环节，它在开环时响应曲线是发散的，因此欲获得其开环频率特性时，还是需构建成闭环系统，测试其闭环频率特性，然后通过公式换算，获得其开环频率特性。

计算欠阻尼二阶闭环系统中的幅值穿越频率ωc、相位裕度γ：

幅值穿越频率：

相位裕度：

γ值越小，Mp%越大，振荡越厉害；

γ值越大，Mp%小，调节时间ts越长，因此为使二阶闭环系统不致于振荡太厉害及调节时间太长，一般希望：

30°

≤γ≤70°

ωc=14.186γ=34.93°

本实验所构成的二阶系统符合要求，被测系统模拟电路图的构成如图1所示

安置短路套及测孔联线表

图一二阶闭环系统频率特性测试电路

积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S，

惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T=R3*C2=0.1S，开环增益K=R3/R。

设开环增益K=25（R=4K）

4、实验结果

改变惯性环节开环增益：

改变模拟单元A3的输入电阻

理论值和实测值分别如下表一和表二所示：

理论计算值

R

K

Wn

ξ

Wr

L（Wr）

10k

10

7.07

1.25

4k

25

15.8

0.316

14.13

4.44

2k

50

22.36

0.224

21.21

7.2

实测值

Φ

Im

Re

-55.3

-0.93

0.64

6.91

1.04

-63.7

-1.44

0.71

13.19

4.12

-69.5

-2.06

0.77

20.11

6.85

表二

图二R=10k图三R=4K

图四R=2k

改变惯性环节时间常数

实验结果

改变模拟单元A3的反馈电容

理论值和实测值分别如下表3和表4所示:

C2

1μ

0.1

15.81

14.14

2μ

11.18

10.6

3μ

0.3

9.13

0.183

8.82

8.88

表六

-56.5

-1.74

1.15

9.42

6.4

-63.2

-2.29

1.16

8.17

8.19

表七

图五（C2=1μ）图六（C2=2μ）

图七（C2=3μ）

改变积分环节时间常数：

理论值和实测值分别如下表十一和表十二所示：

C1

表十一

-66.1

-2.02

0.9

6.9

表十二

图八（C1=1μ）图九（C2=1μ）

通过本次实验了解和掌握二阶闭环系统中对数幅频特性

了解和掌握欠阻尼二阶闭环系统中的自然频率

实验六二阶开环系统的频率特性曲线

1.研究表征系统稳定程度的相位裕度

和幅值穿越频率

对系统的影响。

2.了解和掌握二阶开环系统中的对数幅频特性

，实频特性

和虚频特性

3.了解和掌握欠阻尼二阶开环系统中的相位裕度

4．观察和分析欠阻尼二阶开环系统波德图中的相位裕度γ和幅值穿越频率ωc，与计算值作比对。

幅值穿越频率:

相位裕度:

本实验以第3.2.2节〈二阶闭环系统频率特性曲线〉为例，得：

ωc=14.186γ=34.93°

被测系统模拟电路图的构成如图3-2-2所示。

安置短路套及测孔联线如图一。

（3）运行、观察、记录

图一二阶开环系统频率特性测试电路

Wc

γ

7.86

51.8

34.9

21.27

25.2

-120.3

-0.97

-0.57

59.7

-144.2

-0.59

-0.81

13.82

35.8

-153.7

-0.46

-0.94

26.3

图二（R=10K）图三（R=4K）

图四（R=2K）

理论值和实测值分别如下表6和表7所示：

14.3

9.0

20.73

-142.6

-0.66

-0.83

37.4

-154.5

-0.44

-0.92

10.05

25.5

16.69

-0.47

-0.95

33.8

图八（C1=1μ）图九（C1=2μ）

通过本次实验，我们掌握了对表征系统稳定程度的相位裕度

通过实验我们了解了γ值越小,Mp%越大,振荡越厉害;

γ值越大,Mp%小,调节时间ts越长,因此为使二阶闭环系统不致于振荡太厉害及调节时间太长。

通过本次实验，对课本的知识更加的充分理解。

实验七频域法串联超前校正

1．了解和掌握二阶系统中的闭环和开环对数幅频特性和相频特性（波德图）的构造及绘制方法。

2．了解和掌握超前校正的原理，及超前校正网络的参数的计算。

3．熟练掌握使用本实验机的二阶系统开环对数幅频特性和相频特性的测试方法。

4．观察和分析系统未校正和串联超前校正后的开环对数幅频特性

，幅值穿越频率处ωc′，相位裕度γ，并与理论计算值作比对。

本实验用于观察和分析引入频域法串联超前校正网络后的二阶系统瞬态响应和稳定性。

未校正系统的时域特性的测试

未校正系统模拟电路图

图一未校正系统模拟电路图

图一未校正系统的开环传递函数为：

模拟电路的各环节参数：

积分环节（A5单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=0.2S，

惯性环节（A6单元）的惯性时间常数T=R2*C2=0.3S，开环增益K=R2/R3=6。

（1）将函数发生器单元的矩形波输出作为系统输入Ui。

（连续的正输出宽度足够大的阶跃信号）

（2）按照上图电路接线，构造模拟电路。

（3）打开虚拟示波器的界面，点击开始，运行、观察输出端Uo的