自动控制原理实验指导书学生用.doc

实验一 典型环节及其阶跃响应一、实验目的1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响二、实验内容 1．对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二)表一：典型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〕积分〔I〕比例积分〔PI〕比例微分〔PD〕惯性环节〔T〕表二：典型环节的模拟电路图各典型环节名称模拟电路图比例〔P〕积分〔I〕比例积分〔PI〕比例微分〔PD〕惯性环节〔T〕2．测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应3．改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响三、实验内容及步骤①准备：使运放处于工作状态将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块〞短接，使模拟电路中的场效应管〔K30A〕夹断，这时运放处于工作状态②阶跃信号的产生：电路可采用图1-1所示电路，它由“阶跃信号单元〞〔U3〕及“给定单元〞〔U4〕组成具体线路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y端输出信号。

以后实验假设再用阶跃信号时，方法同上，不再赘述实验步骤：①按表二中的各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)②将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器③按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下改变比例参数，重新观测结果④同理得积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，理想曲线参见表三观察并记录实际曲线四、实验思考题：1．为什么PI在阶跃信号作用下，输出的终值为一常量？2．为什么PD在单位阶跃信号作用下，在t=0时的输出为一有限值？表三： 典型环节传递函数参数与模拟电路参数关 系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线比例K=μo(t)=KRo=250KR1=100KR1=250K惯性K=T=R1Cμo(t)=K(1-e-t/T)R1=250KRo=250KC=1μFC=2μFIT=RoCμo(t)=Ro=200KC=1μFC=2μFPIK=T=RoCμo(t)=K+R1=100KRo=200KC=1uFC=2uFPDK=T=理想：μo(t)= KTδ(t)+K实测：μo(t)=+e-t/R3CRo=100K R2=100KC=1uFR3=10KR1=100KR1=200K实验二 二阶系统的阶跃响应一、实验目的1．通过二阶系统的模拟电路实验，掌握不同阻尼比下其阶跃响应情况。

2．研究二阶的动态性能指标二、实验原理图2-1为二阶系统的方块图由图可知，系统的开环传递函数G(S)=，式中K=相应的闭环传递函数为 ………………………①二阶系统闭环传递函数的标准形式为= ………………………②比拟式①、②得：ωn= ………………………③ ξ==………………………④图中τ=1s，T1=0.1s图2-1表一列出了有关二阶系统在三种情况(欠阻尼，临界阻尼、过阻尼)下具体参数的表达式，以便计算理论值图2-2为图2-1的模拟电路，其中τ=1s，T1=0.1s，K1分别为10、5、2.5、1，即当电路中的电阻R值分别为10K、20K、40K、100K时系统相应的阻尼比ξ为0.5、、1、1.58，它们的单位阶跃响应曲线为表二所示表一：一种情况各参数0＜ξ＜1ξ=1ξ＞1KK=K1/τ=K1ωnωn==ξξ=C(tp)C(tp)=1+e—ξπ/C(∞)1Mp%Mp= e—ξπ/tp(s)tp=ts(s)ts=表二：二阶系统不同ξ值时的单位阶跃响应R值ξ单位阶跃响应曲线10K0.520K40K1100K1．58②模拟电路图： G(S)== K1=100K/R ξ= ωn=三、实验内容1．通过对二阶系统开环增益的调节，使系统分别呈现为欠阻尼0＜ξ＜1(R=10K，K=10),临界阻尼ξ=1(R=40K，K=2.5)和过阻尼ξ＞1(R=100K，K=1)三种状态，并用示波器记录它们的阶跃响应曲线。

2．能过对二阶系统开环增益K的调节，使系统的阻尼比ξ==0.707(R=20K，K=5)，观测此时系统在阶跃信号作用下的动态性能指标：超调量Mp，上升时间tp和调整时间ts，并记录下来四、实验步骤准备工作：将“信号发生器单元〞U1的ST端和+5V端用“短路块〞短接，并使运放反应网络上的场效应管3DJ6夹断1．二阶系统阶跃响应的测试按图2-2接线，并使R分别等于100K、40K、10K用于示波器，分别观测系统的阶跃的输出响应波形2．二阶系统动态性能指标观测调节R，使R=20K，(此时ξ=0.707)，然后用示波器观测系统的阶跃响应曲线，并由曲线测出超调量Mp，上升时间tp和调整时间ts并将测量值与理论计算值进行比拟，参数取值及响应曲线参见表一、二五、实验思考题为什么图2-1所示的二阶系统不管K增至多大，该系统总是稳定的？实验三 控制系统的稳定性分析一、实验目的1．通过三阶系统的模拟电路实验，掌握线性定常系统动、静态性能的一般测试方法2．研究三阶系统的参数与其静态性能间的关系二、实验原理图3—1、图3—2分别为系统的方块图和模拟电路图由图可知，该系统的开环传递函数为：G(S)=，式中T1=0.1S，T2=0.51S，K=系统的闭环特征方程：S(T1+1)(T2S+1)+K=0即0.051S3+0.61S2+3+K=0 由Routh稳定判据可知K≈12 (系统稳定的临界值)系统产生等幅振荡，K＞12，系统不稳定，K＜12，系统稳定。

图2—3 三阶系统方块图图3—1 三阶系统方块图图3—2 三阶系统的模拟电路图三、实验内容1．研究三阶系统的开环增益K或一个慢性环节时间常数T的变化对系统动态性能的影响2．由实验确定三阶系统稳定由临界K值，并与理论计算结果进行比拟四、实验步骤准备工作：将“信号发生器单元〞U1的ST端和+5V端用“短路块〞短接，并使运放反应网络上的场效应管3DJ6夹断1．三阶系统性能的测试①按图3-2接线，并使R=30K②用示波器观测系统在阶跃信号作用下的输出波形2.系统稳定性分析①减小开环增益(令R=42.6K，100K)，观测这二种情况下系统的阶跃响应曲线②在同一个K值下，如K=5.1(对应的R=100K)，将第一个惯性环节的时间常数由0.1s变为1s，然后再用示波器观测系统的阶跃响应曲线表一：R(KΩ)K输出波形稳定性301742.611.961005.1五、实验思考题通过改变三阶系统的开环增益K和第一个惯性环节的时间常数，讨论得出它们的变化对系统的动态性能产生什么影响？实验四 连续系统串联校正一、实验目的1．掌握串联校正装置设计的一般方法。

2．设计一个有源串联超前校正装置，使之满足实验系统动、静态性能的要求二、实验内容1．未校正系统的方块图如图4—1所示，设计相应的模拟电路图，参见图4—2图4—1 未校正系统的方块图图4—2 未校正系统的模拟电路图 ωn=6.32 Mp=60%2．由闭环传递函数G(S)= ts=4s ξ=0.158 静态误差系统数Kv=20 1/s3．用示波器观测并记录未校正系统在阶跃信号作用下的动态性能指标Mp、ts、tp4．根据系统动态性能的要求，设计一个超前校正装置，其传递函数为：Gc(s)=其模拟电路图为4—3所示要求校正后系统Kv=20，Mp=0.25，ts≤1s，图4—3 校正装置电路校正后系统的方块图为图4—4所示图4—4 校正后系统的方块图由图可知，该系统的开环传递函数为G(S)=与二阶系统标准形式的开环传递函数相比拟，得ωn==20 2ξωn=20 ξ=0.5 Mp=e-=0.163＜0.25图4—5 校正后系统的模拟电路图三、实验步骤准备：将“信号发生器单元〞U1的ST端和+5V端用短路块短接。

1．按照图4—2接线，并核对图中各环节的参数是否完全满足图4—1所示系统的要求2．参加阶跃输入电压，用示波器观察并记录系统输出响应曲线及其性能指标：超调量Mp和调节时间ts3．按图4—5的要求接入校正装置4．在图4—5的输入端引入阶跃控制电压，并用示波器观察和记录校正后系统的超调量Mp和调节时间ts，以检验系统是否完全满足预期的设计要求5．具体参数及响应曲线请填入表4-1四、实验思考题1．阶跃输入信号为什么不能取得太大？2．为什么图4—3所示的校正装置是超前校正装置？3．你能解释校正后系统的瞬态响应变快的原因吗？表4-1参数工程Mp(%)Ts(s)阶 跃 响 应 曲 线未校正校正后实验五 数字PID控制一、实验目的1．通过实验进一步理解采样控制的根本理论2．掌握采样控制系统校正装置的设计和调试方法二、实验原理采样控制系统稳定的充要条件是其特征根全部位于Z平面上以从标原点为圆心的单位圆内这种系统的稳定性除了与系统的结构和参数有关外，还与采样周期T有关三、实验内容 1．利用本实验装置，设计图5—1所示的模拟系统，如图5—2所示T=0.1S图5—1 校正前采样系统。