自动控制原理实验指导讲解.docx

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2. 时域性能指标的测量方法：超调量0 %：1） 启动计算机，在桌面双击图标［自动控制实验系统］运行软件2） 检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击空按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信 正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验3） 连接被测量典型环节的模拟电路电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1 输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源4） 在实验项目的下拉列表中选择实验一［典型环节及其阶跃响应］5） 鼠标单击艺按钮，弹出实验课题参数设置对话框在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果6） 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量：Y - Yb % = max &X 100%YgT与T :PS利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得 到T与TPS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如图1-1R1E2200Ki—|—i—U2A/D 1 G (S)=-R2/R12.¥ 團 i-i惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2G( S) = - K/TS+1K=R2/R1，T=R2C积分环节的模拟电路及传递函数如图1-33.U1D/A1R100K ■4=1-G(S) =1/TST=RC4.微分环节的模拟电路及传递函数如图 1-4VID/A1C lufU2A/D1图1-4G( S) = - RCSUl_D/AFR2E1 iOOKU2A/Dl5. 比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图 1-5（未标明的 C=0.01uf）。

G(S) = -K(TS+1)K=R2/R1，T=R2C6. 比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6R2R1U1 100KD从厂匚aU2A/DlG(S) =K(1+1/TS)K=R2/R1，T=R2C五、实验步骤1. 启动计算机，在桌面双击图标 [ 自动控制实验系统] 运行软件2. 测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续如通信不正常查找原因使通信正常后才 可以继续进行实验比例环节3•连接被测量典型环节的模拟电路（图1-1）电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路 的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入检查无误后接通电源4•在实验项目的下拉列表中选择实验一［一、典型环节及其阶跃响应］5. 鼠标单击 按钮，弹出实验课题参数设置对话框在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果6. 观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据7. 记录波形及数据（由实验报告确定）惯性环节&连接被测量典型环节的模拟电路（图1-2）电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路 的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入检查无误后接通电源9. 实验步骤同4〜7积分环节10. 连接被测量典型环节的模拟电路（图1-3）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路 的输出 U2 接 A/D、 D/A 卡的 AD1 输入，将积分电容两端连在模拟开关上检查无误后接通电 源11. 实验步骤同4〜7微分环节12. 连接被测量典型环节的模拟电路（图1-4）电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路 的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入检查无误后接通电源13. 实验步骤同4〜7 比例+积分环节14. 连接被测量典型环节的模拟电路（图1-6）电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路 的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入，将积分电容连在模拟开关上检查无误后接通电源15. 实验步骤同4〜716. 测量系统的阶跃响应曲线，并记入上表六、 实验报告1. 由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较2. 将实验中测得的曲线、数据及理论计算值，整理列表七、 预习要求 1．阅读实验原理部分，掌握时域性能指标的测量方法2．分析典型一阶系统的模拟电路和基本原理参数阶跃响应曲线TS （秒）理论值实测值R1=R2=100KC=lufK=1T=O.1S比例环节惯性环节积分环节微分环节比例+微分环节比例+积分环节R1=100KR2=200KC=lufK=2T=1S比例环节惯性环节积分环节微分环节比例+微分环节比例+积分环节实验数据测试表（学生填写）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，阻尼比匚和无阻尼自然频率叫对系统动态性能的影响。

定量分析匚 和®与最大超调量Mp和调节时间t之间的关系nS2. 进一步学习实验系统的使用方法3. 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2. 域性能指标的测量方法超调量0%：1） 启动计算机，在桌面双击图标［自动控制实验系统］运行软件2） 检查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中实验，点击创按钮，出现参数设置对话框设置好参数，按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如 出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验3）连接被测量典型环节的模拟电路电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输 出，电路的输出 U2 接 A/D、 D/A 卡的 AD1 输入，将两个积分电容连在模拟开关上。

检查无 误后接通电源4） 在实验项目的下拉列表中选择实验二［二阶系统阶跃响应］5） 鼠标单击空按钮，弹出实验课题参数设置对话框在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果6)利用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量：0%=Y - YMAX 8X100%T与T :PP利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达 95%稳态值所需的时间值，便可得到 T 与 T PP四、实验内容典型二阶系统的闭环传递函数为®29 (S) = (1)S2 + 23 S + ®nn其中匚和®对系统的动态品质有决定的影响nA/D1构成图 2-1 典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应图 2-1 二阶系统模拟电路图电路的结构图如图 2-2：图 2-2 二阶系统结构图 系统闭环传递函数为1/Tcp Cs)=U2 Cs) AJ1 (s)= (2)式中 T=RC, K=R2/R1比较(1)、(2)二式，可得ro =1/T=1/RCn©=K/2=R2/2R1 (3)由(3)式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比改变RC值可以改变无阻尼自 然频率ro 0n今取R1=200K, R2=100KQ和200KQ，可得实验所需的阻尼比。

电阻R取100KQ，电容C分别取 1yf和0.1yf,可得两个无阻尼自然频率叫五、实验步骤1•连接被测量典型环节的模拟电路电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2 接A/D、D/A卡的AD1输入，将两个积分电容得两端连在模拟开关上检查无误后接通电源2•启动计算机，在桌面双击图标［自动控制实验系统］运行软件3•测查USB线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击 按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验4•在实验项目的下拉列表中选择实验二［二阶系统阶跃响应］,鼠标单击◎按钮，弹出实验课题 参数设置对话框在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区 显示实验结果5. 取叫=10rad/s,即令 R=1OOK0, C=1yf ；分别取匚=0.5、1、2,即取 R1=1OOK0, R2 分别等于 1OOK0、 200K400KO输入阶跃信号，测量不同的;时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超 调量Mp和调节时间Ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。

6. 取匚=0.5即电阻R2取R1=R2=100KQ； ro =100rad/s,即取R=100KQ，改变电路中的电容nC=0.1|f（注意：二个电容值同时改变）输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记 录最大超调量QP和调节时间Tn7. 取R=100KQ；改变电路中的电容C=1pf,R1=100K0，调节电阻R2=50KQO输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录Tp和up的数值8. 测量二阶系统的阶跃响应并记入表中：实验结果参数o %t (ms) pt (ms)s阶跃响应曲线R=100KC =1|J fW =10rad/snR1=100KR2=0KZ =0R1=100KR =50K2Z =0.25R1=100KR =100K2Z =0.5R]=50KR =200K2Z =1R]=100KC1=C2=0.1p fW =100rad/s n 1R1= 100KR =100K2Z =0.5R]=50K R2=200K z =1六、实验报告1•画出二阶系统的模拟电路图，讨论典型二阶系统性能指标与z，3n的关系2. 把不同匚和％条件下测量的M。