《自动控制理论》实验指导书目录《自动控制原理》实验须知 (3)一、仪器简介 (3)二、预习及预习报告 (6)三、实验及实验报告 (6)实验一典型环节及其阶跃响应 (7)实验二控制系统的瞬态响应 (12)实验三控制系统的稳定性分析 (14)实验四系统的频率特性测量 (16)实验五连续系统的串联校正 (19)《自动控制原理》实验须知一、仪器简介本课程实验的仪器主要为爱迪克labACT自控/计控原理教学实验系统。
(一) 构成labACT自控/计控原理实验机由以下七个模块组成：1．自动控制原理实验模块2．计算机控制原理实验模块3．信号源模块4．控制对象模块5．虚拟示波器模块6．控制对象输入显示模块7．CPU控制模块各模块相互交联关系框图见图1-1-1所示：图1-1-1 各模块相互交联关系框图自动控制原理实验模块由模拟运算单元及模拟运算扩充库组成，这些模拟运算单元的输入回路和反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。
例如构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例微分环节，PID环节和典型的二阶、三阶系统等。
利用本实验机所提供的多种信号源输入到模拟运算单元中去，再使用本实验机提供的虚拟示波器界面可观察和分析各种自动控制实验的响应曲线。
主实验板外形尺寸为35厘米×47厘米，主实验板的布置简图见图1-1-2所示。
根据功能本实验机划分了各种实验区均在主实验板上。
实验区组成见表1-1-1。
表1-1-1 实验区组成(二1）虚拟示波器的显示方式为了满足自动控制不同实验的要求我们提供了示波器的四种显示方式。
（1）示波器的时域显示方式（2）示波器的相平面显示（X-Y）方式（3）示波器的频率特性显示方式有对数幅频特性显示、对数相频特性显示（伯德图），幅相特性显示方式（奈奎斯特图），时域分析（弧度）显示方式。
(4) 示波器的计算机控制显示方式2）虚拟示波器的设置用户可以根据不同的要求选择不同的示波器，具体设置方法如下：(1)示波器的一般用法：运行LABACT程序，选择‘工具’栏中的‘单迹示波器’项或‘双迹示波器’项，将可直接弹出该界面。
‘单迹示波器’项的频率响应要比‘双迹示波器’项高，将可观察每秒6500个点；‘双迹示波器’项只能观察每秒3200个点。
点击开始即可当作一般的示波器使用。
(2)实验使用：运行LABACT程序，选择‘自动控制/ 微机控制/ 控制系统’菜单下的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1、CH2测孔测量波形。
二、预习及预习报告为避免因准备不充分而影响实验顺利进行，实验者应事先预习并写出预习报告。
预习内容应包括：1)熟悉本次实验所用设备、仪器的使用方法；2)预习与本次实验有关的原理、计算方法及操作要领等；3)与每次实验相应的实验讲义内容。
在充分预习的基础上写出预习报告，应包括：1)根据实验内容提供的方块图，绘制模拟电路图，并确定有关元件参数；2)根据实验要求拟定出实验步骤；3)估计实验中会出现的问题并考虑如何解决；4)准备好实验数据记录表格。
三、实验及实验报告在充分预习的基础上方可参加实验，并要求：1)遵守实验室纪律，注意人身、设备安全；2)照图接线。
联线插头要注意正确使用，经指导教师检查后通电；3)认真观察、记录实验现象和数据；4)发生事故应及时断电并报告；5)实验结束后，照原样整理好实验仪器和设备；6)认真按期完成实验报告。
实验一 典型环节及其阶跃响应一、 实验要求1、了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式2、观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响二、实验仪器1、爱迪克labACT-3A 型自控/计控实验箱一台2、计算机一台三、实验内容及步骤运行LABACT 程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究中的相应实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。
1)、比例环节典型比例环节模拟电路如图1-1所示。
图1-1 典型比例环节模拟电路典型比例环节的传递函数：01i O R R K K(S)U (S)U (S)G ===单位阶跃响应： K )t (U = 实验步骤： 注：‘S ST’不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’ 和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui ）：B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND ），右边K4开关拨下（0/+5V 阶跃）。
阶跃信号输出（B1的Y 测孔）调整为4V （调节方法：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y 测孔）。
（2）构造模拟电路：按图1-1安置短路套及测孔联线，表如下。
（a ）安置短路套 （b ）测孔联线（3）运行、观察、记录：① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0→+4V 阶跃），观测A6输出端（Uo ）的实际响应曲线Uo （t ），等待完整波形出来后，点击停止。
② 改变比例系数（改变运算模拟单元A1的反馈电阻R 1），重新观测结果。
2)、惯性环节典型惯性环节模拟电路如图1-2所示，电容C=1uf 。
图1-2 典型惯性环节模拟电路典型惯性环节的传递函数：C R T ,R R K ,TS1K (S)U (S)U (S)G 101i O ==+==单位阶跃响应： )1()(0Tt eK t U --=实验步骤： 注：‘S ST’不能用“短路套”短接！（1）用信号发生器（B1）构造幅度为4V 的输入信号（Ui ）。
方法如比例环节实验。
（2）构造模拟电路：按图1-2安置短路套及测孔联线。
（3）运行、观察、记录： ① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0→+4V 阶跃），等待完整波形出来后，点击停止。
移动虚拟示波器横游标到4V （输入）×0.632处，，得到与惯性的曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T 。
A6输出端（Uo ）响应曲线Uo(t ）。
② 改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1和反馈电容C ），重新观测结果。
3)、积分环节典型积分环节模拟电路如图1-3所示，电容C=1uf 。
图1-3 典型积分环节模拟电路典型积分环节的传递函数：C R T ,TS1(S)U (S)U (S)G 0i O ===单位阶跃响应： t T1)(t U 0=实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ），代替信号发生器（B1）中的人工阶跃输出作为系统的信号输入（Ui ）。
① 在显示与功能选择（D1）单元中，通过波形选择按键选中‘矩形波’（矩形波指示灯亮）。
② 量程选择开关S2置下档，调节“设定电位器1”，使之矩形波宽度＞1秒（D1单元左显示）。
③ 调节B5单元的“矩形波调幅”电位器使矩形波输出电压= 1V （D1单元右显示）。
（2）构造模拟电路：按图1-3安置短路套及测孔联线。
（3）运行、观察、记录：① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，等待完整波形出来后，点击停止。
移动虚拟示波器横游标到0V 处，再移动另一根横游标到ΔV=1V （与输入相等）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，量得积分环节模拟电路时间常数Ti 。
② 改变时间常数（分别改变运算模拟单元A1的输入电阻Ro 和反馈电容C ），重新观测结果。
（可将运算模拟单元A1的输入电阻的短路套（S4）去掉，将可变元件库（A11）中的可变电阻跨接到A1单元的H1和IN 测孔上，调整可变电阻继续实验。
） 4)、比例积分环节典型比例积分环节模拟电路如图1-4所示.，电容C=1uf 。
图1-4 典型比例积分环节模拟电路典型比例积分环节的传递函数：C R T ,R R K ,)TS11(K (S)U (S)U (S)G 101i O ==+==单位阶跃响应： ）（t T11K )t (U O +=实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ）作为系统的信号输入（Ui ）。
矩形波宽度＞1秒，输出电压 = 1V 。
方法如积分环节实验。
（2）构造模拟电路：按图1-4安置短路套及测孔联线。
（3）运行、观察、记录：① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，等待完整波形出来后，点击停止。
② 移动虚拟示波器横游标到1V （与输入相等）处，再移动另一根横游标到ΔV=Kp ×输入电压处，得到与积分曲线的两个交点。
③ 再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti 。
④ 改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A5的输入电阻Ro 和反馈电容C ），重新观测结果。
5)、比例微分环节典型比例微分环节模拟电路如图1-5所示。
图1-5 典型比例微分环节模拟电路比例微分环节+惯性环节的传递函数： )S1TS 1(K (S)U (S)U (S)G i O τ++==微分时间常数： C R R R R R )(T 32121D ++=惯性时间常数： C R 3=τ 021R R R K +=3321D )//(R K R R R +=τ⨯=D D K T单位阶跃响应：K t KT t U +=)()(0δ实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接!（1）将函数发生器（B5）单元的矩形波输出作为系统输入R 。
矩形波宽度1秒左右，输出电压 = 0.5V 。
方法如积分环节实验。
（2）构造模拟电路：按图1-5安置短路套及测孔联线。
（3）运行、观察、记录：虚拟示波器的时间量程选‘／4’档。
① 打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测系统的A6输出端（Uo ），等待完整波形出来后，点击停止。
把输出最高端电压减去稳态输出电压，然后乘以0.632，得到ΔV 。
② 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到ΔV 处为止，得到与微分的指数曲线的交点，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Δt 。
③ 已知K D =10，则图1-5的比例微分环节模拟电路微分时间常数：t K T D D ∆⨯= 6)、PID （比例积分微分）环节PID （比例积分微分）环节模拟电路如图1-6所示。
图1-6 PID （比例积分微分）环节模拟电路典型比例积分环节的传递函数：S T K ST K K (S)U (S)U (S)G d P i P P i O ++==21121232121,)(,)(R R R K C R R T C R R R R R T P i d +=+=++=3321D )//(R K R R R +=惯性时间常数： 23C R =τ τ⨯=D d K T单位阶跃响应： t TK K )t (T K )t (U pP D p 0++=δ实验步骤：注：‘S ST ’用短路套短接！（1）将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ）作为系统的信号输入（Ui ）。