自动控制原理实验实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析一、实验目的⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。

⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。

二、实验设备⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。

⑵ 数字万用表。

三、实验内容１．比例环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 =)(s G )()(s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。

模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t r dtt dc T= 传递函数 sKTs s G ==1)(模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(t Kr t c dtt dc T=+ 传递函数 1)(+=TS KS G模拟机排题图如图３所示，分别求取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

４．二阶系统的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(2)(222t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ传递函数 121)(22++=Ts s T s G ξ2222nn n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。

⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。

四、实验步骤⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。

⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。

⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。

五．实验预习⑴ 一、二阶系统的瞬态响应分析；模拟机的原理及使用方法（见本章附录）。

⑵ 写出预习报告；画出二阶系统的模拟机排题图；在理论上估计各响应曲线。

六．实验报告⑴ 将每个环节的实验曲线分别整理在一个坐标系上，曲线起点在坐标原点上。

分析各参数变化对其阶跃响应的影响，与估计的理论曲线进行比较，不符请分析原因。

⑵ 由二阶环节的实验曲线求得σ﹪、t s 、t p ，与理论值进行比较，并分析σ﹪、t s 、t p等和T 、ξ的关系。

实验二 随动系统的开环控制、闭环控制及稳定性一．实验目的了解开环控制系统、闭环控制系统的实际结构及工作状态；控制系统稳定的概念以及系统开环比例系数与系统稳定性的关系。

二．实验要求能按实验内容正确连接实验线路，正确使用实验所用测试仪器，在教师指导下独立完成实验，并能对实验结果进行分析。

三．实验设备⑴XSJ-3（或XSJ-2）型小功率直流随动系统学习机。

⑵直流稳压电源(用于XSJ-3型)。

⑶超低频长余辉示波器。

⑷数字万用表。

四．实验内容及步骤１．开环控制系统实验⑴用螺丝刀将直流电机轴与反馈电位器连接轴螺丝拧松，使直流电机轴与反馈电位器脱开（开环时保护反馈电位器）。

⑵将给定电位器，运放Ⅰ，运放Ⅱ，功放，直流电机联接成开环状态（给定电位器旋图9-4 开环控制系统原则性方框图至0），其原则性方框图如图9-4（接线时可参考图9-8）。

⑶旋转给定电位器，使其滑臂转角大小、方向不同（即输入电压大小、极性不同）时，观察电机恒定转速与方向。

将速度变化趋势填入表9-1。

⑷改变运放Ⅱ放大倍数，重复上述过程。

２．闭环控制系统实验⑴将直流电机轴与反馈电位器联接好（用螺丝刀拧紧连接轴螺丝）。

同时给定电位器置0。

⑵将给定电位器，运放Ⅰ，运放Ⅱ，功放，直流电机，反馈电位器联接成开环状态，其原则性方框图如图9-5。

图9-5 判断反馈极性原则性方框图⑶判断反馈极性：按照给定电位器顺时针方向时电机的转向，用手转动电机轴，使反馈电位器转过一个角度，用万用表测量反馈电位器输出电压，若是电压下降或负相增加则反馈极性为负，否则为正（如果是正反馈，须改成负反馈，请同学自己解决）。

⑷将系统连接成负反馈闭环状态。

⑸将给定电位器滑臂由零转过三个不同的角度（可分为30°、60°、90°），分别读出反馈电位器由起始位置变化的角度。

改变给定电位器转向，重复上述过程。

将结果填入表9-2。

⑹改变运放Ⅱ比例系数（共分为小、中、大），重复实验步骤⑷。

３．系统开环比例系数与稳定性的关系⑴将系统保持闭环控制系统实验时状态，同时将反馈电位器输出电压接到示波器输入端（反馈电压可表示直流电机转角，即输出转角）。

⑵将给定电位器置0（或者断开）。

取运放Ⅱ比例系数为三个不同数值（三个不同数值的选取以出现三种明显不同的过渡特性为准，即指数曲线，衰减振荡，激烈衰减振荡），加入阶跃输入信号，用示波器观察输出波形，并将波形填入表9-3。

五．实验预习⑴控制系统的稳定性；直流电动机系统数学模型的建立；实验指导书。

⑵写出预习报告，画出系统方框图，标明各部分传递函数，估计实验结果。

六．实验报告⑴记录实验数据⑵分析实验结果，并与估计的实验结果进行比较，若不相符，请分析原因。

总结实验得出的结论。

表9-1开环控制表9-2闭环控制表9-3稳定性实验三随动控制系统的静、动态性能指标及系统校正一．实验目的⑴加深对控制系统的稳态误差、超调量、过渡过程时间概念及其与开环比例系数关系的了解。

⑵了解控制系统的校正方法，校正对系统性能指标的影响。

二．实验设备⑴XSJ-3（或XSJ-2）型小功率直流随动系统学习机。

⑵直流稳压电源(用于XSJ-3型)。

⑶超低频长余辉示波器。

⑷数字万用表。

⑸超前网络板(用于XSJ-3型)。

三．实验内容及步骤１．随动系统静、动态性能指标⑴连接系统，使其处于负反馈闭环系统，并将反馈电位器的输出电压同时接到示波器输入端（接线同实验二的内容3）。

⑵将给定电位器置0。

取运放Ⅱ比例系数示波器屏幕起始位置阴影为误差带图9-6 示波器显示误差带为小、中、大三个不同数值（比例系数的选取以出现三种明显不同的过渡特性为准，即指数曲线，衰减振荡，激烈衰减振荡，注意不要使系统处于自持振荡状态）。

将给定电位器滑臂固定不动，用手转动电机轴，从正反二个方向使电机轴偏离起始位置，松手后电机轴便自动转回起始位置。

由于存在定态误差，所以不能完全回到起始位置，由示波器可以测得。

二个不同方向的偏离便形成了一个误差带，读出误差带的电压值，再除以2，便是系统的稳态误差e ss，如图9-6所示。

⑶取上面所选运放Ⅱ的三个比例系数，加入阶跃输入，画出示波器上的响应曲线，并读出超调量σ﹪和过渡过程时间t s。

⑷将实验结果填入表9-4。

２．串联校正络可由面板上相应器件连接而成），重复上述求取稳态误差e ss、超调量σ﹪和过渡过程时间t s的步骤。

３．速度反馈校正图9-7 超前网络⑴撤去超前校正环节，恢复运放Ⅰ和运放Ⅱ之间的联线，将与直流电机同轴的测速发电机输出通过10K电阻接到运放Ⅱ的同相端（速度反馈），如图9-8所示，注意反馈极性的判别。

⑵重复上述求取稳态误差e ss、超调量σ﹪和过渡过程时间t s的步骤。

表9-4 实验结果四．实验预习⑴控制系统的稳态误差、动态性能；线性控制系统的校正；实验指导书。

⑵写出预习报告，画出系统方框图，估计实验结果。

五．实验报告⑴整理实验结果（校正前、串联校正、速度反馈校正各填一表）。

⑵分析产生稳态误差的原因，总结开环比例系数与稳态误差e ss、超调量σ﹪和过渡过程时间t s的关系。

⑶ 分析串联超前校正和反馈校正对系统动态性能的影响。

测速电机力矩电机（（-12V +15V（-15V图9-8 小功率随动系统接线原理图实验四 控制系统频率特性分析一． 实验目的⑴ 熟悉CAE2000系统绘制Nyquist 图和Bode 图的方法。

⑵ 掌握频率特性分析控制系统的方法。

二．实验设备CAE2000系统（主要使用CAE2000系统软件、微机、打印机）。

三．实验内容1． 二阶振荡环节的频率特性121)(22++=Ts s T s G ξT=0.1秒时，分别绘制ξ=0.1、0.5、0.7时的Nyquist 图和Bode 图。

2． 控制系统的频率特性分析单位负反馈系统的开环传递函数如下，绘制Nyquist 图和Bode 图。

利用Nyquist 图判定闭环系统的稳定性，利用Bode 图计算系统的相位裕量和增益裕量，并利用开环频率特性估算闭环系统的动态性能指标：超调量σ﹪，调节时间t s 。

⑴ 11510)(1+=s s G⑵ )110()12(15)(22++=s s s s G⑶ )150)(15)(12()120(5)(3++++=s s s s s G⑷ )254()12(20)(224+++=s s s s s G⑸ )4.0)(5)(2(4.0)(35+++=s s s s s G四．实验步骤⑴ 双击CAE2000图标。

⑵ 在CAE2000主窗口上点击“控制理论”按钮，或从菜单栏中的“运行”项的下拉菜单中选择“控制理论分析”功能。

⑶ 入传递函数：将要输入的传递函数分解为以下四种形式 ① K ； ②)()(p s z s --；③d cs bas ++； ④ sK +1。

然后在工具栏中点击相应形式的按钮，按照提示输入相应系数。

⑷ 画Nyquist 图：点击工具栏中的“奈魁斯特图”按钮，显示相应Nyquist 图。

点击“打印”按钮打印曲线。

⑸ 画Bode 图：点击工具栏中的“伯德图” 按钮，显示相应Bode 图。

点击“打印”按钮打印曲线。

表9-5实验 实 验 数 据五．实验预习⑴ 频率特性分析有关章节；实验指导书。

⑵ 写出预习报告；绘制幅相频率特性概略曲线和对数幅频特性的渐近线和对数相频特性大致曲线。

六．实验报告⑴ 根据实验曲线求出表9-5中的数据。

⑵ 总结实验得出的结论。

实验五 频率特性测试一、实验目的1．加强对频率特性概念的了解； 2．掌握频率特性的测试方法。

二、实验设备 CAE2000系统三、实验内容及步骤1．实验原理图如图9-9所示。

2．正弦信号源由CAE2000软件实现后，输送至D/A 接口。

⑴ 双击CAE2000图标。

⑵ 单击工具栏中“信号源”按钮，屏幕右侧弹出一列信号源模块组。

单击“正弦”图标将鼠标移至组态区合适位置（此时光标已由箭头形状变为十字形状），单击鼠标左键，正弦函数方框图即出现在组态区。

依此方式分别将“信号源”模块组的“阶跃”模块，“综合”模块组的“加法”、“曲线2”模块，“接口”模块组的“A/D ”、“D/A ”模块放到组态区，并连接如图9-10所示（图中Graph1也为“曲线2”模块）。