自控实验报告目录实验一典型环节及其阶跃响应 (1)一、实验目的 (1)二、实验仪器 (1)三、实验原理 (1)四、实验内容 (1)五、实验步骤 (2)六、实验结果 (3)七、实验分析 (6)实验二二阶系统阶跃响应 (7)一、实验目的 (7)二、实验仪器 (7)三、实验原理 (7)四、实验内容 (8)五、实验步骤 (9)六、实验结果及分析 (9)实验三连续系统串联校正 (15)一、实验目的 (15)二、实验仪器 (15)三、实验内容 (15)四、实验步骤 (17)五、实验结果 (17)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。
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。
21()R G s R2. 惯性环节的模拟电路及其传递函数。
3. 积分环节的模拟电路及传递函数。
4. 微分环节的模拟电路及传递函数。
5. 比例+微分环节的模拟电路及传递函数。
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] 。
()1KG s Ts =-+221(,)R K T R C R ==1()G s Ts =()T RC =()G s RCs =-()1KG s Ts =-+211(,)R K T R C R ==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：8.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+微分环节: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、实验结果记录比例环节、惯性环节、积分环节、微分环节、比例微分环节的响应曲线。
图 1-1 比例环节响应曲线曲线经过点（160，-1000）曲线过点（0，-1600）和（360，-5000）图 1-4 微分环节响应曲线图 1-5 比例+微分环节响应曲线七、实验分析计算惯性环节与积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。
惯性环节：由模拟电路得：212/2()110.21R R K G s Ts R Cs s =-=-=-+++ 由阶跃曲线得： 4.33'()(1),()2,1), 4.332()2(1),()(0.231)2()0.231bt t y t a e t y t b y t e Y s s s G s s --=-→∞→-=∴=--=-+=-+设当得a=-2代入点(0.16,-得则积分环节：由模拟电路得：11110()0.1G s Ts RCs s s====由阶跃曲线得：'5( 1.6)9.40.3609.4()G s s---=--∴=-由点(0,-1.6)和(0.36,-5)可得k=分析：从以上惯性环节和积分环节的电路计算传递函数与阶跃曲线计算的传递函数比较可知，实际与理论值比较接近。
但是在积分环节的阶跃曲线中可以看出，系统中含有绝对值小于1的比例环节。
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ζ和无阻尼自然频率ωn 对系统动态性能的影响。
定量分析 ζ 和ωn 与最大超调量Mp 和调节时间tS 之间的关系。
2．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。
%100%max ⨯-=∞∞Y Y Yσ2.时域性能指标的测量方法：超调量σ %：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：T S ：利用软件的游标测量水平方向上从零到达稳态值所需的时间值。
四、实验内容典型二阶系统的闭环传递函数为：222()2n n ns s s ωϕξωω=++ 其中ζ和ωn 对系统的动态品质有决定的影响。
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 二阶系统模拟电路根据二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数。
把不同ζ和ωn 条件下测量的Mp 和ts 值列表，根据测量结果得出相应结论。
.画出系统响应曲线，再由ts 和Mp 计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。
五、实验步骤1.取w n =10rad/s, 即令R=100K ，C=1uf ；分别取ζ=0、0.25、0.5、1、2，即取R1=100K ，R2 分别等于0、50K 、100K 、200K 、400K 。
输入阶跃信号，测量不同的ζ时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量σ%和调节时间t s 的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。
2.取ζ=0.5,w n =100rad/s, 即取R=100K ，改变电路中的电容C=0.1uf(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σ%和调节时间t s 。
六、实验结果及分析1.画出二阶系统的模拟电路图，画出二阶系统结构图并写出系统闭环传递函数，图 2-2 二阶系统模拟电路图 2-3 二阶系统结构图系统闭环传递函数：222211/()(/)1/U T s U s K T s Tϕ==++ 与222()2n n n s s s ωϕξωω=++比较可得：2111,22nR KT RC R ωξ==== 改变比值21R R ，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n ω。
令R1=100K ，R2分别等于0、50K 、100K 、200K 、400K 。
可得： ζ=0、0.25、0.5、1、2。
令电阻R 取100K ，电容C 分别取1uf 和0.1uf,可得: n ω=10rad/s 、100rad/s 。
2.把不同ζ和n ω条件下测量的σ%和s t 值列表，根据测量结果得出相应结论。
超调量：%100%e πξσ-=调节时间：)s nt =的误差带30.9(5%)s nt ξξω<<≈当0时,的误差带表 2-1 由系统响应曲线得出的超调量与调节时间R1/k R2/k C/uf ζ w n (rad/s)t s /ms100 50 1 0.25 10 50.2% 1237 100 100 1 0.5 10 18.0% 675 100 200 1 1 10 0 478 100 400 1 2 10 0 1216 1001000.10.510018.0%62由表2-1可知：当ζ=0时系统为临界阻尼状态，等幅振荡； 当0<ζ<1时系统为欠阻尼状态；当ζ>0时系统处于过阻尼状态，超调量为0。
相同阻尼比的情况下，通过改变w n ，可以减小系统的响应时间并减少超调量。
表 1-2 理论值与真实值的比较0 10 - - 0.25 10 50.2% 1237 44.4% 1212 0.5 10 18.0% 675 16.3% 629 1 10 0 478 0 - 2 10 0 1216 0 - 由表2-2可知：真实值与与理论值接近，普遍要大一点。
且真实值与表1中的特性相同。
4. 画出系统响应曲线，再由σ%和s t 计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。
依次将图中得出的超调量σ%与调节时间s t 代入公式反解出ζ、w n 。
图 2-4 ζ=0，w n =10rad/s 的响应曲线图2-4中无法得出准确的超调量σ%与调节时间s t ，若令σ%=96%，s t =20s ，可得：0.013,11.545n ξω≈≈2133.3()0.3133.3s s s ϕ∴=++真实传递函数 02100()100s s ϕ=+而理论传递函数 可见真实的传递函数与理论差别不大，在误差允许范围之内。