自动控制理论实验指导书目录实验一典型环节与典型系统的模拟 (1)实验二二阶系统阶跃响应特性 (6)实验三自动控制系统稳定性实验 (10)实验四线性系统动态特性的研究 (12)实验五自动控制系统静态误差实验 (13)实验六控制系统的品质及校正装置的应用（设计性） (15)实验七控制系统频率特性仿真研究 (17)实验八非线性系统运动特性的研究 (18)实验九非线性系统的计算机仿真 (20)附录 KJ82-3型自动控制系统模拟机可做模拟运算电路举例 (21)实验一 典型环节与典型系统的模拟一．实验目的1.观察典型环节阶跃响应曲线，定性了解参数变化对典型环节动特性的影响；2.观测不同阶数线性系统对阶跃输入信号的瞬态响应，了解参数变化对它的影响。

二．实验设备和仪器1.KJ82-3型自动控制系统模拟机一台2.Tektronix TDS 1002数字存储示波器一台3.万用表一块三．实验内容及步骤（一）典型环节的阶跃响应1.实验步骤：（1）开启电源前先将所有运算放大器接成比例状态，拔去不用的导线。

（2）闭合电源后检查供电是否正常。

分别将各运算放大器调零，并用示波器观察调整好方波信号。

（3）断开电源后按图接好线，由信号源引出方波信号接到各环节输入端。

（4）闭合电源，调节有关旋钮，观察阶跃响应波形，并利用表1.1-1.6记录之。

2.实验内容： （1）比例调节器U s cA 1100K50KW表1.1（2U s cA 1100KC改变C 时保护输入信号不变表1.2scU A 1100K50KRC表1.3U s c K5K1μ0K50A 5R 010表1.4（5）比例积分U s c A100KC R表1.5（6）比例、积分、微分U s c100KC=3.3µ200K50K1M 5K 5A 1μ（二）典型二阶系统模拟1.实验线路：sc2.方框图：αT S-11K -3K T S -+122+U sr U sc-U S U S G S K T S K T S T S K T S K K T T S T S K T T K K S T K K S T S TS sc sr ()()()==⋅⋅++⋅⋅+=++=++=++213213232122131232213222111111121ααααααξ其中：T T T K K =1232α 时间常数；ξα=121322T K T K 为阻尼比；ωn T=1为无阻尼自然频率（角频率：弧度/秒）。

f n n=ωπ2 为阻尼自振频率（单位Hz ）。

3.实验步骤：（1）关上电源，按上图接线，经教师检查后，再合电源，由调零转入工作。

（2）在T T 1201==.秒（F C μ11=，C F 201=.μ）3K ＝10附近改变增益系数α，观察方波输入作用下之响应曲线，利用表1.7记录之。

（3）让F C μ11=，F C μ12=，1T ＝0.1秒，2T ＝1秒，3K ＝10改变增益系数α，观察方波输入作用下之响应曲线，利用表1.7记录之。

1.接线图：sc2.方框图：U scT S11αT S +1K 22K T S 441++-U srG S U S U S aS bS cS sc sr ()()()==+++1132 式中：α4421K TT T a =；b T T T K =+1244()α；c T K =11α3.实验步骤：（1）按图接线，先取X C ＝0.1μ，缓缓改变α的值，观察并记录阶跃响应曲线（用表1.8记录）。

（2）取X C ＝1μ，重复上述实验过程。

四．思考题1.积分环节和惯性环节主要差别是什么？什么条件下惯性环节可视为积分环节？2.惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？3.为什么典型二阶系统实验中加入比例环节？三阶系统是否要加？4.二阶系统在什么情况下不稳定，怎样构成振荡环节？五．实验报告要求1.写出实验各环节的结构图和传递函数，推出理想阶跃响应曲线。

2.实测各环节不同参数下输出波形，认真填写表1.1至表1.8，并与理想曲线对照。

3.分析实验中出现的现象。

实验二 二阶系统阶跃响应特性一．实验目的1.学习二阶系统阶跃响应特性测试方法。

2.了解系统参数对阶跃响应特性的影响。

二．实验设备和仪器1.KJ82-3型自动控制系统模拟机一台2.Tektronix TDS 1002数字存储示波器一台3.万用表一块三．实验线路四．方框图K 3T S11T S 21K 4α+U sr +--U sc11T S3K 234T S K K +αU sr U sc+-G S Usc S Usr S K T S T S K K K K T T K S K T S T S TS ()()()()==++=++=++3123433123241221121ααξξαα==K T T K T T K 41412322例：若T T T 120== 则T T K =03当 C C F 121==μ T 001=.秒，K 310=T =00316.ωn =316.，f Hz =5。

当 C C F 121==μ T 001=.秒，K 31= T =01.，ωn =10，Hz f 6.1=。

3321422K K T T K ααξ== （K 41=，T T 12=）当 K 310=时，αξ58.1=； 而 K 31=时，则ξα=052.根据T 及ξ的值则依下述公式可求其它参量。

无阻尼自然角频率：ωn T =1无阻尼自然频率： f T =12π阻尼自然频率： ωωξd n =-12 衰减系数： σωξ=n超调量： M e P =⨯--ξπξ12100%峰值时间： t P d=πω 调整时间： t S =3σ阻尼振荡周期： dT t ωπ2=五．实验步骤1.将各运放接成比例状态（反馈电阻调到最大），仔细调零，（用万用表直流毫伏档或示波器直流电平档）。

2.调整好方波信号源，频率调到1Z H 以下。

3.断开电源按图接线，经检查无误后再闭合电源，按以下步骤进行实验记录： （1）令1C ＝2C ＝1μ，4K ＝1，3K ＝10，保持输入方波幅值不变，依表2.1所列α的变化值逐次改变α，记录输出波形，并与理论值比较。

1243)(t USC 的瞬态响应曲线并与理论曲线比较。

六．实验分析及思考1.结合实验数据进一步从物理意义上分析改变系统参数 对MP ，tS等系统瞬态响参数的影响。

2.为满足一般控制系统瞬态响应特性的性能指标，各参量一般取值范围。

3.通过实验总结出观测一个实验二阶系统阶跃响应的方法。

七．实验报告要求1.根据理论计算，认真填写表2.1中各项数据。

2.根据实验观测，认真绘制表2.1中输出波形，特别注意MP ，Pt，tS的变化。

3.绘制实验步骤（2）所要求的二阶系统瞬态响应曲线。

实验三 自动控制系统稳定性实验一．实验目的1.观察线性系统稳定和不稳定的运动状态，验证理论上的稳定判别的正确性。

2.研究系统的开环放大系数K 对稳定性的影响。

3.了解系统时间常数对稳定性的影响。

二．实验设备和仪器1.KJ82-3型自动控制系统模拟机一台2.Tektronix TDS 1002数字存储示波器一台3.万用表一块三．实验内容（一）系统稳定性观察，验证理论判据。

1.实验线路R M αR 11R 12R 13R 21R 22R 31R 32C 1C 2C 3A 1A 2A 3K 100K 100K100K100图3.12.在1A U R M 逐步变化，观察并记录各组参数时系统稳定性变化，特别是系统由稳定到出现自持振荡的α值。

3.按上面的线路，依下表调整参数（A 接成积分器）重复2（二）测系统临界比例系数，观察该系数对稳定性影响。

1.实验线路结构图+-++T S K T S nn R S ()C S ()K 1111α图3.22.对于图3.2所示的系统，当n ＝4，5，6，7时，分别测出其临界开环比例系数，并与理论值比较。

建议T 选0.01-0.5秒，K 选0.5-10。

K 临测试方法：设计记录表及接线图，先取较大K 值（即将衰减电位器系数α值于1）使系统出现饱和的等幅自持振荡，然后缓缓减小α的值，直到出现很慢的衰减振荡时，记下此时的α值，即可求得K 临。

3.当n ＝4时，观察K 由小到大变化时，系统动态响应的变化。

（三）研究系统中各时间常数的比例对稳定性的影响。

对于一个G S Ka T S TS S T a ()()()()=+++111开 的系统，建议选T ＝0.5秒，测出当a ＝1，2，5时系统的K 临和自振频率。

四．实验准备及要求1.对实验内容（一）的实验线路，分别用代数稳定判据和频率分析法判据，判定其稳定性，实验结果验证。

2.对实验内容（二）所给结构图，分别画出模拟实验图，选择好各组参数，拟定实验步骤，分别计算K 临。

3.对实验内容（三）给的开环传递函数，选择设计各项参数，拟定实验步骤。

4.设计各项实验内容中的记录表格。

五．实验报告要求1.画出各项实验的模拟实验线路图。

2.各项实验参数选择方案。

3.按各选择方案进行预先理论计算，包括计算中有关公式及运算结果。

4.实验中数据整理，实验现象记录。

5.实验结果分析得出结论。

6.实验中出现问题，体会及建议。

六．思考题1.三阶系统的各时间常数怎样组合时系统稳定性最好？何种组合时最差？2.已知三阶系统各时间常数，如何估计其自振频率？实验四线性系统动态特性的研究一．实验目的观察并熟悉线性系统在不同稳定储备的条件下动态过程的特征，验证经验公式的适用性。

二．实验内容1.对于传递函数为G SK T SS T S T S T S()()()()() =++++41231111开的系统，排出模拟运算图，选择合适的K，使系统稳定储备如下表所示，分别计算和描12342.测出该系统的临界K值和自振频率，与理论值比较。

三．预习要求1.复习有关内容，画出系统伯德图。

2.排出模拟实验图，拟定实验步骤。

四．实验报告要求1.画出实验的模拟实验线路图。

2.各项实验参数选择方案。

3.按各选择方案进行预先理论计算，包括计算中有关公式及运算结果。

4.实验中数据整理，实验现象记录。

5.实验结果分析得出结论。

6.实验中出现问题，体会及建议。

实验五 自动控制系统静态误差实验一．实验目的分析O 型、I 型、II 型系统在三种不同典型输入下的静态误差，验证理论上的结论。

二．实验原理与线路1.实验线路图5.1 （○型系统）图5.2 （Ⅰ型系统）图5.3 （Ⅱ型系统）S )S )S )2.典型输入信号（1）方波信号S 1 0.4s由信号源直接取得（2）斜坡信号S 2100K20K1S 2S 2A 10μ（3）加速度输入信号S 3S 250K200K3S 33.μ说明：由于运算放大器非理想特性，存在积分源移，故采用近似方式取代理想信号：即用111TS S +≈ ；11122()TS S +≈ 3.校正网络20K100K047.μ三．实验内容1.定性观察三种系统在三种不同典型输入时的误差，记录a 点波形。