自动控制原理实验指导书罗雪莲编著目录实验一典型环节的模拟研究 2 实验二典型系统瞬态响应和稳定性 6 实验三控制系统的频率特性10 实验四线性连续系统校正13 实验五采样系统分析16 附: 实验系统介绍20实验一典型环节模拟研究本实验为验证性实验。

一、实验目的1、学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性影响。

2、熟悉各种典型环节的阶跃响应。

3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。

二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。

三．实验原理及电路下面列出了各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。

1四、实验内容及步骤1、观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。

（1）实验接线①准备：使运放处于工作状态。

将信号源单元（U1 SG）的ST端（插针）与+5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态②阶跃信号的产生；电路可采用图1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（U13 SP）及“电位器单元”（U14 P）组成。

具体线路形成：在U13 SP单元中，将H1与+5V 插针用“短路块”短接，H2 插针用排线接至U14 P单元的X插针；在U14 P 单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。

以后实现再用到阶跃信号时，方法同上，不再累赘。

错误!（2）实验操作①. 按2中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例）。

（PID先不接）②. 将模拟电路输入端（Ui）与阶跃信号的输出端Y相联接；模拟电路的输出端（U0）接至示波器。

③. 按下按钮（或松平按扭）H 时，用示波器观测输出端U0(t)的实际响应曲线，且将结果记下。

改变比例参数，重新观测结果。

④. 同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线见表1-1。

2、观察PID环节的响应曲线。

①. 此时U i采用U1 SG单元的周期性方波信号（U1单元的ST 的插针改为与S 插针用“短路块”短接，S11波段开关置与“阶跃信号”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12与电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。

以信号幅值小、信号周期较长比较适宜）。

②. 参照2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。

③. 将 中产生的周期性方波加到PID环节的输入端（U i），用示波器观测PID的输出端（U0），改变电路参数，重新观察并记录。

实验二 典型系统瞬态响应和稳定性本实验为验证性实验。

一、实验目的1、熟悉有关二阶系统的特性和模拟仿真方法。

2、研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn 对过渡过程的影响。

3、研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。

4、熟悉劳斯判据，用劳斯判据对三阶系统进行稳定性分析。

二、实验设备PC 机一台，TDN-AC 系列教学实验系统。

三．实验原理及电路1、典型二阶系统①典型二阶系统的方块图及传递函数图2-1是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1s ，T1=0.1s ，K1分别为10、5、2、1。

错误!开环函数：)11.0()1()(1+=+=S S KS T S K S G 开环增益：K=K 1/T 0=K 1闭环函数：2222)(nn nS S S ωξωωφ++= 其中011T T K n =ω，11021T K T =ξ②模拟电路图：见图2-2图2-2)11.0(100)1()(11+=+=S S RS T S K S G 2．典型三阶系统①典型三阶系统的方块图：见图2-3图 2-3 开环传递函数为：)1)(1()()(21++=S T S T S KS H S G其中，K=K 1K 2/T 0(开环增益) ②模拟电路图：见图2-4图2-4开环传递函数为：)15.0)(11.0()()(++=S S S KS H S G （其中K=500/R ）系统的特征方程为1+G(S)H(S)=0即S 3+12S 2+20S+20K=0由Routh 判据得： 0<K<12，即R>41.7K Ω 系统稳定 K=12，即R=41.7 K Ω 系统临界稳定K>12，即R<41.7 K Ω 系统不稳定四、实验内容和步骤1．准备：将“信号源单元”（U1 SG ）的ST 插针和+5V 插针用“短路块”短接，使运算放大器反馈网络上的场效应管3DJ6夹断。

2．阶跃信号的产生：见实验一中的阶跃信号的产生。

将阶跃信号加至输入端，调节单次阶跃单元中的电位器，按动按钮，用示波器观察阶跃信号，使其幅值为3V 。

3．典型二阶系统瞬态性能指标的测试 ①按图2-2接线，R=10K 。

②用示波器观察系统阶跃响应C （t ），测量并记录超调量δ%，峰值时间和调节时间。

记录表1中。

③分别按R=20K;40K;100K 改变系统开环增益，观察相应的阶跃响应C(t)，测量并记录性能指标δ(%)、t p 和t S ，及系统的稳定性。

并记录测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。

并将实验结果填入表1中。

①按图2-4接线，将阶跃信号接至输入端，将阶跃信号的幅值调为1V ，取R=25K 。

②观察系统阶跃响应，并记录波形。

③减小开环增益（R=41.7K;100K），观察系统阶跃响应。

并将实验结果填入表2中。

实验三 控制系统的频率特性本实验为综合性实验一、实验目的1、加深了解系统及元件频率特性的物理概念。

2、掌握系统及元件频率特性的测量方法。

3、学习根据频率特性的实验曲线求取传递函数的方法。

二、实验设备PC 机一台，TDN-AC 系列教学实验系统。

三．实验原理及电路1、被测系统的方块图及原理：见图3-1图3-1 被测系统方块图系统或环节的频率特性是一个复变量，可以表示成以角频率ω为参数的幅值和相角：G （j ω）=│G （j ω）│∠G （j ω） (3-1)本实验应用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特性。

图3-1 所示系统的开环频率特性为：)()()()()()()()()(21ωωωωωωωωωj E j B j E j B j E j B j H j G j G ∠==(3-2) 采用对数幅频率特性和相频特性表示，则式（3-2）表示为)(lg 20)(lg 20)()(lg 20)()()(lg 2021ωωωωωωωj E j B j E j B j H j G j G -== (3-3))()()()()()()(21ωωωωωωωj E j B j E j B j H j G j G ∠-∠=∠=∠ (3-4)将频率特性测试仪内信号发生器产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化，并施加于被测系统的输入端[r(t)]，然后分别测量相应的反馈信号[b(t)]和误差信号[e(t)]的对数幅值和相位。

频率特性测试仪测试数据经相关器运算后在显示器中显示。

根据式（3-3）和（3-4）式分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，在半对数坐标纸上作出实验曲线；开环对数幅频曲线和相频曲线。

根据实验开环对数幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再根据渐近线的斜率和转角频率确定频率特性（或传递函数）。

所确定的频率特性（或传递函数）的正确性可以由测量的相频曲线来检验，对最小相位系统而言，实际测量所得的相频曲线必须与确定的频率特性（或传递函数）所画出的理论相频曲线在一定程度上相符。

如果测量所得的相位在高频（相对转角频率）时不等于-900（n-m ）[式中n 和m 分别表示传递函数分子和分母的阶次]，那么，频率特性（或传递函数）必定是一个非最小相位系统的频率特性。

2．被测系统的模拟电路图：见图3-2图3-2 被测系统模拟电路图注意：所测量点-C(t)、-e （t ）由于倒相器的作用，输出均为负值，若要测其正的输出点，可分别在-C(t)、-e （t ）之后串接一组1/1的比例环节，比例环节输出即为c （t ）、e （t ）的正输出。

开环传递函数为：)101.0(25.01)(+=S S S G闭环传递函数为：400100400)(2++=S S S φ 得转折频率为：ωn=20 rad/s ，阻尼比ξ=2.5。

四、实验内容及步骤在此实验中，我们利用系统中的U10 DAC 单元将提供频率和幅值均可调的基准正弦信号源，作为被测对象的输入信号，而系统中测量单元的CH1通道用来观测被测环节的输出，选择不同角频率及幅值的正弦信号源作为对象的输入，可测量相应的环节输出，并在屏幕上显示，我们可以根据所测量的数据正确描述对象的幅频和相频特性图。

具体实验步骤如下：1、将U10 DAC 单元的OUT 端接到对象的输入端。

2、将测量单元的CH1（必须拨为乘1档）接至对象的输出端。

3、将U1 SG 单元的ST 和S 端断开，用排线将ST 端接至8088CPU 单元中的PB10（由于在每次测量前，应对对象进行一次回零操作，ST 即为对象锁零控制端，在这里，我们用8255的PB10口对ST 进行程序控制）4、在PC 机上输入相应的角频率，并使用“+”“-”键选择合适的幅值(4V)，按键ENTER 后，输入的角频率开始闪烁，直到测量完毕时停止，屏幕即显示所测对象的输出及信号源，移动游标可得相应的幅值和相位。

5、如需重新测试，则按“N”键，系统会清除当前的测试结果，并等待输入新的角频率，准备开始进行下次测试。

6、根据测得在不同频率和幅值的信号源作用下系统误差e(t)及反馈c(t)的幅值、相对于信号源的相角差，用户可自行计算并画出闭环系统的开环幅值和相频曲线。

五、实验数据处理及被测系统的开环对数幅频曲线和相频曲线此它适用于线性定常系统，所以必须用示波器观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。

根据表3-1的实验测量得的数据，画出开环对数幅频线和相频线，并与理论分析相比较。

根据曲线，求出系统的传递函数。

实验四线性连续系统校正本实验为设计性实验。

一、实验目的1、掌握系统校正的方法，重点了解串联校正；2、根据期望的时域性能指标推导出二阶系统的串联校正环节的传递函数。

二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。

三．实验原理及电路1．原系统的结构图、模拟电路图及性能指标图4-1 未校正系统的方块图②模拟电路图图4-2 未校正系统的电路图③未校正系统的性能指标系统闭环传递函数为：40240)(2++=S S S φ系统的结构参数为：ωn=6.32，ξ=0.158系统的性能指标为：σ%=60%，t s =4s ，静态误差系数Kv=20 l/s 2．期望校正后系统的性能指标要求设计采用串联校正装置，使系统满足下述性能指标： Mp ≤25%，ts ≤1s ，静态误差系数Kv ≥20 l/s3．串联校正环节传递函数，校正后系统结构图及模拟电路图 ①校正环节传递函数由理论推导（可参照有关自控原理书）得，校正网络的传递函数为： 105.015.0)(++=S S S G C②校正后系统结构图所以校正后系统结构图如图4-3所示：图4-3 校正后系统的结构图③校正后系统的模拟电路图：见图4-4图4-4校正后系统模拟电路图四、实验内容及步骤1．准备：将信号源单元（U1 SG）的ST插针和+5V插针用“短路块”短接。