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1、 1编著 李蔓华 陈昌虎 李晓高自动控制理论实验指导书 2目 录实验装置简介（3-4）实验一 控制系统典型环节的模拟（5-6）实验二 一阶系统的时域响应及参数测定（6-7）实验三 二阶系统的瞬态响应分析（8-9）实验四 频率特性的测试 （9-13）实验五 PID 控制器的动态特性（ 13-15）实验六 典型非线性环节（15-18 ）实验七 控制系统的动态校正（设计性实验）（ 19） 3备注：本实验指导书适用于自动化、电子、机设专业，各专业可以根据实验大纲选做实验。THZK-1 型控制理论电子模拟实验箱一、 实验装置简介自动控制技术广泛应用于工农业生产,交通运输和国防建设.因此,一个国家自动控制
2、的水平是衡量该国家的生产技术与科学水平先进与否的一项重要标志。本模拟实验装置能完成高校自动控制理论教程的主要实验内容.它可以模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统,并对控制系统进行仿真研究,使学生通过实验对自动控制理论有更深一步地理解。并提高分析与综合系统的能力。 本模拟实验箱可分为三大部分:信号源与频率计部分,电源部分,典型环节实验部分.1.1 信号源部分信号源部分包括阶跃信号发生器,函数信号发生器,扫频电源(1)、 阶跃信号发生器当按下按钮时,输出一负的阶跃信号,其幅值约 (0.9V -2.45V)之间可调。(2)、函数信号发生器函数信号发生器主要是为本实验装置中所需的超低频信号 4而专门
3、设计的。函数信号发生器能输出三种函数信号,每一种函数信号有三个频段可供选择,三种信号分别为正弦波信号,三角波信号和方波信号。正弦波信号: 正弦波信号电压的有效值在 (0 7.5v)可调,频率在(0.25Hz 1.55KHz)可调 ,其中低频段(0.25Hz14Hz),中频段(2.7Hz155Hz)可调,高频段 (26Hz1.55KHz)可调。三角波信号: 三角波信号输出电压的有效值在(03v)可调,频率调节范围与正弦波信号相一致。方波信号: 方波信号输出电压的有效值在 (06.6v)可调,频率调节范围与正弦波信号相一致。(3)、 扫频电源扫描电源采用可编程逻辑器件 ispLSI1032E 和单
4、片机AT89C51 设计而成。它的输出为一频率可调的正弦波信号。能在 50Hz-80KHz 的全程范围内进行扫频输出。该扫频电源提供了11 档扫速,也可用手动点频输出。此外还有频标指示。1. 2 频率计该系统在作频率特性测试实验时，需要用到超低频信号，若用示波器去读，显然很不方便。为了能直观地读出超低频信号的频率，我们采用了一个频率计。它采用单片机编程，能精确、直观地显示小数点后两位。2.电源部分电源部分包括直流稳压电源,直流数字电压表,交流数字电压表。(1) 直流稳压电源能输出5v , 15v 的直流电压。(2) 直流数字电压表有三个档位.分别为 2v 档,20v 档,200v档.能完成对直
5、流电压的准确测量,测量误差不超过 1%.(3)交流数字电压表也有三个档位,分别为 200mv 档,2v 档,20v 档,能完成对交流电压的准确测量,测量误差不超过 1%.3、典型环节与系统的模拟实验 典型环节与系统模拟实验部分包括了自动控制系统中所有的部件,即包括加法器,惯性环节,积分环节,有源滞后-超前校正环 5节,非线性环节等。学生根据需要,可任意组成各种典型环节与系统的模拟。实验一 控制系统典型环节的模拟一、 实验目的1、熟悉超低频扫描示波器的使用方法2、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子模拟电路3、测量典型环节的阶跃响应曲线4、通过本实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二
6、、 实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台2、超低频慢扫描示波器一台3、万用表一只三、 实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的输入 R-C 网络和 反馈 R-C 网络构成控制系统的各种典型环节 。四、 实验内容1、画出比例、惯性、积分、微分的电子模拟电路图。2、观察并记录下列典型环节的阶跃响应波形。1) G1(S)=1， 取 Ri =100K，R f =100K；2) G1(S)=1/0.1S， 取 Ri =100K，C f =1u 63) G1(S)=1+0.1S， 取 Rf =100K，R f =100K，C f =1u4) G1(S)=1/(0.1S+1) 取 Rf =100K，R
7、f =100K， Cf =1u实验报告要求1、画出四种典型环节的实验电路图，并注明参数。2、测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应，并注明时间坐标轴。3、分析实验结果，写出心得体会。五、 实验思考题1、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？2、积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下,惯性环节可以近似地视为积分环节?在什么条件下，又可以视为比例环节？实验二 一阶系统的时域响应及参数测定一、实验目的1、观察一阶系统在阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应。2、根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台。2、双踪低频慢扫描
8、示波器一台。图 1-1 73、万用表一只。三、实验原理图 2-1 为一阶系统的方框图。它的闭环传递函数为：C（s） 1R（s） = S(TS+1) 令 r（t）=1(t)，即 R(s) =1/S则其输出为：c(t)=1-e -1/t它的阶跃响应曲线如图 2-2 所示。当 t = T 时，C（T）=1 e- t/T =0.632。这表示当 C（t）上升到稳定值的 63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数 T。根据这个原理，由图 2-2 可测得一阶系统的时间常数 T。当 r（t ）= t， 即 R（s ）= 1/S，系统的输出为 C(S)= TsTSTS 11)(122 即 C（t）= t
9、T（1 e- t/T）e（t）= r（t）= T（1 e- t/T） ，所以当 t 时，e（ ）= ess=T。 这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入，但有稳态误差存在。其误差的大小为系统的时间常数 T。四、实验内容1. 根据图 2-1 所示的系统，设计相应的模拟实验线路图。2. 当 r（t）=1V 时，观察并记录一阶系统的时间常数 T 为 0.1S时的瞬态响应曲线,并标注时间坐标轴。3. 当 r（t）= t 时，把输入斜波的频率调到最低 f=2 Hz，观察并记录一阶系统时间常数 T 为 0.1S 时的响应曲线。1TSR(S) C(S)图 2-1 8五、实验报告1、根据实验，画出一阶系统的时间常数
10、 T=0.1S 时的单位阶跃响应曲线，并由实测的曲线求得时间常数 T。2、观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由图确定跟踪误差 ess，这一误差值与由终值定理求得的值是否相等？分析产生误差的原因。六、实验思考题1、一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜坡输入的稳态误差为 T？2、一阶系统的单位斜坡响应在理论上能否由其单位阶跃响应求得？试说明之。实验三 二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的1、观察在不同参数下二阶系统的阶跃响应曲线，并测出超调量p、峰值时间 tp 和调整时间 ts。2、研究增益 K 对二阶系统阶跃响应的影响。二、实验原理图 3-1 9图 3-2图 3-1 为二阶系统的方
11、框图，它的闭环传递函数为：C（S） K/（T1T2） nR（S） = S+S/T1+K/（T1T2） = S+2nS+ n 由上式求得：n= K/（T1T2） = T2/（4T1K）K=100+w；T 1=Rf1Cf1；T 2=Cf2 Rf2三、实验内容根据图 3-2，调节可调电阻 w 的大小（w 取 1M 的电阻） ，显然只要改变 w 的电阻值，就能同时改变 n 和 的值，调节 w值，观察过阻尼( 1)、临界阻尼（ =1）和欠阻尼（ 1）三种情况下的阶跃响应曲线并记录下来，标注峰值时间 tp、调整时间ts 和超调量 p 的值；当 R 趋于无穷大时，使=0 ，输出波形为等幅振荡。 1、令 r（t）=1 V，记录等幅振荡、衰减振荡及无振荡时的 W值，算出 K 值；在示波器上观察不同 K 值下的瞬态响应曲线；并由图记下相应的 p、tp 和 ts 的值。四、实验报告1、画出二阶系统在等幅振荡、衰减振荡及无振荡时的 3 条瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。2、对应不同的电阻值，计算三种情况下的和 n 值。据此，求得相应的动态性能指标 p、tp 和 ts，并与实验所得出的结果作比较。wn
