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1、20162017学年第一学期自动控制原理实验报告 年级：2014级 班号：姓名： He 学号：成绩： 教师： 实验设备及编号： 实验同组人名单： 实验地点：电气工程学院自动控制原理实验室 实验时间：2016年 10月 目录：实验一 典型环节的电路模拟2一、实验目的2二、实验内容2三、实验电路图及参数3四、实验分析10五、实验思考题11实验二 二阶系统的瞬态响应12一、实验目的12二、实验设备12三、实验电路图及其传递函数12四、实验结果及相应参数14五、实验分析16六、实验思考题16实验五 典型环节和系统频率特性的测量17一、实验目的17二、实验设备17三、传递函数模拟电路图及波特图17四、实
2、验思考题22实验六 线性定常系统的串联校正24一、实验目的24二、实验设备24三、实验电路图及其实验结果24四、实验分析28五、实验思考题28实验七 单闭环直流调速系统29一、实验目的29二、实验设备29三、PID参数记录表及其对应图像30四、PID控制参数对直流电机运行的影响37实验一 典型环节的电路模拟 一、实验目的 1熟悉 THKKL-B 型模块化自控原理实验系统及“自控原理软件”的使用； 2熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟； 3测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。 二、实验内容 1设计并组建各典型环节的模拟电路； 2测量各典型环节的阶跃响应，并研究参
3、数变化对其输出响应的影响。 三、实验电路图及参数1 比例（P）环节 比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。它的传递函数与方框图分别为： 图 1-1 比例环节的模拟电路 图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。 当 Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为 K 时的响应曲线如图 1-2 所示。 若比例系数 K=1 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k。若比例系数 K=2 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=200k。图 1-2 比例环节的响应曲线 2积分（I）环节 积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。它的传递函数与方框图分别
4、为： 根据积分环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-9 所示。 图 1-3 积分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。 设 Ui(S)为一单位阶跃信号，当积分系数为 T 时的响应曲线如图 1-4 所示。 若积分时间常数 T=1s 时，电路中的参数取：R=100k，C=10uF(T=RC=100k10uF=1s)；若积分时间常数 T=0.1s 时，电路中的参数取：R=100k，C=1uF(T=RC=100k1uF=0.1s)； 图 1-4 积分环节的响应曲线 3比例积分(PI)环节 比例积分环节的传递函数与方框图分别为： 其中 T=R2C，K=R2/
5、R1 根据比例积分环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-10 所示。 图 1-5 比例积分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。 注：通过改变 R2、R1、C 的值可改变比例积分环节的放大系数 K 和积分时间常数 T。 设 Ui(S)为一单位阶跃信号，图 1-4 示出了比例系数(K)为 1、积分系数为 T 时的 PI 输出响应曲线。若取比例系数 K=1、积分时间常数 T=1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100k10uF=1s)；若取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1s时
6、，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100k1uF=0.1s)。 图 1-6 比例积分环节的响应曲线 4比例微分(PD)环节 比例微分环节的传递函数与方框图分别为： 根据比例微分环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-11 所示。 图 1-7 比例微分环节的模拟电路图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。 若比例系数 K=1、微分时间常数 T=1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=100k10uF=1s)；若比例系数 K=1、微分时间常
7、数 T=0.1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K= R2/ R1=1，T=R1C=100k1uF=0.1s)； 图 1-8 比例微分环节的响应曲线 5比例积分微分(PID)环节 比例积分微分(PID)环节的传递函数与方框图分别为： R1C2R1C2S 设 Ui(S)为一单位阶跃信号.比例积分微分(PID)环节根据比例积分微分环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-9 所示。 图 1-9 比例积分微分环节的模拟电路 图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。 若比例系数 K=2、积分时间常数 TI =0.1s、微分时间常数 TD =0
8、.1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=1uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2，TI=R1C2=100k1uF=0.1s，TD=R2C1=100k1uF=0.1s)； 若比例系数 K=1.1、积分时间常数 TI =1s、微分时间常数 TD =0.1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=10uF (K= (R1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=1.1，TI=R1C2=100k10uF=1s，TD=R2C1=100k1uF=0.1s)； 图 1-10PID 环节的响应曲线 6惯性环节惯性环节的
9、传递函数与方框图分别为： 惯性环节根据惯性环节的方框图，用CT01实验模块组建相应的模拟电路，如图 1-13 所示。 图 1-11 惯性环节的模拟电路 图中后一个单元为反相器，其中 R0=200k。 通过改变 R2、R1、C 的值可改变惯性环节的放大系数 K 和时间常数 T。若比例系数 K=1、时间常数 T=1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100k10uF=1s)。若比例系数 K=1、时间常数 T=0.1s 时，电路中的参数取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100k1u
10、F=0.1s)。 图 1-12 惯性环节的响应曲线 四、实验分析 一介系统各典型环节电路参数对环节特性有什么影响?1、比例环节： 输出量不失真，无惯性地跟着输入量变化，而且两者成比例关系；2、惯性环节：由于惯性环节中含有一个储能原件，当输入量突然变化时，输出量不能跟着变化，而是按指数规律变化；3、积分环节：只要有一个恒定的输入量作用于积分环节，其输出量就与时间成正比地无限增加。(输出量取决于输入量对时间的积累,输入量作用一段时间后,即使输入量变化,输出量仍会保持在已达到的数值)；4、微分环节：理想微分环节的输出与输入量的变化速度成正比，在阶跃输入作用下的输出响应为一理想脉冲（实际上无法实现）。
11、五、实验思考题 1用运放模拟典型环节时，其传递函数是在什么假设条件下近似导出的？ （1）假定运放具有理想特性,即满足“虚短”“虚断”特性（2）运放的静态量为零,个输入量、输出量和反馈量都可以用瞬时值表示其动态变化.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？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？ 答：惯性环节的特点是,当输入x(t)作阶跃变化时,输出y(t)不能立刻达到稳态值,瞬态输出以指数规律变化.而积分环节,当输入为单位阶跃信号时,输出为输入对时间的积分,输出y(t)随时间呈直线增长.当t趋于无穷大时,惯性环节可以近似地视为积分环节,当t趋
12、于0时,惯性环节可以近似地视为比例环节.3在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？ 答：对积分环节，积分时间常数T的数值等于输出信号变化到与输入信号的阶跃变化量相等时所经过的一段时间。在单位阶跃响应曲线上就能确定；对惯性环节，时间常数T就是当输入信号为阶跃函数时，输出信号以起始速度变化到最后平衡值所需的时间。从单位阶跃响应曲线的起始点做切线与最后平衡值相交，则起始点到此交点所经历的时间就是惯性环节的时间常数T。4为什么实验中实际曲线与理论曲线有一定误差？ 答：选择的电子元器件,输入输出曲线,不可能像理论那样的线性,再加上元器件都有温度特性曲
13、线.器件参数都有误差.综合起来,电路模拟实验中实际曲线和理论曲线有一定的误差是正常的.5为什么 PD 实验在稳定状态时曲线有小范围的振荡？ 答：因为积分环节对稳定曲线的外在扰动比较敏感。实验二 二阶系统的瞬态响应 一、实验目的 1通过实验了解参数(阻尼比) (阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响； 2掌握二阶系统动态性能的测试方法。 二、实验设备 1THKKL-B 型模块化自控原理实验系统实验平台，实验模块 CT02； 2PC 机一台(含上位机软件)； 3USB 接口线。 三、实验电路图及其传递函数 1二阶系统的瞬态响应 用二阶常微分方程描述的系统，称为二阶系统，其标准形式的闭环传递函
14、数为 针对不同的值，特征根会出现下列三种情况： 图 2-1 二阶系统的动态响应曲线虽然当z =1 或z 1 时，系统的阶跃响应无超调产生，但这种响应的动态过程太缓慢，故控制工程上常采用欠阻尼的二阶系统，一般取z =0.60.7，此时系统的动态响应过程不仅快速，而且超调量也小。 2二阶系统的典型结构典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如 2-2、如 2-3 所示。 图 2-2 二阶系统的方框图 图 2-3 二阶系统的模拟电路图 电路参考单元为：通用单元 1、通用单元 2、通用单元 3、反相器单元、电位器组由图 2-2 可得其开环传递函数为：四、实验结果及相应参数 1值一定时，图 2-3 中取 C=1uF，R=100k(此时=10)，Rx 阻值可调范围为 0470k。系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用上位机软件观测并记录不同值时的实验曲线。 (1) 当可调电位器 RX=250k 时， =0.2，系统处于欠阻尼状态，其超调量为 53%左右； (2)若可调电位器 RX=70.7k 时， =0.707，系统处于欠阻尼状态，其超调量为 4.3%左右； (3)若可调电位器 RX=50k 时， =1，系统处于临界阻尼状态； (4
