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1、自动控制原理实 验 指 导 书杨红编沈阳大学信息工程学院目录实验一：典型环节及其阶跃响应1实验二：典型二阶系统的阶跃响应5实验三：控制系统稳定性分析8实验四：系统频率特性测量12实验五：连续系统串联校正15课程编号：1234031 课程类别：专业必修课适用层次：本科 适用专业：06自动化课程总学时：96 适用学期:第5学期 实验学时：10 开设实验项目数：5撰写人：杨红 审核人：张乐 教学院长：范立南实验一：典型环节及其阶跃响应一、实验目的与要求1学习构成典型环节的模拟电路。2熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。3了解参数变化对典型环节动态特性的影响，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。二
2、、实验类型综合三、实验原理及说明各典型环节的模拟电路及结构图如下：11 比例环节电路图12 比例环节结构图KUI（S）UO（S）图1-1-221 惯性环节电路图22 惯性环节结构图1/（TS+1）UI（S）UO（S）图1-2-231 积分环节电路图32积分环节结构图1/TSUI（S）UO（S）图1-3-241 微分环节电路图42 微分环节结构图TSUI（S）UO（S）图1-4-251 比例微分环节电路图根据以上环节得传递函数为：。52 比例微分环节结构图K（TS+1）UI（S）UO（S）图 1-5-2其中：。四、实验仪器序 号名 称主要用途1自动控制原理实验箱 模块连接2计算机通讯3万用表测量
3、元件4导线连接实验箱上的元件五、实验内容和步骤1 将输出端Ui与数据通道接板上的DA0连接、输出端Uo 与实验平台信号引出区的IN0孔连接。（在实验1-5中涉及运放电路板及Ui、Uo均按此连线，不再重复）。2 启动计算机，运行“系统设置”菜单，选择串口。（在实验1-5中均同此，不再重复，如不选择，则设为默认值，选择COM1通讯端口。）3 打开“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“典型环节及其阶跃响应”实验。4 选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。5 选择“运行观测”命令，观察阶跃响应曲线，改变模拟电路参数后，再重新观察阶跃响应曲线变化。6 为了更好的观察曲线
4、，再“参数设置”命令中，设置“曲线放大”倍数，“运行观测”。7 记录波形及数据（保存结果、打印图象）。8 连接其他模拟电路，重复步骤3、4、5、6。六、实验数据处理与分析1重复实验，记录多次波形及数据，找出数据中的平均值。2分析参数变化对典型环节动态特性的影响，计算由阶跃响应曲线得到的典型环节的传递函数与所学是否一致。七、注意事项打印图象只有在曲线放大为“1”时打印（在实验1-5中同此）。八、预习与思考题1画出惯性环节、积分环节、比例微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的响应曲线。2由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由理论计算的结果相比较。实验二：典型二阶系统的阶跃响应
5、一、实验目的与要求1研究二阶系统的两个重要参数阻尼比和无阻尼自然频率对系统动态性能的影响。2学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。二、实验类型综合三、实验原理及说明1二阶系统模拟电路图示于图2-1。图2-12系统结构图为：图2-23系统闭环传递函数为： （1）其中，。典型二阶系统的闭环传递函数为： （2）比较式（1）、（2），可得 （3） 由（3）式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。今取R1=100K，R2=0-500K（R2由电位器调节），可得实验所需的阻尼比。电阻R取100K，电容C分别取和，可得两个无阻尼自然频率。四、实验仪器序 号名 称主要用途1自动控制原理实验箱 模
6、块连接2计算机通讯3万用表测量元件4导线连接实验箱上的元件五、实验内容和步骤1 将图2-1所示模拟电路接好，输入端和输出端分别接DA0和IN0。2 启动计算机，运行“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“二阶系统阶跃响应”。3 选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。4 取，即令：分别取，即取，分别等于0、50K、100K、140K、200K、400K。选择“运行观测”命令，分别测量系统阶跃响应，并记录最大超调量和调节时间的数值。5 为了更好的观察曲线，再“参数设置”命令中，设置“曲线放大”倍数，“运行观测”。6 取，即R1=R2=100K；，即取。注意：电容同时
7、改变，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量和调节时间的数值。7 取，R1=100K，R2=50K，测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录最大超调量和调节时间的数值。8 记录波形及数据。（保存结果、打印图象）采样点数超过400，则计算机将自动计算和的数值，并将结果显示在屏幕上。六、实验数据处理与分析1重复实验，记录多次波形及数据，找出数据中的平均值。2分析参数变化，计算由二阶响应曲线得到的传递函数与所学是否一致。七、注意事项打印图象只有在曲线放大为“1”时打印（在实验1-5中同此）。八、预习与思考题1画出二阶系统的模拟电路图，并求出参数和的表达式。2把不同和条件下测量的和值列表，根据测量结果得
8、出响应结论。3根据实验步骤3画出系统响应曲线，再由和计算出传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数相比较。实验三：控制系统的稳定性分析一、实验目的与要求1观察系统的不稳定现象。2研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。二、实验类型综合三、实验原理及说明1系统模拟电路图所示于图3-1。图3-12系统结构图为：图3-2其开环传递函数为：，闭环传递函数为：，式中，K1=R3/R2，R2=100K，R3=0-500K； T=RC，或两种情况。四、实验仪器序 号名 称主要用途1自动控制原理实验箱 模块连接2计算机通讯3万用表测量元件4导线连接实验箱上的元件五、实验内容和步骤1 连接运放电路板的电源线（，
9、GND），并将图3所示模拟电路连好，输入端和输出端分别接DA0和IN0。2 启动计算机，运行“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“控制系统的稳定性分析”。3 选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。4 输入信号电压设置为1V，改变电位器值，使R3从0-500K渐次变化，此时相应放大倍数K=10K=0-100。观察输出波形，找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K值，再把电位器电阻值由大至小变化，即R3=500K-0，找出系统输出产生等幅振荡时相应的R3及K值。5 使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况，电容C由变成，观察系统稳定性变化。6 记录波形及数据。
10、（保存结果、打印图象）六、实验数据处理与分析1重复实验，记录多次波形及数据，找出数据中的平均值。2分析系统稳定性。七、注意事项打印图象只有在曲线放大为“1”时打印（在实验1-5中同此）。八、预习与思考题1画出模拟电路图。2画出系统增幅或减幅振荡的波形图。3计算系统的临界放大系数，并与实验中测得的临界放大系数相比较。实验四：系统频率特性测量一、实验目的与要求1加深了解系统频率特性的物理概念。2掌握系统频率特性的测量方法。二、实验类型综合三、实验原理及说明1模拟电路图及其结构图分别示于图4-1和图4-2。图4-1系统结构图为：图4-22系统传递函数为：取，则K1=2，得系统传递函数：。 若输入信号
11、，则在稳定时，其输出信号为。改变输入信号角频率值，便可测得二组和随变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。四、实验仪器序 号名 称主要用途1自动控制原理实验箱 模块连接2计算机通讯3万用表测量元件4导线连接实验箱上的元件五、实验内容和步骤1 连接运放电路板的电源线（，GND），并将图4-1所示模拟电路连好，输入端和输出端分别接DA0和IN0。2 启动计算机，运行“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“系统频率特性测量”。3 选择“参数设置”命令，设置角频率。4 选择“运行观测”命令，测试输出信号，并在波形显示输出波形及其幅值和相位差。5 改变角频率的参数，重复第4步
12、。6 做此实验时可在0.1-80之间任意选择值，如分别设。每设置一个值后，要“运行观测”一次（即重复步骤3、4）。其间改变幅值项参数，以使输出波形达到最佳。7 “运行观测”一组任选的值后，即可选择“波特图”命令，将实验中所测试的各频率点的频率响应在波特图上描绘出来。“运行观测”的频率点越多，画出的“波特图”越连贯。六、实验数据处理与分析1重复实验，记录多次波形及数据，找出数据中的平均值。2分析系统频率特性与所学是否一致。七、注意事项1打印图象只有在曲线放大为“1”时打印（在实验1-5中同此）。2输入正弦幅度为0-1.25。八、预习与思考题1画出被测系统的模拟电路图，计算其传递函数，根据传递函数
13、绘制波特图。2分析测量误差。实验五：连续系统串联校正一、实验目的与要求1研究串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。2熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。二、实验类型综合三、实验原理及说明1串联超前校正：（1）系统模拟电路图示于图5-1，图中开关K断开对应未校正情况，接通对应超前校正情况。图5-1（2）系统结构图示于图5-2。图5-2图中，K断开时：， K闭合时：。2串联滞后校正。（1）模拟电路图示于图5-3，开关K断开对应未校正情况，接通对应滞后校正情况。图5-3（2）系统结构图示于图5-4。图5-4图中， K断开时：， K闭合时：。3串联滞后超前校正：（1）模拟电路图示于图5-5，双刀开关断开对应未校正情况，接通对应滞后超前校正。图5-5（2）系统结构图示于图5-6。图5-6图中，K断开时：， K闭合时：四、实验仪器序 号名 称主要用途1自动控制原理实验箱 模块连接2计算机通讯3万用表测量元件4导线连接
