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1、第10章 自动控制原理实验,10.1 典型环节及其阶跃响应 10.2 二阶系统阶跃响应 10.3 系统频率特性的测试 10.4 控制系统串联校正,10.1 典型环节及其阶跃响应,1.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的影响。 (2)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。,2.实验设备 (1)电子模拟实验装置。 (2)双线慢扫描示波器。 (3)信号发生器一台（100kHz以上）。 3.实验内容 (1)按图8-1所示接成下列典型环节的模拟电路。 (2)以信号发生器所给出的阶跃信号作为输入信号（幅值整定为-1V），用慢扫描示波器观
2、察ui(t)和uo(t)。 (3)记录波形及数据。,图8-1 典型环节的模拟电路,4.实验报告 (1)画出各典型环节的模拟电路，绘制各环节的响应曲线。 (2)由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。,5.实验要求 (1)首先掌握与实验有关的理论知识，明确实验的目的，了解实验内容和方法。 (2)按要求进行接线和操作，经检查和指导老师同意后再通电。 (3)实验中记录有关数据和图像。 (4)实验后断掉设备电源，整理实验台。 (5)写出实验报告，并按要求作出图、表曲线，并分析实验结果。,10.2 二阶系统阶跃响应,1.实验目的 (1)研究二阶系统的特征参数，阻尼比
3、和无阻尼自然震荡角频率n对系统动态性能的影响，定量分析和n与最大超调量Mp和调节时间ts之间的关系。 (2)进一步学习实验仪器的使用方法。 (3)学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。,2.实验设备(1)电子模拟实验装置。(2)双线慢扫描示波器。(3)信号发生器一台（100kHz以上）。,3. 实验内容(1)典型二阶系统的闭环传递函数为,（-1）,其中，和n对系统的动态品质有决定性的影响。,(2)按图8-2接成二阶系统的模拟电路。系统的结构图如图8-3所示。该系统闭环传递函数为,（-）,其中，,与标准式相比较,得,（8-）,图8-2 二阶系统的模拟电路,图8-3 二阶系统的模拟电路的结构图,(
4、3)取n=10rad/s，即令R=100k，C=1F。分别取=0,0.25,0.5,0.7,1,2，即保持R1=100k，通过调节电位计使R2=0,25k,50k,70k,100k,200k。输入阶跃信号，用示波器测量系统阶跃响应uo(t)。记录最大超调量Mp和调节时间ts的数值和响应的动态曲线，并与理论值比较。,(4)取n=100rad/s，即令R=100k，C=0.1F。分别取=0,0.25,0.5,0.7,，即保持R1=100k，通过调节电位计使R2=0,25k,50k,70k,100k,200k。输入阶跃信号，用示波器测量系统阶跃响应uo(t)。记录最大超调量Mp和调节时间ts的数值和
5、响应的动态曲线，并与上一组数据进行比较。,4.实验报告 (1)画出二阶系统的模拟电路。 (2)把不同、n条件下测量的Mp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。 (3)画出系统响应曲线，再由Mp和ts计算传递函数，并与由模拟电路计算的传递函数比较。,5.实验要求 (1)首先掌握与实验有关的理论知识，明确实验的目的，了解实验内容和方法。 (2)按要求进行接线和操作，经检查和指导老师同意后再通电。 (3)实验中记录有关数据和图像。 (4)实验后断掉设备电源，整理实验台。 (5)写出实验报告，并按要求作出图、表曲线，并分析实验结果。,通过实验可以看到二阶系统阶跃响应的性能指标比较直观地体现了控制系统
6、的3大性能： (1)超调量%表征系统响应过渡阶段的平稳性体现“稳”。 (2)态误差ess表征系统响应的最终稳态精度体现“准”。 (3)值时间tp表征系统响应的初始段快慢。调节时间ts表征系统响应过渡阶段的总的持续时间，从总体上反映了过程的快速性体现“快”。,10.3 系统频率特性的测试,1.实验目的 (1)熟悉系统及元件频率特性的测试方法。(2)加深了解系统及元件频率特性的物理概念。 2.实验设备(1)电子模拟实验装置。(2)超低频频率特性测试仪。(3)高频正弦波信号发生器（f1MHz）。(4)双线示波器（扫描速度与信号发生器频率配合）。,3.实验内容(1)按图8-5接好系统模拟电路。该系统的
7、结构图如图8-6所示。 该系统的开环传递函数为,(2)取R3=500k，输入正弦信号，将其幅值整定为2V。改变输入频率，观察输出信号的幅值与相位的变化情况。,图8-5 系统模拟电路,图8-6 系统结构图,4.实验报告 (1)画出被测系统的模拟电路图，计算其传递函数，根据传递函数绘制伯德图。 (2)根据实验观察结果，绘制系统的伯德图。 (3)比较(1)、(2)的结果，分析测量误差。,5.实验要求 (1)首先掌握与实验有关的理论知识，明确实验的目的，了解实验内容和方法。 (2)按要求进行接线和操作，经检查和指导老师同意后再通电。 (3)实验中记录有关数据和图像。 (4)实验后断掉设备电源，整理实验
8、台。 (5)写出实验报告，并按要求作出图、表曲线，并分析实验结果。,10.4 控制系统串联校正,1.实验目的(1)理解串联校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。(2)熟悉串联校正装置。(3)熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。,2.实验设备 (1)电子模拟实验装置。(2)双线慢扫描示波器。(3)信号发生器一台（100kHz以上）。,3.实验内容 (1)串联超前校正。 串联超前校正模拟电路如图8-7所示。图中开关QS处于断开状态时，对应于未进行校正的情况；当开关QS处于闭合状态时，对应于串联超前校正的情况。 串联超前校正模拟电路的系统结构图如图8-8所示。,图8-7 串联超前校正模拟电路,图8-8
9、 串联超前校正模拟电路的系统结构图,该系统的开环传递函数为,（8-）,其中，开关QS处于断开状态时，Gc(s)=2;开关QS处于闭合状态时,(2)串联滞后校正。 串联滞后校正模拟电路如图8-9所示，图中开关QS处于断开状态时，对应于未进行校正的情况；当开关QS处于闭合状态时，对应于串联滞后校正的情况。 串联滞后校正模拟电路的系统结构图如图8-10所示。,图8-9 串联滞后校正模拟电路,图8-10 串联滞后校正模拟电路的系统结构图,该系统的开环传递函数为,（8-）,其中，开关QS处于断开状态时，Gc(s)=5;开关QS处于闭合状态时，,(3)串联滞后超前校正。 串联滞后超前校正模拟电路如图8-1
10、1所示，图中开关QS处于断开状态时，对应于未进行校正的情况；当开关QS处于闭合状态时，对应于串联滞后超前校正的情况。,图8-11 串联滞后校正模拟电路,串联滞后超前校正模拟电路的系统结构图如图8-12所示。,图8-12 串联滞后超前校正模拟电路的系统结构图,该系统的开环传递函数为,其中，开关QS处于断开状态时，Gc(s)=6;开关QS处于闭合状态时，,(4)按图连接模拟电路，将开关QS置于断开状态，输入阶跃信号（幅值整定为-1V）。测量系统阶跃响应，并记录超调量p和调节时间ts。 (5)将开关QS置于闭合状态，重复(4)的动作。,4.实验报告 (1)画出几种校正方式的模拟电路图以及结构图。 (2)绘制校正前后的系统响应曲线。 (3)绘制校正前后的Bode图，并确定校正前后的相稳定裕度和截止频率c，对结果进行分析。,5.实验要求 (1)首先掌握与实验有关的理论知识，明确实验目的，了解实验内容和方法。 (2)按要求进行接线和操作，经检查和指导老师同意后再通电。 (3)实验中记录有关数据和图像。 (4)实验后断掉设备电源，整理实验台。 (5)写出实验报告，并按要求作出图、表曲线，并分析实验结果。,
