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1、自动控制理论实验指导书适用专业 : 电气、测控、信息课程代码 : 8402500 、 8402510 总学时 : 总学分 :编写单位 : 电气信息学院编 写 人 : 王军 舒欣梅审 核 人 :审 批 人 :批准时间 : 年 月 日自动控制理论实验指导书- 1 - 目 录实验预习 , 2 实验一（实验代码 1）典型系统的瞬态响应和稳定性 , 4 实验二（实验代码 2）二阶系统动态特性、根轨迹和频率特性分析 , 8 实验三（实验代码 3）系统校正 , 11 实验四（实验代码 4）直流电机闭环调速 , 14 主要参考文献 , 16 自动控制理论实验指导书- 2 - 实 验 预 习一、 系统软件操作说
2、明1、进入系统本课程采用 TDN-AC/ACS 实验系统。开启 PC 微机及实验平台的电源开关，随即进入 ACS 子目录，键入 ACS 并回车，屏幕显示如下：图 1 集成操作软件引导界面根据你所使用的通讯端口选择键入 1 或 2，便可进入 ACS 系统集成软件环境。2、示波器界面及操作界面如下图 2 所示。分为功能键提示栏、波形显示窗口、数据显示窗口和命令 / 提示栏四个部分。功能键提示栏显示功能键提示，当前可用的功能键用黑色显示。不可用的用灰色显示。数据显示窗口显示两路信号当前的电压值。 CH1 显示第一路， CH2 显示第二路。 第一路的电压值及波形用黄色显示，第二路用绿色显示。显示数据乘
3、以 0.1 即为实际电压值，单位伏特。波形显示窗口显示波形曲线。命令 / 提示栏接受用户的命令并显示提示信息。图 2 示波器功能界面F1_Run: 运行。进入示波器功能后，先要运行程序然后观测波形。此时可将示波器探头接在想要检测的地方，按 F1 键，观测该处的波形。F2_Stop: 终止程序运行。当程序运行后，可用“ F2”终止程序运行。注意：终止程序后波形不会自动控制理论实验指导书- 3 - 保留。如果需要保留屏幕上的波形，可用“ F3_Pause” 。F3_Pause: 暂停。在波形显示时可用“ F3”保留屏幕上的波形，此时命令 / 提示栏显示“ Pause” ，用“”键和“”键可移动游标
4、测量波形数据（游标显示为一条白线） 。 CH1 及 CH2 数据显示窗会分别显示出游标所在位置两路信号的电压值，同时，波形显示窗会分别显示出游标所在位置两路信号的电压值，同时，波形窗口左下方用黄色显示出游标所在处距窗口最左边的时间值，单位为毫秒。如果希望继续显示波形，可用“ F4_Continue”功能键。注意：暂停时程序任在运行。F4_Continue: 继续显示波形。当处于暂停状态时可用“ F4”键继续波形的显示。F5_Scale+: 可将波形横向拉开。F6_Scale_: 可将波形横向压缩。F8_Return: 返回，退出示波器功能。注意：程序运行或暂停时都不可用“ F8”键返回。只有按
5、下“ F2_Stop”后，即没有程序运行时才可返回。二、 系统实验平台说明1、实验中有关注意事项（ 1）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 3 所示电路，它由“单脉冲单元” （ U13 SP）及“电位器单元” （ U14 P）组成。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
6、接，最后由插座的 Y 端输出信号。图 3 阶跃信号的产生（ 3）对于搭接被控对象时，输入和反馈回路中的电阻应尽可能利用实验板上的电位器来实现。（ 4）实验用的导线，导线头不应拔得太长，以防线线短路。自动控制理论实验指导书- 4 - 实验一 典型系统的瞬态响应和稳定性一、实验目的和任务1、 通过模拟实验，定性和定量地分析二阶系统的两个参数 T 和 对二阶系统动态性能的影响。2、 通过模拟实验，定性和定量地分析系统开环增益 K 对系统稳定性的影响。3、 观测系统处于稳定、临界稳定和不稳定情况下的输出响应的差别。二、实验内容1、 观察二阶系统的阶跃响应，分析二阶系统的两个参数 T 和 对二阶系统动态
7、性能的影响。2、 观察三阶系统的阶跃响应，分析系统开环增益 K 对系统稳定性的影响。三、实验仪器、设备及材料TDN-AC/ACS教学实验系统、导线四、实验原理1、 典型二阶系统的方块图及传函图 1-1 图是典型二阶系统原理方块图，其中 0 1 11 , 0.1 ,T s T s K 分别为 10、 5、 2.5 、 1。图 1 1 开环传函： 11( 1) (0.1 1)KKG ss T s s s，其中 10KKT开环增益闭环传函：22 22nn nss s，其中 1 01 0 1 11,2nK TT T K T2、 模拟电路图：见图 1 2 图 1 2 R(s) E(s) - 01T s1
8、1 1KT sC(s) +自动控制理论实验指导书- 5 - 1111100 / 1.1100 / 1 10(0.1 1) (0.1 1) 210nK RK RG ss s s s KK3、 典型三阶系统典型三阶系统的方块图见图 1-3 所示：图 1-3 开环传递函数为：1 2( 1)( 1)KG ss T s T s, 其中 1 20K KKT( 开环增益 ) 4、 模拟电路图：见图 1-4 所示：图 1-4 开环传函为 510 /( )(0.1 1)(0.51 1)RG s H ss s s其中 K = 510/ R系统的特征方程为 3 21 ( ) 0, 11.96 19.6 19.6 0
9、G s H s s s s K由 Routh 判据，得0 11.96 42.611.96 42.611.96 42.6K R KK R KK R K系 统 稳 定系 统 临 界 稳 定系 统 不 稳 定五、主要技术重点、难点1、用示波器观察系统阶跃响应 C(t) 时，超调量 p，峰值时间 t p 和调节时间 t s 的测量。2、从系统阶跃响应 C(t) 波形分析系统稳定性R(s) E(s) - 01T s11 1KT sC(s) 12 1KT s自动控制理论实验指导书- 6 - 六、实验步骤准备：将信号源单元（ U1 SG）的插针和 5V 插针用“短路块”短接。1、 按图 1 2 接线， 10
10、R K 。2、 用示波器观察系统阶跃响应 C(t) ，测量并记录超调量 p，峰值时间 t p 和调节时间 t s，把结果记录在表 1 1 中。3、 分别按 20 ; 40 ;100R K K K 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 p、 t p 、 t s，绘制出阶跃响应曲线。并将测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。4、 按图 2 2 接线， 30R K 。5、 观察系统的阶跃响应，并记录波形。6、 减小开环增益（ 42.6 ;100R K K ） , 观察系统的阶跃响应，记录波形。7、 将记录的波形绘制在表 1 2 中，并作出稳定性判定。七、
11、实验报告要求参数项目R KK l/s n l/s C(t p) C( ) p t p t s阶跃响应曲线计算值测量值计算值测量值计算值测量值01 100 表 1 1 自动控制理论实验指导书- 7 - R(K ) K 输出波形 稳定性30 42.6 100 表 1 2 八、 实验注意事项1、 作实验前要预习。2、 实验内容较多，作实验时注意抓紧时间。九、 思考题1、 在实验线路中如何确保系统实现负反馈？如果反馈回路中有偶数个运算放大器，则构成什么反馈？2、 有那些措施能增加系统的稳定度？它们对系统的性能有什么影响？自动控制理论实验指导书- 8 - 实验二 二阶系统动态特性、根轨迹和频率特性分析一
12、、 实验目的和任务1、学会用 MATLAB 分析系统的阶跃相应， 。2、学会用 MATLAB 绘制系统的根轨迹。3、学会用 MATLAB 进行频率特性分析，绘制 Bode 图和 Nyquist二、 实验内容1、 应用 MATLAB函数进行系统阶跃响应分析。2、 应用 MATLAB函数绘制系统和分析根轨迹。3、 应用 MATLAB函数绘制系统 Nyquist 频率曲线并判断稳定性。4、 应用 MATLAB函数绘制和分析系统 bode 图。三、 实验仪器、设备及材料装有 MATLAB软件的计算机一台四、 实验原理实验中应用的函数介绍：1、 step 函数： 可计算出连续系统的单位阶跃相应， 可用来
13、分析超调量和调节时间等二阶性能指标。格式： step (num, den) 2、 rlocus 函数：可得到连续系统的单输入单输出根轨迹。格式： rlocus (num, den) 3、 bode 函数：可计算出连续时间系统的幅频和相频响应曲线，可用来分析系统的增益裕量、相位裕量、直接增益、带宽、扰动抑制及稳定性等特性。格式： bode (num, den) 4、 nyquist 函数，可计算出连续时间函数系统的 Nyquist 频率曲线，可用来分析包括增益裕量、相位裕量及稳定性在内的系统特性。格式： nyquist (num, den) 各函数中 num 和 den 分别指传递函数的分子和分
14、母多项式由高阶到低阶排列的多项式系数。如传递函数 2 2 13 2sG ss s， num=2 1 ， den=1 3 2 。五、 主要技术重点、难点应用 MATLAB函数进行阶跃响应分析和绘制根轨迹、 Nyquist 频率曲线、 bode 图六、 实验步骤对典型二阶系统22 22nn nG ss s， n 6 1、绘制出 取 0.1 ， 0.5,1.0,2.0 时二阶系统的单位阶跃响应曲线。2、绘制出 取 0.5 时系统根轨迹图，判断系统稳定范围。假设此时给系统前向通道上串连了另外自动控制理论实验指导书- 9 - 一个惯性环节，其时间常数为 1，绘制出系统此时根轨迹图，判断该系统稳定范围。3
15、、绘制出 取 0.1 ， 0.5 ， 1.0 时二阶系统的 Bode 图，比较各条曲线的差别。4、绘制出 取 0.5 时系统 Nyquist 曲线。用奈氏判据判断闭环系统稳定性。假设此时给系统前向通道上串连了另外一个不稳定一阶系统， 其放大系数为 2， 时间常数为 1， 用奈氏判据判断闭环系统稳定性。5、把结果记录在表 2-1、表 2-2、表 2-3、表 2-4 中。七、 实验报告要求参数 单位阶跃响应 n 6 =0.1 =0.5 =1.0 =2.0表 2-1 （单位阶跃响应）传递函数 根轨迹 K的稳定范围2( ) 6 36KG ss s21( )6 36 1KG ss s s表 2-2 （根轨迹）自动控制理论实验指导书- 10 - 参数 Bode 图幅相频特性 n 6 =0.1 =0.5 =1表 2-3 （ bode 图部分）传递函数 Nyquist 曲线 稳定性236( )6 36G ss s236 2( )6 36 1G ss s s表 2-4（ Nyquist 图部分）八、 实验注意事项1、 实验前需要学习 MATLAB软件相关函数内容，熟
