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1、控制工程理论控制工程理论实验指导书实验指导书课程编号：02000310课程名称：控制工程理论“控制工程理论”是机械设计制造及其自动化专业的一门专业必修课程，其实验的目的是理论联系实际，加深对控制工程理论基本原理、基本规律的理解，掌握系统分析和系统设计的基本方法，通过学生自己动手进行实验，获得基本实验技能的训练, 培养学生分析、操作和解决实际问题的能力，为后续课程和专业课程设计、毕业设计以及今后从事生产技术工作打下良好的基础。实验一至实验四的实验内容主要在 AEDK LabACT 自控/计控原理教学实验系统装置上进行，它利用教学实验系统的接口电路把模拟信号经转换传送到计算机，再由计算机对数据进行
2、分析、处理。 实验一实验一 典型环节的模拟研究典型环节的模拟研究一、一、实验目的：实验目的：掌握各典型环节的传递函数及模拟电路图，通过对典型环节阶跃响应曲线的观测和分析，加深对典型环节的理解，掌握基本知识。二、实验的主要内容：二、实验的主要内容：1、 根据表 1-1 所示的各典型环节的模拟电路图，观测其阶跃响应曲线。表 1-1 各典型环节的模拟电路图典型环节名称模拟电路图比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T）比例积分微分（PID）三、实验设备及工具：三、实验设备及工具：AEDK LabACT 自控/计控原理教学实验系统、PC 机、万用表，连接线及工具若干；四、实验原
3、理四、实验原理分析各典型环节的方块图和模拟电路图的对应关系，写出传递函数，填入表 12 中。表 12典型环节名称方块图传递函数比例（P） 积分（I） 比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T） 比例积分微分（PID）五、实验方法和步骤五、实验方法和步骤运行 LABACT 程序，选择自动控制自动控制菜单下的线性系统的时域分析线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究典型环节的模拟研究实验项目，再选择开始实验开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始开始即可使用实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的 CH1 测孔测量波形。1)观察比例环节的阶跃响应曲线观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电
4、路参考表 1-1。该环节在 A1 单元中分别选取反馈电阻 R1=100K、200K 来改变比例参数。实验步骤：实验步骤： （1）将信号发生器（B1）中的阶跃输出 0/+5V 作为系统的信号输入（Ui）（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 模块号跨接座号1A1当反馈电阻 R1=100K 时S4，S7当反馈电阻 R1=200K 时S4，S82A6S2，S6（b）测孔联线（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端 CH1 接到 A6 单元信号输出端 OUT（Uo） 。注：CH1 选X1档。时间量程选x4档。 （4）运行、观察、记录：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0+5V
5、阶跃） ，用示波器观测 A6 输出端（Uo）的实际响应曲线 Uo（t） ，且将结果记下。改变比例参数（改变运算模拟单元 A1 的反馈电阻 R1） ，重新观测结果。2)观察惯性环节的阶跃响应曲线观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路参考表 1-1。该环节在 A1 单元中分别选取反馈电容 C =1uf、2uf 来改变时间常数。实验步骤：实验步骤： （1）将信号发生器（B1）中的阶跃输出 0/+5V 作为系统的信号输入（Ui）（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 模块号跨接座号1A1当反馈电容 C=1uf 时当反馈电容 C=2uf 时S4，S8，S10S4,S8,S10,S
6、112A6S2，S6（b）测孔联线（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端 CH1 接到 A6 单元信号输出端 OUT（Uo） 。注：CH1 选X1档。时间量程选x4档。（4）运行、观察、记录：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0+5V 阶跃） ，用示波器观测 A6 输出端（Uo）的实际响应曲线 Uo（t） ，且将结果记下。改变时间常数（改变运算模拟单元 A1 的反馈反馈电容 C） ，重新观测结果。3)观察积分环节的阶跃响应曲线观察积分环节的阶跃响应曲线典型积分环节模拟电路参考表 1-1。该环节在 A1 单元中分别选取反馈电容 C=1uf、2uf 来改变1信号输入（Ui）B1（0/+5
7、V） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A6（H1）1信号输入（Ui）B1（0/+5V） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A6（H1）时间常数。实验步骤：实验步骤：（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT） ，代替信号发生器（B1）中的阶跃输出 0/+5V 作为系统的信号输入（Ui）：a将函数发生器（B5）中的插针S ST用短路套短接用短路套短接。b将 S1 拨动开关置于最上档（阶跃信号） 。c信号周期由拨动开关 S2 和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节，以信号幅值小，信号周期较长比较适宜（周期在 0.5S 左右，幅度在 2.5V 左右） 。
8、（2）安置短路套、联线，构造模拟电路： （a）安置短路套 模块号跨接座号1A1当反馈电容 C=1uf 时当反馈电容 C=2uf 时S4，S10S4，S10，S112A6S2，S6（b）测孔联线（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端 CH1 接到 A6 单元信号输出端 OUT（Uo） 。（4）运行、观察、记录：用示波器观测 A6 输出端（Uo）的实际响应曲线 Uo（t） ，且将结果记下。改变时间常数（改变运算模拟单元 A1 的反馈反馈电容 C） ，重新观测结果。4)观察比例积分环节的阶跃响应曲线观察比例积分环节的阶跃响应曲线典型比例积分环节模拟电路参考表 1-1.。该环节在 A5 单元中分
9、别选取反馈电容 C=1uf、2uf来改变时间常数。实验步骤：实验步骤：（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT） ，代替信号发生器（B1）中的阶跃输出 0/+5V 作为系统的信号输入（Ui）：a将函数发生器（B5）中的插针S ST用短路套短接用短路套短接。b将 S1 拨动开关置于最上档（阶跃信号） 。c信号周期由拨动开关 S2 和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节，以信号幅值小，信号周期较长比较适宜（正输出宽度在 0.5S 左右，幅度在 1V 左右） 。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 1信号输入（Ui）B5（OUT） A1（H
10、1）2运放级联A1（OUT）A6（H1）模块号跨接座号1A5当反馈电容 C=1uf 时当反馈电容 C=2uf 时S4，S8S4，S92A6S2，S6（b）测孔联线（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端 CH1 接到 A6 单元信号输出端OUT（Uo） 。（4）运行、观察、记录：用示波器观测 A6 输出端（Uo）的实际响应曲线 U0（t） ，且将结果记下。改变时间常数（改变运算模拟单元 A5 的反馈反馈电容 C） ，重新观测结果。5)观察比例微分环节的阶跃响应曲线观察比例微分环节的阶跃响应曲线典型比例微分环节模拟电路参考表 1-1。该环节在 A2 单元中分别选取反馈电阻 R1=10K、20
11、K来改变比例参数。实验步骤：实验步骤：（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT） ，代替信号发生器（B1）中的阶跃输出 0/+5V 作为系统的信号输入（Ui）：a将函数发生器（B5）中的插针S ST用短路套短接用短路套短接。b将 S1 拨动开关置于最上档（阶跃信号） 。c信号周期由拨动开关 S2 和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节，以信号幅值小，信号周期较长比较适宜（正输出宽度在 70ms 左右，幅度在 400mv 左右） 。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路： （a）安置短路套 模块号跨接座号1A2当反馈电阻 R1=10K 时当反馈电阻 R1=
12、20K 时S1，S7，S9S1，S8，S92A6S2，S6（b）测孔联线（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端 CH1 接到 A6 单元信号输出端 OUT（Uo） 。（4）运行、观察、记录：用示波器观测 A6 输出端（Uo）的实际响应曲线 Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数（改1信号输入（Ui）B5（OUT） A5（H1）2运放级联A5（OUT）A6（H1）1信号输入（Ui）B5（OUT） A2（H1）2运放级联A2（OUT）A6（H1）变运算模拟单元 A1 的反馈电阻 R1） ，重新观测结果.。6)观察观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线（比例积分微分）环节的响应曲线PID（比
13、例积分微分）环节模拟电路参考表 1-1。该环节在 A2 单元中分别选取反馈电阻R1=10K、20K 来改变比例参数。实验步骤：实验步骤：（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT） ，代替信号发生器（B1）中的阶跃输出 0/+5V 作为 PID 环节的信号输入（Ui）：a将函数发生器（B5）中的插针S ST用短路套短接用短路套短接。b将 S1 拨动开关置于最上档（阶跃信号） 。c信号周期由拨动开关 S2 和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节，以信号幅值小，信号周期较长比较适宜（正输出宽度在 70ms 左右，幅度在 400mv 左右） 。（2）安置短路套
14、、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 模块号跨接座号1A2当反馈电阻 R1=10K 时当反馈电阻 R1=20K 时S1，S7S1，S82A6S2，S6（b）测孔联线（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端 CH1 接到 A6 单元信号输出端 OUT（Uo） 。（4）运行、观察、记录：用示波器观测 A6 输出端（Uo）的实际响应曲线 Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数（改变运算模拟单元 A2 的反馈电阻 R1） ，重新观测结果。六、实验报告主要内容及要求六、实验报告主要内容及要求分析各典型环节的方块图和模拟电路图的对应关系(1) 根据各典型环节的方块图写出传递函数,作出各典型环节的理论
15、阶跃响应曲线。(2) 抓取从各典型环节模拟电路图中观测到的实际阶跃响应曲线。(3) 将上述要求以表格形式表达。1信号输入（Ui）B5（OUT） A2（H1）2运放级联A2（OUT）A6（H1）实验二实验二 二阶系统瞬态响应和稳定性分析二阶系统瞬态响应和稳定性分析一、一、实验目的：实验目的：1. 掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法，型二阶闭环系统的传递函数标准式。2. 研究二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频率n, 阻尼比 对过渡过程的影响。3. 掌握欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标 Mp、tp、ts 的计算。二、实验的主要内容：二、实验的主要内容：根据图 2-1 所示的典型二阶系统的原理方框图，构建如图 22 所示的模拟电路，在此基础上观察和分析典型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，欠阻尼二阶闭环系统中的结构参数-自然频率（无阻尼振荡频率）n, 阻尼比 对瞬态响应的影响。图 2-1 典型二阶系统原理方块图图 2-2 典型二阶闭环系统模拟电路三、实验设备及工具三、实验设备及工具：AEDK LabACT 自控/计控原理教学实验系统、PC 机、万用表，连接线及工具若干；四实验原理四实验原理图 2-1 所示型二阶系统的开环传递函数为： ) 1()(TSTiSKSG型二阶系统的闭环传递函数
