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1、1实验一实验一 典型环节的电路模拟典型环节的电路模拟一、实验目的一、实验目的1通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。 2学习典型环节的电模方法，以及参数测试方法。 3通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟研究方法。二、实验设备二、实验设备1ACCT-型 自动控制理论实验箱 一台 2方正电脑 一套 3螺丝刀 一把三、实验原理及线路三、实验原理及线路1积分(I)环节积分环节的传递函数为：0( )1 ( )iUs U sTS模拟电路图图 1 积分环节模拟电路图其方块图和阶跃响应，分别如图 2 和图 3 所示，于是，实验参数取0TR CR0100k，C1uF。图 3 阶跃
2、响应图图 2 方块图22惯性环节惯性环节的传递函数为：0 1iUK UTS模拟电路图 4 惯性环节模拟电路图其方块图和阶跃响应，分别如图 5 和图 6 所示，其中，实验参数取10RKR1TRCR0100k，R1100k，C1 uF。 四、四、实验内容及步骤实验内容及步骤1熟悉实验设备，设计积分、惯性、比例积分环节的模拟电路。 2选定一组参数，按图示的模拟电路在 ACCT-型自动控制理论实验箱上接线。 3观察环节的阶跃响应；描下响应曲线并记录有关数据。 4另选一组参数，重复步骤 2、3 5在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软 件仿真研究，并与电路模拟
3、研究的结果作比较。 五、预习内容五、预习内容 1 了解 ACT-型自动控制理论实验箱的使用方法。 2 求出各典型环节在给定参数下的阶跃响应曲线，做书面报告。 3 拟定输出瞬时值的测量方法以及时间常数的测量方法。图 6 阶跃响应图图 5 方块图34 利用传递函数研究系统应满足什么条件？ 5实验时环节的输出与理想的情况会有什么差别？ 六、实验报告要求六、实验报告要求 1 实验中存在问题及其讨论或建议。 2 拟定二阶系统参数（、n）对瞬态性能影响的模拟研究方法。 （包括拟定实验线路及方法、 步骤等） 附：实验记录表格 积分环节积分环节惯性环节惯性环节 环节 项目1 uF10 uF1 uF10 uF
4、计算值时间 常数测量值飞升曲线4实验二实验二 二阶系统动态性能和稳定性分析二阶系统动态性能和稳定性分析一、实验目的一、实验目的1学习和掌握时域性能指标的测试方法。 2研究二阶系统参数（、n）对系统动态性能和稳定性的影响。二、实验设备二、实验设备1ACCT-型自动控制理论实验箱 一台 2方正电脑 一套 3螺丝刀 一把三、实验原理及线路三、实验原理及线路线性二阶系统的方块结构图如图 1 所示：其开环传递函数为，1( )(1)KG SS TS10KKT其闭环传递函数标准型为,取如下二阶系统的模拟电路，图 2 中参数关系222( )2nnnW sSS 图 2 二阶系统模拟电路图 1 方块图5，R0=1
5、00K。改变图 2 系统元件参数 R1 和电容 C 大小，即可改变系统的0102,1 RR CRn、n，由此来研究不同参数特征下的时域响应。图 3a、图 3b、图 3c 分别对应二阶系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼三种情况下的阶跃响应曲线：四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤1按图 2 电路图接线 2按下列表格分别进行参数选择及测量阶跃响应指标。T=0.1s (R0=100K,C=1 1 uF)T=0.2s (R0=100K,C=2 2 uF)测试项目 时间常数 阻尼比 理论值测量值理论值测量值0（AB 断开，即开断内环）nn0.5 (R1=100K)(R1=100K)Mp%,tr,tpMp%,
6、tr,tp1 (R1=200K)(R1=200K)Mp%,trMp%,tr图 3a图 3c图 3b61.65(R1=330K)R1=330K)Mp%,trMp%,tr 3 描下各种情况下的阶跃响应波形。五、预习要求五、预习要求1求出各种参数下系统的阶跃响应曲线及其动态品质指标。 2拟定测量系统动态品质指标的方法。 3如何保证系统为负反馈系统？（注意各运算放大器均使用反相输入端）若将负反馈改为正反 馈或开断反馈回路，将是什么结果？ 4如果运算放大器饱和，对实验结果会产生什么影响？如何保证和检查各运算放大器均工作在线 性范围内？ 5深入研究二阶系统有何意义？六、实验报告要求六、实验报告要求1 测量
7、数据及曲线整理并与理论值比较。举例说明。 2 定量分析参数 ，n 对阶跃响应性能指标的影响。 3 能否用其它线路来模拟？怎么模拟？ 4 体会及建议。 5 回答预习要求中的问题。7实验三实验三 控制系统根轨迹分析控制系统根轨迹分析一、实验目的一、实验目的1通过根轨迹的分析，加深对根轨迹法的理解，进一步熟悉根轨迹法的应用。 2进一步认识零点，极点对控制系统性能的影响。 3探讨高阶系统近似分析的可能性。二、实验设备二、实验设备1ACT-型 自动控制理论实验箱 一台 2方正电脑 一套 3螺丝刀 一把三、实验内容三、实验内容1给定系统开环传递函数 ,作出它的根轨迹图，并完成如下要求)2)(1(1)(ss
8、ssG（1）准确记录根轨迹的起点、终点与根轨迹的条数； （2）确定根轨迹的分离点与相应的根轨迹增益； （3）确定临界稳定时的根轨迹增益。2开环传递函数 )3)(2()()(sssassG（1）在同一图中分别画出 a=3,2,1 时的根轨迹图，并确定根轨迹的分离点与相应的根轨迹增益； （2）当 a=4 时，求出分离点下的 kg值，分析能否近似为二阶系统。3开环传递函数 ) 1)(11 . 0(1 . 0)(1 TsssKsG当 T=0.1 作出它的根轨迹图，确定临界稳定时的根轨迹增益及分离点和分离点所对应的根轨迹增益。4控制系统开环传递函数 ，画根轨迹图并求当 K=50 系统的主导极点，)10)
9、(5)(1()(ssssKsG验证判别主导极点条件，并分析能否近似为二阶系统。四、实验预习要求四、实验预习要求1 预习附录内容，记牢本实验所要用到的命令； 2 手画有关根轨迹图，并求出有关数值； 3 详细列出实验步骤 4 什么是闭环系统的主导极点？五、实验报告要求五、实验报告要求1 记录给定系统的根轨迹图，并标出特殊点。 2.完成上述各题要求，分析闭环极点在 s 平面上的位置与系统动态性能的关系。8实验四实验四 控制系统的频率特性测量控制系统的频率特性测量一、实验目的一、实验目的1学习和掌握测量典型环节、系统频率特性曲线的方法和技能。 2学习根据实验所得频率特性曲线求取传递函数的方法。二、实验
10、设备二、实验设备1ACT-III 型 自动控制理论实验箱 一台 2方正电脑 一套 3螺丝刀 一把三、实验原理及线路三、实验原理及线路1一阶惯性环节传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线：对于的一阶惯性环节，其幅相频率特性曲线是一个半圆，见图 4.1。( )1KG STS取代入，得Sj()()( )1jKG jrej T 在实验所得特性曲线上，从半圆的直径，可得到环节的放大倍数 K，K。在特性曲线(0)r(0)r上取一点，可以确定环节的时间常数 T，。k()kktgT 一阶惯性环节传递函数为，其中参数为 R0=200，R1200，C1uF，其1( )0.21G SSKK图 4.19模拟电路设
11、计如图 6.2图 4.2 2典型二阶系统开环传递函数参数、电路设计及其幅相频率特性曲线： 两个惯性环节组成的二阶系统，其开环传递函数为22 12( )(1)(1)21KKG sTsT sT sTs(1)令上式中 ，可以得到对应的频率特性sj() 22()( )21jKG jreTjT 二阶系统开环传递函数的幅相频率特性曲线，如图 6.3 所示。根据上述幅相频率特性表达式，有（41）(0)Kr图 4.310其中 2(0)()121kk krr Ttg 2211 2kkT tgT 故有 （42）2 212kkkTTtg （43）2(0)21() 1kk krT rtg 如已测得二阶环节的幅相频率特
12、性，则、 和均可从实验曲线得到，于是可按(0)rkk()kr式（41） 、 （42）和（43）计算K、T、，并可根据计算所得T、 求取T1和T22 1(1)TT2 2(1)TT实验用典型二阶系统开环传递函数为:2( )( )11 (0.21)(0.11)0.020.31G s H sssss其电路设计参阅图 6.4。3对数幅频特性和对数相频特性 上述幅相频率特性也可表达为对数幅频特性和对数相频特性，图 6.5 和图 6.6 分别给出上述一阶 惯性环节和二阶环节的对数幅频特性和对数相频特性：四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤1设计一阶惯性环节模拟电路，并绘出波特图和乃奎斯特图，任取三个频率点，
13、1( )0.21G SS 求出其所对应的幅频值、相频值。2用 MATLAB 软件仿真一阶惯性环节频率特性，取与硬件对应的三个频率点，所1( )0.21G SS图 4.411任取三个频率点测的幅频值、相频值与硬件实验所得结果比较。3用 MATLAB 软件仿真典型二阶系统开环频率2( )( )11 (0.21)(0.11)0.020.31G s H sssss特性曲线，在图上任取三个频率点，测其幅频值、相频值。4在 MATLABL 软件中，绘制开环系统和的奈氏曲) 1(1)(sssG)10)(5)(1(50)(sssssG线和 Bode 图，求其 c,g,kg；并任取其中一系统画出“0”型、 “”型、 “”型系统的奈氏 曲线和 Bode 图并比较说明。12实验五实验五 控制系统串联校正控制系统串联校正一、实验目的一、实验目的1熟悉串联校正装置对线性系统稳定性和动态特性的影响。 2掌握串联校正装置的设计方法和参数调试技术。 3比较不同校正装置对系统的动、静态性能的影响。二、实验设备二、实验设备1ACCT-型 自动控制理论实验箱 一台 2方正电脑 一套 3万用表 一个三、实验原理及线路三、实验原理及线路1设有二阶系统开环传递函数为： ( )525 0.2 (0.5
