湖南工学院自动控制原理实验指导书

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1、自动控制原理实验指导书实验指导书湖南工学院电气与信息工程系1目录目录实验一 典型环节的模拟研究 2实验二 典型系统瞬态响应和稳定性6实验三 控制系统的频率特性 10实验四 线性连续系统校正 13实验五 采样系统分析 16实验六 采样控制系统的校正 20附: 实验系统介绍 2实验一实验一 典型环节模拟研究典型环节模拟研究本实验为验证性实验。 一、实验目的一、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影响。 2、熟悉各种典型环节的阶跃响应。 3、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。 二、实验设备二、实验设备 PC 机一台，TDN-AC

2、系列教学实验系统。三实验原理及电路三实验原理及电路 下面列出了各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。1、各环节的方块图及传递函数、各环节的方块图及传递函数典型环节名称方块图传递函数比例（ P）Ui(s) Uo(s)积分（ I）比例积分（ PI）Uo(s)Ui(s)KK1 TSUo(s)Ui (s)TSUi(s)Uo(s)11 TSUo(s)Ui(s)KKUi(s)Uo(s)TS13比例微分（ PD）K(1+TS)惯性环节（ T）比例积分微分 （PID）2 2、各典型环节的模拟电路图及输出响应、各典型环节的模拟电路图及输出响应各典型 环节名 称模拟电路图输出响应比

3、例 （P）U0(t)=K (t0) 其中 K=R1/R0积分 （I）U0(t)=(t0)tT1其中 T=R0CUi(s)TS+1KUi(s)Uo(s)K TS+1 Uo(s)Ui(s)Uo(s)KPTiS1Ui(s)Uo(s) TdS4比例积 分 （PI）U0(t)= (t0)tTK1其中 K=R1/R0，T=R0C比例微 分 （PD）U0(t)=KT(t)+K 其中 (t)为单位脉冲函数021 RRRK2121 RRRRT惯性环 节 （T）U0(t)=K(1-e-t/T) 其中 K=R1/R0，T=R1C比例积 分微分 （PID）tTKtTtUipdO1)()(其中 (t)为单位脉冲函数Kp

4、=R1/R0 ;Ti=R0C1 Td=R1R2C2/R0四、实验内容及步骤四、实验内容及步骤 1 1、观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。、观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。 （1）实验接线 准备：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 阶跃信号的产生； 电路可采用图 1-1 所示电路，它由“单脉冲单元” （U13 SP）及“电位器单元” （U14 P）组 成。5具体线路形成：在 U13 SP 单元中，将 H1 与+

5、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”短接，最后由插 座的 Y 端输出信号。 以后实现再用到阶跃信号时，方法同上，不再累赘。（2）实验操作 .按 2 中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例） 。 （PID 先不接） .将模拟电路输入端（Ui）与阶跃信号的输出端 Y 相联接；模拟电路的输出端（U0） 接至示波器。 .按下按钮（或松平按扭）H 时 ，用示波器观测输出端 U0(t)的实际响应曲线，且将 结果记下。改变比例参数，重新观测结果。 .同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的

6、实际响应曲线，它们的理想曲线 和实际响应曲线见表 1-1。 2 2、观察、观察 PIDPID 环节的响应曲线。环节的响应曲线。 .此时 Ui采用 U1 SG 单元的周期性方波信号（U1单元的 ST 的插针改为与 S 插针用 “短路块”短接，S11波段开关置于“阶跃信号”档， “OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压， 信号周期由波段开关 S12与电位器 W12调节，信号幅值由电位器 W11调节。以信号幅值小、信号 周期较长比较适宜） 。 .参照 2 中的 PID 模拟电路图，将 PID 环节搭接好。 .将中产生的周期性方波加到 PID 环节的输入端（Ui） ，用示波器观测 PID 的输出端 （U

7、0） ，改变电路参数，重新观察并记录。6实验二实验二 典型系统瞬态响应和稳定性典型系统瞬态响应和稳定性本实验为验证性实验。 一、实验目的一、实验目的 1、熟悉有关二阶系统的特性和模拟仿真方法。 2、研究二阶系统的两个重要参数阻尼比 和无阻尼自然频率 n对过渡过程的影响。 3、研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 4、熟悉劳斯判据，用劳斯判据对三阶系统进行稳定性分析。 二、实验设备二、实验设备 PC 机一台，TDN-AC 系列教学实验系统。三实验原理及电路三实验原理及电路 1 1、典型二阶系统、典型二阶系统 典型二阶系统的方块图及传递函数 图 2-1 是典型二阶系统原理方块图，其

8、中 T0=1s，T1=0.1s，K1 分别为 10、5、2、1。开环函数：) 11 . 0() 1()(1SSK STSKSG开环增益：K=K1/T0=K1闭环函数：2222)(nnn SSS其中，011 TTKn110 21 TKT模拟电路图：见图 2-27图 2-2) 11 . 0(100 ) 1()(11 SSR STSKSG2典型三阶系统典型三阶系统 典型三阶系统的方块图：见图 2-3图 2-3开环传递函数为：) 1)(1()()(21STSTSKSHSG其中，K=K1K2/T0(开环增益) 模拟电路图：见图 2-4图 2-48开环传递函数为： （其中 K=500/R）) 15 . 0

9、)(11 . 0()()(SSSKSHSG系统的特征方程为 1+G(S)H(S)=0 即 S3+12S2+20S+20K=0 由 Routh 判据得： 041.7K 系统稳定K=12，即 R=41.7 K 系统临界稳定K12，即 R20ms 时，没有输出波形，即系统采样失真，从而验证了香农定理。 3.3.采样系统的稳定性及瞬态响应实验步骤采样系统的稳定性及瞬态响应实验步骤 按图 5-5 接线。检查无误后开启设备电源. 取 T=5ms 加阶跃信号 r（t） ，观察并记录系统的输出波形 C（t） ，测量超调量 %。 将信号源单元的开关 S12置于 2-600ms 档，调节电位器 W11使采样周期

10、T=30ms，系统加入 阶跃信号，观察并纪录系统输出波形，测出超调量 %。 调节电位器 W11使采样周期 T=150ms，观察并记录系统的输出波形。 将实验结果填入表 5-1： 表 5-1采样周期 T（ms）%稳定性响应曲线53015020实验六实验六 采样控制系统的校正采样控制系统的校正本实验为设计性实验 一、实验目的一、实验目的 掌握采样控制系统的校正方法。 二、实验设备二、实验设备 PC 机一台，TDN-AC 系列教学实验系统。 三实验原理及电路三实验原理及电路根据性能指标设计串联校正装置，验证校正后的系统是否满足期望性能指标。1、校正前闭环采样系统设计、校正前闭环采样系统设计设待校正的

11、采样系统方框图为：图 6-1 校正前闭环采样系统采样系统对应的模拟电路如下：图 6-2 校正前系统的模拟电路212 2、系统期望的性能指标、系统期望的性能指标（1）静态误差系数：3)() 1(lim11 ZGHZTK zv（2）超调量：0020pM校正前系统的静态误差系数满足期望值，但是该系统不稳定。 3 3、串联校正装置设计（设计步骤略）、串联校正装置设计（设计步骤略）采用断续校正网络：151676. 0)(SSSGc校正网络采用有源校正装置，如图 6-3 所示。图 6-3 校正装置 校正装置的传递函数为：15168. 01)(1)(21102 SS CSRRCSR RRSGc图 6-4 是

12、校正后采样系统的方块图。 图 6-5 是校正后采样系统的模拟电路。图 6-4 校正后采样系统22图 6-5 校正后系统的模拟电路 四、实验步骤四、实验步骤 1、准备：将信号源单元的“ST”的插针和“+5” 插针用“短路块”短接。 2、阶跃信号的产生：详见实验一。 3、观测未校正系统的阶跃响应（1）按图 6-2 接线，检查无误后开启设备电源。（2）将阶跃信号加至信号输入端 r(t)，按动阶跃按钮，用示波器测量对 象输出端的波形，可以看出，原采样系统出现等幅震荡，系统不稳定。4、观测校正后系统的阶跃响应，测量超调量pM（1）按图 6-5 接线，检查无误后开启设备电源。（2）将阶跃信号加至信号输入端

13、 r(t)，按动阶跃按钮，用示波器测量对 象输出端的波形，可以看出，加入校正网络后，采样系统的阶跃响应变23为衰减振荡，通过示波器，可测得，满足期望值，而且系统能进入0010pM稳态。24附附: 实验系统介绍实验系统介绍一一.系统硬件构成系统硬件构成1.信号源发生单元电路（产生典型输入信号） U1:信号源单元(产生重复的阶跃、斜坡、抛物波)。其信号输出端为 OUT。 U13、U14：阶跃信号单元。其信号输出端为 U14 单元的 Y 端。 U10：DAC 单元，其 OUT 端输出正弦信号。 U15：正弦波信号发生单元。其信号输出端为 SIN。 2运算模拟电路单元（搭建系统电路） U3U8：普通运算单元。只能组成比例、积分、惯性等环节。 U20：相加、反相运算单元。 U21：特殊功能单元。与 U3U8 相结合可组成 PD、PI、PID 运算。 U22：可变电阻单元。 3信号测量单元 U19：示波器单元。由 U19 单元上的开关可调节衰减倍数。二系统集成操作软件二系统集成操作软件1进入 点击桌面：ACS-2002 进入主界面。 2点击主界面示波器按钮。