《工程控制基础》课程基础实验指导书电子科技大学目录实验一 典型环节动态特性分析 3实验二 二阶系统阶跃响应分析 7实验三 系统频率特性分析 10实验四 控制系统校正 14实验一典型环节动态特性分析一、实验目的本实验的目的是运用电子模拟线路构成比例、 惯性、积分等典型环节，并研究这些环节及电路的动态特性即：1、 掌握运用运算放大器构成各种典型环节的方法，观察比例、惯性、积分 环节的阶跃响应，并分析其动态性能2、 了解参数变化对典型环节动态特性的影响实验原理1、比例环节比例环节也称为放大环节，其方框图如图 1-1(a)所示传递函数为：G(S) = U耆 K比例环节模拟线路如图1-1(b)所示这种线路也称作比例或 P调节器其Ur(s)KUc(s)*方框图Rd比例环节的电模拟(a)-100 0(a)输入波形( b)图1-1比例环节的模拟图UCj .t . t(b) 输出波形图1-2 比例环节波形图改变R1的值(Ur 一定)，观察其阶跃响应曲线若按图(b)接线，设Ur为-5V, 则图(b)的输入Ur和输出Uc实验波形如图1-2所示2、一阶惯性环节一阶惯性环节的方框图如图1-3(a)所示传递函数为:G(S)=卩化亠Ur(S) TS+1一阶惯性环节含有弹性或容性储能元件和阻性耗能元件，其输出落后于输 入，与比例环节相比，此环节具有“惯性”，在阶跃输入时，输出不能立即(需 经历一段时间)接近所要求的阶跃输出值，因此其输出不可能显现线形，而是一 指数函数图象。
惯性大小由时间常数 T衡量一阶惯性环节模拟线路图如图1-3 (b)所示这种线路也称作惯性或T调节器其 中：K = T = RCRo(b)—阶惯性环节模拟线路图Ur(s)bKUc(s) 、Ts +1KTs 1分别改变Ri、C的值(上一定)，观察其阶跃响应曲线⑻方框图图1-3Ur-5(a)输入波形t一阶惯性环节的模拟图图1-4Ur和输出Uc实验波形如图1-4(b)输出波形 一阶惯性环节波形图 若按图(b)接线，设Ur为-5V,则图(b)的输入 所示3、积分环节积分环节的方框图如图1-5(a)所示 传递函数为：G(S)=鴿=积分环节模拟线路如图1-5(b)所示这种线路也称作积分或I调节器其中K =-R0C1若按图(b)接线，设Ur为-5V,则图(b)的输入Ur和输出Uc实验波形如图1-6 所示改变C1的值(Ul一定)，观察其阶跃响应曲线Ur(S)StKUc(s) >s-(a)方框图Ci= 10 口积分环节模拟线路图图1—5积分环节的模拟图Ur-50输入波形(b)输出波形图1-6 积分环节波形图积分环节具有记忆功能在实验过程中，当断开输入信号 U,输出UC仍然保持每次实验结束，因为其电容储能元件达到饱和而没有放电， 因此其输出图象一直是饱和值，因此若要进行下一次实验，必须使用教学模拟机上的“清零” 开关给电容提供一个放电回路，将其放电到输出为零，然后再进行下一次实验。
三、 实验设备XJM-1型教学模拟机、示波器四、 方法与步骤1、 检查电源线、地线是否接好，注意将模拟装置、电源、示波器、信号源 的线连接好直流运算放大器输出严禁短路2、 将运算放大器接成比例状态，将波段开关拨到“调零”位置，开电源后 调零3、 调零后，关电源，按预先准备好的模拟线路连线4、 用模拟机上的电压表及外接示波器观察由给定装置给出的 U端电压信号 的大小5、 合上教学模拟机电源，加入阶跃信号，按实验内容进行实验五、 注意事项1、 直流稳压电源为模拟机提供-15V电压，调节时不得超过15V.2、 放大器输出端的连线不可乱插，也不允许悬空碰机壳每次改变实验线 路时应先关断模拟机电源，连线检查无误后方可接通电源3、 积分环节及做完后必须清零，否则无法进行下一步实验六、实验报告要求1、简述实验目的和原理2、按实验步骤整理出比例、惯性、积分等典型环节的特性，说明各环节的 特点3、画出各典型环节的阶跃响应线 Uc=f(t) ，并与理论值比较， 说明实际分析 结果与理论分析之间的差异七、思考题1、求出各典型环节在给定参数下的阶跃响应2、积分环节和惯性环节的主要区别是什么？在什么情况下惯性环节可视为 积分环节？3、一阶系统的时间常数如何从阶跃响应的输出波形中测出？实验二二阶系统阶跃响应分析一、 实验目的1、 研究二阶系统在给定阶跃输入作用下的输出响应，并分析其动态性能。
2、 学会示波器观察系统动态指标的方法，并分析系统的动态性能与系统本 身结构参数之间的关系二、 实验原理把两个一阶环节进行适当的闭环连接，就能构成二阶系统由比例环节和 惯性环节组成的二阶闭环系统方框图如图 2-1所示Ur(S)+—%Uc(S)图2-1二阶线性系统方框图 该系统的开环传递函数为G
图2-2 二阶系统的模拟线路图三、 实验设备XJM-1型教学模拟机、示波器四、 方法与步骤1、 按图2-2接好线路，输入阶跃信号，信号幅值为 5V2、 分别设置 =0> 0.3、0.5、0.7，观察并记录•值不同时系统的输出波形的变化情况和稳态误差，并在示波器 y轴坐标格上分别标出 =0.3和=• 0.5两种情况下的超调量 ％%用时标定时间，测出t3、将图2-2中的两个电阻依次改为10K,输入同样的阶跃信号，观察并记录系统的输出波形y(t)，4、改变时间常数，使T-T2,观察并记录系统的输出波形y(t)的变化情况在理想情况下，按图2-2接线的输出波形如图2-3所示UrjV-5 -输出波形(a)输入波形(b)图2-3理想二阶系统波形图如图2-2所示，若减小开环放大倍数到过阻尼状态，则输出波形相当于惯 性环节的输出波形；若增大放大倍数，其阻尼系数会相应减小，其输出波形的超 调量会增大，震荡次数增多，但上升时间会缩短五、 注意事项1、 直流稳压电源为模拟机提供 —15V电压，运算放大器输出严禁短路，调 节时输出不得超过15V2、 放大器输出端的连线不可乱插，也不允许悬空碰机壳每次改变实验线 路时应先关断模拟机电源，连线检查无误后方可接通电源。
六、 实验报告要求1、 简述实验目的和原理2、 画出二阶系统各组参数下得阶跃响应曲线3、 整理二阶系统实验所得数据，求出动态指标，并与理论值比较3、详细说明二阶系统阻尼比'对系统响应的影响七、思考题1、 二阶系统性能指标有哪些，各表示系统哪些方面的特性？2、 E对系统动态性能如何影响？拟定测量系统的动态指标的方法3、 积分时间常数T改变后，，超调量S %与过度过程时间ts如何变化?实验三系统频率特性分析、实验目的1、 掌握二阶系统开环时的对数频率特性、幅相频率特性2、 观察改变系统(环节)参数对频率特性的影响二、实验原理如图3-1所示为一开环二阶系统，测试此二阶系统在R分别为1150KQ、350K Q两种情况下的开环对数频率特性、幅相频率特性其参数如图示数字显示函数发生器相关器图3-1系统频率特性测试模拟图图中U=ASin® t , U=Rsin( 31+ 9 )在被测环节或系统的输入端施加一周期 正弦信号U(t)=Asin 31 ,等输入和输出稳定后，分别记录下来，如图3-2所示 图中3 =2 n f ;ur(t) = ASin 31 ,UC(t) = Rsin( 31+ 9 )式中 A =输入信号的幅值；R =输出信号的幅值；3――动态特性测试信号的角频率,9 输出相对于输入的相位滞后。
2、 改变正弦输入信号的频率(幅值恒值)，重复多次，即可获得被测对象的 频率特性，记录幅相频率特性和对数频率特性3、 BT6频率特性测试仪是用来测量自动控制系统、部件或元件等的频率特性，在频率域内分析对象动态特性的重要工具 它由函数发生器和相关器两大部分组成，简化方框图如图3-2中所示函数发生器主要产生正弦信号，它产生一 个正弦波作为被测对象的激励源，用相关器进行测量它以数字显示直角坐标(A+jB)、极坐标(R/ 9 )、对数极坐标(L0GR/9 )，由于仪器具有计算系统，实现 了自动坐标转换，可以根据需要画出对应的频率特性曲线三、 实验设备BT6频率特性测试仪、教学模拟机、示波器四、 方法与步骤BTg a b an HV理砸宰机的悦厂f一亠冇「一X10*@电$ 」土』吕L lOQwL? O&3DDV js——吋—«»9隐圈幫矽r n图3-3 BT6频率特性测试仪面板图1、自检1） 波形选择开关置于正弦，按下“启动”按钮调节下列旋钮：频率：1HZ输出电压：9V相关器输入置10V档输入选择：测量发生器输出积分周数：自动显示选择；A+jB2） 开启电源发生器有正弦输出一分钟后按测量按钮，显示清除到零后熄灭，计算指示灯亮，延迟一秒钟后，显示亮，计算指示灯灭， A显示9V。
细调输 出，按测量按钮，重复上述过程，使 A显示为9.6VB显示为0.00 ± 0.05，象 限指示1或43） 显示选择开关转换到 R/ B位置R显示为9.6（+0.05） ，B显示为0°0‘或 360°0‘ （± 20‘）4） 显示选择开关转换到 LOGR力位置LOGF显示为59.6（丰0.2dB）, B显 示为 0°。