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1、自动控制原理实验指导书刘利贤韩兵欣编著石家庄铁道学院电气工程分院目录实验一、典型线性环节的模拟1实验二、二阶系统的阶跃响应5实验三、根轨迹实验7实验四、频率特性实验10实验五、控制系统设计与校正实验15实验六、控制系统设计与校正计算机仿真实验17实验七、采样控制系统实验19实验八、典型非线性环节模拟21实验九、非线性控制系统分析24实验十、非线性系统的相平面法26实验一、典型线性环节的模拟、实验目的：1、学习典型线性环节的模拟方法。2、研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。、实验内容：1、比例环节：R(s)r(
2、t)上Rfop1模拟电路c(t)0方块图图中：Kp=空Ri分别求取Ri=1M，Rf=510K，（Kp=0.5）；Ri=1M，Rf=1M，（Kp=1）；Ri=510K，Rf=1M，（Kp=2）；时的阶跃响应曲线。2、积分环节：CfR(s)1C(s)TiSRir(t)F坐）方块图JT+RpT模拟电路图中：Ti=RCf分别求取Ri=1M，Cf=Vi,(Ti=1s);Ri=1M，Cf=4.7*(Ti=4.7s););Ri=1M,Cf=10i,（Ti=10.0s）;时的阶跃响应曲线。3、比例积分环节：CfR(s)K(1吕)C(s)r(t)Rir-RfOp3c(t)Rp方块图模拟电路图中：Kp=岂；Ti=
3、RfCfRi分别求取Ri=Rf=1M，Cf=4.7I，（Kp=1，Ti=4.7s）;Ri=Rf=1M，Cf=1OI，（Kp=1，Ti=10s）；Ri=2M，Rf=1M，Cf=4.7.!_，（Kp=0.5，Ti=4.7s）；时的阶跃响应曲线。4、比例微分环节：R(s)Tds+1KdC(s)KpTfs十1jR2r(t)o-r-l-工Cc(t)+QRfR1RpOp3T模拟电路图中：KpJfJ；TdR2:C；Tf=R2CRiRt+Rf方块图分别求取Ri=Rf=R1=R2=1M,c=2I,(Kp=2,Td=3.0s);Ri=2M,Rf=R1=R2=1M,Cf=2l,(Kp=1,Td=3.0s);Ri=2
4、M,Rf=R1=R2=1M,Cf=4.7-l,(Kp=1,Td=7.05s);时的阶跃响应曲线。5、比例积分微分环节：R(s)11+TdSKpTsC(s)i11+TfS方块图RfR,R_,-.-R2C+-；=(Rf+Ri)Cf+(R什R2)C;RiRiCf(R-R-+R-Rf+R-Rf)CfC；T=RCR-RfCfR-R-C；f=-图中：KpTd求取R=4M,Rf=R-=R-=1M,C=Cf=4.7l,(Kp=1,Ti=18.8s,Td=3.525s)时的阶跃响应曲线。6、一阶惯性环节：RfR(s)-kC(s)Ts+1Rpop1模拟电路方块图图中：K送；T=RfCf分别求取Ri=Rf=1M，C
5、f=rI,（K=1，T=1s）；Ri=Rf=1M，Cf=4.7I，（K=1，T=4.7s）；Ri=510K，Rf=1M，Cf=4.7（K=2，T=4.7s）；时的阶跃响应曲线。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、对给定的电路结构和参数计算阶跃响应；2、将实验结果与计算结果对照，对实验的满意度进行分析；3、根据电路参数分析计算系统响应，与实验数据对照分析测试误差原因；4、提高精度的方法和措施（或建议）；5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足e1+e2+e3=e运算关系的实用加法器；2、一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件可视为比例环节？3、如何设置必要的约束条件，
6、使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化？实验二、二阶系统的阶跃响应、实验目的：1、学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。2、研究二阶系统的两个重要参数、n对阶跃瞬态响应指标的影响。、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。、实验内容：典型二阶系统方块图C(s)典型二阶系统方块图其闭环传递函数G(s)3n2R(S)S+2屜nS+孙-.n无阻尼自然频率；一一阻尼比；T=时间常数n模拟电路RC(rad/s);运算放大器的运算功能:(op1)-积分I丄,T=RCITs丿;(op2)-积分丨_丄,T=RC1；1Ts)(op9)反相(-1)；(op6)/-
7、反相比例_K,K：R1 RRfxR1、调整Rf=40K，使K=0.4(=0.2);取R=1M,C=0.47比使T=0.47秒(伽=1心47),加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V，记录响应曲线c(t)，记作。2、保持=0.2不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，取R=1M，C=1.47使T=1.47秒(伽=1/1.47)，加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V，记录响应曲线c(t)，记作。3、保持=0.2不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，取R=1M,C=1.0J使T=1.0秒(m=1/1.0)，加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V，记录响应曲线c(t)，记作。4、保持5=1/1.0不变，
8、阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，调整Rf=80K,使K=0.8秒(=0.4),记录响应曲线c(t)，记作。5、保持n=1/1.0不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，调整Rf=200K，使K=2.0秒(=1.0)，记录响应曲线c(t)，记作。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、根据电路的结构和参数计算阶跃响应；2、将实验结果与计算结果对照，对实验的满意度进行分析；3、根据电路参数分析计算系统响应，与实验数据对照分析测试误差原因；4、提高精度的方法和措施(或建议)；5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足e计ez+e3=e运算关系的实用加法器；2、一阶惯性环节在什么条件下可视
9、为积分环节；在什么条件可视为比例环节？3、如何设置必要的约束条件，使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化？实验三、根轨迹实验、实验目的：1、掌握根轨迹的意义；2、掌握控制系统根轨迹的绘制方法。、实验设备：1、计算机；2、数据采集卡；3、MATLAB软件。、实验内容：1、预备知识一一MATLAB绘制根轨迹命令；建立数学模型参数矩阵：numerator=bo,bi,b2,b；denominator=ao,ai,a2,a|；zeropoint=zi,Z2,z；poles=pi,p2,p；k=k；系统传递函数：system=tf(numerator,denominator)=zpk(z
10、,p,k)；绘制开环系统的零极点图：z,p=pzmap(system)=pzmap(numerator,denominator)=pzmap(p,z)；绘制闭环根轨迹命令：r,k=rlocus(system)=rlocus(numerator,denominator)=rlocus(numerator,denominator,k)；确定给定一组根的根轨迹增益命令：k,poles=rlocfind(system)=rlocfind(system,p)=rlocfind(numerator,denominator)；2、根据实际物理系统建立数学模型；设数学模型为G(s)s22nS3、改变系统参数绘
11、制系统根轨迹;输入系统参数：w=n=1；b=0.5;建立数学模型：numerator=$denominator=1,2*，n,1；G=tf(numerator,denominator)；则1G(s)=24s+s+14、绘制系统根轨迹，输入命令：rlocus(G)5、微分二阶系统的根轨迹输入系统参数：w=n=2；b=0.5；建立数学模型：number=2,1；den=4,5,6；G=tf(number,den)；G(s)=2s124s5s6输入命令：rlocus(G)，制系统根轨迹;6、针对作业题绘制根轨迹7、记录根轨迹图例：绘制单位反馈控制系统G(s)=2s124s5s6的根轨迹。输入命令：a
12、=2,1;b=4,5,6;g=tf(a,b);rlocus(g);则绘制出的根轨迹如下图所示。1.5ROGt：LOCUS-1.8-1.64.4-12/-0.8GJB-0.4-020ReelAxis5-1.5试绘制如下系统的根轨迹。*kGH(s)s(s+4)*k1、2、GH(s)GH(s)GH(s)s(s4)(s24s20)*ks2(s2)(s-5)*2k(s1)(s2)2四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、根据数学模型和根轨迹绘制规则分析计算概略根轨迹，与计算机绘制的根轨迹对照，分析误差原因；2、对实验结果的满意度进行分析；3、提高精度的方法和措施（或建议）；4、实验体会。六、实
13、验结果分析1、给定物理系统对象，即可建立数学模型；2、只要有系统数学模型，即可绘制系统根轨迹；3、根据系统根轨迹可分析系统的稳定性及系统性能指标。实验四、频率特性实验、实验目的：1、学习频率特性的实验方测定法；2、掌握根据频率响应实验结果绘制bode图方法；3、根据实验结果所绘制的Bode图，分析系统的主要动态特性（Mp,tj。、实验设备：1、XMN-2型自动控制原理实验箱；2、LZ3系列函数记录仪；3、DX5型超低频信号发生器；4、万用表。、实验内容：典型二阶系统方块图典型二阶系统方块图其闭环传递函数2“(S)/(S)=2n2R(S)S+20nS+n-，n无阻尼自然频率；阻尼比；T=时间常数
14、灼n闭环频率特性Yj)1(2JJ?nJn1-121+J2t3令n丿0n丿1其中：n（rad/s）(op1)积分i-丄,T=RCITs)(op2)-积分.-一,T=RC;1Ts丿(op9)反相(-1)；R(op6)反相比例-K,K-R11上.1冬22Ri模拟电路图c(t)(rad/s);TRC1、选定R、C、Rf值，使琳=1;鼻0.2;2、使用XD5型超低频信号发生器产生正弦波输入信号r(t)=Sint稳态时其响应c(t)=Ysin(1+)；3、改变输入信号频率，使=0.2,0.4,0.6,0.8,0.9,1.0，1.2，1.4,1.6，2.0，3.0rad/s；用函数记录仪测量输入r(t)和输出c(t)。记录曲线序号依次记作，(11)记录曲线序号
