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1、 自动控制原理实验指导书吴鹏松 编班级 学号 姓名 2012 年 3 月前 言前 言自动控制原理实验是自动化类学科的重要理论课程实验。本科自动控制原理分为经典控制理论和现代控制理论基础两部分，自动控制原理实验主要是针对经典控制理论的实验，采用的运算电路来进行的。现代控制理论实验由于模型比较复杂，采用MATLAB软件进行数字仿真实验。离散控制系统实验与计算机控制系统实验是有很大区别的，不能简单的认为在自动控制原理实验箱上就能进行计算机控制系统实验。自动控制原理实验预习时需要对电路图进行理论分析和综合，可以借助MATLAB软件进行辅助分析和综合。自动控制原理实验指导书不包括实验箱和实验软件的使用说
2、明，相关的内容参考实验软件LABACT软件中的帮助文件。由于作者水平有限，书中错误之处在所难免，恳请广大师生及读者提出宝贵意见及建议。 编 者目 录 目 录 实验一 典型环节的模拟研究 实验二 二阶系统特征参数对系统性能的影响 实验三 典型系统的动态特性与稳定性测试 实验四 开环增益与零极点对系统性能的影响 实验五 典型系统的频率特性测试 实验六 线性系统的串联校正 实验七 A/D与D/A 转换及零界阶保持器 实验八 离散控制系统动态性能和稳定性的混合仿真研究 实验九 非线性系统的相平面法分析 实验十 非线性系统的描述函数法分析 附录1 教学考核方法 附录2 实验课安排时间要求实验一 典型环节
3、的模拟研究 实验一 典型环节的模拟研究 一实验目的 1通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握自动控制综合实验台的使用方法。 2熟悉各种典型环节的的阶跃响应。 3研究参数变化对典型环节阶跃响应的影响。 4掌握ACES软件的使用方法。 二实验仪器 1自动控制综合实验箱 2计算机 3LABACT软件三实验内容 1观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路如图1-1所示，比例环节的传递函数为： 图1-1 典型比例环节模拟电路(1) 比例系数（放大倍数）选取： A当K=1、K=2、K=5时，分别观测阶跃响应曲线，并记录输入信号输出信号波形； B比例放大倍数 K=R2/R1； (2) 阶跃信号设置：阶跃
4、信号的幅值选择1伏（或5伏） (3) 连接虚拟示波器： A将输入阶跃信号用排题线与示波器通道CH1相连接； B将比例环节输出信号（实验电路A2的“OUT2”）与示波器通道CH2相连接。(4)输入阶跃信号（手动），通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。2观察积分环节的阶跃响应曲线典型积分环节模拟电路如图1-2所示，积分环节的传递函数为： 图1-2 典型积分环节模拟电路(1) 积分时间常数T选取： AT=1秒，T=0.2秒，T=0.1秒； BT=1秒=R1*C1=100K*10F， T=0.2秒= R1*C1=100K*2F，T=0.1秒= R1*C1=100K*1F。(2)输入阶跃信号，
5、通过虚拟示波器观测输出阶跃响应曲线并进行记录。（注：在每次触发阶跃开关后，须要上下拨动函数发生器区的函数启动停止开关一次，以释放电容C1中的电量，保证积分环节模拟电路对下一次的阶跃信号产生正确响应。） （3） “重复运算”：第一步：输入信号0伏，观察示波器输入信号在0伏准备位置；第二步：将函数启动停止开关由“函数停止”位置拨到“函数启动”位置，电容开始放电（须等510秒），然后再把开关拨到“函数停止”位置；第三步：输入1伏阶跃信号（按黄按钮一次），示波器上即可看到输入波形变化； 3观察比例积分环节的阶跃响应曲线比例积分环节的传递函数为：当K=1时，分别观察T=1，T=0.2, T=0.1的阶跃
6、响应曲线。注意： 在开环状态下，如果典型环节中有积分环节，就要放电。可参考积分环节（3）（4）的具体方法，进行重复观察！ 4观察微分环节的阶跃响应曲线典型微分环节模拟电路如图1-3所示，微分环节的传递函数为： 图1-3 典型微分环节模拟电路(1) 微分时间常数 T=1秒，T=0.2秒，T=0.1秒； (2) R1=0, C1 和 R2 根据 T 确定5观察比例微分环节的阶跃响应曲线比例微分环节的传递函数为： 参数：K=1，T=1；K=1，T=0.2; K=2，T=1 。6观察比例微分积分环节的阶跃响应曲线比例微分积分环节的传递函数为：参数：(1) Kp =1，Ti = 1, Td =1；(2)
7、 Kp =1，Ti =0.2, Td =1；(3) Kp =1，Ti =0.1, Td=1。7观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路如图1-4示，惯性环节的传递函数为：图1-4型惯性环节模拟电路惯性环节时间常数 T=1秒，T=0.2秒，T=0.1秒四实验结果 1. 将实验记录数据记在表1-1中2. 绘出各种典型环节理想的和实测的阶跃响应曲线 表1-1典型环节理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线比例环节K=1K=2 K=5 积分环节T=1T=0.2T=0.1比例积分环节K=1 T=1K=1 T=0.2K=1 T=0.1表1-1 （续1）典型环节理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线微分环节T=1T
8、=0.2 T=0.1比例微分环节K=1T=1K=1 T=0.2K=2 T=0.1比例微分积分环节Kp=1 Ti=1Td=1Kp=1 Ti=0.2Td=1Kp=1 Ti=0.1Td=1表1-1 （续2）典型环节理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线惯性环节T=1T=0.2 T=0.1五、思考题 1. 在图1 中比例放大器A1输入端加入阶跃信号，观测A1输出信号和输入信号相反，若想同方向观测比较输出信号和输入信号应采取什么措施？ 2. 惯性环节什么情况下近似为积分环节？什么情况下近似为比例环节？能否通过实验来验证。3. 用示波器观察时：（1）如何调整所观察波形在显示屏上的位置？根据什么原理？ （2）如何
9、改变信号在Y轴的大小？根据什么原理？ （3）如何在X轴方向展开或压缩所观察的信号？根据什么原理？ 4. 如何通过实验测定惯性环节的时间常数？将测定结果与理论结果比较。 5. 什么情况下函数启动停止开关由“函数停止”位置拨到“函数启动”位置？ 6. 使用自动控制综合实验箱时特别要注意那几个问题？为什么？ 第4 页，共51页实验二 二阶系统特征参数对系统性能的影响实验二 二阶系统特征参数对系统性能的影响 一实验目的1研究二阶系统特征参量（n, ）对系统性能的影响； 2研究斜坡输入作用下二阶系统的静态误差。3. 掌握测试过渡过程的一种测试方法。二实验内容 1观测特征参量 对二阶系统性能的影响2观测特
10、征参量 n对二阶系统性能的影响3观测斜坡输入作用下二阶系统的静态误差三实验步骤1观测特征参量对二阶系统性能的影响 图2-1 二阶系统模拟电路 (n 12.5) 典型二阶系统模拟电路如图2-1所示，二阶振荡环节的传递函数为： 其固有频率n 12.5二阶系统阻尼系数 0.2，选取 R6200K。二阶系统阻尼系数 0.4，选取 R6100K。二阶系统阻尼系数 0.8，选取 R650K。(1) 连接虚拟示波器： 将实验电路A2的“OUT2”（系统输出）与示波器通道CH2相连接。输入信号与示波器通道CH1相连接(2) 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测不同特征参量 下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量%
11、 、峰值时间 tp 以及调节时间 ts。2观测特征参量n对二阶系统性能的影响二阶系统模拟电路如图2-2所示，其阻尼系数 0.4： 图2-2 二阶系统模拟电路( 0.4 )A当R5256K、R6=200K时，则该二阶系统固有频率 n6.25 B当R564K、 R6=100K时，二阶系统固有频率 n12.5C当R516K、 R6=50K 时，二阶系统固有频率 n25 输入阶跃信号，通过虚拟示波器观测不同特征参量n下输出阶跃响应曲线,并记录曲线的超调量% 、峰值时间 tp以及调节时间 ts。3观测斜坡输入作用下二阶系统的静态误差给定的二阶系统模拟电路如图2-3所示： 图2-3 二阶系统模拟电路(1)
12、 设置函数发生器： A将函数发生器区的选择开关拨至“斜波”； B将函数发生器区的“函数输出”端子与实验电路A3的“IN32”端子相连接； C将函数发生器区的“函数启动停止”开关拨至启动，则“函数输出”端子将周期性的产生斜波信号，调节“调幅”旋钮可改变斜波信号的斜率。(2) 搭建二阶系统模拟电路： A将实验电路A3的“OUT3”端子与实验电路A1的“IN12”端子相连接，将A1的“OUT1”与A2的“IN21”相连接，将A2的“OUT2”与A3的“IN33”相连接； B按照图1-3-3选择拨动开关：图中：R1=200K、R2=200K、R3=200K、R4=500K、R564K、R6=500K、
13、R7=10K、R8=10K、C1=2.0F、C2=1.0F 将A3的S5、S6、S10，A1的S4、S10，A2的S3、S14拨至开的位置；(3) 连接虚拟示波器：方法同前。(4) 输入斜坡信号，通过虚拟示波器观测响应曲线A调节函数发生器的“调幅”旋钮，使斜坡斜率恒定，分别改变R4、R5、R6的阻值，并根据改变后的电路参数计算出相应的开环增益K值，绘制输出波形，观测并记录稳态误差结果。B保持R4=500K、R564K、R6=500K阻值不变即保持开环增益K不变，调节“调幅”旋钮，使斜波斜率由小增大，绘制不同斜率下输出的波形，观测并记录稳态误差结果。四实验结果1讨论系统特征参量（n，）变化时对系统性能的影响。2根据电路图中的参数计算下表中的理论值，并和实测值一起填入表2-1表2-1二阶系统特征参量值实测阶跃响应曲线超调量%峰值时间tp调节时间ts理论值实测值理论值实测值理论值实测值n12.50.20.40.8
