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1、编著 李蔓华 陈昌虎 李晓 高自动控制原理实验指导书目录THZK-1 型控制理论电子模拟实验箱 1实验一控制系统典型环节的模拟 4实验二一阶系统的时域响应及参数测定 6实验三二阶系统的瞬态响应分析 9实验四系统频率特性的测试 11实验五 PID 控制器的动态特性 15实验六典型非线性系统的模拟 18实验七自动控制系统的动态校正 23备注：本实验指导书适用于自动化、电子、机设等专业，各专业 可以根据实验大纲选做实验。THZK-1 型控制理论电子模拟实验箱自动控制技术广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设， 因此一个国家自动控制的水平是衡量该国家的生产技术与科学水 平先进与否的一项重要标志。本模
2、拟实验装置能完成高校自动控制原理课程的主要实 验内容。它可以模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统，并 对控制系统进行仿真研究，使学生通过实验对自动控制理论有更 深一步地理解，并提高分析与综合系统的能力。本模拟实验箱可分为信号源与频率计，电源和典型环节实验 三大部分:一、信号源与频率计1 信号源部分信号源部分包括阶跃信号发生器，函数信号发生器，扫频电 源。(1) 阶跃信号发生器当按下按钮时，输出一负的阶跃信号，其幅值约(-0.9V-2.45V)之间可调。(2) 函数信号发生器函数信号发生器主要是为本实验装置中所需的超低频信号而 专门设计的能输出三种函数信号，每一种函数信号有三个频段可 供选择，
3、三种信号分别为正弦波信号，三角波信号和方波信号。正弦波信号：正弦波信号电压的有效值在(07.5V)可调，频 率在(0.25Hz1.55KHz)可调，其中低频段(0.25Hz14Hz),中频 段(2.7Hz155Hz)可调，高频段(26Hz1.55KHz)可调。三角波信号：三角波信号输出电压的有效值在(03v)可调, 频率调节范围与正弦波信号相一致。方波信号：方波信号输出电压的有效值在(06.6v)可调，频率调节范围与正弦波信号相一致。(3) 扫频电源扫描电源采用可编程逻辑器件 ispLSI1032E 和单片机 AT89C51 设计而成，它的输出为一频率可调的正弦波信号，能在 50Hz-80KH
4、z 的全程范围内进行扫频输出。该扫频电源提供了 11 档扫速，也可用手动点频输出，此外还有频标指示。2 频率计该系统在作频率特性测试实验时，需要用到超低频信号，若 用示波器去读，显然很不方便。为了能直观地读出超低频信号的 频率，我们采用了一个频率计。它采用单片机编程，能精确、直 观地显示小数点后两位。二、电源电源部分包括直流稳压电源，直流数字电压表，交流数字电 压表。(1) 直流稳压电源能输出5v，土 15v的直流电压。(2) 直流数字电压表有三个档位。分别为2v档，20v档，200v 档。能完成对直流电压的准确测量，测量误差不超过 1%。(3) 交流数字电压表也有三个档位，分别为200mv档
5、，2v档,20v 档，能完成对交流电压的准确测量，测量误差不超过 1%。三、典型环节与系统的模拟实验典型环节与系统模拟实验部分包括了自动控制系统中所有的 部件，即包括加法器，惯性环节，积分环节，有源滞后-超前校正 环节，非线性环节等。学生根据需要，可任意组成各种典型环节 与系统的模拟。实验一 控制系统典型环节的模拟一、实验目的1、熟悉超低频扫描示波器的使用方法；2、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子模拟电路；3、测量典型环节的阶跃响应曲线；4、通过本实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能 的影响。二、实验设备1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、超低频慢扫描示波器一台；3、万用表一只。三、
6、实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的输入 R-C 网络和反馈 R-C 网络构成控制系统的各种典型环节。四、实验内容1、画出比例、惯性、积分、微分的电子模拟电路图。2、观察并记录下列典型环节的阶跃响应波形。1) G1(S)=1,取 R =100KQ , R =100KQ ；if2) G1(S)=1/O.1S，取 R =100KQ , C =1uF；if3) G1(S)=1/(O.1S+1),取 R =100KQ , R =100KQ , C =luF。fff五、实验报告要求1、画出四种典型环节的实验电路图,并注明参数。2、测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应,并注明时间坐 标轴。3、分析实
7、验结果，写出心得体会。六、实验思考题1、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件 下近似导出的？2、积分环节和惯性环节主要差别是什么?在什么条件下，惯 性环节可以近似地视为积分环节?在什么条件下，又可以视为比例 环节？实验二 一阶系统的时域响应及参数测定一、实验目的1、观察一阶系统在阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应2、根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数二、实验设备1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、双踪低频慢扫描示波器一台；3、万用表一只。三、实验原理R (s)-1C (s )Ts +1图 2-1 一阶系统框图图 2-1 为一阶系统的框图，它的闭环传递函数为C (s)
8、 =1RS) Ts +1令 r ( t ) =1(t) ，即 R(s) =1/S ，则其输出为：c(t)二 1 - e-1/1它的阶跃响应曲线如图 2-2 所示。当t=T时，c(T)二1 -e-i/t二0.632。这表示当c(t)上升到稳定 值的63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T,根据这个 原理，由图2-2可测得一阶系统的时间常数T。当r(t) = t，即R(s) = 1/ s2，系统的输出为：11 T TC (s) = - + rS 2(S + 1) S 2 S s * 1s 即：c(t)二 t-T (1-e-t / )e(t)二 r(t)二 T(1-e-t/)所以当t 8时，
9、e () =e二T。这表明一阶系统能跟踪斜坡信 ss号输入，但有稳态误差存在。其误差的大小为系统的时间常数T。四、实验内容1、根据图 2-1 所示的系统，设计相应的模拟实验线路图。2、当 r(t) =1V 时，观察并记录一阶系统的时间常数 T 为0.1S 时的瞬态响应曲线，并标注时间坐标轴。3、当 r(t) = t 时，把输入斜波的频率调到最低 f=2 Hz， 观察并记录一阶系统时间常数T为0.1S时的响应曲线。五、实验报告1、根据实验，画出一阶系统的时间常数T=0.1S时的单位阶 跃响应曲线，并由实测的曲线求得时间常数T。2、观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由图确定跟踪误 差 e ，这一
10、误差值与由终值定理求得的值是否相等？分析产生误ss差的原因。六、实验思考题1、一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜 坡输入的稳态误差为 T？2、一阶系统的单位斜坡响应在理论上能否由其单位阶跃响 应求得？试说明之。实验三 二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的1、观察在不同参数下二阶系统的阶跃响应曲线，并测出超调 量G、峰值时间t和调整时间t ;p p s2、研究增益 K 对二阶系统阶跃响应的影响。二、实验原理图 3-1 二阶系统框图图 3-1 为二阶系统的框图，它的闭环传递函数为：C(s)K /(TT ) 2=12+nR(s)s2 + s / T + K /(TT ) s2 + s
11、+ 211 2nn由上式求得：w =、：K/(TT )；=T/4TK； K = 100 + w； T =R C ； T = R Cn 、1 2211 fl fl 2f2 f2三、实验内容图 3-2 二阶系统原理图根据图3-2,调节可调电阻w的大小（w取1M的电阻），显然 只要改变w的电阻值，就能同时改变3 n和己的值，调节w值，观 察过阻尼点1）、临界阻尼（宁1）和欠阻尼（絡1）三种情况下的 阶跃响应曲线并记录下来，标注峰值时间t、调整时间t和超调 ps量O的值；当R趋于无穷大时，使宁0,输出波形为等幅振荡。p令r （t）=1V，记录等幅振荡、衰减振荡及无振荡时的W值, 算出K值；在示波器上观
12、察不同K值下的瞬态响应曲线；并由图 记下相应的O、t和t的值。p p s四、实验报告1、画出二阶系统在等幅振荡、衰减振荡及无振荡时的 3条瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。2、对应不同的电阻值，计算三种情况下的己和3 n值。据此,求得相应的动态性能指标O、t和t，并与实验所得出的结果作p p s比较。实验四 系统频率特性的测试一、实验目的1、学习频率响应的实验测试方法；2、学习用示波器测量相位差的方法。二、实验设备1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、双踪慢扫描示波器一台。三、实验内容1、频率特性测试原理。根据频率特性表达式知道,当输入信 号频率变化时,被测系统输出量和输入量的幅值比,相位差都在
13、变化。用万用表测出输出电压和输入电压,两者之比就是幅值比 输出、输入之间的相位差的测量可用图 4-1 李沙育图形法测量。2X(t)=Asin( t+申)图 4-1 李沙育图形用示波器可以测量两个同频率的正弦信号x(t)、y(t),将输入信号加到示波器X轴输入端，输出正弦信号为y(t),将它加到示波器 y 轴的输入端，在示波器屏幕上形成的图形与相位差的关 系如表一所示：表一 李沙育图形与相位的关系1800118001800rL1800+ arcsin(2Y/2B)顺时针270oR2700JZL360o+arcsin(2Y/2B)顺时针3600匚r2700K2700顺时针Ir2、RC 电路的频率特
14、性的测试线路。图 4-2 频率特性测试线路图系统频率特性的测试线路如图 4-2 所示。3、频率特性测试电路图。频率特性测试被测系统 RC 电路如图 4-3a 和 CR 电路图 4-4b 。aC=1pF广Xiw=100KXob图 4-3 频率特性测试电路图4、将信号发生器的输入正弦信号的电压调到一定值，用示波器测量输出 X 和输入 X 之间的相位差。按下表改变输入信号的频 Oi率，测量对应的相位差和输出电压峰值，把可调电阻 W 的值调到100KQ ,测出2Y, 2B值填入表二中。调节W值，观测李沙育图形的变化。表二 频率特性测量表F(H)2HZ (频率)4HZ （频率）RCCRRCCR2Y2B计算e四、实验报告1 、求出 RC 和 CR 网络的传递函数，并求出它们的相频特性2、将计算出的相频特性和实验得出的结果进行比较。实验五 PID 控制器的动态特性一、实验目的1、熟悉 PI、PD 和 PID 三种控制器的结构形式；2、通
