自动控制原理实验指导书.docx

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自动控制原理实验指导书

自动控制原理实验指导书

西安文理学院

物理与机械电子工程学院

实验一典型线性环节的模拟

一、实验目的

1．学习典型线性环节的模拟方法

2．研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响

二、实验仪器设备

1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台

2．示波器

3．万用表

三、实验内容

先将给定信号调节至1V，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。

1．比例环节

选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

若比例系数K=1时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K。

若比例系数K=2时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=200K。

方框图

模拟电路图

记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。

2．积分环节

选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

若积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R=100K，C=10uF（T=RC=100K×10uF=1）；

若积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：

R=100K，C=1uF（T=RC=100K×1uF=0.1）；

记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。

3．比例积分环节

选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

若取比例系数K=1、积分时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=10uF（K=R2/R1=1，T=R2C=100K×10uF=1）；

若取比例系数K=1、积分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=1uF（K=R2/R1=1，T=R2C=100K×1uF=0.1S）。

记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。

方框图

模拟电路图

4．比例微分环节

选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=1uF（K=R2/R1=1，T=R1C=100K×1uF=0.1S）；

若比例系数K=1、微分时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=10uF（K=R2/R1=1，T=R1C=100K×10uF=1S）；

记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。

5．一阶惯性环节

选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

若比例系数K=1、时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=10uF（K=R2/R1=1，T=R2C=100K×10uF=1）。

若比例系数K=1、时间常数T=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C=1uF（K=R2/R1=1，T=R2C=100K×1uF=0.1）。

若比例系数K=0.5、时间常数T=1S时，电路中的参数取：

R1=200K，R2=100K，C=10uF（K=R2/R1=0.5，T=R2C=100K×10uF=1）。

记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。

6．比例微分环节（选做）

选择实验台上的通用电路单元（U12、U6）设计并组建相应的模拟电路，图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。

若比例系数K=2、积分时间常数TI=0.1S、微分时间常数TD=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=1uF（K=（R1C1+R2C2）/R1C2=2，TI=R1C2=100K×1uF=0.1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S）；

若比例系数K=1.1、积分时间常数TI=1S、微分时间常数TD=0.1S时，电路中的参数取：

R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=10uF（K=（R1C1+R2C2）/R1C2=1.1，TI=R1C2=100K×10uF=1S，TD=R2C1=100K×1uF=0.1S）；

记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。

四、思考题

1．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？

而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？

2．在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？

五、实验报告要求

1．画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。

2．写出各典型环节的传递函数。

3．根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。

实验二二阶系统的阶跃响应

一、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ζ、ωn对阶跃瞬态响应指标的影响。

二、实验仪器设备

1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台

2．示波器

3．万用表

三、实验内容

典型二阶系统方框图

其闭环传递函数为：

ζ——阻尼比或衰减系数

ωn——无阻尼自然震荡角频率

模拟电路图（电路参考单元为：

U7、U9、U11、U6）

，

1．先将给定信号调节至1V，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。

2．依次按照如下参数设定二阶系统，观察其阶跃响应曲线，将结果记录于表一中。

序号

Rx

R

C

ζ

ωn

1

125K

51K

10μ

0.2

2

500K

200K

10μ

0.2

3

250K

100K

10μ

0.2

4

125K

100K

10μ

0.4

5

50K

100K

10μ

1.0

3．分别标出各条曲线的Mp，ts，tp，将曲线①②③进行对比，③④⑤进行对比，将③中的Mp，ts，tp与理论值进行比较。

表一二阶系统的阶跃响应结果

响应曲线

①

Mp=,ts=,tp=

③

④

⑤

Mp=,ts=,tp=

Mp=,ts=,tp=

Mp=,ts=,tp=

②

Mp=,ts=,tp=

四、思考题

1．如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？

2．若模拟实验中响应的稳态值不等于阶跃输入函数的幅度，其主要原因可能是什么？

3．在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？

五、实验报告要求

1．画出二阶线性定常系统的实验电路，推导模拟电路的闭环传递函数G（s），标明电路中的各参数；

2．根据测得系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益K和时间常数T对系统的动态性能的影响。

实验三线性系统稳定性的研究

一、实验目的

1．研究线性系统的开环比例系数K对稳定性的影响

2．研究线性系统的时间常数T对稳定性影响

二、实验仪器设备

1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台

2．示波器

3．万用表

三、实验内容

模拟电路图（电路参考单元为：

U7、U9、U13、U11）

三阶系统模拟电路图

三阶系统方框图

先将给定阶跃信号调节至0.5V，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。

1．求取给定三阶系统的临界开环比例系数Kj1；给定三阶系统如图所示，其中C1=C2=C3=1.0μ；Ri3=200k。

临界开环比例系数Kj的求取方法：

1）先将电位器WR置于最大；

2）加入r（t）=0.5V的阶跃信号；

3）调整WR使系统输出c（t）呈等幅振荡，记录此时的响应曲线c（t）；

4）保持WR不变，断开反馈线，维持0.5V输入，测量系统输出电压Uc，

则：

2．系统的开环比例系数K对稳定性的影响，对于前面给定的三阶系统，适当调节WR，观察K增大，K减小时的系统响应曲线。

3．系统中各时间常数的比例系数α对稳定性的影响：

设三阶系统为：

其中：

K=K1K2K3；T=0.2s

；T2=T；T3=αT

各R和C分别取如下参数，使α=1；α=2，α=5。

T2=T

T3=αT

α=1

C1=1μF，R1=200k

C2=1μF，R2=200k

C3=1μF，R3=200k

α=2

C1=1μF，R1=100k

C2=1μF，R2=200k

C3=2μF，R3=200k

α=5

C1=1μF，R1=40k

C2=1μF，R2=200k

C3=10μF，R3=100k

记Kj1，Kj2，Kj3分别为α=1；α=2，α=5时的临界开环比例系数。

依照表一格式，绘制系统的稳定性能图谱。

说明：

1）曲线①~⑥，输入信号0.5V，曲线⑦~⑨，输入信号0.1V；

2）绘制图谱可按照①、③、②、⑤、④、⑥、⑨、⑧、⑦的顺序进行；（⑦可以不做）

3）分别求取Kj1，Kj2，Kj3。

表一系统稳定性能图谱格式

曲线

K=Kj1

K=Kj2

K=Kj3

α=1

①

④

⑦

α=2

②

⑤

⑧

α=5

③

⑥

⑨

四、思考题

三阶系统的各时间常数怎样组合时，系统的稳定性最好？

怎样组合时系统的稳定性最差？

五、实验报告要求

1．画出系统的实验电路，推导模拟电路的闭环传递函数G（s），标明电路中的各参数；

2．计算三种三阶系统的临界开环比例系数Kj及其呈现等幅振荡的自振频率ωj，并将它们与实验结果比较。

实验四二阶系统的频率响应

一、实验目的

1．学习频率特性的实验测试方法；

2．掌握根据频率响应实验结果绘制频率特性的方法。

二、实验仪器设备

1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台；

2．示波器

3．信号发生器

4．万用表

三、实验内容

典型二阶系统方框图

ζ——阻尼比或衰减系数

ωn——无阻尼自然震荡角频率

其闭环频率响应为：

模拟电路图（电路参考单元为：

U7、U9、U11、U6）

，

1．选定R、C、Rf值，使ωn=10,ζ=0.2;

2．采用信号发生器的正弦波作为系统的输入信号，即r（t）=Asinωt，稳态时系统响应为c（t）=Ysin（ωt+φ）；

3．改变输入信号的频率，使角频率分别等于（或接近于）4、6、8、9、10、12、14、16、20、30rad/s，稳态时用双踪示波器同时记录正弦输入r（t）=Asinωt和正弦输出响应c（t）=Ysin（ωt+φ）。

记录曲线序号依次记作⑴，⑵，⑶，……

；

4．按下述表格整理实验数据：

曲线序号

⑴

⑵

⑶

⑷

⑸

⑹

⑺

⑻

⑼

⑽

T（s）

ω（rad/s）

A（ω）

φ（ω）（deg）

5．根据上述表格所整理的实验数据，绘制频率特性，标出Mr和ωr；

6．改变二阶系统的ωn,ζ值，重复上述3.4.5.6步骤。

（选做）

四、思考题

1．在实验中如何选择输入正弦信号的幅值？

2．用示波器测试相频特性时，若把信号发生器的正弦信号送入Y轴，被测系统的输出信号送至X轴，则根据椭圆光点的转动方向，如何确定相位的超前和滞后？

五、实验报告要求

1．写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图；

2．理论计算出不同ω值时的L（ω）和φ（ω），并与实验结果进行比较，绘出被测系统的幅频特性和相频特性。

实验五控制系统的校正

一、实验目的

1．研究校正装置对系统动态性能指标的影响

2．学习校正装置的设计和实现方法

二、实验仪器设备

1．TKCC-1型自控原理及计算机控制技术实验平台

2．示波器

3．万用表

未校正系统

三、实验内容

未校正系统结构框图

相应的模拟电路如图所示。

（电路参考单元为：

U7、U9、U11、U6）

模拟电路图

未校正系统开环传递函数

，其中：

，

（

，

）

选择合理参数使得

，在该系统中加入超前校正装置，使系统的相位裕度≥50°，同时保持静态速度误差系数不变。

超前校正装置模拟电路图

超前校正装置参考模拟电路如下图

其传递函数为：

其中：

校正后系统的方框图如下：

实验步骤

1．先将给定阶跃信号调节至1V，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。

2．调整Rx=250k，R=100k，C=10uF；计算此时未校正系统的静态速度误差系数Kv；

3．画出未校正系统开环传递函数的Bode图，确定其相位裕度和增益裕度；

4．观察并记录未校正系统的闭环阶跃响应曲线①，标出Mp，ts；

5．根据要求计算超前网络的参数Tc1，Tc2，确定相应的R1，R2，C1，C2值，构成所需要的超前校正装置。

6．单独观察并记录超前校正装置的阶跃响应曲线②；

7．将超前校正装置接入该系统中，观察并记录校正后控制系统的阶跃响应曲线③，标出Mp，ts，和曲线①进行比较。

四、思考题

1．模拟电路如下所示。

能否作为超前校正装置？

试计算其传递函数

。

2．若

，能否计算出校正后系统的闭环主导极点及与之对应的ωn，ζ？

五、实验报告要求

1．根据对系统性能的要求，设计系统的串联校正装置，写出超前矫正装置的设计过程，给出校正装置的电路图，并标明参数；

2．记录实验过程中的3条阶跃响应曲线，并标出相应的动态性能指标；

3．画出校正后的系统模拟电路图。