自动控制原理实验指导书Word文档格式.doc
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如图1.1-1所示。
图1.1-1
B传递函数：
C阶跃响应：
其中
D模拟电路图：
如图1.1-2所示。
图1.1-2
注意：
图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100K的电阻，实验中不需要再接。
以后的实验中用到的运放也如此。
E理想与实际阶跃响应对照曲线：
①取R0=200K；
R1=100K。
②取R0=200K；
R1=200K。
2．积分环节（I）
A．方框图：
如右图1.1-3所示。
图1.1-3
B．传递函数：
C．阶跃响应：
其中
D．模拟电路图：
如图1.1-4所示。
图1.1-4
（5）理想与实际阶跃响应曲线对照：
C=1uF。
C=2uF。
3．比例积分环节（PI）
（1）方框图：
如图1.1-5所示。
图1.1-5
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
其中；
（4）模拟电路图：
如图1.1-6所示。
图1.1-6
①取R0=R1=200K；
②取R0=R1=200K；
C=2uF。
4．惯性环节（T）
如图1.1-7所示。
图1.1-7
。
（3）模拟电路图：
如图1.1-8所示。
图1.1-8
（4）阶跃响应：
，其中；
①取R0=R1=200K；
C=1uF。
5．比例微分环节（PD）
如图1.1-9所示。
图1.1-9
其中，，为单位脉冲函数，这是一个面积为ｔ的脉冲函数，脉冲宽度为零，幅值为无穷大，在实际中是得不到的。
如图1.1-10所示。
图1.1-10
①取R0=R2=100K，R3=10K，C=1uF；
②取R0=R2=100K，R3=10K，C=1uF；
R1=200K。
6．比例积分微分环节（PID）
如图1.1-11所示。
图1.1-11
其中为单位脉冲函数，；
；
如图1.1-12所示。
图1.1-12
①取R2=R3=10K，R0=100K，C1=C2=1uF；
②取R2=R3=10K，R0=100K，C1=C2=1uF；
三、实验设备及仪器
1．PC机一台；
2．TD-ACC+实验系统一套；
3．万用表。
四.注意事项
1．连接通信线时，应首先关闭电源。
在使用中如果出现不能通讯的情况。
请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。
2．在使用中如果出现不能通讯的情况。
3．连接导线在插拔时，应抓住连接端头，不能拔导线。
五.实验方法及步骤
1．按1.1.3节中所列举的比例环节的模拟电路图将线接好。
检查无误后开启设备电源。
2．将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。
由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。
将开关分别设在“方波”档和“500ms～12s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。
3．将2中的方波信号加至环节的输入端Ui，用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际响应曲线U0（t），记录实验波形及结果。
4．改变几组参数，重新观测结果。
5．用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比例积分微分环节的模拟电路图。
观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实验波形及结果。
六.实验报告内容与要求
1．画出各模拟电路图；
2．写出各模拟电路图的传递函数；
3．分别画出理想阶跃响应曲线和实测阶跃响应曲线。
七.思考
1．分析各模拟电路中的元件参数对阶跃响应的影响。
2．实验中模拟电路出现的故障，如何排除。
实验二典型系统的时域响应和稳定性分析
一．实验目的
1．研究二阶系统的特征参量（ξ、ωn）对过渡过程的影响。
2．研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。
3．熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。
1．典型的二阶系统稳定性分析
（1）结构框图：
如图1.2-1所示。
图1.2-1
（2）对应的模拟电路图：
如图1.2-2所示。
图1.2-2
（3）理论分析
系统开环传递函数为：
开环增益。
（4）实验内容
先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。
在此实验中（图1.2-2），
，，
系统闭环传递函数为：
其中自然振荡角频率：
阻尼比：
2．典型的三阶系统稳定性分析
如图1.2-3所示。
图1.2-3
（2）模拟电路图：
如图1.2-4所示。
图1.2-4
系统的开环传函为:
（其中），
系统的特征方程为:
实验前由Routh判断得Routh行列式为：
S3120
S21220K
S1（-5K/3）+200
S020K0
为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有
得：
0<
K<
12R>
41.7KΩ系统稳定
K=12R=41.7KΩ系统临界稳定
K>
12R<
41.7KΩ系统不稳定
三．实验设备及仪器
四．注意事项
1．参考实验一。
2．在做实验前一定要进行对象整定，否则将会导致理论值和实际测量值相差较大。
五.实验方法与步骤
1．信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。
2．典型二阶系统瞬态性能指标的测试
（1）按模拟电路图1.2-2接线，将1中的方波信号接至输入端，取R=10K。
（2）用示波器观察系统响应曲线C（t），测量并记录超调MP、峰值时间tp和调节时间tS。
（3）分别按R=20K；
40K；
100K；
改变系统开环增益，观察响应曲线C（t），测量并记录性能指标MP、tp和tS，及系统的稳定性。
并将测量值和计算值进行比较（实验前必须按公式计算出）。
将实验结果填入表1.2-1中。
表1.2-2中已填入了一组参考测量值，供参照。
3．典型三阶系统的性能
（1）按图1.2-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取R=30K。
（2）观察系统的响应曲线，并记录波形。
（3）减小开环增益（R=41.7K；
100K），观察响应曲线，并将实验结果填入表1.2-3中。
表1.2-4中已填入了一组参考测量值，供参照。
1．画出模拟电路图，写出对象的传递函数。
2．填写典型二阶系统瞬态性能指标实验测试值（见表1.2-1）。
表1.2-1
参数
项目
R
（KΩ）
K
ωn
ξ
C
（tp）
（∞）
Mp（%）
tp（s）
ts（s）
响应
情况
理
论
值
测
量
0<
ξ<
1
欠阻尼
ξ＝1
临界
阻尼
ξ>
1
过阻尼
3．填写三阶系统在不同开环增益下的响应情况实验测试值（见表1.2-2）
表1.2-2
R（KΩ）
开环增益K
稳定性
表1.2－4
分析R参数对、、，等质量指标的影响。
实验三应用MATLAB进行控制系统的根轨迹分析
一、实验目的
1.学习MATLAB在控制系统中的应用；
2．熟悉MATLAB在绘制根轨迹中的应用；
2.掌握控制系统根轨迹绘制，应用根轨迹分系统性能的方法。
二、实验内容
1．熟悉MATLAB中已知开环传递函数绘制闭环根轨迹的方法；
2．学习使用MATLAB进行一阶、二阶系统仿真的基本方法。
1．计算机；
2．MATLAB软件。
四、
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