自动控制原理指导书.docx
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自动控制原理指导书
《自动控制原理》
实验指导书
（适用于11、12级自动化、测控技术与仪器专业、电气工程及其自动化）
沈阳理工大学应用技术学院
2010年10月
实验一认识性实验3
——仿真软件入门3
实验二典型环节的模型电路和软件仿真7
实验三积分环节、微分环节和的模拟仿真9
实验四一阶系统的阶跃响应14
实验五二阶系统阶跃响应17
实验六控制系统稳定分析22
实验七控制系统的稳态误差分析26
实验八一阶系统频率特性测量31
实验一认识性实验
——仿真软件入门
一、实验目的
1.了解和熟悉仿真软件Multisim的基本功能和使用方法。
2.掌握在仿真软件Multisim平台上绘制电路图和进行仿真实验。
二、实验内容
1、线性电阻软件的伏安特性曲线测试
（1）单击计算机的Mulitsim图标进入基本界面。
（2）用鼠标单击仿真软件基本界面上面的真实元件工具条中的“Basic”按钮，如图1所示，在弹出的的对话框“Family”栏下选取“RESISTOR（电阻）”,再在“Component”栏下选取“3000hm5%”的电阻，如图2所示，最后点对话框的右上角的”OK”按钮，将电阻调入电路窗口。
图1
（3）按工具条中的“Source（电源）”按钮，在“Family”栏中选取“POWER_SOUCERS”，再在“Component”栏下选取“DC_POWER”，将直流电源调入电路窗口。
（4）按上述方法，再选取“GROUND”，将底线符号调入窗口。
（5）在窗口右侧的虚拟仪表中调用“Multimeter（数字万用表）”，放入电路窗口中。
（6）按下图3连成电路，最后按界面右上角的“仿真开关”进行仿真，观察两块万用表的数值。
图3
2、RC振荡电路
（1）按上述选取电路器件的方法选取划线变阻器、电源、电容、开关、接地、示波器，接成如图4的电路图。
图4
（2）观察示波器的波形，将波形的变化图画在实验报告中。
3、555定时器
（1）按前面介绍的方法选取图5中所用到的电路器件，并按图5连成电路图。
图5
（2）观察示波器的中的波形，当改变图中电阻R1，R2阻值或电容C1的容值，观察小灯的闪烁情况。
（）
（3）把图5连成实物图,并将波形图画在实验报告上。
三、实验报告
1、将图4，图5的线路图和波形图画在报告中，并讨论图5中的灯的闪烁频率受什么影响。
2、画出下面的电路图，并附在实验报告中。
实验二典型环节的模型电路和软件仿真
一、实验目的
（1）学习比例环节，惯性环节的模拟方法。
（2）学习比例环节，惯性环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
（3）掌握用运放组成控制系统比例环节，惯性环节的电子电路。
（4）通过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、实验内容
（1）构成比例、惯性环节的模拟电路。
（2）用Multisim仿真各典型环节。
（3）由阶跃响应计算典型环节的传递函数。
三、电路模拟实验原理
1.构成比例环节的模拟电路（见图1）
该电路的传递函数为：
。
图1比例环节的模拟电路原理图
比例环节中，分别取以下数据，观察现象：
①
②
③
2.构成惯性环节的模拟电路（见图2）
该电路的传递函数为：
，其中，。
图2惯性环节模拟电路原理图
惯性环节中，分别取以下数据，观察现象：
①
②
③，，。
四、实验报告要求
（1）写出图1、图2的传递函数。
（2）把图1、图2示波器的波形画在实验报告中。
五、问题讨论
根据测得的比例和惯性环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响？
实验三积分环节、微分环节和的模拟仿真
一、实验目的
1、学习积分环节，微分环节的模拟方法。
2、学习积分环节，微分环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
3、掌握用运放组成控制系统积分环节，微分环节的电子电路。
4、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响。
二实验设备和仪器
实验采用Multisim电子仿真软件，进行典型环节的仿真。
三、实验线路及原理
以运算放大器为核心元件，有不同的R-C输入网络和反馈环节网络组成的各种典型，如图1，图中，为复数阻抗，它们都由R，C构成。
图1运放的反向连接
基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1得：
由上式可求得由下列模拟电路组成典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。
四实验步骤
1、在仿真软件中画出实验原理图，并进行仿真，观测计算机屏幕出现的响应曲线及数据。
2、记录波形及数据。
3、分析实验响应曲线与理论仿真曲线的区别，并分析出差异的原因。
五实验内容
（1）分别画出积分，微分和振荡环节的模拟电路图。
（2）按下列分典型环节的传递函数，调节响应的模拟电路的参数，观察并记录其单位阶跃响应波形。
1、积分环节：
积分环节的传递函数如下：
式中积分常数。
积分环节的模拟电路如图2所示，其中。
其输出响应曲线如图3所示。
图2积分环节的模拟电路
图3积分环节的输出曲线
其中
2、微分环节：
式中微分常数。
微分环节的模拟电路如图4所示，其中
其输出响应曲线如图5所示。
图4微分环节的模拟电路
图5微分环节的输出曲线
3、比例加微分环节：
图6和图7分别为比例微分环节的模拟电路和输出曲线。
图6比例微分的模拟电路
图7比例微分的输出曲线
其中，，
实验四一阶系统的阶跃响应
一、实验目的
1、研究一阶系统数学模型的建立及函数表达式的推导；
2、研究一阶系统的时域响应，以及分析系统的时间常数对系统性能的影响；
3、掌握线性定常系统动态性能指标的测试方法；
4、、研究线性定常系统的参数对其动态性能的影响。
二、实验设备及软件
Multisim软件
三、实验内容
用Mulitsim软件画出一阶系统模拟电路图如图1，并研究其阶跃响应，响应曲线如图2，研究一阶系统的瞬态反应。
图1二阶系统模拟电路图
上图一阶系统的传递函数为：
其中：
四、实验步骤
（1）分别取；；数据，画出模拟电路图，记录每组数据的输出曲线，观察示波器的输出波形。
（2）测出上面数据所对应曲线的上升时间、调节时间、超调量，把测出的数据填入下表。
（注：
上升时间可以认为是输出响应从零开始第一次达到稳态时的90%时所用的时间。
）
五、实验报告
1、画出一阶系统的模拟电路图，并求系统的传递函数和时间常数。
2、将3组数据所对应上升时间、调节时间、超调量填入表中。
上升时间
（ms）
调节时间
（ms）
超调量
六、思考题
本次实验中，决定一阶系统响应快慢的都有那些因素？
实验五二阶系统阶跃响应
一、实验目的
1、掌握二阶控制系统的电路模拟方法及定量分析二阶系统的阻尼比和自然振荡频率对系统动态性能的影响。
2、在Mulitsim中建立二阶电路，通过示波器观测控制系统的各项性能指标。
3、加深理解“线性系统的稳定性只与其结构和参数有关，而与外作用无关”的性质。
二、实验内容
1、分析典型二阶系统的和变化时，对系统的阶跃响应的影响。
2、用Mulitisim软件画出二阶系统的模拟电路图（如图1）并仿真出不同时的阶跃响应曲线。
3、用实验的方法测出二阶系统的上升时间、峰值时间、调节时间、超调量。
三、实验原理
1、选取信号源为直流电压源，电阻和电容选用现实原件，运放和电位计选用虚拟原件，对电位计R设置B作为增加数值的触发信号（相应的，shift＋B作为减小数值的触发信号）。
2、仿真分析
该二阶系统的传递函数的传递函数是
图1二阶系统电路图
由公式：
可以得到：
，
电位计R的范围是0～250KΩ，调节电位计R的大小以及开关的开合，可以观察到二阶系统的上升时间、峰值时间、调试时间、超调量等性能指标的变化。
四、实验步骤
1、当开关J2断开时，阻尼比系数，即无阻尼情况，观察输出波形图（见图2）,并求出各个性能指标。
图2时的阶跃曲线
2、开关J2闭合，当R为250KΩ时，阻尼比系数，为欠阻尼情况，观察输出波形图（见图3），并求出各个性能指标。
图3时的阶跃曲线
3、开关J2闭合，当R为50KΩ时，阻尼比系数，为临界阻尼情况，观察输出波形图（见图4），并求出各个性能指标。
图4时的阶跃曲线
4、开关J2闭合，当R为25KΩ时，阻尼比系数，为过阻尼情况，观察输出波形图（见图5），并求出各个性能指标。
图5时的阶跃曲线
五、实验报告
1、画出二阶系统的模拟电路图，仿真出不同时的曲线。
2、根据不时的曲线，在模拟示波器上求出上升时间、峰值时间、调节时间、超调量，并填入下表：
0
0.2
1
2
六、思考题
建立RLC振荡电路的数学模型，求出其传递函数，并指出自然振荡频率和表达式。
实验六控制系统稳定分析
一、实验目的
本实验的目的在于检验系统的稳定性与系统本身结构参数的关系。
在控制理论中所讨论的系统稳定性是指在脉冲响应下，系统响应是收敛还是发散的，本实验系统输入阶跃信号。
1、观察系统的不稳定现象。
2、研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。
二、实验内容
构成下述环节的模拟线路，并测量其阶跃响应。
分析开环增益和时间常数T改变对习题稳定性的影响，以及利用劳斯判据确定其稳定域值。
图1稳定性实验习题的模拟电路
系统开环传递函数：
其中，，，，取
三、实验步骤
1、按照电路图接好线路，输入信号；改变电位器，使R2的有效阻值分别等于100KΩ、200KΩ、300KΩ，观察系统的输出波形（波形见图2、3、4），分析Ko变化对系统稳定性的影响。
2、在步骤1的条件下，使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡情况，电容0.1变成1，观察系统稳定性的变化。
图2Ko＝1时曲线
图3Ko＝2时曲线
图4Ko＝3时曲线
四、实验报告
1、画出系统的模拟电路图。
2、画出Ko分别等于1、2、3时的曲线。
五、思考题
该电路图中，影响系统稳定性的因素有哪些，如何改善系统的稳定性？
实验七控制系统的稳态误差分析
一、实验目的
1、研究系统在单位阶跃输入下的稳态误差变化。
2、掌握系统型次及开环增益对稳态误差的影响。
3、在Multisim仿真平台上建立二阶电路，通过示波器观测控制系统稳态误差变化情况。
二、实验原理及内容
构成下述环节的模拟线路，分析该实验系统的型次和不同增益时对稳态误差的影响。
图1稳态误差分析电路图
该电路图中选取信号为直流电压源，电阻和电容选用现实原件，运放和电位器选用虚拟原件。
系统的开环传递函数为：
其中：
R7为电位器
从系统的开环传递函数知，本系统属于Ⅰ型系统，并且开环增益，则系统的稳态误差。
三、实验步骤
1、将开关J2断开，电位器R7调到100KΩ进行实验，观察示波器中响应曲线稳态误差的情况（见图2）。
2、将开关J2闭合，调节电位器的数值（利用A键），观测稳态误差的大小变化以及收敛的速度。
（1）当电位器R7为200KΩ时，输出波形见图3
（2）当电位器R7为100KΩ时，输出波形见图4
（3）当电位器R7为50KΩ时，输出波形
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