《控制工程基础》实验指导书.docx
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《控制工程基础》实验指导书
实验1典型环节的模拟研究
1.1实验目的
1．掌握各典型环节模拟电路的构成方法，掌握TD－ACC设备的使用方法。
2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。
3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
1.2实验设备
PC机一台，TD－ACC系列教学实验系统一套。
1.3实验原理及内容
下面列出了各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。
1．比例环节（P）
（1）方框图：
图1.1－1
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
Uo（t）=K（t≥0）其中K=R1/R0
（4）模拟电路图：
2．积分环节（I）
（1）方框图：
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
（4）模拟电路图
3．惯性环节（T）
（1）方框图：
图1.1-5
（2）传递函数：
（3）模拟电路图：
见图1.1－6
（4）阶跃响应：
图1.1-6
4．比例积分环节（PI）
（1）方框图：
图1.1-7
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
（4）模拟电路图：
见图1.1－8
R0=200K；R1＝200K；C＝1uF或2uF
图1.1-8
5．比例微分环节（PD）
（1）方框图：
见图1.1－9
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
其中
，
，δ（t）为理想单位脉冲函数，这是一个面积为1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。
（4）模拟电路图：
R0=100K,R2=100K，C=1uF;R3=10K
R1=100K或200K
图1.1-10
1.4实验步骤
1．观察比例、积分、比例积分、惯性环节和比例微分的阶跃响应曲线
（1）实验接线
准备：
输入信号Ui采用U1SG信号源单元的周期性方波信号，具体实现如下：
将信号源U1单元的“ST”的插针改为与“S”插针用短路块短接，S11波段开关置于“方波信号”档，“OUT”端的输出电压即为方波信号电压。
信号的周期由波段选择开关S12和电位器W12来调节，信号幅值由电位器W11来调节。
以信号幅值小、信号周期较长比较适宜。
（2）实验操作
①按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
（1）中产生的周期性方波信号加到比例环节的输入端Ui，用示波器观测比例环节模拟电路的输出U0端，可以观测到比例环节的阶跃响应曲线。
③改变电路参数，重新观察并将结果记录到表1-1中。
④用同样的方法分别搭接积分、比例积分、比例微分和惯性环节的模拟电路图，检查无误后开启设备电源，用示波器观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，并将结果记录到表1-1中。
2．注意事项
（1）做完实验后，应将导线及元器件收好，千万不要散乱地放在机箱中，以免下次做实验引起短路。
（2）本系统安装了高效开关电源，它的重新开启和上一次断开之间的时间应大于30秒，因此不要过于频繁的开启电源。
1.5实验预习要求
（1）实验前预习实验指导书上相应内容；
（2）求出各典型环节在给定参数下的理想阶跃响应曲线；
（3）认真思考一般环节的电路模拟图构成，并找出规律，学会设计简单的环节模拟图。
1.6实验报告要求
（1）画出各典型环节的实验电路图，并注明相应的参数。
（2）画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响。
（3）写出实验的心得与体会。
表1-1
典型环节
传递函数参数与模拟电路参数关系
单位阶跃响应
理想阶跃响应
实测阶跃响应
比例
K=R1/R0
Uo（t）=K
R0=
200K
R1=100K
（画出响应曲线）
（画出响应曲线）
R1=200K
惯性
K=R1/R0
T=R1C
Uo（t）=
R0=
R1=
200K
C=1uF
C=2uF
积分
T=R0C
Uo（t）=
t/T
R0=
200K
C=1uF
C=2uF
PI
K=R1/R0
T=R0C
Uo（t）=K+t/T
R0=
R1=
200K
C=1uF
C=2uF
续表1-1
典型环节
传递函数参数与模拟电路参数关系
单位阶跃响应
理想阶跃响应
实测阶跃响应
PD
，
，
理想：
Uo（t）=
KTδ（t）+K
R0=100K
R2=100K
R3=10K
C=1uF
R1=100K
R1=200K
实验2典型系统的时域响应和稳定性分析
2.1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。
2.2实验设备
PC机一台，TD－ACC系列教学实验系统一套。
2.3实验原理及内容
1．典型的二阶系统稳定性分析
（1）结构框图：
见图1.2－1
（2）对应的模拟电路图
（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：
2．典型的三阶系统稳定性分析
（1）结构框图
（2）模拟电路图
（3）理论分析
系统的开环传函为:
利用劳思判据判断系统的稳定性与R的关系。
1.2.4实验步骤
1．准备：
输入信号Ui采用U1SG信号源单元的周期性方波信号，具体实现如下：
将信号源U1单元的“ST”的插针改为与“S”插针用短路块短接，S11波段开关置于“方波信号”档，“OUT”端的输出电压即为方波信号电压。
信号的周期由波段选择开关S12和电位器W12来调节，信号幅值由电位器W11来调节。
以信号幅值为1V左右、信号周期较长比较适宜。
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，将阶跃信号接至输入端，取R=10K，检查无误后开启设备电源。
（2）用示波器观察系统阶跃响应C（t），测量并记录超调MP、上升时间tr和调节时间tS。
（3）分别取R=50K；100K；改变系统开环增益，观察相应的阶跃响应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）。
并将实验结果填入表1.2－1中。
3．典型三阶系统的性能
（1）按图1.2－4接线，将阶跃信号接至输入端，自行取定R值，要求系统稳定，检查无误后开启设备电源。
（2）观察系统的阶跃响应，并记录波形及取定的R值。
（3）修正R值，要求分别使系统处于临界稳定和不稳定的状态，观察阶跃响应，并将实验结果填入表1.2－2中。
4．注意事项
（1）做完实验后，应将导线及元器件收好，千万不要散乱地放在机箱中，以免下次做实验引起短路。
（2）本系统安装了高效开关电源，它的重新开启和上一次断开之间的时间应大于30秒，因此不要过于频繁的开启电源。
1.2.5实验预习要求
（1）实验前预习实验指导书上相应内容；
（2）求出各种参数下典型二阶系统的参数
、
及瞬态性能指标的理论值MP、tp和tS（填入表中）。
（3）对给定的三阶系统，利用劳思判据计算当系统处于稳定、不稳定、临界稳定时的R值。
1.2.6实验报告要求
（1）画出实验电路图，并注明相应的参数；
（2）将记录的波形、测试数据以表格形式列出（表1.2-1，表1.2-2）；
（3）讨论二阶系统系统特征参量（
，ξ）变化时对系统性能的影响；讨论K值变化时对系统稳定性的影响。
R
（KΩ）
K
（1/s）
C（tp）
C（
）
MP（%）
tp（s）
ts（s）
阶跃响应曲线
测量
计算
测量
计算
测量
计算
（说明：
系统处于欠阻尼状态时，记上升时间tr为输出响应第一次到达稳态值的时间，计算公式请参考教材；系统处于临界阻尼和过阻尼状态时，定义上升时间tr为响应从稳态值的10%上升到90%所需的时间，计算公式：
）
表1.2-2
R（
）
K
输出波形
稳定性
稳定
临界稳定
不稳定
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