南京理工大学控制工程基础实验报告.docx
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南京理工大学控制工程基础实验报告
《控制工程基础》实验报告
姓名欧宇涵
周竹青
学院教育实验学院
指导老师蔡晨晓
南京理工大学自动化学院
2017年1月
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实验1：
典型环节的模拟研究
一、实验目的与要求：
1、学习成立典型环节的模拟电路；
2、研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响；
3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并计算其典型环节的传达函数。
二、实验内容：
完成比率环节、积分环节、比率积分环节、惯性环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃响应特点的影响。
三、实验步骤与方法
（1）比率环节
图1-1比率环节模拟电路图
比率环节的传达函数为：
UO（s）
K，其中K
R2
，参数取R2=200K，R1=100K。
Ui（s）
R1
步骤：
1、连接好实验台，按上图接好线。
2、调治阶跃信号幅值（用万用表测），此处以1V为例。
调治完成后恢复初始。
3、Ui接阶跃信号、Uo接IN采集信号。
4、打开上端软件，设置采集速率为“1800uS，”取消“自动采集”选项。
5、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据以以下图。
图1-2比率环节阶跃响应
3
（2）积分环节
C
VIR
Vo
200K
图1-3积分环节模拟电路图
积分环节的传达函数为：
VO
1，其中TI=RC，参数取R=100K，μf。
VI
TIS
步骤：
同比率环节，采集数据以以下图。
图1-4积分环节阶跃响应
（3）微分环节
R2
VI
C
R1
Vo
200K
图1-5微分环节模拟电路图
4
微分环节的传达函数为：
VO
TDS
K，其中TD=R1C、K=R2
。
参数取：
VI
1TDS
R1
R1=100K，R2=200K，C=1μf。
步骤：
同比率环节，采集数据以以下图。
图1-6微分环节阶跃响应
（４）惯性环节
R2
VIR1C
Vo
200K
图1-7惯性环节模拟电路图
惯性环节的传达函数为：
VO
K
，其中TR2C,K
R2。
参数取：
VI
TS
1
R1
R1=100K，R2=200Kμf。
步骤：
同比率环节，采集数据以以下图。
5
图1-8惯性环节阶跃响应
四、实验结果解析：
1、画出比率环节、微分环节、积分环节、惯性环节的模拟电路图，并求出传达函数。
经过实验得出比率环节、微分环节、积分环节、惯性环节的阶跃响应曲线；
2、由阶跃响应曲线估计出比率环节、惯性环节的传达函数，并与由电路计算的
结果进行比较解析。
（1）比率环节
图4-1-1比率环节原始电路阶跃响应曲线
6
图4-1-2比率环节R2=400kΩ电路阶跃响应曲线
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（2）积分环节
图4-2-1积分环节原始电路阶跃响应曲线
图4-2-2积分环节C=0.2uF电路阶跃响应曲线
8
（3）微分环节
图4-3-1微分环节原始电路阶跃响应曲线
图4-3-2微分环节R2=500kΩ阶跃响应曲线
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（4）惯性环节
图4-4-1惯性环节原始电路阶跃响应曲线
图4-4-2惯性环节R1=400kΩ阶跃响应曲线
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实验2：
典型系统时域响应动、静态性能解析和牢固性研究
一、实验目的与要求：
1、熟悉二阶模拟系统的组成，研究二阶系统分别工作在ξ＝1，0<ξ<1，ξ>1等状态下的阶跃响应；
2、学习掌握动向性能指标的测试方法，研究典型系统参数对系统动向性能和牢固性的影响；
3、检验系统的牢固性与系统自己结构参数的关系。
二、实验内容：
1、观察典型二阶系统的阶跃响应，测出系统的超调量和调治时间，并研究其参数变化对系统动向性能和牢固性的影响；
2、针对某一给定控制系统进行实验，系统输入是脉冲函数，观察系统的不牢固现象。
研究系统开环增益和时间常数对牢固性的影响。
三、实验步骤与方法：
（一）二阶系统的阶跃响应实验
典型二阶系统的方块结构图以以下图所示：
R（S）
E（S）
C（S）
1
K1
T1.s+1
图2-1典型二阶系统结构图
其开环传达函数为G（S）
K
，K
K1
为开环增益。
T0
S（T1S
1）
2
K1
1
T0
其闭环传达函数为W（S）
n
2
，其中
，
。
n
S2
2
nSn
T1T0
2
K1T1
取二阶系统模拟电路图以下：
图2-2典型二阶系统模拟电路图
12
其中T0
R0C1，T1RxC2，K1
RX
。
下面即测出二阶系统在过阻尼（
1），
R1
临界阻尼（
1），欠阻尼（0
1）等状态下的阶跃响应曲线。
步骤：
1、连接好实验台，按上图接好线。
2、调治阶跃信号为1V（使用万用表测量）。
调治完成后恢复信号到0V状态。
3、Ui接阶跃信号，Uo接IN采集信号。
4、打开上端软件，选中“低频扫描”，设置采集速率为“50mS”，取消“自动采集”选项。
5、调治可变电阻观察过阻尼、临界阻尼、欠阻尼状态。
改变电阻重新观察时需在进行放电操作（能够重新开关一次实验台）。
6、点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关，采集数据以以下图。
图2-3过阻尼、临界阻尼阶跃响应
图2-4欠阻尼阶跃响应
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（二）控制系统的牢固性解析
给定系统模拟电路图以下：
图2-5系统模拟电路图
步骤：
（注：
系统出现等幅振荡响应时的电阻值范围在250-300K）
1、依照上图接好线路，令C=1uf。
点击上端软件“开始”按键，随后向上拨动阶跃信号开关再关掉（即模拟产生了一个脉冲信号）。
2、改变电位器，使R3从0~1M方向变化，此时相应K1=0—10。
观察输出波形，找到系统产生增幅振荡时相应的R3值及K1值；
3、再把电位器电阻由大到小变化，即R3从1~0M方向变化，找到系统输出从产生等幅振荡向减幅振荡变化的R3及K1值。
图2-6增幅振荡
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图2-7等幅振荡
图2-8减幅振荡
4、在步骤1的条件下，使系统工作在不牢固状态，即工作在等幅振荡情况，电容从1uf变成，观察系统牢固性的变化。
四、实验结果解析：
依照实验
（一）：
1、画出二阶系统的模拟电路图，并求出参数ξ、n的表达式；
2、观察实验结果，求出不同样ξ和n条件下的超调量Mp和调治时间ts；
3、依照二阶系统的响应曲线，由Mp和ts值估计系统的传达函数，并与模拟电路计算的传达函数对照较。
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图4-1-1临界阻尼Rx=71.7kΩ阶跃响应曲线
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图4-1-2过阻尼Rx=50kΩ阶跃响应曲线
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图4-1-3欠阻尼Rx=840kΩ阶跃响应曲线
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依照实验
（二）：
1、画出系统的模拟电路图；
2、画出系统的等幅、增幅及减幅的响应波形图；
图4-2-1增幅振荡
图4-2-2等幅振荡
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图4-2-1减幅振荡
3、实验结果计算系统出现等幅振荡响应时的可调电阻值和临界放大系数。
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实验3：
控制系统的频率特点研究
一、实验目的与要求：
1、学习测量典型环节（或系统）频率响应曲线的方法和技术；
2、掌握依照实验获取系统的频率特点的方法。
二、实验内容：
完成惯性环节的频率特点测试实验。
三、实验步骤与方法：
（一）频率响应
图3-1惯性环节模拟电路图
步骤：
（1）测试500Hz正弦波
1、连接好实验台，按上图接好线。
调治R1电阻阻值约为2K，Ui接OUT0。
2、打开上端软件
采集显示：
选中“频率特点”，设置采集速率100Us，取消“自动采集”选项。
波形输出：
选中“正弦波”，设置峰值输出为“10V”，频率输出为“500Hz”。
3、IN第一接Ui，点击“开始”，提示采集第一次波形,点击“确认”（输入波形）。
4、采集完成后，出现提示采集第二次波形，将IN改接Uo，点击“确认”（输出
波形），采集完成后以以下图。
图3-2惯性环节正弦信号频率响应（500Hz）
（2）测试50Hz正弦波
1、连接好实验台，按上图接好线。
调治R1电阻阻值约为2K，Ui接OUT0。
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2、打开上端软件
采集显示：
选中“频率特点”，设置采集速率500Us，取消“自动采集”选项。
波形输出：
选中“正弦波”，设置峰值输出为“10V”，频率输出为“50Hz”。
3、IN第一接Ui，点击“开始”，提示采集第一次波形,点击“确认”（输入波形）。
4、采集完成后，出现提示采集第二次波形，将
IN改接Uo，点击“确认”（输出
波形），采集完成后以以下图。
图3-3
惯性环节正弦信号频率响应
（50Hz）
（二）由MATLAB进行频率特点仿真实验：
已知某单位负反响系统的开环传达函数为：
6s3
26s2
6s
20
G（s）
3s3
4s2
2s2
频率范围[0.1,100]
s4
（1）绘制频率响应曲线，包括
Bode图和幅相曲线（Nyquist图）。
（2）依照Nyquist判据判断系统的牢固性。
（3）依照Bode图求出系统的截止频率
c以及幅值裕度与相位裕度。
四、实验结果解析：
1、画出系统的模拟电路图，计算其传达函数；
2、依照实验
（一），给出系统在正弦输入下的频率响应并记录响应曲线；
图4-1-1惯性环节正弦信号频率响应（500Hz）
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图4-1-2惯性环节正弦信号频率响应（50Hz）
3.依照实验
（二），绘制Bode图和幅相曲线，并判断系统的牢固性和牢固裕度。
图4-1-3波特图
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图4-1-4幅相曲线
幅值裕度：
Gm=infinite
相位裕度：
°
截止频率：
Wc=6.8694rad/s
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实验4：
线性系统校正
一、实验目的与要求：
掌握控制系统设
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