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自控原理实验指导书解析

自动控制原理实验指导书

赵家林南京工程学院二○一三年二月

一

典型及系性能的模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

3学

二

系率特征的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

2学

三

自控制系性能的校订⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

2学

附1

自控原理告

附2

ZK—III型自控制原理模系使用明

实验一典型环节及系统性能的模拟一、实验目的1．认识ZK—III型自动控制原理实验系统的功能，掌握其操作使用方法；2．熟习并定性地考证各样典型环节的阶跃响应曲线；3．研究一阶系统，二阶系统的运动规律，认识系统在阶跃信号作用下的过渡过程的变化；4．研究放大系数对闭环系统过渡过程的影响；二、实验仪器1．ZK—III型自动控制原理实验系一致台；2．接插线若干。

三、实验步骤1实验系统的“测试准备”处于压下状态，Ui为负阶跃信号,其值为负的3V左右；先接一反相器电路（如图一所示），其输入接负阶跃信号，

输出接“测试启动”同时接直流信号的

10k

“输入1”端；关断“负阶跃信号”。

10k

3将负阶跃信号接在实验线路的输入端，

再将实验线路的输出端接直流信号的“输入

2”端；接好实验电路；关断“负阶跃信号”。

4选择适合的“采样时间”和“量程”，图一反相器按一下“复位”键，仪器即做好了测试准备；5重复丈量时先关断“负阶跃信号”,再按一下“复位”键即可。

；电位器顺时针调理阻值增大；

7整个实验系统共地，实验系统

内部地线能够不接。

UiR1

四、典型环节的实验内容

1比率环节

传达函数G（S）=K,

此中:

K=R2/R1。

①按图二所示将实验线路接好

图二

比率环节

②“采样时间”选0.5S,“量程”选6V，按一下“复位”键，仪器已经做好了测试准备；③翻开“负阶跃信号”开关，察看并记录输出波形；

2积分环节

传达函数G（S）=1/TS,

此中:

T=R1×C。

放电

①按图三所示接好线路，并将积分电容的

两头并到“放电”的两头；

②采样时间选，量程选12V；

③在输入端加上“负阶跃信号”，察看输出

的动向过程并记录输出波形

图三积分环节

3惯性环节

传达函数G（S）=K/（TS+1）

。

此中:

K=R2/R1,T=R2×C

①按图四所示接好线路

②采样时间选1S，量程选6V

③在输入端加上“负阶跃信号”，

察看并记录输出的波形。

4比率微分环节

图四惯性环节

传达函数G（S）=K（1+τS）。

此中:

K=R2/R1,τ=R1×C。

UiR1·

①按图五所示接好线路；

··

②采样时间选，量程选6V；

③在输入端加上“负阶跃信号”，察看

并记录输出的波形。

图五比率微分环节

5比率积分环节

传达函数G（S）=K（1+1/TS）。

此中:

K=R2/R1,T=R2×C。

①按图六所示接好线路，并将电容的

放电

两头并到“放电”的两头；

··

②采样时间选，量程选12V；

UiR1

③在输入端加上“负阶跃信号”，察看

并记录输出的波形；

图六比率积分环节

五、典型系统的实验内容

采样时间为1s,量程为6v。

1一阶系统的性能研究

积分环节经反应构成的一阶系统

①按图七所示接好线路；

②负阶跃信号调成负

3V左右，加到系统输

入端，翻开负阶跃信号，察看系统的输出波

图七

形并记录之；

二阶系统性能的研究⑴典型二阶系统①按图八所示接好线路（将R1电阻调到最大），在输入端加上负阶跃信号，察看系统的输出波形，记录波形；②分别调整参数R1，C1，C2的大小，分别记录波形，察看并定性的剖析参数改变对输出波形的影响，记录系统阻尼比ξ、自然振荡角频次ωn和tr、ts及其余性能指标的变化状况。

UiR0

··

T1S

T2S+1

此中:

K1=R1/R0,K2=R4/R3,T1=R2C1,T2=R4C2图八⑵比率—微分控制的二阶系统系统中加入比率微分环节能使系统阻尼比增添，减小超调，同时，闭环零点将使系统的响应速度加速，调理时间和上涨时间都有所减小。

①按图九所示接好线路，先去掉C3，将R4电位器调到最大，在输入端加上负阶跃信号，记录输出波形；②并上电容C3，μF察看比率微分对系统性能的影响，并记录输出波形。

UiR0

··

Ui1K1Uo

T1ST2S+1

K2（1+τS）

此中:

K1=R2/R1,K2=R4/R3,T1=R0C1,T2=R2C2,τ=R3C3图九

1.六、实验结果剖析推导典型二阶系统（图八）的闭环传达函数。

剖析参数变化对输出的影响。

剖析比率微分对典型二阶系统（图九）输出的影响。

实验二系统频次特征的测试一、实验目的经过对系统频次特征的丈量，考证频次法剖析系统的正确性；依据实验数据学会绘制伯德图和乃氏图，并和理论数据进行比较；学习丈量系统或环节频次特征的方法。

二、实验仪器1ZK—III型自动控制原理模拟实验系一致台；接插线若干。

三、实验内容系统频次特征的测试线路以下列图所示。

在不一样的频次下丈量系统的输入,输出电压值和相位差值。

绘制系统的伯德图和乃奎斯特图。

四、实验方法按图接好线路，将正弦信号接到被测系统的输入端和“沟通信号”的“输入1”。

将被测信号输出端接“沟通信号”的“输入2”。

松开“测试准备”键，仪器进入沟通测试状态。

波形选择“正弦波”，在频次为48Hz时，调输入电压为3—5V，并保持不变。

经过“频次选择”和“频次微调”选择所需要的频次。

依据液晶显示屏的显示值，记录相应参数，填入下表。

此中：

“有效值1”表示输入电压值，“有效值2”表示输出电压值。

五、实验线路

Ui10K··Uo

μ接沟通“输入2”

接信号发生器，同时接沟通“输入1”实验线路图G（S）=1/（1+TS）此中：

T=RCA（ω）=Uo/UiL（ω）=20*lgA（ω）此中：

ω=2πf

f（Hz）_

152

202

270

361

417

448

Ui（V）

Uo（V）

计算lgω

计算L（ω）

f（Hz）

482

517

556

642

857

1142

1524

2710

Ui（V）

Uo（V）

φ计算lgω计算L（ω）L（ω）lgω幅频特征φlgω相频特征六依据实验数据画出该电路的伯德图和乃奎斯特图。

实验三自动控制系统性能的校订一、实验目的认识和观察校订装置对系统稳固性的影响；学习有源校订和无源校订装置的性能。

二、实验仪器1ZK—III型自动控制原理模拟实验系一致台；接插线若干。

三、实验步骤1实验系统的“测试准备”处于压下状态，Ui为负阶跃信号,其值为负的3V左右；先接一反相器电路（如图一所示），其输入接负阶跃信号，输出接“测试启动”同

时接直流信号的“输入1”端。

10k

3将负阶跃信号接在实验线路的输入端，

再将实验线路的输出端接直流信号的“输入

10k

2”端；接好实验电路；关断“负阶跃信号”。

4选择“采样时间”为4S。

系统不稳准时，

选择“量程”为12V；系统稳准时，选择“量

程”为6V，按一下“复位”键，仪器即做好了

图一

反相器

测试准备；

5重复丈量时先关断“负阶跃信号”,再按一下“复位”键即可；电位器顺时针调理阻值增大；整个实验系统共地，实验系统内部地线能够不接。

四、实验内容无源校订的剖析①按图二所示三阶系统接线，“直流信号”输入方式，量程选12V，采样时间选4S。

电位器的值调至最大，加上负阶跃信号，输出为不稳固波形，丈量并记录输出波形。

②在三阶不稳固系统的前向通道中（图二中A点）串入“滞后—超前”无源校订装置如图三所示，调整校订装置的参数RW1（RW1的阻值调到最大），改变参数RW2的阻值（分别调到最大和最小），分别记录系统的输出波形；而后再改变RW1的值（RW1的阻值调到最小），再改变参数RW2的阻值（分别调最大和最小），分别记录系统的输出

波形。

10μ

10K

47K

10μ

·10K

10K

10K·

10K

··A·

图二10KRW1:

47K

···2K

10μ

RW2

47K

图三·

从以上实验中能够看出，“超前”校订主要改良系统的瞬态响应，“滞后”校订主要改良系统的稳态性能，而“滞后—超前”校订能够同时改良系统的动向性能和稳态性能。

有源校订的剖析①图四为带有比率微分校订的三阶系统的电路图，按图接好线路，先将电容C4去掉，调整R4电位器，使系统在负阶跃信号作用下为欠阻尼状态，最好有3—4个振荡波或许为不稳固，记录波形。

②而后将电容C4加上，察看系统在单位阶跃信号作用下的输出响应，这时系统的超调量减小，响应加速，调理时间减小。

记录系统的响应波形，剖析校订装置对系统性能

的影响。

··R3

UiR0

··

图四

自动控制原理实验报告

南京工程学院自动化学院

一

典型及系性能的模⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

二

系率特征的⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

三

自控制系性能的校订⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯⋯

实验一典型环节及系统性能的模拟一、实验目的1．认识ZK—III型自动控制原理实验系统的功能，掌握其操作使用方法；2．熟习并定性地考证各样典型环节的阶跃响应曲线；3．研究一阶系统，二阶系统的运动规律，认识系统在阶跃信号作用下的过渡过程的变化；二、实验仪器1．ZK—III型自动控制原理实验系一致台；2．接插线若干。

三、典型环节的实验内容比率环节传达函数G（S）=K,此中:

K=R2/R1。

R2UiR1

图二比例环节输出波形积分环节传达函数G（S）=1/TS,此中:

T=R1×C。

放电

UiR

图三积分环节输出波形

惯性环节传达函数G（S）=K/（TS+1）。

此中:

K=R2/R1,T=R2×CCR2UiR1

Uo图四惯性环节输出波形比率微分环节传达函数G（S）=K（1+τS）。

此中:

K=R2/R1,τ=R1×C。

CR2UiUo

图五比率微分环节输出波形比率积分环节传达函数G（S）=K（1+1/TS）。

此中:

K=R2/R1,T=R2×C。

放电R2UiR1C

图六比率积分环节输出波形

四、典型系统的实验内容一阶系统的性能研究积分环节经反应构成的一阶系统UiR1C

UoR1图七输出波形二阶系统性能的研究⑴典型二阶系统

UiR0

··

图八推导典型二阶系统的闭环传达函数。

2．记录典型二阶系统的输出波形

3．记录参数改变（注明参数怎样改变）后的典型二阶系统的输出波形

4．剖析参数变化对输出的影响。

⑵比率—微分控制的二阶系统

UiR0

··

图九

1．记录典型二阶系统的输出波形

2．记录加入比率—微分控制的二阶系统输出波形

3．剖析比率微分对典型二阶系统输出的影响。

2实验二系统频次特征的测试一、实验目的经过对系统频次特征的丈量，考证频次法剖析系统的正确性；依据实验数据学会绘制伯德图和乃氏图，并和理论数据进行比较；学习丈量系统或环节频次特征的方法。

二、实验仪器1ZK—III型自动控制原理模拟实验系一致台；接插线若干。

五、实验线路

Ui10K··Uo

μ接沟通“输入2”

接信号发生器，同时接沟通“输入1”实验线路图G（S）=1/（1+TS）此中：

T=RC

A（ω）=Uo/Ui

L（ω）=20*lgA（ω）

此中：

ω=2πf

f（Hz）_

152

202

270

361

417

448

Ui（V）

Uo（V）

计算A（ω）

计算lgω

计算L（ω）

f（Hz）

482

517

556

642

857

1142

1524

2710

Ui（V）

Uo（V）

φ计算A（ω）计算lgω计算L（ω）

伯德图

幅频特征相频特征

乃奎斯特图

实验三自动控制系统性能的校订一、实验目的认识和观察校订装置对系统稳固性的影响；学习有源校订和无源校订装置的性能。

二、实验仪器1ZK—III型自动控制原理模拟实验系一致台；接插线若干。

四、实验内容无源校订的剖析

10μ

10K

47K

10μ

10K

10K·

·10K

10K

···

图二10KRW1:

47K

···2K

10μ

RW2

47K

图三·

①记录一型三阶系统的输出波形

②记录校订装置参数在各特别状态下的输出波形。

③经过以上图形的变化能得出什么结论

2无源校订的剖析

··R3

UiR0

··

图四①记录有无C4时的输出波形②剖析加入C4后对系统输出的影响

实验五计算机仿真时域法一实验目的在研究系统的结构和参数的变化对系统性能的影响时，采纳计算和作图的方法比较麻烦，并且偏差也大，而用计算机实现则简单方便，精度高。

因为MATLAB拥有强盛的作图功能，所以本实验采纳MATLAB绘制控制系统的瞬态响应波形.经过该实验，可加深对系统阶次，型号，参数与系统性能的关系的理解。

五实验内容二阶系统不带零点的时域剖析①察看并记录ξ变化，ωn不变时的输出响应曲线。

（S）

ξ=1

（S）

6S4

4S4

（S）

2S4

剖析阻尼比ξ的变化对系统性能的影响和性能指标的变化。

②察看并记录阻尼比ξ不变，n变化时的输出响应曲线。

（S）

ωn=1

（S）

ωn=3

（S）

3S9

剖析ωn变化时对系统性能的影响和性能指标的变化。

③察看并记录A变化时的输出响应曲线。

（S）

A=5

（S）

2S5

剖析A变化对系统性能的影响。

三阶不带零点的时域剖析法

（S）

A=3

（S）

3S2

2S3

A=7

（S）

3S2

2S7

剖析A变化对系统性能的影响。

二阶系统带零点的时域剖析法（0〈ξ〈1）

（S）

4（S1）

（S）

4（S3）

2S4

剖析零点变化对系统性能的影响。

三阶系统带零点的时域剖析法

F=2

（S）

F=3

（S）

3S2

2S1

剖析零点变化对系统性能的影响。

附录2ZK—III型自动控制原理模拟实验系统使用说明ZK—III型自动控制原理模拟实验系统包含两个部分。

其一为丈量部分，包含信号发生器、直流信号丈量和沟通信号丈量等。

其二为结构实验线路部分，包含可构成基本典型环节的10个基本单元、无源校订电路、RC电路和正、负阶跃输入信号等。

以下分别介绍ZK—III型自动控制原理模拟实验系统的各个部分的功能及其使用方法。

第一部分：

丈量部分：

一技术性能丈量部分主要由波形显示，信号发生器，直流信号输入和沟通信号输入四个部分构成。

信号发生器输出信号波形为正弦波，频次范围为30Hz—7000Hz，输出电压最大值为12V。

直流输入电压最大值不超出12V，沟通输入电压最大值不超出12V。

有+5V直流电源输出。

二应用范围测试模拟各基本环节的瞬态响应波形。

测试系统的瞬态响应波形。

供给系统频次特征测试所需的输入信号和同时显示该实验所需的各组参数值。

基本结构波形显示由一块点数为320×240的液晶显示屏构成，能够显示所需丈量的直流瞬态响应波

2形和沟通信号的输入、输出电压值，沟通信号的频次，两个沟通信号的相位差及波形等。

信号发生器ZK—Ⅲ配置一个正弦信号发生器，可用来做频次特征实验所需的信号源。

频次范围为30Hz—7000Hz分红四个波段可调，此外有一个“频次微调”调理它可获得实验所需要的详细频次。

“电压调理”使输出电压在0—12V之间可调。

直流输入方式直流输入方式包含启动、采样时间、输入1、输入2和量程等。

可用于丈量环节和和系统的瞬态响应波形。

4沟通输入方式沟通输入方式包含输入1、输入2和标准/放大等。

可用于丈量环节和系统的频次特征。

其余面板上所有接地端已经所有连通。

“直流输入”形式下的用法连结一个反相器，输入接“负阶跃信号”（输出电压为负3V—5V之间），其输出接到“启动”处，作为测试时的启动信号同时接到“输入1”用来监控输入电压值。

将被测电路的输出信号接到“输入2”端，接线时要注意不可以将输出信号接到“地”端。

按下“测试准备”键，选择适合的量程和采样时间，再按一下“复位”键，这时仪器已做好丈量前的准备工作。

当被测电路加上“负阶跃信号”时，显示屏即显示出所需丈量的输出瞬态响应波形。

重复丈量时，先将负阶跃信号关断，按一下“复位”键，仪器即做好了下一次丈量的准备。

“沟通输入”形式下的用法先接实验线路，将线路输入端接信号发生器输出，同时接“沟通信号”的“输入1”。

线路输出端接“沟通信号”的“输入2”。

按下“测试准备”键，仪器即进入“沟通输入”状态。

将输入信号的电压在频次为48Hz时，调“电压调理”使其值在3—5V之间，在实

1验过程中将不再调理，在实验过程中该值会随频次的变化而变化，只需按实质值记录即可。

4实验中数据所有在显示屏中显示。

此中，有效值1：

为输入电压值，有效值2：

为输出电压值。

注意：

一阶系统的频次特征中其相位差为负值。

第二部分：

结构实验线路部分：

一技术性能1该实验系统采纳低功耗运算放大器，输入额定电压为沟通220V。

内有正负12V直流稳压电源，在面板上可直接引出。

十块运放单元采纳双列直插，其同相端接电阻共地，可供模拟系统使用。

4本装置供给0到正负12V可调阶跃信号作为各环节或系统的输入信号。

分为正阶跃信号和负阶跃信号两种。

二应用范围模拟各基本环节实验电路系统阶跃响应特征实验电路系统稳固性剖析实验电路系统频次特征丈量实验电路各样校订装置的设计及特征剖析电路使用说明电源——翻开船形开关，接通电源，指示灯亮，说明220V沟通电源已经接入，同时正负12V直流电源已经工作。

阶跃信号源——拨动开关置“开”，则接入内部电源，经过可调电位器的调理，可获得0到正负12V阶跃信号，用此作为各环节或系统的输入信号。

十块运放电路的正负12V电源，“地”端均在底版用印刷线连结好，输入，输出端口分别引出，察看输出波形时可直接插入

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