自控实验报告.docx
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自控实验报告
南昌大学实验报告
学生姓名：
学号：
专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
一、实验项目名称：
典型环节的模拟研究
二、实验要求
1．了解和掌握各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式
2．观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了解各项电路参数对典型环节动态特性的影响
三、主要仪器设备及耗材
1．计算机一台（WindowsXP操作系统）
2．AEDK-labACT自动控制理论教学实验系统一套
3．LabACT6_08软件一套
四、实验内容和步骤
1）.观察比例环节的阶跃响应曲线
电路图如下：
对照实验箱接线，构造模拟电路。
按照下表安装短路套及测孔联线。
打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0→+4V阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。
按实验书上连接好线路，观测到该曲线如下
由该图可计算出比例系数K=1.93
2）观察惯性环节的阶跃响应曲线
图3-1-4典型惯性环节模拟电路
对照实验箱接线，构造模拟电路。
按照下表安装短路套及测孔联线。
（a）安置短路套（b）测孔联线
模块号
跨接座号
1
A1
S4，S8，S10（电容C=1uf）
2
A6
S2，S6
1
信号输入（Ui）
B1（Y）→A1（H1）
2
运放级联
A1（OUT）→A6（H1）
打开虚拟示波器的界面，点击开始，按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮（0→+4V阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）。
3）观察积分环节的阶跃响应曲线
典型积分环节模拟电路如下图：
实验箱接线示意表：
（a）安置短路套（b）测孔联线
1
信号输入（Ui）
B5（OUT）→A1（H1）
2
运放级联
A1（OUT）→A6（H1）
模块号
跨接座号
1
A1
S4，S10（电容C=1uf）
2
A6
S2，S6
3
B5
‘S-ST’
南昌大学实验报告
学生姓名：
学号：
专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo），调节调宽电位器使宽度从0.3秒开始调到积分输出在虚拟示波器顶端（即积分输出电压接近+5V）为止。
等待完整波形出来后，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。
A6输出端（Uo）的实际响应曲线
Uo（t）。
改变时间常数（分别改变运算模拟单元A1的输入电阻Ro和反馈电容C），重新观测结果。
4）观察比例积分环节的阶跃响应曲线
典型比例积分环节模拟电路如下图所示.。
（2）构造模拟电路：
按图3-1-8安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套（b）测孔联线
1
信号输入（Ui）
B5（OUT→A5（H1）
2
运放级联
A5（OUT）→A6（H1）
模块号
跨接座号
1
A5
S4，S8，S9（电容C=2uf）
2
A6
S2，S6
3
B5
‘S-ST’
（3）运行、观察、记录：
（注：
CH1选‘×1’档。
时间量程调选‘×1’档）
①打开虚拟示波器的单迹界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo）。
②待完整波形出来后，移动虚拟示波器横游标到1V（与输入相等）处，再移动另一根横
游标到ΔV=Kp×输入电压处，得到与积分曲线的两个交点。
③再分别移动示波器两根纵游标到积分曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。
④改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A5的输入电阻Ro和反馈电容C），重新观测结果，填入实验报告。
5）观察比例微分环节的阶跃响应曲线
典型比例微分环节模拟电路如下图
构造模拟电路：
按图3-1-9安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套（b）测孔联线
模块号
跨接座号
1
A4
S4，S9
2
A6
S2，S6
3
B5
‘S-ST’
1
信号输入（Ui）
B5（OUT）→A4（H1）
2
运放级联
A4（OUT）→A6（H1）
（
①打开虚拟示波器的界面，点击开始，用示波器观测系统的A6输出端（Uo），响应曲线见图3-1-10。
等待完整波形出来后，把最高端电压（4.77V）减去稳态输出电压（0.5V），然后乘以0.632，得到ΔV=2.7V。
②移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到ΔV=2.7V处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得Δt=0.048S。
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专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
6）观察PID环节的响应曲线
PID（比例积分微分）环节模拟电路如下图
构造模拟电路：
按图3-1-11安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套（b）测孔联线
模块号
跨接座号
1
A2
当电阻R1=10K时
S1，S7
2
A6
S2，S6
3
B5
‘S-ST’
1
信号输入（Ui）
B5（OUT）→A2（H1）
2
运放级联
A2（OUT）→A6（H1）
①打开虚拟示波器的单迹界面，点击开始，用示波器观测A6输出端（Uo）。
②等待完整波形出来后，移动虚拟示波器两根横游标使之ΔV=Kp×输入电压，，得到与积分的曲线的两个交点。
③再分别移动示波器两根纵游标到积分的曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti。
④改变时间常数及比例系数（分别改变运算模拟单元A2的输入电阻Ro和反馈电阻R1），重新观测结果，填入实验报告。
五、实验小结
通过此次实验，使我对各典型环节模拟电路的构成方法、传递函数表达式及输出时域函数表达式加深了了解，对实验室仪器和电脑的应用有了一定的了解，基本能独立完成典型环节的模拟研究的实验
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专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
一、实验项目名称：
二阶系统瞬态响应和稳定性
二、实验要求
1.了解和掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及I型二阶闭环系统的传递函数标准式
2.研究I型二阶闭环系统的结构参数—无阻尼振荡频率ωn、阻尼比ζ对过渡过程的影响
3.掌握欠阻尼I型二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts的计算
4.观察和分析I型二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信号输入时的动态性能指标Mp、tp、ts值，并与理论计算值作对比。
三、主要仪器设备及耗材
1．计算机一台（WindowsXP操作系统）
2．AEDK-labACT自动控制理论教学实验系统一套
3．LabACT6_08软件一套
四、实验内容和步骤
按实验书上的电路图连接好线路，用示波器观察在三种增益K下，输出端C（t）的系统阶跃响应
K=1
K=2.5
K=25
五、实验数据及处理结果
1.改变积分时间常数Ti（惯性时间常数T=0.1s，惯性环节增益K=25，R=4K，C2=1u）,记录实验结果改变时间常数Ti可改变R1（C1=2u）
①计算值：
R1=500kTi=R1*C1=1sωn=√k/TiT＝15.81ε=1/2√Ti/kT=0.316Mp=35.1%tp=0.21sts=3/εωn=0.6s
由此图可知ts=0.6sMp=0.7/（2.11-0.04）x100%=33.82%
由此图可知tp=0.21s
R1=400kTi=R1*C1=0.8ωn=√k/TiT=17.68ε=1/2√Ti/kT=0.283
Mp=39.58%tp=0.19sts=3/εωn=0.6s
由此图可知tp=0.18s与计算值相差不大
由此图可知ts=0.6s
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学生姓名：
学号：
专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
Mp=0.81/（2.11-0.04）x100%=39.13%
2.改变积分时间常数T（惯性时间常数Ti=1s，惯性环节增益K=25，R=4K，C1=1u）,记录实验结果
改变积分时间常数T可改变R2，（C2=1u）当R2=100kT=R2*C2=0.1s
ωn=√k/TiT＝15.81ε=1/2√Ti/kT=0.316Mp=35.1%tp=0.21sts=3/εωn=0.6s
由此图可知ts=0.6sMp=0.7/（2.11-0.04）x100%=33.82%
由此图可知tp=0.21s
由于没时间了没继续改变R2的值继续进行实验
五、实验小结
通过此次实验，加深了解了典型二阶系统模拟电路的构成方法及I型二阶闭环系统的传递函数标准式，更加熟悉了实验台的电路，基本能独立完成研究二阶系统瞬态响应和稳定性的实验
南昌大学实验报告
学生姓名：
学号：
专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
一、实验项目名称：
三阶系统的瞬态响应和稳定性
二、实验目的
1.了解和掌握典型三阶系统模拟电路的构成方法及Ⅰ型三阶系统的传递函数表达式。
2.熟悉劳斯（ROUTH）判据使用方法。
3.应用劳斯（ROUTH）判据，观察和分析Ⅰ型三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响应。
三、主要仪器设备及耗材
1．计算机一台（WindowsXP操作系统）
2．AEDK-labACT自动控制理论教学实验系统一套
3．LabACT6_08软件一套
四、实验内容和步骤
本实验用于观察和分析三阶系统瞬态响应和稳定性。
Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路如图3-1-8所示。
它由积分环节（A2）、惯性环节（A3和A5）构成。
图3-1-11Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路图
图3-1-11的Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数：
积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S，
惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T1=R3*C2=0.1S，K1=R3/R2=1
惯性环节（A5单元）的惯性时间常数T2=R4*C3=0.5S，K2=R4/R=500k/R
该系统在A5单元中改变输入电阻R来调整增益K，R分别为30K、41.7K、100K。
闭环系统的特征方程为：
（3-1-6）
特征方程标准式：
（3-1-7）
由ROUTH判据，得
Ⅰ型三阶闭环系统模拟电路图见图3-1-11，分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到30K、41.7K、100K，跨接到A5单元（H1）和（IN）之间，改变系统开环增益进行实验。
实验步骤：
注：
‘SST’不能用“短路套”短接！
（1）用信号发生器（B1）的‘阶跃信号输出’和‘幅度控制电位器’构造输入信号（Ui）：
B1单元中电位器的左边K3开关拨下（GND），右边K4开关拨下（0/+5V阶跃）。
阶跃信号输出（B1-2的Y测孔）调整为2V（调节方法：
按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮，L9灯亮，调节电位器，用万用表测量Y测孔）。
（2）构造模拟电路：
按图3-1-11安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套（b）测孔联线
模块号
跨接座号
1
A1
S4，S8
2
A2
S2，S10，S11
3
A3
S4，S8，S10
4
A5
S7，S10
5
A6
S2，S6
1
信号输入r（t）
B1（Y）→A1（H1）
2
运放级联
A1（OUT）→A2（H1）
3
运放级联
A2（OUT）→A3（H1）
4
运放级联
A3（OUT）→A5（H1）
5
运放级联
A5（OUT）→A6（H1）
6
负反馈
A6（OUT）→A1（H2）
7
跨接元件30K、41.7K、100K
元件库A11中直读式可变电阻跨接到A5（H1）和（IN）之间
（3）虚拟示波器（B3）的联接：
示波器输入端CH1接到A5单元信号输出端OUT（C（t））。
注：
CH1选‘X1’档。
（4）运行、观察、记录：
①运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的三阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。
也可选用普通示波器观测实验结果。
②分别将（A11）中的直读式可变电阻调整到30K、41.7K、100K，按下B1按钮，用示波器观察A5单元信号输出端C（t）的系统阶跃响应。
③改变时间常数（分别改变运算模拟单元A3和A5的反馈电容C2、C3），重新观测结果，填入实验报告。
五、实验数据及处理结果
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学生姓名：
学号：
专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
30k
41.7k
100k
C2=2uall=100k
C3=2uall=100k
六、实验心得与体会
实验通过改变R来实现对开环增益K的改变，电容的改变主要是用来改变时间常数T，从而来达到滤波的作用。
通过理论分析可知，041.7K欧时，系统稳定；k=12时，即R=41.7k欧时，系统临界稳定；k>12时，即R<41.7K时，系统不稳定。
由实验截图可知，当R=30k欧<41.7k欧时，系统输出信号失真，不稳定；当R=41.7k欧时，系统输出信号稳定且没有失真；当R=100k欧>41.7k欧时，系统输出信号虽然有所缩小，但却稳定，没有失真。
通过实验数据，让我们对判断系统稳定的理论依据——劳斯判据，有了更加实质性的了解，加深了对劳斯判据理解，并熟悉与掌握其使用。
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专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
一、实验项目名称：
一阶惯性环节的频率特性曲线
二、实验目的
了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。
三、主要仪器设备及耗材
1．计算机一台（WindowsXP操作系统）
2．AEDK-labACT自动控制理论教学实验系统一套
3．LabACT6_08软件一套
四、实验内容和步骤
本实验用于观察和分析一阶惯性环节的频率特性曲线。
频域分析法是应用频率特性研究线性系统的一种经典方法。
它以控制系统的频率特性作为数学模型，以波德图或其他图表作为分析工具，来研究和分析控制系统的动态性能与稳态性能。
本实验将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，自动产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化（0.5Hz~64Hz），OUT2输出施加于被测系统的输入端r（t），然后分别测量被测系统的输出信号的对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。
惯性环节的频率特性测试电路见图3-2-1。
图3-2-1惯性环节的频率特性测试电路
实验步骤：
（1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。
（2）构造模拟电路：
按图3-2-1安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套（b）测孔联线
模块号
跨接座号
1
A1
S2，S6
2
A6
S4，S7，S9
1
信号输入
B2（OUT2）→A1（H1）
2
运放级联
A1（OUT）→A6（H1）
3
相位测量
A6（OUT）→A8（CIN1）
4
A8（COUT1）→B4（A2）
5
B4（Q2）→B8（IRQ6）
6
幅值测量
A6（OUT）→B7（IN6）
（1）运行、观察、记录：
①运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，选择一阶系统，就会弹出虚拟示波器的频率特性界面，点击开始，实验机将自动产生0.5Hz~64Hz多个频率信号，测试被测系统的频率特性，等待将近十分钟，测试结束。
②测试结束后，可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图），同时在界面上方将显示该系统用户点取的频率点的L、
、Im、Re等相关数据。
点击停止后，将停止示波器运行。
③改变惯性环节开环增益：
改变A6的输入电阻R=50K、100K、200K。
C=1u，R2=50K（T=0.05）。
改变惯性环节时间常数：
改变A6的反馈电容C2=1u、2u、3u。
R1=50K、R2=50K（K=1）
五、实验数据及处理结果
R=50K；C=1u，R2=50K（T=0.05）
幅频特性
幅相特性（乃氏图）
相频特性
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专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
R=100K；C=1u，R2=50K（T=0.05）
幅频特性
幅相特性（乃氏图）
相频特性
R=50K；C=2u，R2=50K（T=0.05）
幅频特性
幅相特性（乃氏图）
相频特性
南昌大学实验报告
学生姓名：
学号：
专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
C2=2uR1=50K、R2=50K（K=1）.
相频特性
幅相特性
幅频特性
C2=3uR1=50K、R2=50K（K=1）.
相频特性
幅相特性
幅频特性
六、实验心得与体会
该实验通过改变电阻间接改变开环增益k，通过改变电容来间接改变时间常数T。
改变开环增益，可以改变伯德图中低频段的初值，即L（w）=20lgk；乃氏图中改变了实部的初值（虚部为零）。
改变时间常数T，可以伯德图中交接频率，交接频率越小，对高频过滤明显；乃氏图中改变点偏离虚轴的大小，T越大，偏离越远；相频图中，T越大，Ψ改变的越快。
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学号：
专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
一、实验项目名称：
二阶闭环系统的频率特性曲线
二、实验目的
1.了解和掌握二阶闭环系统中的对数幅频特性
和相频特性
，实频特性
和虚频特性
的计算
2.了解和掌握欠阻尼二阶闭环系统中的自然频率ωn、阻尼比ξ对谐振频率ωr和谐振峰值L（ωr）的影响及ωr和L（ωr）的计算。
3.观察和分析欠阻尼二阶开环系统的谐振频率ωr、谐振峰值L（ωr），并与理论计算值作比对。
三、主要仪器设备及耗材
1．计算机一台（WindowsXP操作系统）
2．AEDK-labACT自动控制理论教学实验系统一套
3．LabACT6_08软件一套
四、实验内容和步骤
本实验用于观察和分析二阶闭环系统的频率特性曲线。
本实验以第3.1.2节〈二阶系统瞬态响应和稳定性〉中‘二阶闭环系统模拟电路’为例，令积分时间常数为Ti，惯性时间常数为T，开环增益为K，
可得：
自然频率：
阻尼比：
（3-2-1）谐振频率：
谐振峰值：
（3-2-2）频率特性测试电路如图3-2-2所示，其中惯性环节（A3单元）的R用元件库A7中可变电阻取代。
图3-2-4二阶闭环系统频率特性测试电路
积分环节（A2单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=1S，惯性环节（A3单元）的惯性时间常数T=R3*C2=0.1S，开环增益K=R3/R。
设开环增益K=25（R=4K），各环节参数代入式（3-2-1），得：
ωn=15.81ξ=0.316；再代入式（3-2-2），得：
谐振频率：
ωr=14.14谐振峰值：
实验步骤：
（1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。
（2）构造模拟电路：
按图3-2-4安置短路套及测孔联线，表如下。
（a）安置短路套（b）测孔联线
模块号
跨接座号
1
A1
S4，S8
2
A2
S2，S11，S12
3
A3
S8，S9
5
A6
S2，S6
1
信号输入
B2（OUT2）→A1（H1）
2
运放级联
A1（OUT）→A2（H1）
3
运放级联
A3（OUT）→A6（H1）
4
负反馈
A3（OUT）→A1（H2）
6
相位测量
A6（OUT）→A8（CIN1）
7
A8（COUT1）→B4（A2）
8
B4（Q2）→B8（IRQ6）
9
幅值测量
A6（OUT）→B7（IN4）
10
跨接元件
（4K）
元件库A11中可变电阻跨接到
A2（OUT）和A3（IN）之间
（3）运行、观察、记录：
①将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入，运行LABACT程序，在界面的自动控制菜单下的线性控制系统的频率响应分析-实验项目，选择二阶系统，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始，实验开始后，实验机将自动产生0.5Hz~16Hz等多种频率信号，等待将近十分钟，测试结束后，观察闭环对数幅频、相频曲线和幅相曲线。
②测试结束后，可点击界面下方的“频率特性”选择框中的任意一项进行切换，将显示被测系统的闭环对数幅频、相频特性曲线（伯德图）和幅相曲线（奈奎斯特图）。
图3-2-4的被测二阶系统的闭环对数幅频所示。
③显示该系统用户点取的频率点的ω、L、
、Im、Re
实验机在测试频率特性结束后，将提示用户用鼠标直接在幅频或相频特性曲线的界面上点击所需增加的频率点（为了教育上的方便，本实验机选取的频率值f，以0.1Hz为分辨率，例如所选择的信号频率f值为4.19Hz，则被认为4.1Hz送入到被测对象的输入端），实验机将会把鼠标点取的频率点的频率信号送入到被测对象的输入端，然后检测该频率的频率特性。
检测完成后在界面上方显示该频率点的f、ω、L、
、Im、Re相关数据，同时在曲线上打‘十字标记’。
如果增添的频率点足够多，则特性曲线将成为近似光滑的曲线。
鼠标在界面上移动时，在界面的左下角将会同步显示鼠标位置所选取的角频率ω值及幅值或相位值。
在（\Aedk\LabACT\两阶频率特性数据表）中将列出所有测试到的频率点的闭环L、
、
南昌大学实验报告
学生姓名：
学号：
专业班级：
实验类型：
■验证□综合□设计□创新实验日期：
实验成绩：
Im、Re等相关数据测量。
注：
该数据表不能自动更新，只能用‘关闭后再打开’的办法更新。
④谐振频率和谐振峰值的测试：
在闭环对数幅频曲线中用鼠标在曲线峰值处点击一下，待检测完成后就可以根据‘十字标记’测得该系统的谐振频率ωr，谐振峰值L（ωr），见图3-2-5；实验结果可与式（3-2-9）的计算值进行比对。
⑤改变惯
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