自动控制原理实验报告优质文档.docx
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自动控制原理实验报告优质文档
实验报告
课程名称：
自动控制原理
实验项目：
典型环节的时域相应
实验地点：
自动控制实验室
实验日期：
2017年3月22日
指导教师：
乔学工
实验一典型环节的时域特性
一、实验目的
1.熟悉并掌握TDN-ACC+设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。
2.熟悉各种典型环节的理想阶跃相应曲线和实际阶跃响应曲线。
对比差异，分析原因。
3.了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验设备
PC机一台，TD-ACC+（或TD-ACS）实验系统一套。
三、实验原理及内容
下面列出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
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
其中
（4）模拟电路图：
（5）理想与实际阶跃响应对照曲线：
①取R0=200K；R1=100K。
②取R0=200K；R1=200K。
2．积分环节（I）
（1）方框图
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
其中
（4）模拟电路图
（5）理想与实际阶跃响应曲线对照：
①取R0=200K；C=1uF。
②取R0=200K；C=2uF。
3．比例积分环节（PI）
（1）方框图：
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
（4）模拟电路图：
（5）理想与实际阶跃响应曲线对照：
①取R0=R1=200K；C=1uF。
理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线
②取R0=R1=200K；C=2uF。
理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线
4．惯性环节（T）
（1）方框图
（2）传递函数：
。
（3）模拟电路图
（4）阶跃响应：
，其中；
（5）理想与实际阶跃响应曲线对照：
①取R0=R1=200K；C=1uF。
②取R0=R1=200K；C=2uF。
5.比例微分环节（PD）
（1）方框图
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
。
（4）模拟电路图
（5）理想与实际阶跃响应曲线对照：
①取R0=R2=100K，R3=10K，C=1uF；R1=100K。
②取R0=R2=100K，R3=10K，C=1uF；R1=200K。
6.比例积分微分环节（PID）
（1）方框图：
（2）传递函数：
（3）阶跃响应：
（4）模拟电路图：
（5）理想与实际阶跃响应曲线对照：
①取R2=R3=10K，R0=100K，C1=C2=1uF；R1=100K。
②取R2=R3=10K，R0=100K，C1=C2=1uF；R1=200K。
四、实验步骤及结果波形
1.按所列举的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.将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。
由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。
将开关分别设在“方波”档和“500ms～12s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。
3.将2中的方波信号加至环节的输入端Ui，用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际响应曲线U0（t），记录实验波形及结果。
4.改变几组参数，重新观测结果。
5.用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比例积分微分环节的模拟电路图。
观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实验波形的结果。
6.各典型环节不同参数下的阶跃响应曲线的实验结果：
1.比例环节
①取R0=200K；R1=100K。
②取R0=200K；R1=200K。
2.积分环节
①取R0=200K；C=1uF。
②取R0=200K；C=2uF。
3.比例积分环节
①取R0=R1=200K；C=1uF。
②取R0=R1=200K；C=2uF。
4.惯性环节
①取R0=R1=200K；C=1uF。
②取R0=R1=200K；C=2uF。
5.比例微分环节
①取R0=R2=200K，R3=10K，C=1uF，R1=100K。
②取R0=R2=200K，R3=10K，C=1uF，R1=200K。
6.比例积分微分环节
①取R2=R3=200K，R0=10K，C1=C2=1uF，R1=100K。
②取R2=R3=200K，R0=10K，C1=C2=1uF，R1=200K
实验报告
课程名称：
自动控制原理
实验项目：
典型二阶系统的时域分析
实验地点：
自动控制实验室
实验日期：
2017年3月22日
指导教师：
乔学工
实验二典型二阶系统的时域特性
一、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。
二、实验设备
PC机一台，TD-ACC+（或TD-ACS）教学实验系统一套。
三、实验内容
1.典型的二阶系统稳定性分析
（1）结构框图
（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。
，，
系统闭环传递函数为：
其中自然振荡角频率：
；阻尼比：
。
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:
（其中），
系统的特征方程为:
。
（4）实验内容
实验前由Routh判断得Routh行列式为：
为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有
得：
041.7KΩ系统稳定
K=12R=41.7KΩ系统临界稳定
K>12ÞR<41.7KΩ系统不稳定
四、实验步骤及波形
1.将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。
由于每个运放单元均设臵了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。
将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。
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1中的方波信号接至输入端，取R=10K。
（2）用示波器观察系统响应曲线C（t），测量并记录超调MP、峰值时间tp和调节时间tS。
（3）分别按R=50K；160K；200K；改变系统开环增益，观察响应曲线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）。
将实验结果填入表1.2-1中。
参数
项目
R（KΩ）
K
ωn
ξ
C
（tp）
C
（∞）
Mp（%）
tp（s）
ts（s）
响应情况
理论值
测量值
理论值
测量值
理论值
测量值
0<ξ<1
欠阻尼
10
20
10
1/4
1.4
1
44
38.82
0.32
0.296
1.6
1.344
衰
减
振
荡
50
4
4.47
0.56
1.1
1
11
7.76
0.85
0.766
1.6
1.047
ξ＝1临界阻尼
160
1.25
2.5
1
无
1
无
无
1.9
3.672
单
调
指
数
ξ>1
过阻尼
200
1
2.24
1.12
无
1
无
无
2.9
4.844
单
调
指
数
系统响应曲线如下：
欠阻尼R=10KΩ
欠阻尼R=50KΩ
临界阻尼R=160KΩ
过阻尼R=200KΩ
3.典型三阶系统的性能
（1）按图1.2-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取R=30K。
（2）观察系统的响应曲线，并记录波形。
（3）减小开环增益（R=41.7K；100K），观察响应曲线，并将实验结果填入表1.2-3中。
R（KΩ）
开环增益K
稳定性
30
16．7
不稳定发散
41.7
12
临界稳定等幅振荡
100
5
稳定衰减收敛
不同开环增益下的的响应曲线：
K=16.7（R=30KΩ）
K=12（R=41.7KΩ）
K=5（R=100KΩ）
实验报告
课程名称：
自动控制原理
实验项目：
控制系统的稳定性和稳态误差
实验地点：
自动控制实验室
指导教师：
乔学工
实验三控制系统的稳定性和稳态误差
一、实验目的
1．学会利用MATLAB对控制系统的稳定性进行分析；
2．学会利用MATLAB计算系统的稳态误差。
二、实验设备
安装Windows系统和MATLAB软件的计算机一台。
三、实验内容
1.利用MATLAB描述系统数学模型
如果系统的的数学模型可用如下的传递函数表示
则在MATLAB下，传递函数可以方便的由其分子和分母多项式系数所构成
的两个向量惟一确定出来。
即
num=[b0,b1,…,bm];den=[1,a1,a2,…,an]
例2-1若系统的传递函数为
试利用MATLAB表示。
解对于以上系统的传递函数，可以将其用下列MATLAB命令表示
>>num=4;den=[1,3,2,5];printsys（num,den）
结果显示：
num/den=
4
----------------------------
s^3+3s^2+2s+5
当传递函数的分子或分母由若干个多项式乘积表示时，它可由MATLAB提供的多项式乘法运算函数conv（）来处理，以获得分子和分母多项式向量，此函数的调用格式为
p=conv（p1,p2）
其中，p1和p2分别为由两个多项式系数构成的向量，而p为p1和p2多项式的乘积多项式系数向量。
conv（）函数的调用是允许多级嵌套的。
例2-2若系统的传递函数为
试利用MATLAB求出其用分子和分母多项式表示的传递函数。
解：
对于以上系统的传递函数，可以将其用下列MATLAB命令表示
>>num=4*[1,6,6];den=conv（[1,0],conv（[11],[1,3,2,5]））;printsys（num,den）
结果显示：
num/den=
4s^2+24s+24
------------------------------------------
s^5+4s^4+5s^3+7s^2+5s
2．利用MA
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