《控制工程基础》实验指导书

1、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TDACC 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，TDACC 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1.11(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

2、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1.16(4) 阶跃响应：图1.1-64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 1.18R0=200K；R1200K；C1uF或2uF图1.1-85比例微分环节（PD）(1) 方框图：见图1.19(2) 传递函数：(3) 阶跃响应：其中，(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=10

3、K R1=100K 或 200K 图1.1-101. 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U1 SG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 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。将 (1) 中产生的周期性方波信号加到比例环节的输入端

4、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。改变电路参数，重新观察并将结果记录到表1-1中。 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

5、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 / R0Uo(t) = KR0=200KR1=100K(画出响应曲线)(画出响应曲线)R1=200K惯性K = R1 / R0T= R1CUo(t) =R0=R1=200KC= 1uFC= 2uF积分T= R0CUo(t) =t/T

6、R0=200KC= 1uFC= 2uFPIK = R1 / R0T= R0CUo(t) =K+t/TR0=R1=200KC= 1uFC= 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) =KT(t)+KR0=100KR2=100KR3=10 KC= 1uFR1=100KR1=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（、n）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

7、一台，TDACC 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1.21(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1.22)，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U1 SG信号源单元的周期性方波信号，

8、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1.22 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

9、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1.21 中。3典型三阶系统的性能(1) 按图1.24 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1.22 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（，）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(K)K(1/s)C(tp)C()MP(%)t