自控原理实验指导书

1、自动控制原理实验指导书赵家林南京工程学院二O 三年二月目录实验一典型环节及系统性能的模拟 3学时实验二系统频率特性的测试 2学时实验三自动控制系统性能的校正 2学时附 录 1自控原理实验报告附 录 2ZKIII 型自动控制原理模拟实验系统使用说明39实验一典型环节及系统性能的模拟一、实验目的1了解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熟悉并定性地验证各种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，了解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. III型自动控制原理实验系统一台；2 接插线若干。三、实验

2、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;2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T端；关断“负阶跃信号”。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选择适当的“采样时间”和“量程”， 按一下“复位”键，仪器即做好了测试准备；5重复测量时先关断“负阶跃信号”，再 按一下“复位”键即可。；6电位器顺时针调节阻值增大；7整个实验系统共地，实验系统内部地线可以不接。四、典型环节的实验内容1比例环节传递函数G( S )=K,其中:K=R

3、2/R1。 按图二所示将实验线路接好 “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； 打开“负阶跃信号”开关，观察并记录输出波形;2积分环节传递函数G( S )=1/TS,其中：T=R1 X Co 按图三所示接好线路，并将积分电容的 两端并到“放电”的两端； 采样时间选0.5S，量程选12V; 在输入端加上“负阶跃信号”，观察输出的动态过程并记录输出波形3惯性环节传递函数 G( S )=K/(TS+1) 。其中：K=R2/R1, T=R2 X C图四惯性环节 按图四所示接好线路 采样时间选1S,量程选6V 在输入端加上“负阶跃信号” 观察并记录输出的波形

4、。4比例微分环节图五比例微分环节传递函数 G( S )=K(1+ t S) o其中：K=R2/R1, t = R1 X Co 按图五所示接好线路； 采样时间选0.5S，量程选6V; 在输入端加上“负阶跃信号”，观察 并记录输出的波形。其中:K=R2/R1, T=R2 X C。5比例积分环节传递函数 G( S )=K(1+1/TS) 按图六所示接好线路，并将电容的 两端并到“放电”的两端； 采样时间选0.5S，量程选12V; 在输入端加上“负阶跃信号”，观察 并记录输出的波形；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馈构成的一阶系统 按图七所示接好线路

5、； 负阶跃信号调成负3V左右，加到系统输 入端，打开负阶跃信号，观察系统的输出波形并记录之；2二阶系统性能的研究典型二阶系统 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，观察系统 的输出波形，记录波形； 分别调整参数R1, C1, C2的大小，分别记录波形，观察并定性的分析参数改变对输出波形的影响，记录系统阻尼比E、自然振荡角频率3 n和tr、ts及其他性能指标的 变化情况。R4Ui其中:K1= R1/R0, K2=R4/R3, T仁R2C1, T2=R4C2图八比例一微分控制的二阶系统系统中加入比例微分环节能使系统阻尼比增加，减小超调，同时，闭环零 点将使系统的响应速度

6、加快，调节时间和上升时间都有所减小。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；并上电容C3, C3=2.2卩F观察比例微分对系统性能的影响，并记录输出波形。R2I FUiUo其中：K仁R2/R1, K2=R4/R3, T1=R0C1, T2=R2C2, t =R3C3图九六、实验结果分析1. 推导典型二阶系统（图八）的闭环传递函数。分析参数变化对输出的影响2. 分析比例微分对典型二阶系统（图九）输出的影响。实验二系统频率特性的测试一、实验目的1通过对系统频率特性的测量，验证频率法分析系统的正确性；2根据实验数据学会绘制伯德图和乃氏图，并和

7、理论数据进行比较；3学习测量系统或环节频率特性的方法。二、实验仪器1 ZK III型自动控制原理模拟实验系统一台；2接插线若干。三、实验内容系统频率特性的测试线路如下图所示。在不同的频率下测量系统的输入，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1按图接好线路，将正弦信号接到被测系统的输入端和“交流信号”的“输入 1”。 将被测信号输出端接“交流信号”的“输入 2”。2松开“测试准备”键，仪器进入交流测试状态。3波形选择“正弦波”，在频率为48Hz时，调输入电压为35V,并保持不变。4通过“频率选择”和“频率微调”选择所需要的频率。5根据液晶显示屏的显示值，记录相应参数

8、，填入下表。其中：“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10K0.033 1UoL接交流“输入2”接信号发生器，同时接交流“输入 1G(S)=1心+TS)A( 3 )=Uo/UiL( 3 )=20*lg A( 3 )实验线路图其中：T=RC其中：3 =2n ff(Hz)4885152202270361417448Ui(V)Uo(V)计算lgs计算L( s)f(Hz)482517556642857114215242710Ui(V)Uo(V)计算lgs计算L( s)L( s ) 幅频特性八lg s相频特性六根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

9、能的校正一、实验目的1 了解和观测校正装置对系统稳定性的影响；2学习有源校正和无源校正装置的性能。二、实验仪器1 ZK III型自动控制原理模拟实验系统一台；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；2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T端。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“输入甲iok2”端；接好实验电路；关断“负阶跃信号”。4选择“采样时间”为4S。系统不稳定时，选择“量程”为12V;系统稳定时，选择“量程”为6V,按一下“复位”键，

10、仪器即做好了图一反相器测试准备；5重复测量时先关断“负阶跃信号”，再按一下“复位”键即可；6电位器顺时针调节阻值增大；7整个实验系统共地，实验系统内部地线可以不接。四、实验内容1无源校正的分析 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，输出为不稳定波形，测量并记录输出波形。 在三阶不稳定系统的前向通道中（图二中A点）串入“滞后一超前”无源校正装置如图三所示，调整校正装置的参数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；然后再改变 RW的值（RW1 的阻值调到最小），再

11、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。10K47K2K10 aHI 4.7 aRW：10K RW1:47K2累行47K 歩o图三从以上实验中可以看出，“超前”校正主要改善系统的瞬态响应，“滞后”校正主要 改善系统的稳态性能，而“滞后一超前”校正能够同时改善系统的动态性能和稳态性能。2有源校正的分析图四为带有比例微分校正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34个振荡波或者 为不稳定，记录波形。然后将电容C4加上，观察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，响应加快，调节时间

12、减小。记录系统的响应波形，分析校正装置对系统性能 的影响。自动控制原理实验报告南京工程学院自动化学院目录实验一典型环节及系统性能的模拟 23实验二系统频率特性的测试 28实验三自动控制系统性能的校正 30实验一典型环节及系统性能的模拟一、实验目的1了解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熟悉并定性地验证各种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，了解系统在阶跃信号作用下的过渡过程的 变化；二、实验仪器1. III型自动控制原理实验系统一台；2 接插线若干。三、典型环节的实验内容1比例环节传递函数G(S)=K, 其中:K=R2/R1。图二比例环节输出波

13、形2积分环节传递函数G(S)=1/TS,其中：T=R1 X Co输出波形图三积分环节3惯性环节传递函数 G( S )=K/(TS+1)。其中：K=R2/R1, T=R2 X C输出波形图四惯性环节 4比例微分环节传递函数 G( S )=K(1+ t S)。其中：K=R2/R1, t = R1 X C。输出波形5比例积分环节传递函数 G( S )=K(1+1/TS)。其中：K=R2/R1, T=R2 X C。放电-i输出波形图六比例积分环节四、典型系统的实验内容1 一阶系统的性能研究积分环节经反馈构成的一阶系统图七输出波形2二阶系统性能的研究典型二阶系统R4图八1.推导典型二阶系统的闭环传递函数

14、。2 记录典型二阶系统的输出波形3 记录参数改变（注明参数如何改变）后的典型二阶系统的输出波形4 分析参数变化对输出的影响比例一微分控制的二阶系统R2图九1 记录典型二阶系统的输出波形2 记录加入比例一微分控制的二阶系统输出波形3分析比例微分对典型二阶系统输出的影响实验二系统频率特性的测试一、实验目的1通过对系统频率特性的测量，验证频率法分析系统的正确性；2根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;3学习测量系统或环节频率特性的方法。二、实验仪器1 ZK III型自动控制原理模拟实验系统一台；2接插线若干。五、实验线路Ui c-10KHZZF工0.033 aUoL接交流“输入2

15、”亠接信号发生器，同时接交流“输入 1实验线路图G（S）=1心+TS）其中：T=RCA( 3 )=Uo/UiL( 3 )=20*lg A( 3 )其中：3 =2n ff(Hz)4885152202270361417448Ui(V)Uo(V)计算（3）计算lg3计算L( 3 )f(Hz)482517556 1642857r 114215242710Ui(V)Uo(V)计算（3）计算lg3计算L( 3 )伯德图幅频特性相频特性乃奎斯特图实验三自动控制系统性能的校正一、实验目的1 了解和观测校正装置对系统稳定性的影响；2学习有源校正和无源校正装置的性能。二、实验仪器1 ZK III型自动控制原理模拟

16、实验系统一台；2接插线若干。四、实验内容1无源校正的分析10K RW1：47K旷rw%k图三 记录一型三阶系统的输出波形记录校正装置参数在各特殊状态下的输出波形通过以上图形的变化能得出什么结论2无源校正的分析图四记录有无C4时的输出波形 分析加入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，采用计算和作图的方法比较麻烦，而且误差也大，而用计算机实现则简单方便，精度高。由于 MATLAB 具有强大的作图功能，因此本实验采用MATLA畛制控制系统的瞬态响应波形.通过该实验，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1.二阶

17、系统不带零点的时域分析观察并记录E变化，3 n不变时的输出响应曲线。E =1.542S2 6S 4(S)二42s2 4S 4E =0.54S2 2S 4E =0.254S2 S 4分析阻尼比E的变化对系统性能的影响和性能指标的变化观察并记录阻尼比E不变， n变化时的输出响应曲线3 n=0.5：(S)3 n=1：(S)=0.25S20.5S 0.251S2 S 13 n=39(S)_ S2 3S 9分析3n变化时对系统性能的影响和性能指标的变化 观察并记录A变化时的输出响应曲线A=0.7(S 二0.7S22S 0.7A=5(S)二5S2 2S 5分析A变化对系统性能的影响。A=7(S八 S3 3

18、S2 2S 72.三阶不带零点的时域分析法A=0.5(S)0.5S3 3S2 2S 0.5A=3(S)=3S3 3S2 2S 3分析A变化对系统性能的影响。3.二阶系统带零点的时域分析法（0 E 1 ）分析零点变化对系统性能的影响。4.三阶系统带零点的时域分析法F=2(S)=S + 2S3 3S2 2S 1F=3(S) =S + 5S3 3S2 2S 1分析零点变化对系统性能的影响。附录2 ZK 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。其一为测量部分，包括信号 发生器、直流信号测量和交流信号测量等。其二为构造实验线路部分，包括可构成基本 典

19、型环节的10个基本单元、无源校正电路、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：测量部分：信号发生器交流信号直流信号输岀输入1放大显输入1o Oo o 0o o n量程OOo o 0O 0量程频率选择波形选择输入z 放大器输入2于OOO +5V OO 口。霄频率微调电压调节复位电源输岀启动测试准备冋一技术性能1测量部分主要由波形显示，信号发生器，直流信号输入和交流信号输入四个部分构 成。2 信号发生器输出信号波形为正弦波，频率范围为30Hz 7000Hz,输出电压最大值为 12V。3 直流输入电压最大值不超过12

20、V,交流输入电压最大值不超过12V。4 有+5V直流电源输出。二应用范围1 测试模拟各基本环节的瞬态响应波形。2 测试系统的瞬态响应波形。3 提供系统频率特性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。三基本结构1 波形显示由一块点数为320X 240的液晶显示屏组成，可以显示所需测量的直流瞬态响应波形和交流信号的输入、 输出电压值， 交流信号的频率， 两个交流信号的相位差及波形等。2 信号发生器Z川配置一个正弦信号发生器，可用来做频率特性实验所需的信号源。 频率范围 为30Hz 7000Hz分成四个波段可调，另外有一个“频率微调”调节它可得到实验 所需要的具体频率。“电压调节”使输出

21、电压在0 12V之间可调。3 直流输入方式直流输入方式包括启动、采样时间、输入 1、输入 2 和量程等。可用于测量环节和 和系统的瞬态响应波形。4 交流输入方式交流输入方式包括输入 1、输入 2 和标准/ 放大等。可用于测量环节和系统的频率 特性。5 其它面板上所有接地端已经全部连通。四 “直流输入”形式下的用法1连接一个反相器，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。2 将被测电路的输出信号接到“输入 2”端，接线时要注意不能将输出信号接到 “地” 端。3 按下“测试准备”键，选择合适的量程和采样时间

22、，再按一下“复位”键，这时仪 器已做好测量前的准备工作。4 当被测电路加上“负阶跃信号”时，显示屏即显示出所需测量的输出瞬态响应波 形。5 重复测量时，先将负阶跃信号关断，按一下“复位”键，仪器即做好了下一次测量 的准备。五 “交流输入”形式下的用法1 先接实验线路，将线路输入端接信号发生器输出，同时接“交流信号”的“输入1”。 线路输出端接“交流信号”的“输入 2”。2 按下“测试准备”键，仪器即进入“交流输入”状态。3将输入信号的电压在频率为48Hz时，调“电压调节”使其值在35V之间，在实 验过程中将不再调节，在实验过程中该值会随频率的变化而变化，只需按实际值记录即 可。4实验中数据全部在显示屏中显示。其中，有效值 1为输入电压值，有效值2:为 输出电压值。注意：一阶系统的频率特性中其相位差为负值。第二部分：构造实验线路部分:无源校正电路12345RC电路负阶跃信号O 0 0放电o o nn 正阶跃信号6p81910一技术性能1 该实验系统采用低功耗运算放大器，输入额定电压为交流220V。2 内有正负12V直流稳压电源，在面板上可直接引出。3 十块运放