控制工程理论实验指导书

1、.控制工程理论实验指导书课程编号：02000310课程名称：控制工程理论“控制工程理论”是机械设计制造及其自动化专业的一门专业必修课程，其实验的目的是理论联系实际，加深对控制工程理论基本原理、基本规律的理解，掌握系统分析和系统设计的基本方法，通过学生自己动手进行实验，获得基本实验技能的训练, 培养学生分析、操作和解决实际问题的能力，为后续课程和专业课程设计、毕业设计以及今后从事生产技术工作打下良好的基础。实验一至实验四的实验内容主要在AEDK LabACT自控/计控原理教学实验系统装置上进行，它利用教学实验系统的接口电路把模拟信号经转换传送到计算机，再由计算机对数据进行分析、处理。 实验一&#

2、160; 典型环节的模拟研究一、 实验目的：掌握各典型环节的传递函数及模拟电路图，通过对典型环节阶跃响应曲线的观测和分析，加深对典型环节的理解，掌握基本知识。二、实验的主要内容：1、 根据表1-1所示的各典型环节的模拟电路图，观测其阶跃响应曲线。 表1-1 各典型环节的模拟电路图典型环节名称模拟电路图比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T）比例积分微分（PID）三、实验设备及工具：AEDK LabACT自控/计控原理教学实验系统、PC机、万用表，连接线及工具若干；四、实验原理 分析各典型环节的方块图和模拟电路图的对应关系，写出传递函数，填入表12中。表12典

3、型环节名称方块图传递函数比例（P） 积分（I） 比例积分（PI） 比例微分（PD） 惯性环节（T） 比例积分微分（PID） 五、实验方法和步骤运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的典型环节的模拟研究实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。1)观察比例环节的阶跃响应曲线典型比例环节模拟电路参考表1-1。该环节在A1单元中分别选取反馈电阻R1=100K、200K来改变比例参数。实验步骤： （1）将信号发生器（B1）中的阶跃输出0/

4、+5V作为系统的信号输入（Ui）（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 模块号跨接座号1A1当反馈电阻R1=100K时当反馈电阻R1=200K时S4，S7S4，S82A6S2，S6（b）测孔联线1信号输入（Ui）B1（0/+5V） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A6（H1）（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。注：CH1选X1档。时间量程选x4档。 （4）运行、观察、记录：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0+5V阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t），且将结果记下。改变比例参数（改变运算模拟单

5、元A1的反馈电阻R1），重新观测结果。2)观察惯性环节的阶跃响应曲线典型惯性环节模拟电路参考表1-1。该环节在A1单元中分别选取反馈电容C =1uf、2uf来改变时间常数。实验步骤： （1）将信号发生器（B1）中的阶跃输出0/+5V作为系统的信号输入（Ui）（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 模块号跨接座号1A1当反馈电容C=1uf时当反馈电容C=2uf时S4，S8，S10S4,S8,S10,S112A6S2，S6 （b）测孔联线1信号输入（Ui）B1（0/+5V） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A6（H1）（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单

6、元信号输出端OUT（Uo）。注：CH1选X1档。时间量程选x4档。（4）运行、观察、记录：按下信号发生器（B1）阶跃信号按钮时（0+5V阶跃），用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t），且将结果记下。改变时间常数（改变运算模拟单元A1的反馈反馈电容C），重新观测结果。3)观察积分环节的阶跃响应曲线 典型积分环节模拟电路参考表1-1。该环节在A1单元中分别选取反馈电容C=1uf、2uf来改变时间常数。实验步骤：（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的阶跃输出0/+5V作为系统的信号输入（Ui）：a将函数发生器（B5）中

7、的插针S ST用短路套短接。b将S1拨动开关置于最上档（阶跃信号）。c信号周期由拨动开关S2和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节， 以信号幅值小，信号周期较长比较适宜（周期在0.5S左右，幅度在2.5V左右）。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路： （a）安置短路套 模块号跨接座号1A1当反馈电容C=1uf时当反馈电容C=2uf时S4，S10S4，S10，S112A6S2，S6（b）测孔联线1信号输入（Ui）B5（OUT） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A6（H1）（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。（4）运行、观察、记录：用

8、示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t），且将结果记下。改变时间常数（改变运算模拟单元A1的反馈反馈电容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参考表1-1.。该环节在A5单元中分别选取反馈电容C=1uf、2uf来改变时间常数。实验步骤：（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的阶跃输出0/+5V作为系统的信号输入（Ui）：a将函数发生器（B5）中的插针S ST用短路套短接。b将S1拨动开关置于最上档（阶跃信号）。c信号周期由拨动开关S2和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节

9、， 以信号幅值小，信号周期较长比较适宜（正输出宽度在0.5S左右，幅度在1V左右）。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 模块号跨接座号1A5当反馈电容C=1uf时当反馈电容C=2uf时S4，S8S4，S92A6S2，S6（b）测孔联线1信号输入（Ui）B5（OUT） A5（H1）2运放级联A5（OUT）A6（H1）（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。（4）运行、观察、记录：用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线U0（t），且将结果记下。改变时间常数（改变运算模拟单元A5的反馈反馈电容C），重新观测结果。5)观察比例微

10、分环节的阶跃响应曲线典型比例微分环节模拟电路参考表1-1。该环节在A2单元中分别选取反馈电阻R1=10K、20K来改变比例参数。实验步骤：（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的阶跃输出0/+5V作为系统的信号输入（Ui）：a将函数发生器（B5）中的插针S ST用短路套短接。b将S1拨动开关置于最上档（阶跃信号）。c信号周期由拨动开关S2和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节， 以信号幅值小，信号周期较长比较适宜（正输出宽度在70ms左右，幅度在400mv左右）。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路： （a）安置短路套 模

11、块号跨接座号1A2当反馈电阻R1=10K时当反馈电阻R1=20K时S1，S7，S9S1，S8，S92A6S2，S6（b）测孔联线1信号输入（Ui）B5（OUT） A2（H1）2运放级联A2（OUT）A6（H1）（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。（4）运行、观察、记录：用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数（改变运算模拟单元A1的反馈电阻R1），重新观测结果.。6)观察PID（比例积分微分）环节的响应曲线PID（比例积分微分）环节模拟电路参考表1-1。该环节在A2单元中分别选取反馈电阻R1=10K、

12、20K来改变比例参数。实验步骤：（1）为了避免积分饱和，将函数发生器（B5）所产生的周期性方波信号（OUT），代替信号发生器（B1）中的阶跃输出0/+5V作为PID环节的信号输入（Ui）：a将函数发生器（B5）中的插针S ST用短路套短接。b将S1拨动开关置于最上档（阶跃信号）。c信号周期由拨动开关S2和“调宽”旋钮调节，信号幅度由“调幅”旋钮调节， 以信号幅值小，信号周期较长比较适宜（正输出宽度在70ms左右，幅度在400mv左右）。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 模块号跨接座号1A2当反馈电阻R1=10K时当反馈电阻R1=20K时S1，S7S1，S82A6S2，S6

13、（b）测孔联线1信号输入（Ui）B5（OUT） A2（H1）2运放级联A2（OUT）A6（H1）（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（Uo）。（4）运行、观察、记录：用示波器观测A6输出端（Uo）的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数（改变运算模拟单元A2的反馈电阻R1），重新观测结果。六、实验报告主要内容及要求 分析各典型环节的方块图和模拟电路图的对应关系(1) 根据各典型环节的方块图写出传递函数,作出各典型环节的理论阶跃响应曲线。(2) 抓取从各典型环节模拟电路图中观测到的实际阶跃响应曲线。(3) 将上述要求以表格形式表达。实验二 二

14、阶系统瞬态响应和稳定性分析一、 实验目的：1. 掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法，型二阶闭环系统的传递函数标准式。2. 研究二阶闭环系统的结构参数-无阻尼振荡频率n, 阻尼比对过渡过程的影响。3. 掌握欠阻尼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。二、实验的主要内容：根据图2-1所示的典型二阶系统的原理方框图，构建如图22所示的模拟电路，在此基础上观察和分析典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，欠阻尼二阶闭环系统中的结构参数-自然频率（无阻尼振荡频率）n, 阻尼比对瞬态响应的影响。 图2-1 典型二阶系统原理方块图图2-2 典型二阶闭环系统模拟电

15、路三、实验设备及工具：AEDK LabACT自控/计控原理教学实验系统、PC机、万用表，连接线及工具若干；四实验原理图2-1所示型二阶系统的开环传递函数为：型二阶系统的闭环传递函数标准式：自然频率（无阻尼振荡频率）： 阻尼比： 二阶闭环系统模拟电路如图2-2所示。它由积分环节（A2）和惯性环节（A3）构成。二阶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 T=R2*C2=0.1S该闭环系统在A3单元中改变输入电阻R来调整增益K，R分别设定为 10k、40k、100k 。 当R=100k， K=1 =1.5

16、8 >1 为过阻尼响应， 当R=40k， K=2.5 =1 为临界阻尼响应， 当R=10k， K=10 =0.5 0<<1 为欠阻尼响应。 欠阻尼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：（ K=10 =0.5）超调量 ： 峰值时间： 调节时间 ：五、实验方法和步骤运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的时域分析下的二阶典型系统瞬态响应和稳定性实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。典型二阶系统模拟电路(图2-2)通过在A3单元中改变输入电阻R来调整衰减时间

17、。（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：调节电位器，用万用表测量Y测孔）。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 模块号跨接座号1A1S4，S82A2S2，S10，S113A3当输入电阻R=10K当输入电阻R=39K当输入电阻R=100KS1，S8，S10S2，S8，S10.S4，S8，S104A6S2，S6（b）测孔联线1信号输入r(t)B1（Y） A1（H1）2运放级联A1（OUTA2（H1）3运

18、放级联A2（OUTA3（H1）4负反馈A3（OUTA1（H2）5运放级联A3（OUTA6（H1）（3）虚拟示波器（B3）的联接：示波器输入端CH1接到A6单元信号输出端OUT（C(t)）。（4）运行、观察、记录： 按下B1按钮，用示波器观察在三种情况下A3输出端C(t)的系统阶跃响应，并记录超调量MP，峰值时间tp和调节时间ts。并将测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。参数取值及响应曲线，详见表2-1。表2-1 二阶系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼下的参数取值参数项目RK(1/S)Wn(1/S)MP(%)tp(S)ts(S)测量值 计算值测量值 计算值测量值 计算值0<<

19、;1欠阻尼阶跃响应为衰减振荡1010101.2117.2 16.30.35 0.360.75 0.8=1临界阻尼阶跃响应为单调指数曲线402.55111.1>1过阻尼响应为单调指数曲线10011 3.68六、实验报告主要内容及要求 分析典型二阶系统的方块图和模拟电路图的对应关系(1)根据典型二阶系统的方块图的写出传递函数,作出典型二阶系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼下状态下的理论阶跃响应曲线。(2)抓取典型二阶系统模拟电路图在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼下状态下的观测到的实际阶跃响应曲线。(3)将上述要求以表格形式表达。七、实验注意事项在作欠阻尼阶跃响应实验时，由于虚拟示波器（B3）的频率限制

20、,无法很明显的观察到正确的衰减振荡图形，此时需适当调节参数。调节方法：减小运算模拟单元A3的输入电阻R=10K的阻值，延长衰减时间（参考参数：R=2K）。（可将运算模拟单元A3的输入电阻的短路套（S1/S2/S4） 去掉，将可变元件库（A7）中的可变电阻跨接到A3单元的H1和IN测孔上，调整可变电阻继续实验。） 在作该实验时，如果发现有积分饱和现象产生时，即构成积分或惯性环节的模拟电路处于饱和状态，波形不出来，请人工放电。放电操作如下：B5函数发生器的SB4“放电按钮”按住3秒左右，进行放电。 如欲用相平面分析该模块电路时，需把示波器的输入端CH2接到A1单元信号输出端，并选用示波器界面中的X

21、-Y选项。 实验三 线性控制系统的频率响应分析一、 实验目的：1了解和掌握控制系统的频率特性，学会测量系统的对数幅频曲线和相频曲线。2 研究二阶闭环系统的结构参数-自然频率或无阻尼振荡频率n, 阻尼比对对数幅频曲线和相频曲线的影响。3 研究表征系统稳定程度的相位裕度和幅值裕度h（dB）对系统的影响。4 观察和分析欠阻尼二阶闭环系统谐振频率和谐振峰值。二、实验的主要内容：根据图3-1所示的被测系统的方框图，构建如图3-2、图3-3所示的模拟电路，在此基础上观察和分析一阶、二阶被测系统的对数幅频曲线和相频曲线。 图3-1 被测系统方块图图3-2 一阶被测系统的模拟电路图 图3-3 二阶被测闭环系统

22、模拟电路图三、实验设备及工具：AEDK LabACT自控/计控原理教学实验系统、PC机、万用表，连接线及工具若干；四、实验原理对于如图3-1所示的被测系统，系统（环节）的频率特性G(j)是一个复变量，可以表示成以角频率为参数的幅值和相角：G（j）=| G（j）|G(j) 被测系统的闭环传递函数： 如被测系统的反馈传递函数=1，则可简化为： 则上式以角频率为参数的幅值和相角为： ，由于型系统含有一个积分环节，它在开环时响应曲线是发散的，因此欲获得其开环频率特性时，还是需构建成闭环系统，测试其闭环频率特性，然后通过公式换算，获得其开环频率特性，算法如下：图3-1所示被测系统的开环频率特性为： 图3

23、-1所示被测系统以角频率为参数表示成的开环频率特性为： 上式亦可以角频率为参数表示为对数幅频特性和相频特性：， 由此即可通过实验获得系统的开环对数幅频曲线和相频曲线。五、实验方法和步骤运行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，再分别选择一阶系统、或二阶系统、或三阶系统、或时域分析，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用实验机配套的虚拟示波器（B3）显示波形。1）一阶系统的对数幅频曲线、相频曲线和幅相曲线实验中将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化(0.5Hz64Hz)，施加于被测系统的输入端r（t），然后分别测

24、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。一阶被测系统的模拟电路图见图3-2。实验步骤：（1）将数/模转换器（B2）输出OUT2（信号频率范围为0.5Hz64Hz）作为被测系统的输入端r（t）。（2）安置短路套、联线，构造模拟电路：（a）安置短路套 模块号跨接座号1A1S2，S62A6S4，S7，S9（b）测孔联线1信号输入B2（OUT2）A1（H1）2运放级联A1（OUT）A6（H1）3信号联线A6（OUT） A9（CIN）4信号联线A9（COUT） B4（A2）5信号连线A6（OUT） B8（IN6）6中断请求线B4（Q2） B9（IRQ6）（3）运行、观察

25、、记录：a用示波器观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。b观察、记录被测系统的开环对数幅频曲线、相频曲线及幅相曲线.2) 二阶系统的对数幅频曲线、相频曲线和幅相曲线实验中将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化(0.5Hz64Hz），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。二阶闭环系统模拟电路图见图3-3所示。它由积分环节（A5单元）和惯性环节（A3单元）构成，二阶闭环系统模拟电路的各环节参数及系统的传递函数分别为：积分环节（A5单元）的积分时间常数Ti=R1*C1=0.1

26、S， 惯性环节（A3单元）的惯性时间常数 T=R3*C2=0.2S。 K1=R3/R2=10二阶系统闭环传递函数标准式： 系统中的开环传递函数：则其自然频率或无阻尼振荡频率或交接频率： 阻尼比： ，谐振频率： 峰值： 如更改图3-2-4二阶闭环系统模拟电路的各环节参数，使之 Ti=1，T=0.3，K=1则其自然频率或无阻尼振荡频率或交接频率： 阻尼比： 由于0.707，因此不存在谐振峰值，两条渐近线交点为，其中一条渐近线斜率为-40dB/dec。 如更改图3-2-4二阶闭环系统模拟电路的各环节参数，使之 Ti=0.043，T=0.1，K=10则其自然频率或无阻尼振荡频率或交接频率： 阻尼比：

27、谐振频率： 峰值：实验步骤：将数/模转换器（B2）输出OUT2（信号频率范围为0.5Hz32Hz）作为被测系统的输入端。(1) 安置短路套、联线，构造模拟电路： （a）安置短路套 模块号跨接座号1A1S4，S82A5S3，S103A3S1，S8，S9，S105A6S2，S6（b）测孔联线1信号输入r(t)B2（OUT2） A1（H1）2运放级联A1（OUT）A5（H1）3运放级联A5（OUT）A3（H1）4运放级联A3（OUT）A6（H1）6负反馈A3（OUT）A1（H2）7信号联线A6（OUT） A9（CIN）8信号联线A9（COUT） B4（A2）9信号连线A6（OUT） B8（IN6）1

28、0中断请求线B4（Q2） B9（IRQ6）(c) 运行、观察、记录：a用示波器观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。b观察二阶系统的闭环对数幅频、相频曲线和幅相曲线.六、实验报告主要内容及要求 分析一阶系统和二阶系统的方块图和模拟电路图的对应关系(1)根据一阶系统、二阶系统的模拟电路写出传递函数,作出一阶系统、二阶系统的理论对数幅频曲线、相频曲线和幅相曲线。(2)抓取一阶系统、二阶系统经模拟电路图观测到的实际对数幅频曲线、相频曲线和幅相曲线。(3)将上述要求以表格形式表达。七、实验注意事项根据本实验机的现况，要求构成被测二阶闭环系统的阻尼比必须满足下式，否则模/数转换器（B8单元）将产生

29、削顶。 即 实验机在测试频率特性时，实验开始后，实验机将按序自动产生0.5Hz、1Hz、2Hz、4Hz、8Hz、16Hz、32Hz、64Hz等多种频率信号，当被测系统的输出时将停止测试。实验四 线性系统校正一、 实验目的：1、 了解系统校正的方法（串联超前校正），根据期望的时域性能指标设计校正装置。2、 观察和分析未校正系统和校正后系统的响应曲线。二、实验的主要内容：根据未校正系统的原理方块图4-1、加入校正网络后系统的原理方块图4-2，构建如图4-3、图4-4所示的相对应的模拟电路，在此基础上分析和观察相应的性能指标及响应曲线。图4-1 未校正系统的原理方块图图4-2未校正系统的模拟电路图图

30、4-3加入校正网络后系统的方块图图4-4 校正后系统模拟电路三、实验设备及工具：AEDK LabACT自控/计控原理教学实验系统、PC机、万用表，连接线及工具若干；四、实验原理图4-1的二阶系统（型）开环传递函数： （4-1）二阶系统（型）闭环传递函数标准式： （4-2）图4-1的二阶系统（型）闭环传递函数： （4-3） 从（4-3）计算可得到图4-1二阶系统的自然频率和阻尼比为： 自然频率 阻尼比： （4-4）从（4-4）计算可得到图4-1二阶系统的超调量和调节时间为：超调量 ： 调节时间 ： （4-5）要求设计校正装置，使系统满足下述性能指标： （4-6）和代入（4-5），可得到，设串联超

31、前（微分）校正网络的传递函数为： 加入校正网络后系统的原理方块图如图4-3所示，系统闭环传递函数： （4-7）从（4-7）计算可得到图4-3二阶系统的超调量和调节时间为：超调量 ： 调节时间 ：计算结果满足设计要求。五、实验方法和步骤运行LABACT程序，选择自动控制菜单下的线性系统的校正与状态反馈下的线性系统校正实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1测孔测量波形。1测量未校正系统的性能指标未校正系统的模拟电路图见图4-2。实验步骤： （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