FX2N-PLC试验指导书-机械与材料工程学院-西安文理学院

1、自动控制原理实验指导书西安文理学院物理与机械电子工程学院目录实验一典型线性环节的模拟1实验二二阶系统的阶跃响应5实验三线性系统稳定性的研究8实验四二阶系统的频率响应11实验五控制系统的校正13自动控制原理实验指导书实验一典型线性环节的模拟一、实验目的1 学习典型线性环节的模拟方法2 研究阻、容参数对典型环节阶跃响应的影响二、实验仪器设备1 TKCC-1 型自控原理及计算机控制技术实验平台2 示波器3 万用表三、实验内容先将给定信号调节至1V ，校正好示波器， 注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。1比例环节RR02uiR1R0uo-+方框图+模拟电路图选择实验台上的通用电路单元(U12、U6

2、)设计并组建相应的模拟电路， 图中后一个单元为反相器，其中 R0=200K。若比例系数 K=1 时，电路中的参数取： R1，2=100K。=100KR若比例系数 K=2 时，电路中的参数取： R1，2=200K。=100KR记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。2积分环节CR 0uiRR0uo-+-+方框图模拟电路图选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路， 图中后1自动控制原理实验指导书一个单元为反相器，其中R0=200K。若积分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：R=100K，C=10uF(T=RC=100K 10uF=1)；若积分时间常数T=0.1S 时

3、，电路中的参数取： R=100K，C=1uF(T=RC=100K 1uF=0.1)；记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。3比例积分环节模拟电路图方框图选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路， 图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若取比例系数K=1、积分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=10uF(K= R 2/ R1=1， T=R2C=100K10uF=1)；若取比例系数 K=1 、积分时间常数T=0.1S 时，电路中的参数取： R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R 2/ R1=1，T=R2C=1

4、00K 1uF=0.1S)。记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。4比例微分环节模拟电路图方框图选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路， 图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若比例系数K=1、微分时间常数T=0.1S 时，电路中的参数取：R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R 2/ R1=1，T=R1C=100K 1uF=0.1S)；若比例系数K=1 、微分时间常数T=1S 时，电路中的参数取：R1=100K，2自动控制原理实验指导书R2=100K，C=10uF(K= R 2/ R1=1， T=R1C=100K10uF=1S)；记录系统的

5、阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。5一阶惯性环节方框图模拟电路图选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路， 图中后一个单元为反相器，其中 R0=200K。若比例系数 K=1、时间常数 T=1S 时，电路中的参数取： R1=100K，R2=100KC=10uF(K= R2/ R1=1，T=R2C=100K10uF=1)。若比例系数 K=1、时间常数 T=0.1S 时，电路中的参数取： R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R 2/ R1=1， T=R2C=100K1uF=0.1)。若比例系数 K=0.5 、时间常数 T=1S 时，电路中的参数取： R1=20

6、0K，R2=100K，C=10uF(K= R2/ R1=0.5，T=R2C=100K10uF=1)。记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。6比例微分环节（选做）模拟电路图方框图选择实验台上的通用电路单元(U12、U6)设计并组建相应的模拟电路， 图中后一个单元为反相器，其中R0=200K。若比例系数 K=2、积分时间常数TI =0.1S、微分时间常数TD =0.1S 时，电路中的参数取： R1 =100K，R2=100K，C1=1uF、C2=1uF (K= (R 1 C1+ R2 C2)/ R1 C2=2，TI=R1C2=100K1uF=0.1S， TD =R2C1=100K1uF=0.

7、1S)；3自动控制原理实验指导书若比例系数 K=1.1 、积分时间常数 TI =1S、微分时间常数 TD =0.1S 时，电路中的参数取： R1=100K，R2=100K，C1=1uF、C2=10uF (K= (R 1 C1 + R2 C2)/ R1 C2=1.1，TI=R1C2=100K10uF=1S，TD =R2C1=100K1uF=0.1S)；记录系统的阶跃响应曲线，并与理论值进行比较。四、思考题1 积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？而又在什么条件下，惯性环节可以近似地视为比例环节？2 在积分环节和惯性环节实验中，如何根据单位阶跃响应曲线的波

8、形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？五、实验报告要求1 画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。2 写出各典型环节的传递函数。3 根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线， 分析参数变化对动态特性的影响。4自动控制原理实验指导书实验二二阶系统的阶跃响应一、实验目的1 学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。2 研究二阶系统的两个重要参数、 n 对阶跃瞬态响应指标的影响。二、实验仪器设备1 TKCC-1 型自控原理及计算机控制技术实验平台2 示波器3 万用表三、实验内容典型二阶系统方框图E(s)2C (s)R(s)ns(s2n )C(s)2n其闭环传递函数为：s22 n s2R(s)n 阻尼比或衰减

9、系数 n 无阻尼自然震荡角频率模拟电路图（电路参考单元为： U7、 U9、 U11、U6 ）k111T2RnRC，k1T12 RXT1T225自动控制原理实验指导书1 先将给定信号调节至1V，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。2 依次按照如下参数设定二阶系统，观察其阶跃响应曲线，将结果记录于表一中。序号RxRCn11125K51K100.20.512500K200K100.22.013250K100K100.21.014125K100K100.41.01550K100K101.01.03 分别标出各条曲线的Mp ，ts，tp，将曲线进行对比，进行对比，将中的Mp ，ts，

10、tp 与理论值进行比较。表一 二阶系统的阶跃响应结果响应曲线0.20.41.01n0.5Mp =,ts=,tp =1n1.0Mp =,ts=,tp =Mp =,ts=,tp =Mp =,ts=,tp=6n自动控制原理实验指导书12.0Mp =,ts=,tp =四、思考题1 如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？2 若模拟实验中响应的稳态值不等于阶跃输入函数的幅度， 其主要原因可能是什么？3 在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？五、实验报告要求1 画出二阶线性定常系统的实验电路，推导模拟电路的闭环传递函数G (s) ，标明电路中的各参数；2 根据测得系统的单位阶跃响应曲线

11、，分析开环增益K 和时间常数 T 对系统的动态性能的影响。7自动控制原理实验指导书实验三线性系统稳定性的研究一、实验目的1 研究线性系统的开环比例系数K 对稳定性的影响2 研究线性系统的时间常数T 对稳定性影响二、实验仪器设备1 TKCC-1 型自控原理及计算机控制技术实验平台2 示波器3 万用表三、实验内容模拟电路图（电路参考单元为：U7、 U9、 U13 、U11 ）CC2C13200kR12R3Rr(t) 200k200kWRRi3-c(t)-+ u7+ u9+ u13+ u11200k200k三阶系统模拟电路图R-+K1K 2K 3T1 s 1T2 s 1T3 s 1C三阶系统方框图T

12、1R1 C1T2R2 C2T3R3 C38自动控制原理实验指导书先将给定阶跃信号调节至0.5V ，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。1求取给定三阶系统的临界开环比例系数Kj1 ；给定三阶系统如图所示，其中C1=C 2=C 3=1.0 ；Ri3 =200k 。临界开环比例系数 Kj 的求取方法：1）先将电位器 WR 置于最大；2）加入 r(t)=0.5V 的阶跃信号；3）调整 WR 使系统输出 c(t) 呈等幅振荡，记录此时的响应曲线c(t) ；4）保持 WR 不变，断开反馈线，维持0.5V 输入，测量系统输出电压Uc，U cU c则： Kj0.5VU r2系统的开环比例系数

13、K 对稳定性的影响，对于前面给定的三阶系统，适当调节 W R，观察 K 增大， K 减小时的系统响应曲线。3系统中各时间常数的比例系数对稳定性的影响：设三阶系统为：KT1s1 T2s1 T3s1其中： K=K 1K2K3；T=0.2sT1T ； T2=T； T3=T各 R 和 C 分别取如下参数，使=1； =2，=5。TT2=TT3=TT1=1C =1 F， R=200kC=1F，R =200kC=1F，R=200k112233=2C1=1 F， R1=100kC2=1F，R2=200kC3=2F，R3=200k=5C1=1F，R1=40kC2 =1F，R2=200kC3=10 F， R3=1

14、00k记 Kj1，Kj2，Kj3 分别为 =1；=2，=5 时的临界开环比例系数。依照表一格式，绘制系统的稳定性能图谱。说明：9自动控制原理实验指导书1 ）曲线 ，输入信号 0.5V ，曲线 ，输入信号 0.1V ；2 ）绘制图谱可按照、的顺序进行；（可以不做）3 ）分别求取 Kj1， Kj2， Kj3。表一 系统稳定性能图谱格式曲线K=Kj1K=K j2K=K j3=1=2=5四、思考题三阶系统的各时间常数怎样组合时，系统的稳定性最好？怎样组合时系统的稳定性最差？五、实验报告要求1 画出系统的实验电路，推导模拟电路的闭环传递函数G (s) ，标明电路中的各参数；2 计算三种三阶系统的临界开环

15、比例系数Kj 及其呈现等幅振荡的自振频率j，并将它们与实验结果比较。10自动控制原理实验指导书实验四二阶系统的频率响应一、实验目的1 学习频率特性的实验测试方法；2 掌握根据频率响应实验结果绘制频率特性的方法。二、实验仪器设备1 TKCC-1 型自控原理及计算机控制技术实验平台；2 示波器3 信号发生器4 万用表三、实验内容E(s)2C( s)R( s)n典型二阶系统方框图s( s2n ) 阻尼比或衰减系数 n 无阻尼自然震荡角频率其闭环频率响应为：C( j)11R( j)221 2 jj1j 2nnnn模拟电路图（电路参考单元为：U7、U9、U11、U6）k111T2RnT1T2RC，k1T

16、1 2 RX21 选定 R、 C、 Rf 值，使 n =10,=0.2;11自动控制原理实验指导书2 采用信号发生器的正弦波作为系统的输入信号， 即 r(t)=Asin t，稳态时系统响应为 c(t)=Ysin( t+ )；3 改变输入信号的频率，使角频率分别等于（或接近于）4、 6、8、 9、10、12 、14 、16 、20、 30rad/s ，稳态时用双踪示波器同时记录正弦输入r(t)=Asin t和正弦输出响应c(t)=Ysin( t+ )。记录曲线序号依次记作， ；4 按下述表格整理实验数据：曲线序号T(s) (rad/s)A()() (deg)5根据上述表格所整理的实验数据，绘制频

17、率特性，标出Mr 和 r；6改变二阶系统的 n , 值，重复上述 3.4.5.6 步骤。（选做）四、思考题1 在实验中如何选择输入正弦信号的幅值？2 用示波器测试相频特性时，若把信号发生器的正弦信号送入Y 轴，被测系统的输出信号送至 X 轴，则根据椭圆光点的转动方向，如何确定相位的超前和滞后？五、实验报告要求1 写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图；2 理论计算出不同 值时的 L()和 ()，并与实验结果进行比较，绘出被测系统的幅频特性和相频特性。12自动控制原理实验指导书实验五控制系统的校正一、实验目的1 研究校正装置对系统动态性能指标的影响2 学习校正装置的设计和实现方法二

18、、实验仪器设备1 TKCC-1 型自控原理及计算机控制技术实验平台2 示波器3 万用表三、实验内容未校正系统结构框图未校正系统相应的模拟电路如图所示。 （电路参考单元为： U7 、U9 、U11、 U6）模拟电路图未校正系统开环传递函数K，其中： Kk1，k1RX(T1RX C ，T2RC )G ( s )T2RS(T1S1)选择合理参数使得 G ( s)1，在该系统中加入超前校正装置，使0.4)S ( S系统的相位裕度 50 ，同时保持静态速度误差系数不变。13自动控制原理实验指导书超前校正装置参考模拟电路如下图超前校正装置模拟电路图Tc1 s1其传递函数为： Gc ( s)1Tc2 s其中： Tc1R1 C1 ,Tc2R2 C2校正后系统的方框图如下：R(s)E(s)KC(s)Gc(s)1)s(T1s-实验步骤1 先将给定阶跃信号调节至1V ，校正好示波器，注意在实验过程中适时对电容进行放电操作。2 调整 Rx=250k ，R=100k ，C=10uF ；计算此时未校正系统的静态速度误差系数 Kv；3 画出未校正系统开环传递函数的Bode 图，确定其相位裕度和增益裕度；4 观察并记录未校正系统的闭环阶跃响应曲线，标出Mp， ts；5 根据要求计算超前网络的参数Tc1，Tc2，确定相应的 R1 ，R2，C1 ，C2 值，构成所需要的超前校正装置。6 单独观察并记录超前校