自动控制理论实验指导

1、自动控制理论实验指导书电气工程与自动化系1常用仪器的使用1.1示波器1. 观察信号1）将接地夹就近接于待测信号的地端。2）将信号探头接于待测信号。3）调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察。4）选择时间“TIME/DIV”使波形正确显示。5）调节“微调”旋钮使波形稳定。2测量信号电平幅度1）将接地夹就近接于待测信号的地端。2）将信号探头接于待测信号。3）调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察。4）将输入幅度档位选择开关中心的旋钮顺时针旋到底。5）选择时间“TIME/DIV”使波形正确显示。调节“微调”旋钮使波形稳定。6）将波形水平方向压缩

2、为重合于Y轴的一条竖线，其底端点位于0点，或选择扫描时间使波形为一条水平带。7）读出信号刻度，其结果值：V=刻度值*幅度档位倍率例：幅度档位倍率=0.1v，刻度值=1.6格则：测量信号电平幅度V=0.1*1.6=0.16（V）3测量信号周期、频率1）将接地夹就近接于待测信号的地端。2）将信号探头接于待测信号。3）调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察。4）将“微调”旋钮顺时针旋到底。5）选择合适的时间“TIME/DIV”使波形正确显示。6）将波形水平方向移动，使信号的顶点、或0点、或其他位置重合于Y轴。7）读出一个周期内的信号刻度值，其周期结果值：T=刻度值*时间档

3、位倍率例：时间档位倍率=0.1ms，刻度值=2则：T=0.1*2=0.2ms8）频率F=1/T，按正确的换算关系换算出频率值。 F=1/0.2=5（kHz) 注意：为了容易换算，时间档位可选择1ms（1us），其频率为1kHz（1MHz）。1.2信号发生器1测量信号周期、频率1）将接地夹就近接于待测信号的地端。2）将信号线接“外部输入”端子，探头接于待测信号。3）按“菜单”、“测量”按钮。4）按“频率”或“周期”按钮。5）读出测量值。2。信号发生器1）将接地夹就近接于待输入信号的地端。2）将信号线接“电压输出”端子，探头接于待输入信号位置。3）按“菜单”、“主波”按钮。4）按“波形”、“正弦波

4、”按钮。5）按“频率”按钮，在最下排选择单位：MHz、kHz、Hz6）在数字键盘输入要输出的频率值，按OK按钮。7）按“幅度”按钮。8）在数字键盘输入要输出的幅度值，按OK按钮。9）按“菜单”按钮，显示并按设置参数输出信号。1.3 毫伏表1. 调01）选择合适档位，原则是根据估计的电平值，选择能使指针最大偏转为宜。2）将探头插入调0孔内。3）调节“调0”旋钮，使表针指向0位。2测量1）将接地夹就近接于待测信号的地端。2）探头接于待测信号。3）读出测量值。注意：每次使用前都要调0。思考题：1.用信号发生器输出一个1V，100kHz的正弦波。2.用示波器观察、测量上述信号，两者结果有何异同？3.用

5、毫伏表测量其幅度，与用示波器测量结果有何区别？两者之间的关系是什么？实验1 控制系统典型环节的模拟利用运算放大器的基本特性，如：开环增益高，输入阻抗大、输出阻抗小等，通过设置不同的反馈网络，可以模拟各种典型环节。一实验目的l 掌握用运算放大器组成控制系统典型环节的电子电路原理。l 观察几种典型环节的阶跃响应曲线。l 了解参数变化对典型环节输出动态性能（即阶跃响应）的影响。二实验仪器l THSCC-1实验箱一台。l 示波器一台。三实验内容1比例环节比例（P）环节的方框图如图1-1所示。图1-1比例环节方框图当输入为单位阶跃信号，即ui=-1V时，ui（s）=，则uo（s）=K，所以输出响应为：u

6、o（t）=K （t0）。比例环节实验原理图如图1-2所示。选择：K=R2/R1=2，例如选择R2=820k，R1=410k，或选择R2=100k，R1=51k。图1-2 比例环节实验原理图和输出波形实验步骤：（1）调整示波器：选择输入通道CH1或CH2。逆时针调节示波器的时间旋钮“TIME/DIV”到底，使光标为一点，并调节上下“位移”旋钮使光标位于0线上。调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察，例如选择档位为1V档。将输入幅度档位选择开关中心的微调旋钮顺时针旋到底。将信号选择开关打到DC档。（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负（绿灯亮）。（3）阶跃信号接到

7、示波器上，调节实验箱的幅度旋钮。使负跳变幅度为一格（即Ui=-1V）。（4）接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。幅度跳变应为?2.惯性环节惯性环节实验原理图如图1-3所示。其传递函数为：， K= R2/R1=1，T=R2*C当输入为单位阶跃信号，即ui（t）=-1V 时，ui（s）=，则uo（s）=所以输出响应为uo（t）=。其输出波形如图1-3所示。图1-3惯性环节实验原理图和输出波形实验步骤：（1）逆时针调节示波器的时间旋钮和微调旋钮，使光标为一光点，并位于0点线上。（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负。（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱和示波器的幅度旋钮。使跳变

8、幅度为2格（为了看的清楚，模拟为-1V）。（4）令G（S）=1/（0.1S+1），即K=1，T=0.1，取R1=R2。例如选择R2=100k，R1=100k，C=1uF。则K=R2/R1=1，T=100*103*1*10-6=0.1（s）。（5）接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。 （6）令T=0.2，T=0.01，重复上述实验，观察波形。3.积分环节积分环节实验原理图如图1-4所示。， T=R1*C当输入为单位阶跃信号，即ui(t)=-1V 时，ui（s）=，则uo（s）=所以输出响应为uo（t）=。其输出波形如图：图1-4积分环节实验原理图和输出波形实验步骤：（1）逆顺时针调

9、节示波器的时间旋钮和微调旋钮，使光标为一光点，并位于0点线上。（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负。（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱和示波器的幅度旋钮。使跳变幅度为为一格（模拟为-1V）。（4）令G（S）=1/0.1S，即T=0.1，取R1=100k、C=1uF，则T=105*10-6=0.1。接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。 （5）令G（S）=1/0.01S，重复上述实验，观察波形。4. 微分环节微分环节实验原理图如图1-5所示。， T=R1*C当输入为单位阶跃信号，即ui(t)=-1 时，ui(s)=，则 uo(s)= uo(t)= (t)为单位脉冲函数 输

10、出波形如图1-5所示。图1-5 微分环节实验原理图和输出波形实验步骤：（1）逆时针调节示波器的时间旋钮和微调旋钮，使光标为一光点，并位于0点线上。（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负。（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱和示波器的幅度旋钮。使跳变幅度为为一格（模拟为-1V）。（4）令G（S）=0.1S+1，即T=0.1，取R1= 100k、C=1uF，则T=105*10-6=0.1。接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。 （5）令G（S）=0.01S+1，重复上述实验，观察波形。实验报告：1. 绘制出各实验的原理图，并标明参数。2. 绘制出各实验的波形。分析各波形结果。3

11、. 思考题： （1）积分环节和惯性环节主要差别是什么？比例环节和惯性环节主要差别是什么？（2）什么条件下惯性环节可近似于积分环节？（3）惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？实验2 一阶系统的时域响应一实验目的l 观察一阶系统的阶跃瞬态响应曲线。l 测量一阶系统的时间常数。二实验仪器l THSCC-1实验箱一台。l 示波器一台。三实验内容 一阶系统的实验原理图如图2-1所示。图2-1一阶系统的实验原理图 根据电容的充电公式，得Uo（t）= E（1-e -t/T），E为充电电压。令时间常数T0=Ro*C=51k*0.1uF=5.1ms 当t=T0时，Uo（t）=E(1-e -1)=0.632E，

12、这表示当Uo（t）上升到稳定值的0.632E时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T0。如图2-2所示。根据该原理，即可测出一阶系统的时间常数T，并与其理论值进行比较。图2-2一阶系统的时间常数与曲线四实验步骤：（1）顺时针调节示波器的时间微调旋钮到底。（2）接好实验线路，使用实验箱的方波信号来模拟跃信号。（3）方波信号接到实验线路输入端。按下f2按钮，调节一个频率使波形稳定（顺时针频率升高，反之），并使波形出现平顶和平底（表示电容已经充满电）。（4）示波器上，把探头接输出端，观察波形。调节示波器的时间旋钮使输出波形稳定。（5）调节示波器的幅度档位，使波形的最高点与最低点占Y轴的整数格，例如5格

13、或6格，此即E值，设每一格为1V，则6格时E= 6V。（6）在输出波形上在最大值0.63处，读出X轴上的时间值，即T值。方法是：X轴的格数乘以时间档位的值。例如：从输入的方波读出幅度所占Y轴的格数为6。则6*0.63=3.8从Y轴的3.8处读出X轴上的时间值为1格，此时时间档位的值为5ms，则1*5ms=5ms。（7）将实验结果填入表2-1中。表2-1实验结果1.T的理论值2.电压3.实测T值4.误差RCT0E（V）0.632E对应的t（格）时间单位t0（ms/格）T=t*t0五实验报告：1.绘制出实验的原理图，并标明参数。2.绘制出实验的波形，分析各波形。3.从示波器测出的T值与理论值T0比

14、较，得出结论，分析说明误差产生的原因有哪些。实验3 二阶系统的瞬态响应一实验目的l 熟悉二阶系统的组成。l 确定0<<1、>1二阶系统的阶跃瞬态响应曲线。二实验仪器l THSCC-1实验箱一台。l 示波器一台。三实验内容典型二阶系统一般形式的结构图如图3-1所示和原理图如图3-2所示。图3-1典型二阶系统的结构图图3-2典型二阶系统的原理图典型二阶系统由惯性环节、积分环节和反号器组成，K=R2/R1，T1=R2C1，T2=R3C2，其闭环传递函数为：而二阶系统标准结构如图3-3所示，标准传递函数一般形式为：图3-3二阶系统标准结构图其中：称为自然频率或无阻尼振荡频率； 称为阻

15、尼比或相对阻尼系数。 对比上述两式得：二阶系统的时间响应取决于、这两个参量，对于不同的二阶系统，其、的物理含义是不同的。 四实验步骤：（1）逆时针调节示波器的时间旋钮和微调旋钮，使光标为一光点，并位于0点线上。示波器的幅度档位选择“DC”。（2）逆时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为正。（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱和示波器的幅度旋钮。使跳变幅度为为一格（模拟为+1V）。（4）1<：令R1=100k、R2=51k、R3=200k、C1=1uF、C2=1uF。K=R2/R1=2，T1=R2C1=51*1=0.051s，T2=R3C2=200*1=0.2s。即1<=1.4,属于过阻尼状态，系统的响应为单调上升波形。如图3-4所示。接好实验线路。按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。图3-4单调上升波形 =1：属于临界阻尼状态，系统的响应