自动控制原理实验指导书学生用

1、实验一 典型环节及其阶跃响应一、实验目的1掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。2测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。二、实验内容 1对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二)表一：典型环节的方块图及传递函数典型环节名称方 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表二：典型环节的模拟电路图各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T2测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。3改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。三、实验内容及步骤准备：使运放处于工作状态。将信号发生器单元U

2、1的ST端与+5V端用“短路块短接，使模拟电路中的场效应管K30A夹断，这时运放处于工作状态。阶跃信号的产生：电路可采用图1-1所示电路，它由“阶跃信号单元U3及“给定单元U4组成。具体线路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y端输出信号。以后实验假设再用阶跃信号时，方法同上，不再赘述。实验步骤：按表二中的各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器

3、观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。同理得积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，理想曲线参见表三。观察并记录实际曲线四、实验思考题：1为什么PI在阶跃信号作用下，输出的终值为一常量？2为什么PD在单位阶跃信号作用下，在t=0时的输出为一有限值？表三： 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曲线实测阶跃响应曲线比例K=o(t)=KRo=250KR1=100KR1=250K惯性K=T=R1Co(t)=K(1-e-t/T)R1=250KRo=250KC=1FC=2FIT=RoCo(t)=Ro=200KC=1FC=2FPI

4、K=T=RoCo(t)=K+R1=100KRo=200KC=1uFC=2uFPDK=T=理想：o(t)= KT(t)+K实测：o(t)=+e-t/R3CRo=100K R2=100KC=1uFR3=10KR1=100KR1=200K实验二 二阶系统的阶跃响应一、实验目的1通过二阶系统的模拟电路实验，掌握不同阻尼比下其阶跃响应情况。2研究二阶的动态性能指标。二、实验原理图2-1为二阶系统的方块图。由图可知，系统的开环传递函数G(S)=，式中K=相应的闭环传递函数为 二阶系统闭环传递函数的标准形式为= 比拟式、得：n= =图中=1s，T1=0.1s图2-1表一列出了有关二阶系统在三种情况(欠阻尼，

5、临界阻尼、过阻尼)下具体参数的表达式，以便计算理论值。图2-2为图2-1的模拟电路，其中=1s，T1=0.1s，K1分别为10、5、2.5、1，即当电路中的电阻R值分别为10K、20K、40K、100K时系统相应的阻尼比为0.5、1、1.58，它们的单位阶跃响应曲线为表二所示。表一：一种情况各参数01=11KK=K1/=K1nn=C(tp)C(tp)=1+e/C()1Mp%Mp= e/tp(s)tp=ts(s)ts=表二：二阶系统不同值时的单位阶跃响应R值单位阶跃响应曲线10K0.520K40K1100K158模拟电路图： G(S)= K1=100K/R = n=三、实验内容1通过对二阶系统开

6、环增益的调节，使系统分别呈现为欠阻尼01(R=10K，K=10),临界阻尼=1(R=40K，K=2.5)和过阻尼1(R=100K，K=1)三种状态，并用示波器记录它们的阶跃响应曲线。2能过对二阶系统开环增益K的调节，使系统的阻尼比=0.707(R=20K，K=5)，观测此时系统在阶跃信号作用下的动态性能指标：超调量Mp，上升时间tp和调整时间ts，并记录下来。四、实验步骤准备工作：将“信号发生器单元U1的ST端和+5V端用“短路块短接，并使运放反应网络上的场效应管3DJ6夹断。1二阶系统阶跃响应的测试按图2-2接线，并使R分别等于100K、40K、10K用于示波器，分别观测系统的阶跃的输出响应

7、波形。2二阶系统动态性能指标观测调节R，使R=20K，(此时=0.707)，然后用示波器观测系统的阶跃响应曲线，并由曲线测出超调量Mp，上升时间tp和调整时间ts。并将测量值与理论计算值进行比拟，参数取值及响应曲线参见表一、二。五、实验思考题为什么图2-1所示的二阶系统不管K增至多大，该系统总是稳定的？实验三 控制系统的稳定性分析一、实验目的1通过三阶系统的模拟电路实验，掌握线性定常系统动、静态性能的一般测试方法。2研究三阶系统的参数与其静态性能间的关系。二、实验原理图31、图32分别为系统的方块图和模拟电路图。由图可知，该系统的开环传递函数为：G(S)=，式中T1=0.1S，T2=0.51S

8、，K=系统的闭环特征方程：S(T1+1)(T2S+1)+K=0即0.051S3+0.61S2+3+K=0 由Routh稳定判据可知K12 (系统稳定的临界值)系统产生等幅振荡，K12，系统不稳定，K12，系统稳定。 图23 三阶系统方块图图31 三阶系统方块图图32 三阶系统的模拟电路图三、实验内容1研究三阶系统的开环增益K或一个慢性环节时间常数T的变化对系统动态性能的影响。2由实验确定三阶系统稳定由临界K值，并与理论计算结果进行比拟。四、实验步骤准备工作：将“信号发生器单元U1的ST端和+5V端用“短路块短接，并使运放反应网络上的场效应管3DJ6夹断。1三阶系统性能的测试按图3-2接线，并使

9、R=30K。用示波器观测系统在阶跃信号作用下的输出波形。2.系统稳定性分析减小开环增益(令R=42.6K，100K)，观测这二种情况下系统的阶跃响应曲线。在同一个K值下，如K=5.1(对应的R=100K)，将第一个惯性环节的时间常数由0.1s变为1s，然后再用示波器观测系统的阶跃响应曲线。表一：R(K)K输出波形稳定性301742.611.961005.1五、实验思考题通过改变三阶系统的开环增益K和第一个惯性环节的时间常数，讨论得出它们的变化对系统的动态性能产生什么影响？实验四 连续系统串联校正一、实验目的1掌握串联校正装置设计的一般方法。2设计一个有源串联超前校正装置，使之满足实验系统动、静

10、态性能的要求。二、实验内容1未校正系统的方块图如图41所示，设计相应的模拟电路图，参见图42。图41 未校正系统的方块图图42 未校正系统的模拟电路图 n=6.32 Mp=60%2由闭环传递函数G(S)= ts=4s =0.158 静态误差系统数Kv=20 1/s3用示波器观测并记录未校正系统在阶跃信号作用下的动态性能指标Mp、ts、tp4根据系统动态性能的要求，设计一个超前校正装置，其传递函数为：Gc(s)=其模拟电路图为43所示。要求校正后系统Kv=20，Mp=0.25，ts1s，图43 校正装置电路校正后系统的方块图为图44所示图44 校正后系统的方块图由图可知，该系统的开环传递函数为G

11、(S)=与二阶系统标准形式的开环传递函数相比拟，得n=20 2n=20 =0.5 Mp=e-=0.1630.25图45 校正后系统的模拟电路图三、实验步骤准备：将“信号发生器单元U1的ST端和+5V端用短路块短接。1按照图42接线，并核对图中各环节的参数是否完全满足图41所示系统的要求。2参加阶跃输入电压，用示波器观察并记录系统输出响应曲线及其性能指标：超调量Mp和调节时间ts。3按图45的要求接入校正装置。4在图45的输入端引入阶跃控制电压，并用示波器观察和记录校正后系统的超调量Mp和调节时间ts，以检验系统是否完全满足预期的设计要求。5具体参数及响应曲线请填入表4-1。四、实验思考题1阶跃

12、输入信号为什么不能取得太大？2为什么图43所示的校正装置是超前校正装置？3你能解释校正后系统的瞬态响应变快的原因吗？表4-1参数工程Mp(%)Ts(s)阶 跃 响 应 曲 线未校正校正后实验五 数字PID控制一、实验目的1通过实验进一步理解采样控制的根本理论。2掌握采样控制系统校正装置的设计和调试方法。二、实验原理采样控制系统稳定的充要条件是其特征根全部位于Z平面上以从标原点为圆心的单位圆内。这种系统的稳定性除了与系统的结构和参数有关外，还与采样周期T有关。三、实验内容 1利用本实验装置，设计图51所示的模拟系统，如图52所示。T=0.1S图51 校正前采样系统图52 图51的模拟电路图(图中零阶保持器的连接方法见图5-3)图5-3 零阶保持器的模拟电路图2要求在图51所示的系统中引入串联校正装置，使校正后系统的性能指标为：静态速度误差系数Kv3超调量Mp20%1通过实验和理论计算都证明未校正系统在满足Kv3后，系统为不稳定。2参加串联校正装置校正装置可自行设计，或参照本实验给出的校正装置，如图54所示。图54 校正装置的电路图其传递函数为：Gc(S)= =图55和图56分别为校正后系统的方框图和模拟电路图。图55