自动控制原理实验指导书

1试验目的

典型环节及其阶跃响应学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。学习用Multisim、MATLAB仿真软件对试验内容中的电路进展仿真。试验原理典型环节的概念对系统建模、分析和争论很有用，但应强调典型环节的数学模型是对型模型确实定能在肯定程度上忠实地描述那些元、部件物理过程的本质特征。模拟典型环节是将运算放大器视为满足以下条件的抱负放大器：输入阻抗为∞。流入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零；电压增益为∞：通频带为∞：输入与输出之间呈线性特性：2.实际模拟典型环节：实际运算放大器输出幅值受其电源限制是非线性的，实际运算放大器是有惯性的。微分环节的影响则无法避开，其模拟输出只能到达有限的最高饱和值。不同。测试系统与计算机的连接试验内容信是否正常，通信正常连续。如通信不正常查找缘由使通信正常后才可以连续进展试验。分别画出比例、惯性、积分、微分、比例＋微分和比例＋积分的模拟电路图。按以下各典型环节的传递函数，调整相应的模拟电路的参数，观看并记录其单位阶跃响应波形。①比例环节 G1(S)=-1和G2(S)=-2②惯性环节 G1(S)=-「1/(S+1)」和G2(S)=-「1/(0.5S+1)」③积分环节 G1(S)=-(1/S)和G2(S)=-(1/〔0.5S〕④微分环节 G1(S)=－0.5S和G2(S)=-S⑤比例微分环节G1(S)=-(2+SG2(S)=-(1+2S)⑥比例积分环节P〕S〕=-(1+1/S〔S1+1/2」仿真试验Multisim启动multisim2023，在电路工作区上可将各种电子元器件和测试仪器仪表连接成试验取仪器到电路工作区窗口并连接成试验电路以用来掌握试验的仿真进程。举例：惯性环节〔K=2，T=0.002〕1〔a〕1〔b〕所示。测出的结果中可看出，他的输出无超调。稳态误差e0,调整时间t3T〔=0.0。ss s〔a〕仿真电路输入信号输出响应〔b〕仿真响应结果MATLAB仿真实例

1惯性环节MultisimMATLAB6.0Simulink图。双击各传递函数模块，在消灭的对话框内设置相应的参数。然后点击工具栏的 按钮simulationstart命令进展仿真，双击示波器模块观看仿真结果。在仿真时设置各阶跃输入信号的幅度为10〔0.5，以便于观看结果。举例：比例环节〔K=2〕MATLAB仿真构造框图如图2〔a〕所示,仿真响应结果如图2〔b〕所示。构造框图输出响应输入信号仿真响应结果2MATLAB仿真预习思考题T？一阶系统各典型环节电路参数对环节特性有什么影响，试说明之。运算放大器模拟各环节的传递函数是在什么状况下推导求得的？积分环节和惯性环节主要差异是什么？惯性环节在什么状况下可近似为积分环节？在什么条件下可近似为比例环节？如何从其输出阶跃响应的波形中算出积分环节和惯性环节的时间常数。一阶系统的单位斜坡响应能否由其单位阶跃响应求得？试说明之。试验总结报告画出比例、惯性、积分、微分、比例＋微分、比例＋积分环节的模电路，并用坐标纸画出各环节的响应曲线。由阶跃响应曲线计算出各环节的传递函数，并与电路计算的结果相比较。写出试验的心得与体会。2二阶系统阶跃响应试验目的争论二阶系统的特征参数，阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对系统动态性能的影响，定量分析ζ和ωntS之间的关系。进一步学习试验系统的使用学会依据系统的阶跃响应曲线确定传递函数学习用Multisim、MATLAB仿真软件对试验内容中的电路进展仿真。试验原理典型二阶闭环系统的单位阶跃响应分为四种状况：1〕欠阻尼二阶系统11，瞬态局部是振荡衰减的过程，振荡角频率为阻尼振荡角频率，其值由阻尼比ζ和自然振荡角频率ωn打算。1欠阻尼二阶系统的单位阶跃响应曲线〔1〕性能指标：调整时间t:单位阶跃响应C(t)进人±5%(有时也取±2%)误差带，并且不再超出该误S差带的最小时间。超调量σ%；单位阶跃响应中最大超出量与稳态值之比。峰值时间t单位阶跃响应C(t)超过稳态值到达第一个峰值所需要的时间。P：构造参数ξ：直接影响单位阶跃响应性能。〔2〕平稳性：阻尼比ξ越小，平稳性越差〔3〕快速性：ξ过小时因振荡猛烈，衰减缓慢，调整时间tS长，ξ过大时，系统响应迟钝，调整时间tS也长，快速性差。ξ＝0.7ξ＝0.7量σ%<5％,平稳性也好，故称ξ＝0.7临界阻尼二阶系统〔即ξ＝1〕升的，不存在稳态误差。无阻尼二阶系统〔ξ＝0〕此时系统有两个纯虚根。过阻尼二阶系统〔ξ>1〕时误差，上升速度由小加大有一拐点。测试系统与计算机连接的试验内容启动计算机，在桌面双击图标[自动掌握试验系统]运行软件。测试计算机与试验箱的通2所示。2二阶系统模拟电路1 2 本试验取R＝100ΩR=0500ΩR是电位器电阻取R＝100KΩ、电容C1μf0.1μf1 2 分别取ξ=0、0.25、0.5、0.7、1、2，即取R1=100KΩ、R2(R2由电位器调整)分别0、50KΩ、100KΩ、200KΩ、400KΩ。输入阶跃信号，测量不同的ξ时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量σ%和调整时间ts的数值和响应动态曲线，将试验数1中并与理论值比较。1试验数据22sξR〔KΩ〕σ%〔理论值〕t〔理论值〕σ%〔实测值〕t〔实测值〕s0044.5％1.20.255016.3％0.60.51004.6％0.40.7140120024001取ξ=0.5，即调整可变电阻R2＝R＝100KΩ；取R=100KΩ，转变电路中的电容C=0.1μF(留意：两个电容值同时转变)记录最大超调量σ%和调整时间ts2中。1C(μf)σ%〔理论值〕0.1C(μf)σ%〔理论值〕0.116.3％ts〔理论值〕σ%〔实测值〕0.06ts〔实测值〕116.3％0.6取R＝100KΩ：转变电路中的电容C＝1μF、R1＝100KΩ调整可变电阻R＝50KΩ。输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录tP和σ%的数值。2仿真试验2Multisim在Multisim3所示电路。为了便于观看输入与输出的仿真结果，在建立仿真电路时加了一级比例环节系统的参数ξ、σ%、ts、t。分别测试ω=1000，ξ=2、0.7、0.25、0时的输入、输出响应P n波形。3典型二阶闭环系统仿真电路MATLAB6.0Simulink后建文档，在文档里绘制二阶系统的构造框图。双击各传递函数模块，在消灭的对话框内设置相应的参数。点击工具栏的 按钮或simulation菜单下的start命令进展仿真。双击示波器模块观看仿真结果。仿真时，可以分别转变ω，ξ的值，得到系统的阶跃响应，再进展比较分析ω，ξ对系统动态性能的影n n10。二阶闭环系统构造框图如图4所示。图4 预习思考题阻尼比和无阻尼、自然频率对系统动态性能有什么影响？阻尼比和自然频率与最大超调量σ%和调整时间ts之间有什么关系？假设阶跃输入信号的幅值过大，会在试验中产生什么后果？在电子模拟系统中，如何实现负反响和单位负反响？试验总结报告画出二阶系统的模拟电路图，并求出参数ξ、σ%的表达式。把不同ξ条件下测量的σ%和ts值列表，依据测量结果得出相应结论。ts和σ函数相比较。3掌握系统的稳定性分析试验目的观看系统的不稳定现象。争论系统开环增益和时间常数对稳定性的影响学习用Multisim、MATLAB仿真软件对试验内容中的电路进展仿真。试验原理线性系统工作在平衡状态，受到扰动偏离了平衡状态，扰动消逝之后，系统又能恢复。稳定性只由构造、参数打算，与初始条件及外作用无关。的稳定性，确定使系统稳定工作的条件是争论设计掌握系统的重要内容。稳定判据则只要依据特征方程的系数便可判别出特征根是否具有负实部，从而推断出系统是否闭环稳定。系统闭环稳定的充分必要条件是:特征方程各项系数均大于零。模拟电路与计算机连接的试验内容1所示。1掌握系统模拟电路启动计算机，在桌面双击图标[自动掌握试验系统]运行软件。测试计算机与试验箱的通信是否正常，通信正常连续。如通信不正常查找缘由使通信正常后才可以连续进展试验。R30～500KΩK1＝0～5R3值时显示区内的输出波形(即C(S)的波形)R3及K1值。再R3=0～500KΩR3出系统输出产生等幅振荡变化的R3K1值，并观看C(S)的输出波形。使系统工作在不稳定状态，即工作在等幅振荡状况。转变电路中的电容C由1μF变成0.1μF，分别观看系统稳定性的变化。仿真试验MultisimMultisim2K，T的值，得到系统阶跃相应，再进展比较分析K，T对系统稳态性的影响。阶跃输入信号幅度为1，起0。MATLAB6.0仿真试验

2掌握系统模拟仿真电路MATLAB6.0Simulink传递函数模块，在消灭的对话框内设置相应的参数。点击工具栏的 按钮或simulation菜单下的start命令进展仿真。双击示波器模块观看仿真结果。系统的构造框图如图3所示。K 1/〔Ts+1〕试验预习要求

3掌握系统MATLAB仿真构造框图试验时假设阶跃信号的幅值取得太大，会产生什么问题？系统开环放大系数K和惯性环节时间常数对系统的性能有什么影响？为使系统能稳定地工作，开环增益应适当取小还是取大？试验总结报告画出掌握系统模拟电路图。画出系统增幅或减幅振荡的波形图。计算系统的临界放大系数，并与试验中测得的临界放大系数相比较。4频率特性的测试1试验目的把握频率特性的测试方法。进一步明确频率特性的概念及物理意义。明确掌握系统参数对频率特性曲线外形的影响。进一步学习用Multisim、MATLAB仿真软件对试验内容中的电路进展仿真。2试验原理的正弦信号，但振幅和相位一般与输入信号不同，而且随着输入信号的频率变化而变化。与相位一般都将发生变化，幅值与相位变化的大小和输入信号的频率相关。取正弦输出与正弦输入的复数比，即为被测系统(或网络)的频率特性。振幅比，做出幅频特性和相频率特性曲线。对于参数完全未知的线性稳定系统可以通过试验方法求出其频率特性的掌握系统确定其实际的频率特性。测试系统与计算机连接的试验内容启动计算机，在桌面双击图标[自动掌握试验系统]运行软件。测试计算机与试验箱的通信是否正常，通信正常连续。如通信不正常查找缘由使通信正常后才可以连续进展试验。1所示。1试验模拟电路假设输入信号r(t)=Uimsinωt，则在稳态时，其输出信号为:c(t)=U0msin(ωt+￠)。转变输入信号角频率ωU0m和￠随ω频特性和相频特性。仿真试验MultisimMultisim2图仪测出系统的幅频特性，用波特图仪测出系统的相频特性。

2频率特性测试仿真电路MATLAB6.0Simulink后建文档，在文档里绘制二阶系统的构造框图。双击各传递函数模块，在消灭的对话框内设置相应的参数。点击工具栏的simulation菜单下的start命令进展仿真。双击示波器模块观看仿真结果。3所示。

按钮或预习思考题

3频率特性测试MATLAB仿真系统的构造框K1增大时对对数中幅频曲线有何影响？波特图能用来推断系统的稳定性及稳定裕度吗？试验总结报告画出被测系统的模拟电路图，计算其传递函数，依据传递函数绘制Bode图。把上述测量数据列表；依据此数据画Bode图。分析测量误差。5PID掌握试验目的争论PID争论采样周期T对系统特性的影响。1进一步学习用Multisim、MATLAB仿真软件对试验内容中的电路进展仿真。试验原理PI、PDPIDPD校正装置，它适用于稳态性能已满足要求，而动态性能较差的场合。PI为滞后校正装置，它能转变系统的稳态性能。PID是一种滞后超前校正装置，它兼有PI和PD开环系统〔被控对象〕的模拟电路如图12102对应“1”型系统。1“0”型系统模拟电路图2“1”型系统模拟电路图被控对象为“0”型系统，承受PIPID1”系统，被控对象为“1”型系统，采样PIPID2”型系统。测试系统与计算机连接的试验内容1V12自己设计一掌握电路，使K＝1，K＝0.02，K＝1K

＝4，K＝2，K＝0两组数据，P i并通过试验分别测出其响应信号。仿真试验Multisim

d P i dMultisim3较图中增加了一级比例放大。仿真时可修改K，K，K，留意观看响应信号的变化。P i d3掌握电路MATLAB6.0Simulink传递函数模块，在消灭的对话框内设置相应的参数。点击工具栏的 按钮或simulation菜单下的start命令进展仿真。双击示波器模块观看仿真结果。原系统构造框图如图4〔a〕所示，PID4(b)所示。被控对象的传递函数为：Gp=1/s〔0.1s+1〕此例承受PI掌握：Kp=4；Ki=2；Kd=0；仿真时自己可以修改这三个参数，观看参数对系统的影响。R(S) C1(S)〔a〕原系统框图R(S) C2(S)(b)PID掌握系统图试验预习要求

4PID(1)试说明PDPI(2)试说明PID(3)为什么由试验得到的PDPID试验总结报告画出PD、PIPID形图。一分析比较。分析参数对三种掌握器性能的影响。6非线性试验试验目的了解非线性环节的特性。把握非线性环节的模拟结果。进一步学习用Multisim、MATLAB仿真软件对试验内容中的电路进展仿真。试验原理实际系统中常见的非线性因素有死区、饱和、间隙和摩擦等。死区又称不灵敏区，它的特点是x<A时，输出量y=0,x〉A时，yx呈线性关系，其中A是死区范围。具有饱和特性的元件较多，几乎各类放大器和电磁元件都会消灭饱和现象。间隙也是掌握系统中产见的一种非线性因素，间隙对系统的主要影响：一是增大了系剧，动态性能变坏，甚至造成系统不稳定。来说是一个很重要