自动控制原理实验报告

⾃动控制原理实验报告
电⼦科技⼤学⾃动化⼯程学院标准实验报告
课程名称：⾃动控制原理
学⽣姓名：
学⽣学号：
指导教师：
实验项⽬名称：系统认识与系统测试
⼀、实验⽬的：
1、了解旋转式倒⽴摆系统的系统构成，并掌握其使⽤⽅法；
2、了解随动系统的系统构成，并掌握其使⽤⽅法。

3、了解实验安全及注意事项
4、了解开环系统的⼯作状态，掌握闭环系统反馈极性的判别⽅法及其影响。

5、掌握系统相关数据的测试⽅法。

⼆、实验器材：
XZ-IIC 型实验仪、计算机、⾃动控制原理实验仪、万⽤表
三、实验原理： 1、实验原理图:
被测试系统是指：由控制部分，电动机，反馈电位器组成的部分。

2、实验电路图：
⾃动控制原理实验仪
被测试系
四、实验内容：
1、测试输⼊(外部、计算机)信号与输出⾓度信号之间的关系（曲线）。

2 、测试反馈电位器的输出电压与⾓度信号之间的关系（曲线）。

五、实验步骤：
1、将系统接为单位负反馈系统，适当选取K 值(约等于3)。

2、在-5V －+5V 范围内间隔0.5V 调整R 的输出电压(⽤万⽤表监测)，读出对应的输出⾓度值(可⽤计算机读出)。

3、断开系统输⼊，⽤⼿转动电机，在-150°－+150°间每隔10°选取⼀测试值⽤万⽤表监测反馈电位器的输出电压并作好记录。

(⽤计算机监测给定⾓度)
六、实验数据及处理：
(1)、计算机的给定电压与系统输出⾓度的关系：
○1、实验电压与输出⾓度记录表：
电压 -4.0 -3.5 -3.0 2.5 -2.0 -1.5 -1.0 -0.5
0 ⾓度电压 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 3.0 3.5 4.0 ⾓度
○
2、Matlab 拟合给定电压与系统输出⾓度的关系曲线：
-5V
5V
反馈电位器
被测试系统
⾃动控制原理实验仪
K
R
横轴：计算机的给定电压纵轴：系统输出⾓度
斜率：35.9324 纵轴截距：-0.3294
（2）、系统输出⾓度与反馈电压间的关系：
○1、系统输出⾓度与反馈电压间记录表：
⾓度-150 -140 -130 -120 -110 -100 -90 -80 -70 -60 -50 电压⾓度-40 -30 -20 -10 0 10 20 30 40 50 60 电压
⾓度70 80 90 100 110 120 130 140 150
电压
○2、Matlab拟合系统输出⾓度与反馈电压间的关系曲线：
横轴：系统输出⾓度纵轴：反馈电压
斜率：0.0282 纵轴截距：0.0503- 七、实验结论：
⼋、总结及⼼得体会：
九、对本实验过程及⽅法、⼿段的改进建议：
实验项⽬名称：随动系统的时域特性分析
⼀、实验⽬的：
1、了解系统时域分析⽅法
2、分析并掌握前向增益、反馈增益对系统动态性能的影响，并观察对稳态控制精度的影响。

⼆、实验仪器：
XZ-IIC 型实验仪计算机 (或⾃动控制原理实验仪、⽰波器、万⽤表) 三、实验原理：
H
－
)
1)(1(++s T s T s K b a m
K
输出
输⼊
实验系统⽅块图
注：
该实验主要研究系统前向增益K 与系统反馈增益H 的变化，对系统时域指标的影响。

由于本系统负载摆杆有⼀限位挡杆，不能连续转动，不宜做系统开环实验，故只做闭环实验。

四、实验内容：
1）系统前向增益K 与系统性能的关系：
系统输⼊为单位阶跃信号(refi=1)，固定反馈增益H 为1，设置不同前向增益K=0.3,0.5, 1, 1.5 , 2 , 2.5 , 3，观察并记录其不同的输出响应曲线。

并注意观察对稳态控制精度的影响。

2）系统反馈增益H 与系统性能的关系：
系统输⼊为单位阶跃信号(refi=1)，固定前向增益K 为1，设置不同反馈增益H=0.5, 1, 1.5 , 2 , 2.5 , 3，观察记录其输出响应曲线。

并注意观察稳态值及对稳态控制精度的影响。

五、实验步骤：
1、⾸先打开DSP.EXE ⽂件，得到PC 操作界⾯；
2、接着点击菜单项“⽂件（F）”—“设置（S）”,或者第⼆个快捷键得到设置对话框“ESP
Setting”,选择其运⾏模式为“控制模式”，点击“OK”按扭；
3、然后点击菜单项“实验（E）”—“2：随动系统的稳定性分析”，随之出现的“随动系
统的稳定性分析”参数设置对话框（如图22）中有三个参数可供选择：参考输⼊REFI、前向增益K和反馈增益H，设置好参数后点击“OK”按扭；
六、实验数据及处理：
1）系统前向增益K与系统性能的关系：
○1H=1，K=0.3
2.3s 44.1 0% 2.3s 44.9 0% 2.3s 44.5 0%
○2H=1，K=0.5
2.8s 41.7 31.9% 2.8s 41.5 32.5% 2.8s 42.1 30.6%
○3H=1，K=1.0
3.3s 38.1 61.8% 3.3s 38.5 60.2% 3.3s 38.4 60.7%
○4H=1，K=1.5
5.0s 34.3 89.5% 5.0s 34.5 88.4% 5.0s 34.9 8
6.3%
○5H=1，K=2.0
6.5s 35.1 92.3% 6.6s 35.4 93.0% 6.5s 35.7 90.4% ○6H=1，K=2.5
9.6s 36.4 97.7% 9.7s 35.3 99.2% 9.6s 34.8 102.7% ○7H=1，K=3.0
系统不稳定
2）系统反馈增益H与系统性能的关系：
○1K=1，H=0.5
4.5s 61.4 77.9% 4.4s 62.8 74.2% 4.5s 63.7 73.7% ○2K=1，H=1.0
4.2s 37.5 62.5% 4.2s 37.1 63.7% 4.2s 38.1 60.7% ○3K=1，H=1.5
3.9s 26.3 60.3% 3.9s 26.4 59.7% 3.9s 26.3 60.3% ○4K=1，H=2.0
3.6s 19.9 6
4.8% 3.6s 19.6 67.3% 3.6s 19.6 66.5% ○5K=1，H=2.5
3.3s 15.2 76.3% 3.3s 15.5 72.9% 3.3s 15.2 76.3% ○6K=1，H=3.0
系统不稳定
七、实验结论：
⼋、总结及⼼得体会：
九、对本实验过程及⽅法、⼿段的改进建议：
实验项⽬名称：随动系统的频率特性测试及分析
⼀、实验⽬的：
1．了解系统频域分析⽅法；了解系统频域指标与时域指标的关系。

2．掌握系统频率特性的测试⽅法,进⼀步理解频率特性的物理意义； 3．根据闭环幅频特性求出被测系统相应的开环传递函数。

⼆、实验仪器：
XZ-IIC 型实验仪计算机(或⾃动控制原理实验仪、⽰波器、信号发⽣器)。

三、实验原理：系统原理图
－
正弦输⼊
输出
)
1)(1(++s T s T s K b a m
H
实验原理简图
固定反馈增益H 为1，由先验知识可以知道，此随动系统具有低通特性，实验时：输⼊信号采⽤0.5V 正弦信号，频率从0.1到10.0，只要计算输出与输⼊信号的幅值之⽐即可。

记录输⼊、输出信号幅值⽐及相应的频率，然后作出幅频特性图，从⽽分析其幅频特性。

四、实验内容：
输⼊0.5V 正弦信号，频率从0.1到10.0，记录输⼊、输出信号幅值⽐及相应的频率，然后作出幅频特性图，分析其幅频特性。

求得其相应的传递函数(等效为⼆阶系统)。

五、实验步骤：
1、⾸先打开DSP.EXE ⽂件，得到PC 操作界⾯；
2 、接着点击菜单项“⽂件（F ）”—“设置（S ）”,或者第⼆个快捷键得到设置对话框“ESP Setting ”,选择其运⾏模式为“控制模式”，点击“OK ”按扭；
2、然后点击菜单项“实验（E ）”—“4：随动系统的频率特性及分析”，随之出现的“随
动系统的频率特性及分析”参数设置对话框（如图26）中有两个参数可供选择：正弦
输⼊信号的幅值A和⾓频率w，选择好参数后点击“OK”按扭；
图
2
6
随
动
系
统
的频率特性及分析参数设置
4、点击菜单项“⽂件（F）”—“开始（K）”或者第⼀个快捷键，开始实验；
5、如需进⾏多次实验重复上述(3)、(4)步骤即可。

六、实验数据及处理
1、输⼊信号频率与输出⾓度及其对应输出电压记录表
ω0.1 0.5 1.0 1.5 2 2.5 3 3.3 3.5 3.7 3.9 4.0 4.05 4.1 φ12.7 15.3 16.1 18.2 20.4 23.9 27.8 31.4 33.1 37.2 42.3 49 60 139.4 V 0.358 0.432 0.454 0.513 0.575 0.674 0.784 0.886 0.933 1.049 1.193 1.382 1.692 3.931 A 0.716 0.864 0.908 1.026 1.150 1.348 1.568 1.772 1.866 2.098 2.386 2.764 3.384 7.862 ω 4.15 4.2 4.3 4.4 4.45 4.5 4.6 5.0 6.0 6.5 7 8 9 10 φ135.1 128.5 115.4 107.7 97.6 86.3 74.5 46 20.9 15.2 12.5 10 8.1 6.5 V 3.810 3.624 3.254 3.037 2.752 2.434 2.100 1.297 0.589 0.429 0.353 0.282 0.228 0.183 A 7.620 7.248 6.508 6.074 5.504 4.868 4.200 2.594 1.178 0.858 0.706 0.564 0.456 0.366
注：（1）、由实验⼀可知，输出电压=0.0282*输出⾓度
（2）、ω―输⼊信号⾓频率；φ―输出⾓度；
V―输出电压；A―输出电压/输⼊电压。

2、幅频特性曲线
3、开环传递函数
七、实验结论：
⼋、总结及⼼得体会：
九、对本实验过程及⽅法、⼿段的改进建议：
实验项⽬名称：随动系统的PID 校正
⼀、实验⽬的
1．了解线性系统最常⽤的校正⽅法。

2．了解PID 校正⽹络参数变化对系统的影响。

3．掌握校正的概念，了解其PID 校正对系统时域指标的作⽤规律。

⼆、实验仪器：
XZ-IIC 型实验仪计算机(或⾃动控制原理实验仪、⽰波器、万⽤表)
三、实验原理:
校正⽹络－
输⼊
输出
H
)
1)(1(++s T s T s K b a m
K
校正对象
实验系统结构简图
该实验主要观察PID 校正⽹络各参数变化，对系统时域指标的影响，了解其作⽤规律。

所加PID 校正⽹络为：S
T S
T K 2111++ T1为微分环节时间常数 T2为⼀阶积分环节时间常
数
四、实验内容：
○1k=1 ；T2=0.0167 分别取T1=0.01，0.05，0.1，1
○2k=1 ；T1=0.1 分别取T2=0.001，0.01，0.167，1.67
记录系统不同结构参数校正下对应的输出响应曲线，并记录超调量、调节时间Ts；
分析不同的校正参数对系统各项性能指标的影响。

五、实验步骤：
1.⾸先打开DSP.EXE⽂件，得到PC操作界⾯；
2.接着点击菜单项“⽂件（F）”—“设置（S）”,或者第⼆个快捷键得到设置对话框“ESP
Setting”,选择其运⾏模式为“控制模式”，点击“OK”按扭；
3.然后点击菜单项“实验（E）”—“5：随动系统的校正”，随之出现的“随动系统的校正”
参数设置对话框（如图28）中有四个参数可供选择：参考输⼊REFI和前向增益K，及两个校正环节参数T1和T2，设置好参数数值后点击“OK”按扭；
图28 随动系统的校正参数设置对话框
4.点击菜单项“⽂件（F）”—“开始（K）”或者第⼀个快捷键，从⽽开始实验；
5.如需进⾏多次实验,重复上述(3)、(4)步骤即可。

六、实验数据及处理：
（1）、k=1 ；T2=0.0167
○1、k=1 ，T2=0.0167 ，T1=0.01
6.0s 34.4 98.5% 6.0s 34.1 99.8% 6.0s 34.7 98.1%
○2、k=1 ，T2=0.0167 ，T1=0.05
3.0s 3
4.1 83.3% 3.0s 34.4 81.6% 3.0s 34.2 82.7% ○3k=1 ；T2=0.0167 ，T1=0.1，
2.5s 40.6 7.9% 2.5s 40.5 7.8% 2.5s 40.6 7.85% ○4k=1 ；T2=0.0167 ，T1=1
13s 39.5 0% 13s 37.9 0% 13s 38.5 0% (2) k=1 ；T1=0.1○1k=1 ；T1=0.1 T2=0.001，
13s 37.5 0% 13.1s 37.5 0% 13s 38.0 0%
○2k=1 ；T1=0.1 T2=0.01，
1s 40.3 0% 1s 40.4 0% 1s 40.6 0%
○3k=1 ；T1=0.1 T2=0.167，
22.3s 34.1 118.4% 19.8s 36.7 104.4% 19.9s 34.4 118.1% ○4k=1 ；T1=0.1 T2=1.67
震荡，系统不稳定震荡，系统不稳定震荡，系统不稳定
七、实验结论：
⼋、总结及⼼得体会：
九、对本实验过程及⽅法、⼿段的改进建议：
报告评分：
指导教师签字：。