《自动控制原理》实验指导书

《自动控制原理》实验指导书梅雪罗益民袁启昌许必熙南京工业大学自动化学院目录实验一典型环节的模拟研究--------------------------1 实验二典型系统时域响应和稳定性-------------------10 实验三应用MATLAB进行控制系统根轨迹分析----------15 实验四应用MATLAB进行控制系统频域分析------------17 实验五控制系统校正装置设计与仿真-----------------19 实验六线性系统校正-------------------------------22 实验七线性系统的频率响应分析---------------------26 附录：TDN—ACP自动控制原理教学实验箱简介----------31实验一 典型环节的模拟研究一． 实验目的1．熟悉并掌握TD-ACC +设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。

2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。

对比差异、分析原因。

3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二．实验内容下面列出各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。

1．比例环节 (P)A 方框图：如图1.1-1所示。

图1.1-1B 传递函数：K S Ui S Uo =)()( C 阶跃响应：)0()(≥=t Kt U O 其中 01/R R K =D 模拟电路图：如图1.1-2所示。

图1.1-2注意：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100K 的电阻，实验中不需要再接。

以后的实验中用到的运放也如此。

E 理想与实际阶跃响应对照曲线：① 取R0 = 200K ；R1 = 100K 。

② 取R0 = 200K ；R1 = 200K 。

2．积分环节(I)A ．方框图：如右图1.1-3所示。

图1.1-3B ．传递函数：TSS Ui S Uo 1)()(=C ．阶跃响应： )0(1)(≥=t t Tt Uo 其中 C R T 0=D ．模拟电路图：如图1.1-4所示。

图1.1-4(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照： ① 取R0 = 200K ；C = 1uF 。

② 取R0 = 200K ；C = 2uF 。

3．比例积分环节 (PI)(1) 方框图：如图1.1-5所示。

图1.1-5(2) 传递函数： TSK S Ui S Uo 1)()(+=(3) 阶跃响应： )0(1)(≥+=t t TK t Uo 其中1/R R K =；C R T 0=(4) 模拟电路图：如图1.1-6所示。

图1.1-6(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照：①取R0 = R1 = 200K；C = 1uF。

②取R0=R1=200K；C=2uF。

4．惯性环节 (T)(1) 方框图：如图1.1-7所示。

图1.1-7(2) 传递函数：1)()(+=TS KS Ui S Uo 。

(3) 模拟电路图：如图1.1-8所示。

图1.1-8(4) 阶跃响应：)1()(Tt eK t Uo --=，其中01/R R K =；C R T 1=(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照：① 取R0=R1=200K ；C=1uF 。

② 取R0=R1=200K ；C=2uF 。

5．比例微分环节 (PD)(1) 方框图：如图1.1-9所示。

图1.1-9(2) 传递函数：)1()()(TS K S Ui S Uo +=(3) 阶跃响应：K t KT t Uo +)(=δ)(。

其中021R R R K +=，CR R R R T 2121+=，)t (δ为单位脉冲函数，这是一个面积为ｔ的脉冲函数，脉冲宽度为零，幅值为无穷大，在实际中是得不到的。

(4) 模拟电路图：如图1.1-10所示。

图1.1-10(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照：① 取R0 = R2 = 100K ，R3 = 10K ，C = 1uF ；R1 = 100K 。

② 取R0=R2=100K ，R3=10K ，C=1uF ；R1=200K 。

6．比例积分微分环节 (PID)(1) 方框图：如图1.1-11所示。

图1.1-11(2) 传递函数：STSTKSUiSUodiP++=1)()((3) 阶跃响应：tTKtTtUoipd1)()(++=δ。

其中)t(δ为单位脉冲函数，1RRKP=；1CRTi=；221RCRRTd=(4) 模拟电路图：如图1.1-12所示。

图1.1-12(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照：①取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 100K。

②取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 200K。

三、实验设备及仪器1．PC机一台；2．TD-ACC+实验系统一套；3．万用表。

四. 注意事项1．连接通信线时，应首先关闭电源。

在使用中如果出现不能通讯的情况。

请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。

2．在使用中如果出现不能通讯的情况。

请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。

3．连接导线在插拔时，应抓住连接端头，不能拔导线。

五. 实验方法及步骤1．按1.1.3节中所列举的比例环节的模拟电路图将线接好。

检查无误后开启设备电源。

2．将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。

由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。

将开关分别设在“方波”档和“500ms～12s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。

3．将2中的方波信号加至环节的输入端Ui，用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际响应曲线U0(t)，记录实验波形及结果。

4．改变几组参数，重新观测结果。

5．用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比例积分微分环节的模拟电路图。

观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实验波形及结果。

六. 实验报告内容与要求1．画出各模拟电路图；2．写出各模拟电路图的传递函数；3．分别画出理想阶跃响应曲线和实测阶跃响应曲线。

七. 思考1．分析各模拟电路中的元件参数对阶跃响应的影响。

2．实验中模拟电路出现的故障，如何排除。

实验二 典型系统的时域响应和稳定性分析一．实验目的1． 研究二阶系统的特征参量 (ξ、ωn ) 对过渡过程的影响。

2． 研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。

3． 熟悉Routh 判据，用Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。

二．实验内容1． 典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图1.2-1所示。

图1.2-1(2) 对应的模拟电路图：如图1.2-2所示。

图1.2-2(3) 理论分析系统开环传递函数为：)1()1()(101101+=+=S T S T K S T S T K S G ；开环增益01T K K =。

(4) 实验内容先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R 的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。

在此实验中(图1.2-2)，s T 10=， s T 2.01=，R K 2001= R K 200=⇒系统闭环传递函数为：KS S KS S S W n n n ++=++=52)(2222ωζωω其中自然振荡角频率：RT K n 10101==ω；阻尼比：401025Rn==ωζ。

2． 典型的三阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图1.2-3所示。

图1.2-3(2) 模拟电路图：如图1.2-4所示。

图1.2-4(3) 理论分析系统的开环传函为:)15.0)(11.0(500)()(++=S S S R S H S G (其中R K 500=)，系统的特征方程为:02020120)()(123=+++⇒=+K S S S S H S G 。

(4) 实验内容实验前由Routh 判断得Routh 行列式为：S 31 20 S 212 20K S 1 (-5K/3)+20 0 S 0 20K 0为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 ⎪⎩⎪⎨⎧>>+-02002035K K得： 0 < K < 12 ⇒ R > 41.7KΩ 系统稳定 K = 12 ⇒ R = 41.7KΩ 系统临界稳定 K > 12 ⇒ R < 41.7KΩ 系统不稳定三．实验设备及仪器1．PC 机一台；2．TD-ACC +实验系统一套； 3．万用表。

四．注意事项1．参考实验一。

2．在做实验前一定要进行对象整定 ，否则将会导致理论值和实际测量值相差较大。

五. 实验方法与步骤1． 信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。

由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。

将开关分别设在“方波”档和“500ms ～12s ”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。

2． 典型二阶系统瞬态性能指标的测试(1) 按模拟电路图1.2-2接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 10K 。

(2) 用示波器观察系统响应曲线C(t)，测量并记录超调M P 、峰值时间t p 和调节时间t S 。

(3) 分别按R = 20K ；40K ；100K ；改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标M P 、t p 和t S ，及系统的稳定性。

并将测量值和计算值进行比较 (实验前必须按公式计算出)。

将实验结果填入表1.2-1中。

表1.2-2中已填入了一组参考测量值，供参照。

3．典型三阶系统的性能(1) 按图1.2-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 30K。

(2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。

(3) 减小开环增益 (R = 41.7K；100K)，观察响应曲线，并将实验结果填入表 1.2-3中。

表1.2-4中已填入了一组参考测量值，供参照。

六. 实验报告内容与要求1．画出模拟电路图，写出对象的传递函数。

2．填写典型二阶系统瞬态性能指标实验测试值（见表1.2-1）。

表1.2-13．填写三阶系统在不同开环增益下的响应情况实验测试值（见表1.2-2）表1.2-2表1.2－4七. 思考分析R 参数对21ζζπδ--=e p 、2np 1t ζ-ωπ=、n s 4t ζω=，21p e 1)t (C ζ-ζπ-+=等质量指标的影响。

实验三 应用MATLAB 进行控制系统的根轨迹分析一、实验目的1. 学习MATLAB 在控制系统中的应用； 2．熟悉MATLAB 在绘制根轨迹中的应用；2. 掌握控制系统根轨迹绘制，应用根轨迹分系统性能的方法。