2015自控实验报告(完整含数据)(西电自动化专业)
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1、用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和 比例积分微分环节。 2、 在阶跃输入信号作用下， 记录各环节的输出波形， 写出输入输出之间的时域数学关系。 3、在运算放大器上实现各环节的参数变化，观察和分析各典型环节的阶跃响应曲线，了 解各项电路参数对典型环节动态特性的影响。
14
图2-3二阶系统的单位阶跃响应图（理论）
（注：将二阶系统的欠阻尼、临界阻尼、过阻尼画在同一坐标系中做比较。 ）
（五） 、实验方法与步骤
1、根据原理图构造实验电路。 2、测量时域响应波形和数据。 3、将所测得的数据填入实验数据表中。
（六） 、记录实验数据：
输入电阻 R 参数 增益 K 自然频率ω n （计算值) 阻尼比ξ （计算值) 超调量 计算值 % 测量值 上升 时间 计算值 tr （ms） 测量值 ξ >1 过阻尼 ξ =1.32 / 临界阻尼 ξ =1 / 欠阻尼 ξ =0.707 4.3% 欠阻尼 ξ =0.5 16.3% 欠阻尼 ξ =0.356 30.2% 70K 40K 20K 10K 5K
（三） 、实验要求：
1、做好预习，根据实验原理图所示相应参数，写出系统的开环，闭环传递函数。计算 、 n、tr、ts、tp、%、等理论值，并绘制单位阶跃信号下的输出响应理论波形。 2、自己设计实验参数，分别构成欠阻尼，临界阻尼，过阻尼二阶闭环系统。
（四） 、实验原理：
实验原理及实验设计：
13
图 2-1
21
（一） 、实验目的：
1、掌握典型三阶系统模拟电路的构成方法及三阶系统的传递函数表达式。 2、了解和掌握求解高阶闭环系统临界稳定增益 K 的多种方法（劳斯稳定判据法、代数求 解法、根轨迹求解法） 。 1、 观察和分析三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响 应。 2、 了解和掌握利用 MATLAB 的开环根轨迹求解系统的性能指标的方法。 3、 掌握利用主导极点的概念，使原三阶系统近似为标准二阶系统，估算系统的时域特性 指标。
C=3uF
T=R1*C =0.3s
T=0.332s
比例积 分环节 R=R1=100K
C=1uF
T=R*C =0.1s
T=0.238s
C=2uF 比例微 分环节 R2=100K R3=100K R4=10K C=1Uf C1=1uF C2= 1uF R2=100K R3=100K R4=10K
T=R*C =0.2s K=2 T=0.6
传递函数： G(S) U O (S) K ( 1 TS ) U i (S)
5
比例系数： K D (R 2 // R3 ) R4 R4 时常数： TD K D R3C 0.1 阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=2+1.2δ(t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
图1-10 比例微分环节单位阶跃响应图
实验一线性典型环节实验
（一） 、实验目的：
1、 了解相似性原理的基本概念。 2、 掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。 3、 掌握各类典型环节的输入和输出时域关系 （时域数学模型）及相应传递函数的表达形 式，熟悉各典型环节的参数（K、T） 。 4、 学会时域法测量典型环节参数的方法。
（二） 、实验内容：
C=1uf 惯性 环节 R=R1=100k
T=R*C =0.1s
T=0.112s
C=2uF
T=R*C =0.2s
T=0.214s
C=3uF
T=R*C =0.3s
T=0.321s
C=1uF 积分 环节 R1=100K
T=R1*C =0.1s
T=0.096s
C=2uF
T=R1*C =0.2s
T=0.214s
（二） 、实验内容：
1、运用根轨迹法对控制系统进行分析；明确闭环零、极点的分布和系统阶跃响应的定性 关系。 2、用劳斯稳定判据判断系统的稳定性，并计算临界稳定增益 K。 3、熟练掌握根轨迹作图法，并确定临界稳定增益 K，与计算值做比较。
（三） 、实验要求：
1、做好预习，根据原理图所示相应参数，计算理论值并绘制根轨图，用试探法确定主导 极点的大致位置。 2、用 Routh 稳定判据，求出系统稳定、临界稳定和不稳定时的 K 值范围和 R 的取值。 3、画出输入输出的理论波形(单位阶跃信号作用下)。
C=2u F
5 比例微分环节
12
6 比例积分微分环节
实验二
（一） 、实验目的：
二阶系统的性能研究
通过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。
（二） 、实验内容：
1. 掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及二阶闭环系统的传递函数标准式。 2. 研究二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ω n、阻尼比ξ 对过渡过程的影响。 3. 掌握欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标 Mp、tp、ts 的计算。 4. 观察和测量二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信 号输入时的动态性能指标 Mp、tp 值，并与理论计算值作比对。
图1-3惯性环节实验原理图
传递函数： G(S) U O (S) K U i (S) 1 TS 比例系数： K R 1
R1
时常数：T=R1C=0.1 阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=(1-������ −10������ )ε(t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
3
图1-4惯性环节单位阶跃响应图
自动控制原理实验报告
课程编号：ME3121023 专业自动化 班级 1304031 姓名 XXX 学号 1304XXXXXX 实验时间：2015 年 12 月
一、
实验目的和要求：
通过自动控制原理实验牢固地掌握《自动控制原理》课的基本分析方法和实验测试手段。 能应用运算放大器建立各种控制系统的数学模型，掌握系统校正的常用方法，掌握系统性能指 标同系统结构和参数之间的基本关系。 通过大量实验， 提高动手、 动脑、 理论结合实际的能力， 提高从事数据采集与调试的能力，为构建系统打下坚实的基础。 二、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明 自动控制实验系统一套 计算机（已安装虚拟测量软件）一台 椎体连接线 18 根
二阶系统实验原理图
预习内容：(1)二阶系统时域实验参数计算：
图 2-2
二阶系统实验方框图
二阶系统的开环传递函数： G( S )
K （2-1） TiS (TS 1)
2 n 二阶系统的闭环传递函数标准式： (s) G(S ) （2-2） 2 1 G(S ) S 2 2 n S n
1、 写出各典型环节的微分方程（建立数学模型） 。 答：比例环节������������ = ������������������ 惯性环节T
������������ ������ ������������
+ ������������ = ������������������
积分环节������������ = ������ ������������ ������������ 2、 根据所描述的各典型环节的微分方程，你能否用电学、力学、热力学和机械学等学科 中的知识设计出相应的系统？请举例说明，并画出原理图。 答：电枢控制的直流伺服电机，微分方程如下
传递函数： G(S) U O (S) K ( 1 1 ) U i (S) TS 比例系数： K R 1
R1
时常数：T=RC=0.1 阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=(1+10t)ε(t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
图1-8比例积分环节单位阶跃响应图
5．比例微分环节：
图1-9比例微分环节实验原理图
1.43
2.5
5
10
20
3.78
5
7.07
10
14.14
/
/
6.0%
14.9%
31.3%
1.25s
0.700s
0.417s
0.242s
0.146s
1.22s
百度文库
0.653s
0.498s
0.252s
0150s
15
峰值 时间 计算值
/
/
0.630s
0.36s
0.238s
tP
（ms） 测量值 调节 时间 计算值
/
/
0.642s
0.359s
0.235s
/
/
0.600s
0.600s
0.600s
tS
（ms） 测量值
1.809s
0.889s
0.610s
0.567s
0.583s
（七） 、思考与讨论： 将实验结果与理论知识作对比，并进行讨论。 答：此次实验中不可能出现不稳定的情况，因为闭环传递函数的极点一直在 s 左半 平面，满足劳斯判据。增加比例微分控制环节和速度反馈控制环节，减少原系统的 震荡性和参数的改变。 实验中的电阻、电容实际值与标称值之间存在偏差；使得 计算结果出现误差，还有是按条件的变化也会对结果产生影响。
自然频率（无阻尼振荡频率） ： n K 阻尼比： 1 Ti （2-3） T iT KT 2 由二阶闭环系统模拟电路如图 2-1 所示。它由积分环节和惯性环节的构成。 要求学生自行设计三种欠阻尼、临界阻尼和过阻尼二阶闭环系统，并计算出它们在阶跃 信号输入时的动态指标 Mp、tp、tr、ts。 （注：要求有设计和计算过程，结果填入数据记录表中）
T=0.158s
比例积分 微分环节
Ti=0.02 Td=0.06
8
（八） 、实测波形：
1 比例环节 R=100K R1=50K
R=100K R1=100K
R=50K R1=100K
9
2 惯性环节 C=1uF
C=2Uf
C=3u F
10
3 积分环节 C=1uF
C=2u F
C=3u F
11
4 比例积分环节 C=1u F
16
（八） 、记录实验实测波形：
1R=70K0 (1) 上升时间
(2)调节时间
2R=40K (1)上升时间
17
(2)调节时间
2R=20K (1)超调量和峰值时间
(2)上升时间
18
调节时间
R=10K 超调量和峰值时间
19
上升时间
调节时间
R=5K 峰值时间和超调量
20
上升时间
调节时间
实验三
系统时域分析实验
6．比例积分微分环节：
图1-11比例积分微分环节实验原理图
传递函数： G(S) U O (S) K K p K T S p p d
U i (S) Ti S
比例系数： K R2 R3 P
R4
时常数： Td (
R2 R3 R4 )C 2 0.06 R2 R3
Ti ( R2 R3 )C1 0.2
3．积分环节：
图1-5 积分环节实验原理图
传递函数： G(S) U O (S) 1
U i (S)
TS
时常数：T=R1C=0.1 阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=10������������ (t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
图1-6 积分环节单位阶跃响应图
4．比例积分环节：
4
图1-7 比例积分环节实验原理图
阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)= 90t + 9 ε t = 0.1δ(t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
6
图1-12 比例积分微分环节单位阶跃响应图
（五） 、实验方法与步骤
1、 根据原理图构造实验电路。 2、 测量输入和输出波形图。 3、 将所测得的数据填入实验数据表中。
（六） 、讨论与思考
（三） 、实验要求：
1、 仔细阅读自动控制实验装置布局图和计算机虚拟测量软件的使用说明书。 2、 做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传递函数的表达式，并计算 各典型环节的时域输出响应（时域数学模型）和相应参数（K、T） 。 3、分别画出各典型环节的阶跃响应理论波形。
5、输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数，并记录。 （四） 、实验原理：
3、利用 MATLAB 仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。
答：实验箱中电阻值和电容值得与标准值存在误差、外界电磁的干扰和信息传输时间的 延迟滞后,都使得理论值与实测数据与波形存在误差。
7
（七） 、记录实验数据：
名称 R =100K R1=50K 比 例 环 节 R =100K R1=100K R =50K R1=100K 参数 K = R/R1 =2 K = R/R1 =1 K = R/R1 =0.5 理论值 实测值 K=Uo / Ui =2.05 K=Uo / Ui =1.01 K=Uo / Ui =0.49
实验原理及实验设计： 1．比例环节：
图1-1
比例环节实验原理图
传递函数： G(S) U O (S) K
U i (S)
2
比例系数： K R 2
R1
阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=2������������ (t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
图1-2
比例环节单位阶跃响应图
2． 惯性环节：
14
图2-3二阶系统的单位阶跃响应图（理论）
（注：将二阶系统的欠阻尼、临界阻尼、过阻尼画在同一坐标系中做比较。 ）
（五） 、实验方法与步骤
1、根据原理图构造实验电路。 2、测量时域响应波形和数据。 3、将所测得的数据填入实验数据表中。
（六） 、记录实验数据：
输入电阻 R 参数 增益 K 自然频率ω n （计算值) 阻尼比ξ （计算值) 超调量 计算值 % 测量值 上升 时间 计算值 tr （ms） 测量值 ξ >1 过阻尼 ξ =1.32 / 临界阻尼 ξ =1 / 欠阻尼 ξ =0.707 4.3% 欠阻尼 ξ =0.5 16.3% 欠阻尼 ξ =0.356 30.2% 70K 40K 20K 10K 5K
（三） 、实验要求：
1、做好预习，根据实验原理图所示相应参数，写出系统的开环，闭环传递函数。计算 、 n、tr、ts、tp、%、等理论值，并绘制单位阶跃信号下的输出响应理论波形。 2、自己设计实验参数，分别构成欠阻尼，临界阻尼，过阻尼二阶闭环系统。
（四） 、实验原理：
实验原理及实验设计：
13
图 2-1
21
（一） 、实验目的：
1、掌握典型三阶系统模拟电路的构成方法及三阶系统的传递函数表达式。 2、了解和掌握求解高阶闭环系统临界稳定增益 K 的多种方法（劳斯稳定判据法、代数求 解法、根轨迹求解法） 。 1、 观察和分析三阶系统在阶跃信号输入时，系统的稳定、临界稳定及不稳定三种瞬态响 应。 2、 了解和掌握利用 MATLAB 的开环根轨迹求解系统的性能指标的方法。 3、 掌握利用主导极点的概念，使原三阶系统近似为标准二阶系统，估算系统的时域特性 指标。
C=3uF
T=R1*C =0.3s
T=0.332s
比例积 分环节 R=R1=100K
C=1uF
T=R*C =0.1s
T=0.238s
C=2uF 比例微 分环节 R2=100K R3=100K R4=10K C=1Uf C1=1uF C2= 1uF R2=100K R3=100K R4=10K
T=R*C =0.2s K=2 T=0.6
传递函数： G(S) U O (S) K ( 1 TS ) U i (S)
5
比例系数： K D (R 2 // R3 ) R4 R4 时常数： TD K D R3C 0.1 阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=2+1.2δ(t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
图1-10 比例微分环节单位阶跃响应图
实验一线性典型环节实验
（一） 、实验目的：
1、 了解相似性原理的基本概念。 2、 掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。 3、 掌握各类典型环节的输入和输出时域关系 （时域数学模型）及相应传递函数的表达形 式，熟悉各典型环节的参数（K、T） 。 4、 学会时域法测量典型环节参数的方法。
（二） 、实验内容：
C=1uf 惯性 环节 R=R1=100k
T=R*C =0.1s
T=0.112s
C=2uF
T=R*C =0.2s
T=0.214s
C=3uF
T=R*C =0.3s
T=0.321s
C=1uF 积分 环节 R1=100K
T=R1*C =0.1s
T=0.096s
C=2uF
T=R1*C =0.2s
T=0.214s
（二） 、实验内容：
1、运用根轨迹法对控制系统进行分析；明确闭环零、极点的分布和系统阶跃响应的定性 关系。 2、用劳斯稳定判据判断系统的稳定性，并计算临界稳定增益 K。 3、熟练掌握根轨迹作图法，并确定临界稳定增益 K，与计算值做比较。
（三） 、实验要求：
1、做好预习，根据原理图所示相应参数，计算理论值并绘制根轨图，用试探法确定主导 极点的大致位置。 2、用 Routh 稳定判据，求出系统稳定、临界稳定和不稳定时的 K 值范围和 R 的取值。 3、画出输入输出的理论波形(单位阶跃信号作用下)。
C=2u F
5 比例微分环节
12
6 比例积分微分环节
实验二
（一） 、实验目的：
二阶系统的性能研究
通过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。
（二） 、实验内容：
1. 掌握典型二阶系统模拟电路的构成方法及二阶闭环系统的传递函数标准式。 2. 研究二阶闭环系统的结构参数--无阻尼振荡频率ω n、阻尼比ξ 对过渡过程的影响。 3. 掌握欠阻尼二阶闭环系统在阶跃信号输入时的动态性能指标 Mp、tp、ts 的计算。 4. 观察和测量二阶闭环系统在欠阻尼，临界阻尼，过阻尼的瞬态响应曲线，及在阶跃信 号输入时的动态性能指标 Mp、tp 值，并与理论计算值作比对。
图1-3惯性环节实验原理图
传递函数： G(S) U O (S) K U i (S) 1 TS 比例系数： K R 1
R1
时常数：T=R1C=0.1 阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=(1-������ −10������ )ε(t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
3
图1-4惯性环节单位阶跃响应图
自动控制原理实验报告
课程编号：ME3121023 专业自动化 班级 1304031 姓名 XXX 学号 1304XXXXXX 实验时间：2015 年 12 月
一、
实验目的和要求：
通过自动控制原理实验牢固地掌握《自动控制原理》课的基本分析方法和实验测试手段。 能应用运算放大器建立各种控制系统的数学模型，掌握系统校正的常用方法，掌握系统性能指 标同系统结构和参数之间的基本关系。 通过大量实验， 提高动手、 动脑、 理论结合实际的能力， 提高从事数据采集与调试的能力，为构建系统打下坚实的基础。 二、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明 自动控制实验系统一套 计算机（已安装虚拟测量软件）一台 椎体连接线 18 根
二阶系统实验原理图
预习内容：(1)二阶系统时域实验参数计算：
图 2-2
二阶系统实验方框图
二阶系统的开环传递函数： G( S )
K （2-1） TiS (TS 1)
2 n 二阶系统的闭环传递函数标准式： (s) G(S ) （2-2） 2 1 G(S ) S 2 2 n S n
1、 写出各典型环节的微分方程（建立数学模型） 。 答：比例环节������������ = ������������������ 惯性环节T
������������ ������ ������������
+ ������������ = ������������������
积分环节������������ = ������ ������������ ������������ 2、 根据所描述的各典型环节的微分方程，你能否用电学、力学、热力学和机械学等学科 中的知识设计出相应的系统？请举例说明，并画出原理图。 答：电枢控制的直流伺服电机，微分方程如下
传递函数： G(S) U O (S) K ( 1 1 ) U i (S) TS 比例系数： K R 1
R1
时常数：T=RC=0.1 阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=(1+10t)ε(t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
图1-8比例积分环节单位阶跃响应图
5．比例微分环节：
图1-9比例微分环节实验原理图
1.43
2.5
5
10
20
3.78
5
7.07
10
14.14
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/
6.0%
14.9%
31.3%
1.25s
0.700s
0.417s
0.242s
0.146s
1.22s
百度文库
0.653s
0.498s
0.252s
0150s
15
峰值 时间 计算值
/
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0.630s
0.36s
0.238s
tP
（ms） 测量值 调节 时间 计算值
/
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0.642s
0.359s
0.235s
/
/
0.600s
0.600s
0.600s
tS
（ms） 测量值
1.809s
0.889s
0.610s
0.567s
0.583s
（七） 、思考与讨论： 将实验结果与理论知识作对比，并进行讨论。 答：此次实验中不可能出现不稳定的情况，因为闭环传递函数的极点一直在 s 左半 平面，满足劳斯判据。增加比例微分控制环节和速度反馈控制环节，减少原系统的 震荡性和参数的改变。 实验中的电阻、电容实际值与标称值之间存在偏差；使得 计算结果出现误差，还有是按条件的变化也会对结果产生影响。
自然频率（无阻尼振荡频率） ： n K 阻尼比： 1 Ti （2-3） T iT KT 2 由二阶闭环系统模拟电路如图 2-1 所示。它由积分环节和惯性环节的构成。 要求学生自行设计三种欠阻尼、临界阻尼和过阻尼二阶闭环系统，并计算出它们在阶跃 信号输入时的动态指标 Mp、tp、tr、ts。 （注：要求有设计和计算过程，结果填入数据记录表中）
T=0.158s
比例积分 微分环节
Ti=0.02 Td=0.06
8
（八） 、实测波形：
1 比例环节 R=100K R1=50K
R=100K R1=100K
R=50K R1=100K
9
2 惯性环节 C=1uF
C=2Uf
C=3u F
10
3 积分环节 C=1uF
C=2u F
C=3u F
11
4 比例积分环节 C=1u F
16
（八） 、记录实验实测波形：
1R=70K0 (1) 上升时间
(2)调节时间
2R=40K (1)上升时间
17
(2)调节时间
2R=20K (1)超调量和峰值时间
(2)上升时间
18
调节时间
R=10K 超调量和峰值时间
19
上升时间
调节时间
R=5K 峰值时间和超调量
20
上升时间
调节时间
实验三
系统时域分析实验
6．比例积分微分环节：
图1-11比例积分微分环节实验原理图
传递函数： G(S) U O (S) K K p K T S p p d
U i (S) Ti S
比例系数： K R2 R3 P
R4
时常数： Td (
R2 R3 R4 )C 2 0.06 R2 R3
Ti ( R2 R3 )C1 0.2
3．积分环节：
图1-5 积分环节实验原理图
传递函数： G(S) U O (S) 1
U i (S)
TS
时常数：T=R1C=0.1 阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=10������������ (t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
图1-6 积分环节单位阶跃响应图
4．比例积分环节：
4
图1-7 比例积分环节实验原理图
阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)= 90t + 9 ε t = 0.1δ(t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
6
图1-12 比例积分微分环节单位阶跃响应图
（五） 、实验方法与步骤
1、 根据原理图构造实验电路。 2、 测量输入和输出波形图。 3、 将所测得的数据填入实验数据表中。
（六） 、讨论与思考
（三） 、实验要求：
1、 仔细阅读自动控制实验装置布局图和计算机虚拟测量软件的使用说明书。 2、 做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传递函数的表达式，并计算 各典型环节的时域输出响应（时域数学模型）和相应参数（K、T） 。 3、分别画出各典型环节的阶跃响应理论波形。
5、输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数，并记录。 （四） 、实验原理：
3、利用 MATLAB 仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。
答：实验箱中电阻值和电容值得与标准值存在误差、外界电磁的干扰和信息传输时间的 延迟滞后,都使得理论值与实测数据与波形存在误差。
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（七） 、记录实验数据：
名称 R =100K R1=50K 比 例 环 节 R =100K R1=100K R =50K R1=100K 参数 K = R/R1 =2 K = R/R1 =1 K = R/R1 =0.5 理论值 实测值 K=Uo / Ui =2.05 K=Uo / Ui =1.01 K=Uo / Ui =0.49
实验原理及实验设计： 1．比例环节：
图1-1
比例环节实验原理图
传递函数： G(S) U O (S) K
U i (S)
2
比例系数： K R 2
R1
阶跃信号输入，时域输出响应：u0(t)=2������������ (t) Ui-Uo的时域响应理论波形：
图1-2
比例环节单位阶跃响应图
2． 惯性环节：