自动控制原理实验指导书(1).(DOC)

自动控制原理实验指导书

罗雪莲编著

目录

实验一典型环节的模拟研究 2 实验二典型系统瞬态响应和稳定性 6 实验三控制系统的频率特性10 实验四线性连续系统校正13 实验五采样系统分析16 附: 实验系统介绍20

实验一典型环节模拟研究

本实验为验证性实验。

一、实验目的

1、学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性影响。

2、熟悉各种典型环节的阶跃响应。

3、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。

二、实验设备

PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。

三．实验原理及电路

下面列出了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

四、实验内容及步骤

1、观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。

（1）实验接线

①准备：使运放处于工作状态。

将信号源单元（U1 SG）的ST端（插针）与+5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态

②阶跃信号的产生；

电路可采用图1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（U13 SP）及“电位器单元”（U14 P）组成。

具体线路形成：在U13 SP单元中，将H1与+5V 插针用“短路块”短接，H2 插针用排线接至U14 P单元的X插针；在U14 P 单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。

以后实现再用到阶跃信号时，方法同上，不再累赘。

错误!

（2）实验操作

①. 按2中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例）。（PID先不接）

②. 将模拟电路输入端（Ui）与阶跃信号的输出端Y相联接；模拟电路的输出端（U0）接至示波器。

③. 按下按钮（或松平按扭）H 时，用示波器观测输出端U0(t)的实际响应曲线，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。

④. 同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线见表1-1。

2、观察PID环节的响应曲线。

①. 此时U i采用U1 SG单元的周期性方波信号（U1单元的ST 的插针改为与S 插针用“短路块”短接，S11波段开关置与“阶跃信号”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12与电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜）。

②. 参照2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。

③. 将 中产生的周期性方波加到PID环节的输入端（U i），用示波器观测PID的输出端（U0），改变电路参数，重新观察并记录。

实验二 典型系统瞬态响应和稳定性

本实验为验证性实验。

一、实验目的

1、熟悉有关二阶系统的特性和模拟仿真方法。

2、研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn 对过渡过程的影响。

3、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。

4、熟悉劳斯判据，用劳斯判据对三阶系统进行稳定性分析。

二、实验设备

PC 机一台，TDN-AC 系列教学实验系统。

三．实验原理及电路

1、典型二阶系统

①典型二阶系统的方块图及传递函数

图2-1是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1s ，T1=0.1s ，K1分别为10、5、2、1。

错误!

开环函数：)

11.0()1()(1+=

+=

S S K

S T S K S G 开环增益：K=K 1/T 0=K 1

闭环函数：2

222)(n

n n

S S S ωξωωφ++= 其中011T T K n =

ω，1

10

21

T K T =ξ

②模拟电路图：见图2-2

图2-2

)

11.0(100)1()(11+=

+=

S S R

S T S K S G 2．典型三阶系统

①典型三阶系统的方块图：见图2-3

图 2-3 开环传递函数为：)

1)(1()()(21++=S T S T S K

S H S G

其中，K=K 1K 2/T 0(开环增益) ②模拟电路图：见图2-4

图2-4

开环传递函数为：)

15.0)(11.0()()(++=

S S S K

S H S G （其中K=500/R ）

系统的特征方程为1+G(S)H(S)=0

即S 3+12S 2+20S+20K=0

由Routh 判据得： 041.7K Ω 系统稳定 K=12，即R=41.7 K Ω 系统临界稳定

K>12，即R<41.7 K Ω 系统不稳定

四、实验内容和步骤

1．准备：将“信号源单元”（U1 SG ）的ST 插针和+5V 插针用“短路块”短接，使运算放大器反馈网络上的场效应管3DJ6夹断。

2．阶跃信号的产生：见实验一中的阶跃信号的产生。将阶跃信号加至输入端，调节单次阶跃单元中的电位器，按动按钮，用示波器观察阶跃信号，使其幅值为3V 。

3．典型二阶系统瞬态性能指标的测试 ①按图2-2接线，R=10K 。

②用示波器观察系统阶跃响应C （t ），测量并记录超调量δ%，峰值时间和调节时间。记录表1中。

③分别按R=20K;40K;100K 改变系统开环增益，观察相应的阶跃响应C(t)，测量并记录性能指标δ(%)、t p 和t S ，及系统的稳定性。并记录测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。并将实验结果填入表1中。

①按图2-4接线，将阶跃信号接至输入端，将阶跃信号的幅值调为1V ，取R=25K 。 ②观察系统阶跃响应，并记录波形。