自动控制原理实验书

实验装置介绍

实验一、二阶系统阶跃响应

实验控制系统稳定性分析

实验三系统频率特性分析

实验四线性系统串联校正

实验五MATLAB及仿真实验12

实验装置介绍

自动控制原理实验是自动控制理论课程的一部分，它的任务是：一方面，通过实验使学

生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法；另一方面, 帮助学生学习和提高系统模拟电路的构成和测试技术。

TAP-2型自动控制原理实验系统的基本结构

TAP-2 型控制理论模拟实验装置是一个控制理论的计算机辅助实验系统。如上图所示,

TAP-2型控制理论模拟实验由计算机、A/D/A接口板、模拟实验台和打印机组成。计算机负

责实验的控制、实验数据的采集、分析、显示、储存和恢复功能，还可以根据不同的实验产

生各种输出信号；模拟实验台是被控对象，台上共有运算放大器12个，与台上的其他电阻

电容等元器件配合，可组成各种具有不同系统特性的实验对象，台上还有正弦、三角、方波等信号源作为备用信号发生器用；A/D/A板安装在模拟实验台下面的实验箱底板上，它起着

模拟与数字信号之间的转换作用，是计算机与实验台之间必不可少的桥梁；打印机可根据需

要进行连接，对实验数据、图形作硬拷贝。

实验台由12个运算放大器和一些电阻、电容元件组成，可完成自动控制原理的典型环

节阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统串联

校正、数字PID、状态反馈与状态观测器等相应实验。

实验、二阶系统阶跃响应实验目的

1.学习构成一、二阶系统的模拟电路，了解电路参数对系统特性的影响；研究二阶系统

的两个重要参数：阻尼比口无阻尼自然频率㉛对动态性能的影响。

2.学习一、二阶系统阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算一、二阶系统的

传递函数。

实验仪器

1.自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

实验原理

模拟实验的基本原理:

控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟一、二阶系统，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟一、二阶系统，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

四、实验内容

构成下述系统的模拟电路，并测量其阶跃响应:

1.一阶系统的模拟电路如图

A/BI

2.二阶系统的模拟电路如图

U0

五、实验步骤

一阶系统阶跃响应实验

1.连接一阶系统模拟电路及D/A、A/D连线，检查无误后接通电源。

2.测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信

正常后才可以继续进行实验。

3.在桌面双击图标［自动控制原理实验］运行软件。

4.点击“实验选择”菜单选中“典型环节阶跃响应”栏，再打开“参数设置”菜单,

设定采样周期T和采样点数N的值（计算机默认亦可）。点击“开始”按钮，进行实验。

5.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。

6.记录波形及数据（由实验报告确定）。

二阶系统阶跃响应实验

7.连接二阶系统模拟电路及D/A、A/D连线，检查无误后接通电源。

8.测试计算机与实验箱的通信是否正常，通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信

正常后才可以继续进行实验。

9.在桌面双击图标［自动控制原理实验］运行软件。设定采样周期T和采样点数N的值

（计算机默认亦可）。点击“开始”按钮，进行实验。

10.取国n =l0rad/s，即令R=100竝，C=l A f ;分别取G o、0.5、1、2,即取Ri=100©，

F2分别等于0、100©、200想、400©。输入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录

最大超调量C p和调节时间t s的值。

11.取

同时改变，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量O p和调节时间t s数值。

12.取R=100©, C=1»f, R1=100Q, R=50©，测量系统阶跃响应，记录响应曲线, 特别要记录最大超调量O p和调节时间t s数值。

六、实验报告

1.画出一阶系统（惯性环节）二阶系统的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的理论曲

线及实验响应曲线，加以比较，分析原因。

2.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。

3.观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据。

4.记录波形及图形。

对于二阶系统要求:

①把不同纺口妙条件下测量的o p和t s值列表，根据测量结果得出响应结论。

②画出系统的理论响应曲线和实验响应曲线，再由®和t s计算出传递函数，并与由模拟

电路计算的传递函数相比较。

实验二 控制系统稳定性分析

一、实验目的

.观察系统的不稳定现象。

2.研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。

实验仪器

1.自动控制系统实验箱一台

2•计算机一台

实验内容

系统模拟电路图如图 2-1

其开环传递函数为：

(S)=10K1/s(0.1s+1)(Ts+1)

式中 K1=R3/R2 , R2=100K>, R3=0〜500K ; T=RC R=100K>, C=14f 或 C=0.Wf 两种情 况。

1.连接被测量系统的模拟电路。 电路的输入U1接A/D 、D/A 卡的DA1输出，电路的输出 U2接A/D 、D/A 卡的AD1输入。检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标

［自动控制原理实验］运行软件。 3.

在实验项目的下拉列表中选择实验三 ［控制系统的稳定性分

析］。 4. 取R3的值为50©, 100©, 200矩，此时相应的 K=10K1=5, 10, 20。观察不同 R3

值时显示区内的输出波形（既U2的波形），找到系统输出产生增幅振荡时相应的

及K1值。再把电阻 R3由大至小变化，即 R3=200g , 100k O , 50血，观察不同 R3

值时显示区内的输出波形，找出系统输出产生等幅振荡变化的

R3及K1值，并观察

四、

实验步骤 R3