自动控制理论实验指导书解析

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自动控制理论实验指导书(2010-11-8)

自动控制理论实验指导书合肥工业大学电气与自动化实验中心2010.11实验注意事项一：实验前要做好预习，明确实验目的、内容，拟订好实验线路，选定好参数，掌握实验步骤，并将这些内容写入预习报告中。

二：实验准备工作就绪后，应经指导老师检查无误方可实验。

三：应遵守实验室规则。

四：实验结束后，应把仪表、仪器、导线等收拾整齐。

目录实验一典型环节的时域响应 (3)实验二典型系统的时域响应和稳定性分析 (12)实验三线性系统的校正 (16)实验四频率特性的测量 (19)实验一典型环节的时域响应一. 实验目的1．掌握各典型环节模拟电路的构成方法，掌握TDN-AC/ACS设备的使用方法。

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。

3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二. 实验要求1．观察各种典型环节的阶跃响应曲线2．观测参数变化对典型环节响应曲线的影响三. 实验设备1．TD-ACS 系列教学实验系统一套。

2．数字示波器一台。

3．连接导线。

四. 实验原理下面列出了各典型环节的方框图、模拟电路图、传递函数、阶跃响应，实验前应熟悉了解。

1．比例环节（P )( l ）方框图：图1-1( 2 ）模拟电路图：图1-2( 3 ）传递函数： Uo(s)/Ui(s) = K = R1／R0( 4 ）单位阶跃响应：Uo(t) = K (t≥0）其中K = R1／R0( 5 ）理想与实际阶跃响应曲线对照。

记录实际响应曲线进行对照并分析原因。

①取RO = 200K ; R1 = 100K②取RO = 200K ; R1 = 200K2. 积分环节(I)（ l ) 方框图：图1-3( 2 ）模拟电路图：图1-41( 3 ）传递函数：Uo(s)/Ui(s) =Ts( 4 ）单位阶跃响应：Uo(t) =t/T ( t≥0 ）其中T ＝RoC( 5 ）理想与实际阶跃响应曲线对照。

记录实际响应曲线进行对照并分析原因。

①取RO = 200K ; C = 1uF②取RO = 200K ; C = 2uF3. 比例积分环节( PI )（ 1 ）方框图：图1-5( 2 ）模拟电路图：图1-6( 3 ）传递函数：Uo(s)/Ui(s) = K + 1/TS( 4 ）单位阶跃响应：Uo(t) = K + t/T ( t ≥0 ）其中K = R／Ro；T ＝RoC1( 5 ）理想与实际阶跃响应曲线对照。

自动控制理论实验指导书(学生用)

前言自动控制理论是“控制科学与工程”学科领域的重要技术基础课和骨干课，它起着将基础知识运用于专业问题的桥梁与示范作用，故理论性极强，又由于它涉及许多工程概念与方法的介绍，所以工程概念也非常重要。

自动控制理论课程无论在培养学生抽象思维能力和逻辑能力上,还是在培养学生处理工程问题的能力上都起着非常重要的作用。

自动控制理论课程培养学生系统掌握自动控制的理论基础，并具备对简单系统进行定性分析、定量估算和动态仿真（模拟仿真和数字仿真）的能力，为专业课的学习和参加控制工程实践打下必要的基础。

本实验指导书主要包括经典线性理论和非线性理论两大部分，使用的实验设备是上海航虹高科技有限公司的爱迪克labACT自控/计控原理教学实验系统。

该设备采用模块式结构，可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。

本实验指导书可作为电气工程及其自动化专业《自动控制理论》课程实验指导书，也可作为机械设计制造及其自动化专业《控制工程基础》等课程的实验指导书。

I目录第一章LABACT自控/计控原理实验机构成及说明 (1)第二章虚拟示波器 (3)第三章自动控制原理实验 (5)3.1 线性系统的时域分析 (5)3.1.1典型环节及其阶跃响应 (5)3.1.2 二阶系统的阶跃响应和稳定性分析.......................................... ..9 3.2 线性控制系统频率特性测量 (10)3.2.1 一阶惯性环节的频率特性曲线 (10)3.2.2 二阶闭环系统的频率特性曲线 (11)3.2.3 二阶开环系统的频率特性曲线 (14)3.3 线性系统的校正 (16)3.3.1 频域法校正 (16)3.3.1.1连续系统串联校正 (16)3.4 非线性系统的相平面分析 (23)3.4.1典型非线性环节 (23)3.4.2 二阶非线性控制系统 (26)3.4.3 三阶非线性控制系统 (29)II第一章labACT自控/计控原理实验机构成及说明1.1 构成labACT自控/计控原理实验机由以下七个模块组成：1．自动控制原理实验模块2．计算机控制原理实验模块3．信号源模块4．控制对象模块5．虚拟示波器模块6．控制对象输入显示模块7．CPU控制模块各模块相互交联关系框图见图1-1-1所示：图1-1-1 各模块相互交联关系框图自动控制原理实验模块由六个模拟运算单元及元器件库组成，这些模拟运算单元的输入回路和反馈回路上配有多个各种参数的电阻、电容，因此可以完成各种自动控制模拟运算。

自动控制原理实验实验指导书

自动控制原理实验目录实验一二阶系统阶跃响应（验证性实验） (1)实验三控制系统的稳定性分析（验证性实验） (9)实验三系统稳态误差分析（综合性实验） (15)预备实验典型环节及其阶跃响应一、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的影响。

2.学习典型环节阶跃响应测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节传递函数。

二、实验内容搭建下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。

1.比例(P)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-1。

2.惯性(T)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-2。

3.积分(I)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-3。

4. 比例积分(PI)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-4。

5.比例微分(PD)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-5。

6.比例积分微分(PID)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-6。

三、实验报告1.画出惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的各环节的阶跃响应曲线。

2.由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由模拟电路计算的结果相比较。

附1：预备实验典型环节及其阶跃响应效果参考图比例环节阶跃响应惯性环节阶跃响应积分环节阶跃响应比例积分环节阶跃响应比例微分环节阶跃响应比例积分微分环节阶跃响应附2：由模拟电路推导传递函数的参考方法1．惯性环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：整理得进一步简化可以得到如果令R 2/R 1=K ，R 2C=T ，则系统的传递函数可写成下面的形式：()1KG s TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时则有输入U 1(s)=1输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 1KTS-+由拉氏反变换可得到单位脉冲响应如下：/(),0t TK k t e t T-=-≥ 当输入r(t)为单位阶跃函数时则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 11K TS s-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：/()(1),0t T h t K e t -=--≥当输入r(t)为单位斜坡函数时则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2323R R C T R R =+2Cs12Cs-(s)U R10-(s)U 21R R +-=12212)Cs (Cs 1(s)U (s)U )(G R R R s +-==12212)Cs 1((s)U (s)U )(G R R R s +-==由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：/()(1),0t T c t Kt KT e t -=--≥2．比例微分环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：(s)(s)(s)(s)(s)U100-U U 0U 2=1R1R23(4)CSU R R '''---=++由前一个等式得到 ()1()2/1U s U s R R '=- 带入方程组中消去()U s '可得1()1()2/11()2/12()1134U s U s R R U s R R U s R R R CS+=--+由于14R C〈〈，则可将R4忽略，则可将两边化简得到传递函数如下： 2()23232323()(1)1()11123U s R R R R R R R R G s CS CS U s R R R R R ++==--=-++如果令K=231R R R +， T=2323R R C R R +，则系统的传递函数可写成下面的形式：()(1)G s K TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时，单位脉冲响应不稳定，讨论起来无意义当输入r(t)为单位阶跃函数时则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=(1)K TS S-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：()(),0h t KT t K t δ=+≥当输入r(t)为单位斜坡函数时则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2(1)K TS S -+由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：(),0c t Kt KT t =+≥实验一二阶系统阶跃响应（验证性实验）一、实验目的研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响。

自动控制理论实验指导

《自动控制理论》实验指导书适用专业:电气、测控、信息课程代码: 8402510总学时:总学分:编写单位:电气信息学院编写人:审核人:审批人:批准时间:年月日目录实验一（实验代码1）典型系统的瞬态响应和稳定性 (2)实验二（实验代码2）线性系统的频率响应分析 (7)实验三（实验代码3）系统校正 (12)实验四（实验代码4）直流电机闭环调速 (16)实验一典型系统的瞬态响应和稳定性一、实验目的和任务1、通过模拟实验，定性和定量地分析二阶系统的两个参数T和ζ对二阶系统动态性能的影响。

2、通过模拟实验，定性和定量地分析系统开环增益K对系统稳定性的影响。

3、观测系统处于稳定、临界稳定和不稳定情况下的输出响应的差别。

二、实验内容1、观察二阶系统的阶跃响应，分析二阶系统的两个参数T和ζ对二阶系统动态性能的影响。

2、观察三阶系统的阶跃响应，分析系统开环增益K对系统稳定性的影响。

三、实验仪器、设备及材料TDN-AC/ACS教学实验系统、导线四、实验原理1．典型的二阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1-1所示。

图1-1(2) 对应的模拟电路图：如图1-2所示。

（其中R取10 KΩ，50 KΩ，160 KΩ，200 KΩ）图1-2(3) 理论分析系统开环传递函数为：(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)，系统闭环传递函数为：其中自然振荡角频率：；阻尼比：。

2．典型的三阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1-3所示。

图1-3(2) 模拟电路图：如图1-4所示。

图1-4(3) 理论分析系统的开环传函为:，系统的特征方程为:(4) 实验内容实验前由Routh判断得Routh行列式为：为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有得：五、主要技术重点、难点1、用示波器观察系统阶跃响应C(t)时，超调量σp ％，峰值时间tp和调节时间ts的测量。

自动控制理论实验指导书(新)

自动控制理论实验指导书实验1 典型环节的模拟研究一、实验目的1．了解并掌握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。

3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、实验设备TD －ACC+型实验系统一套；数字示波器、万用表。

三、实验内容及步骤1．实验准备：将信号源单元的“ST ”插针与“S ”端插针用“短路块”短接。

将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为2V ，周期为10s 左右。

2．观测各典型环节对阶跃信号的实际响应曲线 (1) 比例( P )环节① 按模拟电路图1-1接好线路。

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。

② 将模拟电路输入 (U i ) 端与信号源的输出端“OUT ”相连接；用示波器观测模拟电路的输入 (U i ) 端和输出 (U o ) 端，观测实际响应曲线U o (t )，记录实验波形及结果于表1-1中。

表1-1阶跃响应： U O (t )=K (t ≥0) 其中 K =R 1R 0⁄实验参数理论计算示波器观测值输入输出波形0R 1Ro 1i 0U R U R =i U o Uo iU U Ωk 200Ωk 1000.5Ωk 2001R 0=200kΩ；R 1=100kΩ或200kΩ图1-1U i R 0R 1RR 10K 10K U o(2) 积分( I )环节①按图1-2接好线路。

② 将模拟电路输入 (U i ) 端与信号源的输出端“OUT ”相连接；用示波器观测模拟电路的输入 (U i ) 端和输出 (U o ) 端，观测实际响应曲线U o (t )，测量积分时间T ，记录实验波形及结果于表1-2中。

表1-2阶跃响应： o 01()U t t R C=(t ≥0) 注意：积分时间T 是指积分初始时间到输出值等于输入值时的时间。

自控理论实验实验指导书(LABVIEW)

目录一．自动控制理论实验指导1．概述 (1)2．实验一典型环节的电路模拟和软件仿真研究 (5)3．实验二典型系统动态性能和稳定性分三典型环节（或系统）的析 (12)4．实验频率特性测量 (16)5．实验四线性系统串联校正 (21)6．实验五典型非线性环节的静态特性 (26)7．实验六非线性系统相平面法 (31)8．实验七非线性系统描述函数法 (37)9．实验八极点配置全状态反馈控制 (42)10．实验九采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究 (49)11．实验十采样控制系统串联校正的混合仿真研究 (53)二．自动控制理论对象实验指导1．实验一直流电机转速控制实验 (57)2．实验二温度控制实验 (60)3．实验三水箱液位控制实验 (62)三．自动控制理论软件说明1．概述 (64)2．安装指南及系统要求 (67)3．功能使用说明 (69)4．使用实例 (79)概述一．实验系统功能特点1．系统可以按教学需要组合，满足“自动控制原理”课程初级和高级实验的需要。

只配备ACT-I实验箱，则实验时另需配备示波器，且只能完成部分基本实验。

要完成和软件仿真、混合仿真有关的实验必须配备上位机（包含相应软件）及USB2.0通讯线。

2．ACT-I实验箱内含有实验必要的电源、信号发生器以及非线性和高阶电模拟单元，可根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节和系统。

此外，ACT-I实验箱内还可含有数据处理单元，用于数据采集、输出以及和上位机的通讯。

3．配备PC微机作操作台时，将高效率支持“自动控制原理”的教学实验。

系统提供界面友好、功能丰富的上位机软件。

PC微机在实验中，除了满足软件仿真需要外，又可成为测试所需的虚拟仪器、测试信号发生器以及具有很强柔性的数字控制器。

4．系统的硬件、软件设计，充分考虑了开放型、研究型实验的需要。

除了指导书所提供的10个实验外，还可自行设计实验。

二．系统构成实验系统由上位PC微机（含实验系统上位机软件）、ACT-I实验箱、USB2.0通讯线等组成。

自动控制理论实验指导书

自动控制理论实验指导书《自动控制理论》是一门理论性和实践性都很强的专业基础课。

实验课是本课程不可少的教学环节。

通过实验课可以使学生掌握基本的实验方法和操作技能。

认真地进行实验，有助于加深对理论知识的理解；有助于培养动手能力；有助于养成良好的工作习惯；有助于培养应用型人才。

本实验指导书安排以下几项实验：实验一一、二阶系统的模型及阶跃响应的动态分析实验二控制系统根轨迹实验实验三频率特性的测试实验四控制系统的校正实验时间安排如下：实验一在第三章时域分析法结束之后进行；实验二在第四章根轨迹法结束之后进行；实验三在第五章频率法结束之后进行；实验四在第六章控制系统的校正结束之后进行。

实验仪器设备：微型计算机一台实验报告：实验报告是实验工作的最终总结，是反映分析能力和工作能力的重要手段，要求学生独立完成，每人一份。

实验报告主要内容有：1、实验名称、专业班级、本人姓名、同组人员名单、实验日期、实验地点；2、实验目的、要求；3、实验内容、步骤、方法；4、实验数据及记录或绘制的实验曲线；5、分析实验数据，写出心得体会，总结经验，提出改进意见。

实验一一、二阶系统的模型及阶跃响应的动态分析一、实验目的1、熟悉并掌握MATLAB 在自动控制仿真中的应用。

2、学习时域响应的测试方法，树立时域的概念。

3、明确一、二阶系统的阶跃响应及其性能指标与结构参数的关系。

二、实验内容1、建立一阶系统的模型，观察并测量不同时间常数T 的阶跃响应及性能指标调节时间t s 。

2、建立二阶系统的模型，观察并测量不同阻尼比ξ时的阶跃响应及性能指标调节时间t s 、超调量σ%。

三、实验原理及方法1、一阶系统传递函数()11s +=Ts φ，系统结构如图所示运用MATLAB 建立系统模型，选取参数T 分别为0.1、0.5、1秒时，分别观测系统的阶跃响应曲线，测试并纪录性能指标调节时间t s 。

2、二阶系统传递函数()2222s nn ns s ωξωωφ++=建立系统模型，参数选取见下表，分别观测系统的阶跃响应曲线，测试并纪录性能指标调节时间t s、超调量σ%。

《自动控制原理》实验指导书(正文全)

实验一基于MATLAB实验平台的系统被控对象的建立与转换[说明]一个控制系统主要由被控对象、检测测量装置、控制器和执行器四大部分构成。

用于自控原理实验方面的被控对象可以有①用于实际生产的实际系统的真实被控对象，如进行温度控制的锅炉、进行转速控制的电机等；②用于实验研究的真实被控对象，如进行温度控制的实验用锅炉、进行转速控制的电机等；③用运算放大器等电子器件搭建的电模拟被控对象（电路板形式），它们的数学模型与真实被控对象的数学模型基本一致，而且比真实被控对象更典型，更精准。

它们是实物型原理仿真被控对象。

④计算机仿真的被控对象，它们是非实物型原理仿真被控对象，是以各种形式展现的被控对象的数学模型。

它们通过计算机屏幕展示，或是公式形式的数学算式，或是数字形式的数表、矩阵，或是图形形式的结构框图，或是动画形式的真实被控对象实物的动态图形。

在自控原理实验中，①极少用；②用的不多；③用的较多；④在MATLAB软件广泛使用后，用的较多。

③、④各有其优缺点。

MATLAB软件的应用对提高控制系统的分析、设计和应用水平起着十分重要的作用。

我们的实验采用的是④：采用MATLAB软件平台的计算机仿真的被控对象。

这里“被控对象的建立”，指在MATLAB软件平台上怎样正确表示被控对象的数学模型。

[实验目的]1．了解MATLAB软件的基本特点和功能；2．掌握线性系统被控对象传递函数数学模型在MATLAB环境下的表示方法及转换；3．掌握多环节串联、并联、反馈连接时整体传递函数的求取方法；4．掌握在SIMULINK环境下系统结构图的形成及整体传递函数的求取方法。

[实验指导]一、被控对象模型的建立在线性系统理论中，一般常用的描述系统的数学模型形式有：（1）传递函数模型——有理多项式分式表达式（2）传递函数模型——零极点增益表达式（3）状态空间模型（系统的内部模型）这些模型之间都有着内在的联系，可以相互进行转换。

1、传递函数模型——有理多项式分式表达式设系统的传递函数模型为1110111......)()()(a s a s a s a b s b s b s b s R s C s G n n n n m m m m ++++++++==---- 对线性定常系统，式中s 的系数均为常数，且a n 不等于零。

自动控制理论实验指导书(2014)

实验一典型环节的电路模拟一、实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。

2．学习典型环节的电模方法，以及参数测试方法。

3．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟研究方法。

二、实验设备1．ACCT-Ⅲ型自动控制理论实验箱一台 2．方正电脑一套 3．螺丝刀一把三、实验原理及线路1．积分(I)环节积分环节的传递函数为：0()1()i U s U s TS=模拟电路图图1 积分环节模拟电路图其方块图和阶跃响应，分别如图2和图3所示，于是0TR C =，实验参数取R 0＝100k ，C ＝1uF 。

2．惯性环节惯性环节的传递函数为：01i U KU TS =+ 模拟电路图4 惯性环节模拟电路图其方块图和阶跃响应，分别如图5和图6所示，其中1R K R =，1T R C =，实验参数取R 0＝100k ，R 1＝100k ，C ＝1 uF 。

四、实验内容及步骤1．熟悉实验设备，设计积分、惯性、比例积分环节的模拟电路。

2．选定一组参数，按图示的模拟电路在ACCT-Ⅰ型自动控制理论实验箱上接线。

3．观察环节的阶跃响应；描下响应曲线并记录有关数据。

4．另选一组参数，重复步骤2、35．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。

五、预习内容1．了解ACT-Ⅰ型自动控制理论实验箱的使用方法。

2．求出各典型环节在给定参数下的阶跃响应曲线，做书面报告。

3．拟定输出瞬时值的测量方法以及时间常数的测量方法。

4．利用传递函数研究系统应满足什么条件？5．实验时环节的输出与理想的情况会有什么差别？六、实验报告要求1．实验中存在问题及其讨论或建议。

2．拟定二阶系统参数（ξ、ωn）对瞬态性能影响的模拟研究方法。

（包括拟定实验线路及方法、步骤等）附：实验记录表格实验二二阶系统动态性能和稳定性分析一、实验目的1．学习和掌握时域性能指标的测试方法。

自动控制理论实验指导书(仿真).详解

实验一典型环节的MATLAB仿真Experiment 1 MATLAB simulation of typical link一、实验目的1．熟悉MATLAB桌面和命令窗口，初步了解SIMULINK功能模块的使用方法。

2．通过观察典型环节在单位阶跃信号作用下的动态特性，加深对各典型环节响应曲线的理解。

3．定性了解各参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、SIMULINK的使用MATLAB中SIMULINK是一个用来对动态系统进行建模、仿真和分析的软件包。

利用SIMULINK功能模块可以快速的建立控制系统的模型，进行仿真和调试。

1．运行MATLAB软件，在命令窗口栏“>>”提示符下键入simulink命令，按Enter 键或在工具栏单击按钮，即可进入如图1-1所示的SIMULINK仿真环境下。

2．选择File菜单下New下的Model命令，新建一个simulink仿真环境常规模板。

3．在simulink仿真环境下，创建所需要的系统。

以图1-2所示的系统为例，说明基本设计步骤如下：1）进入线性系统模块库，构建传递函数。

点击simulink下的“Continuous”，再将右边窗口中“Transfer Fen”的图标用左键拖至新建的“untitled”窗口。

2）改变模块参数。

在simulink仿真环境“untitled”窗口中双击该图标，即可改变传递函数。

其中方括号内的数字分别为传递函数的分子、分母各次幂由高到低的系数，数字之间用空格隔开；设置完成后，选择OK，即完成该模块的设置。

3）建立其它传递函数模块。

按照上述方法，在不同的simulink的模块库中，建立系统所需的传递函数模块。

例：比例环节用“Math”右边窗口“Gain”的图标。

4）选取阶跃信号输入函数。

用鼠标点击simulink下的“Source”，将右边窗口中“Step”图标用左键拖至新建的“untitled”窗口，形成一个阶跃函数输入模块。

自动控制理论实验指导书

实验一典型环节的模拟研究1.各典型环节的方块图及传函2.各典型环节的模拟电路图及输入响应3.实验内容及步骤观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。

实验步骤：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（U1）与阶跃信号的输入端Y相联接；模拟电路的输入端（U0）接至示波器。

③按下按钮（或松平按钮）H时，用示波器观测输出端的实际响应曲线U0(t)，且将结果记下。

改变比例参数，重新观测结果。

④同理得出比例、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。

⑵观察PID环节响应曲线。

实验步骤：①此时U1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波段开关置于“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和电位器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①中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（U1），用示波器观测PID输出端（U0），改变电路参数，重新观测并记录。

实验二典型系统瞬态响应和稳定性1．典型二阶系统①典型二阶系统的方块图及传函图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、2.5、1。

C(S)图2-1开环传函：)1S 1.0(S K )1S T (S K )S (G 11+=+=其中K=K 1/T 0=K 1=开环增益闭环传函：2nn22n S 2S)S (W ωζωω++=其中011n T T /K =ω110T K /T 21=ζ表2-1列出有关二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼，过阻尼）下具体参数的表达上式，以便计算理论值。

至于推导过程请参照有关原理书。

表2-1②模拟电路图：见图2-2)1S 1.0(S R /100)1S 1.0(S K )S (G 1+=+=R/100K 1= ⇒ 11K 2K 10=ζ 11nK 10K =ω2．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：)1S T )(1S T (S K)S (H )S (G 21++=，其中021T /K K K =（开环增益）②模拟电路图：见图2-42u图2-4开环传函为)15.0)(11.0(/500)()(++=S S S RS H S G （其中K=500/R ）系统的特征方程为02020120)()(123=+++⇒=+K S SSS H S GΩ>⇒<<K R K 67.41120 系统稳定由Routh 判据，得 Ω=⇒=K R K 67.4112 系统临界稳定 Ω<⇒>K R K 67.4112 系统不稳定3．实验内容及步骤准备：将“信号源单元”（U 1 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。

自动控制理论实验指导书解析

自动控制理论实验指导书目录实验一典型环节与典型系统的模拟 (1)实验二二阶系统阶跃响应特性 (6)实验三自动控制系统稳定性实验 (10)实验四线性系统动态特性的研究 (12)实验五自动控制系统静态误差实验 (13)实验六控制系统的品质及校正装置的应用（设计性） (15)实验七控制系统频率特性仿真研究 (17)实验八非线性系统运动特性的研究 (18)实验九非线性系统的计算机仿真 (20)附录 KJ82-3型自动控制系统模拟机可做模拟运算电路举例 (21)实验一典型环节与典型系统的模拟一．实验目的1.观察典型环节阶跃响应曲线，定性了解参数变化对典型环节动特性的影响；2.观测不同阶数线性系统对阶跃输入信号的瞬态响应，了解参数变化对它的影响。

二．实验设备和仪器1.KJ82-3型自动控制系统模拟机一台2.Tektronix TDS 1002数字存储示波器一台3.万用表一块三．实验内容及步骤（一）典型环节的阶跃响应1.实验步骤：（1）开启电源前先将所有运算放大器接成比例状态，拔去不用的导线。

（2）闭合电源后检查供电是否正常。

分别将各运算放大器调零，并用示波器观察调整好方波信号。

（3）断开电源后按图接好线，由信号源引出方波信号接到各环节输入端。

（4）闭合电源，调节有关旋钮，观察阶跃响应波形，并利用表1.1-1.6记录之。

2.实验内容：（1）比例调节器U s cA 1100K50KW表1.1（2U s cA 1100KC改变C 时保护输入信号不变表1.2scU A 1100K50KRC表1.3U s c K5K1μ0K50A 5R 010表1.4（5）比例积分U s c A100KC R表1.5（6）比例、积分、微分U s c100KC=3.3µ200K50K1M 5K 5A 1μ表1.6（二）典型二阶系统模拟1.实验线路：sc2.方框图：αT S-11K -3K T S -+122+U sr U sc-U S U S G S K T S K T S T S K T S K K T T S T S K T T K K S T K K S T S TS sc sr ()()()==⋅⋅++⋅⋅+=++=++=++213213232122131232213222111111121ααααααξ其中：T T T K K =1232α 时间常数；ξα=121322T K T K 为阻尼比；ωn T =1为无阻尼自然频率（角频率：弧度/秒）。

自动控制理论实验指导解析

自动控制理论》课程实验指导一、实验注意事项1、接线前务必熟悉实验线路的原理及实验方法。

2、实验接线前必须先断开总电源与各分电源开关，严禁带电接线。

接线完毕，检查无误后，才可进行实验。

3、实验自始至终，实验板上要保持整洁，不可随意放置杂物，特别是导电的工具和多余的导线等，以免发生短路等故障。

4、实验完毕，应及时关闭各电源开关，并及时清理实验板面，整理好连接导线并放置到规定的位置。

5、实验前必须充分预习实验指导书。

二、实验模拟装置使用注意事项1、无源阻容元件可供每个运算放大器使用。

2 、运算放大器是有源器件，故连在运算放大器上的阻容元件只能供本运算放大器选用。

3 、信号幅值不宜过大，按指导书中指示的幅值。

否则，可能使运算放大器处于饱和状态。

三、每次实验内容第一次：实验二第二次：实验三第三次：实验四备注：实验一作为实验前的预习及热身(1)图1-1、运放的反馈连接实验一控制系统典型环节的模拟、实验目的1）、熟悉数字示波器的使用方法2）、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路 3）、测量典型环节的阶跃响应曲线4）、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二、实验仪器1）、THSSC-1实验箱一个 2）、数字示波器一台三、实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。

图中Z i 和Z 2为复数阻抗，它们都是由 R 、C 构成。

--U o Z 2G （S ）--U i Z 1基于图中A 点的电位为虚地，略1）、比例环节比例环节的模拟电路如图1-2所示:Z 2 Gr 沁=2 100K去流入运放的电流，则由图1-1得:由上式可求得由下列模拟电 Z1路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。

—0百接示液器1V 2图1-2比例环节U -G(S) 口 Z 2Z iR 2/CS R 2 1/CSRR 2* 1 R i R 2CS 13）、积分环节Z 2 1/CS G （S ）： Z 1 R 1 一 RCS 丄TS式中积分时间常数4）、比例微分环节（PD ）,其接线图如图及阶跃响应如图1-5所示2）、惯性环节TS 1IV耳U o2-去图1-4、积分环节G(S) R i /CS R i 1/CS飞g 1)=K(T D S 1)(4)图1-5比例微分环节5)、比例积分环节，其接线图单位阶跃响应如图Z 2 R 2+1/CS (R 2CS+1) G(S)= Z 1 R 1 R 1CS 二空」空 1 ) R 1 R 1CS R 1 R 2CS 1 =K(1) T i SR 2式中 K , T 2 二 R 2CR 11-6所示。

新疆大学--自动控制理论实验指导书(1)

第一部分自动控制理论实验一自动控制系统演示实验本实验是物理系统实验，不要求学生自己动手实验，而由任课教师向学生操作演示。

一、实验目的通过几个实际物理控制系统的演示，了解自动控制系统的基本组成及典型元部件的作用；观察开环控制、闭环控制系统的工作情况；初步了解系统的阶跃响应和系统的参数变化对系统性能的影响。

建立控制系统的一般概念。

二、主要实验设备及仪器1．电力拖动自动控制系统 1套2．直线一级倒立摆实验系统 1套3．过程控制系统 1套三、实验内容1．讲解系统的构成和基本工作原理2．各实际物理控制系统的演示3．多种物理控制系统的动画及视频演示。

液位计算机控制系统温度计算机控制系统立体仓库水平摆二级水箱直线三级倒立摆实验二典型环节的模拟研究一、实验目的1．了解并掌握TKKL-2型控制理论教学实验系统模拟电路的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。

2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。

3．了解参数变化对典型环节阶跃响应的影响。

二、主要实验设备及仪器1．TKKL-2型控制理论实验箱一台。

2．DF4313D 型10MHz 慢扫描双踪示波器一台。

3．万用表一只。

三、实验原理和电路本实验是利用运算放大器的基本特性(开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等)，设置不同的反馈网络来模拟各种环节。

1．比例环节oUV 15-oU图2-1 比例环节的模拟电路图图2-2积分环节的模拟电路图比例环节的模拟电路图如图2-1所示，其传递函数为： K R R s Ui s U f ==00)()( ，当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，其输出响应为：K U =0， )0(≥t 。

2．积分环节积分环节的模拟电路图如图2-2所示，其传递函数为：TsC R s Ui s U 11)()(00==，其中C R T 0=，当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，其输出响应为：t Tt U 1)(0=，)0(≥t3．比例积分(PI)环节V 15-oUo U图2-3 比例积分环节的模拟电路图2-4 惯性环节的模拟电路比例积分环节的模拟电路如图2-3所示：其传递函数为：Ts K Cs R R R Cs R Cs R s Ui s U 111)()(001010+=+=+=，其中，⎩⎨⎧==CR T R R K 001 当输入为单位阶跃信号，即)(1)(t t U i =时，其输出响应为：t TK t U 1)(0+= 4．惯性环节。

自控原理实验指导书

实验一典型环节及其阶跃响应一、实验目的1、学习构成典型环节的模拟电路。

2、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。

3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。

二、实验内容各典型环节的模拟电路及结构图如下：图1-1-1 比例环节电路图图1-2-1 惯性环节电路图图1-1-2 比例环节结构图2-2 惯性环节结构图图1-3-1 积分环节电路图图1-4-1 微分环节电路图图1-3-2 积分环节结构图图1-4-2 微分环节结构图三、实验步聚1、将输入端ui 与数据通道接口板上的DAO 连接、输出端uo 与实验平台信号引出区的INO 孔连接。

（若无特别声明，其它实验中涉及运放电路板及ui 及uo 均按此连线，不再赘述）。

2、启动计算机，运行“系统设置”菜单，选择串口。

（若无特别声明，其它实验中均同此，不再赘述。

如不选择，则设为默认值，选择COM1通讯端口）3、打开“自动控制原理实验系统”，打开“实验选择”菜单，选择“典型环节及其阶跃响应”实验。

4、选择“参数设置”命令，设置采样周期，采样点数和设定电压。

5、选择“运行观测”命令，观察阶跃响应曲线，改变模拟电路参数后，再重新观察阶跃响应曲线的变化。

6、为了更好的观察曲线，再“参数设置”命令中，设置“曲线放大”倍数，“运行观测”。

7、记录波形及数据（保存结果、打印图象）。

8、连接其它模拟电路，重复步骤3、4、5、6注：打印图像只有在曲线放大为“1”时打印（其它实验相同）四、实验报告1、画出惯性环节、积分环节、比例微分环节的电路图和所记录的响应曲线。

2、由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与值比较。

图1-5-1 比例微分环节电路图传递函数为：G(s) = (R3/R2) ((R1+R2)CS+1)图1-5-2 比例微分环节结构图实验二二阶系统阶跃响应一、实验目的1、研究二阶系统的阻尼比ξ和无阻尼自然频率ω对系统动态性能的影响。

自动控制理论实验指导(新)解析

的方框图，其中T=R0C。由图图2-1一阶系统模拟电路图
2-2得：
图2-3为一阶系统的单位阶跃响应曲线。
当t= T时，C（T）=1–e-¹=0.632。这表示当C（t）上升到稳定值的63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T，根据这个原理，由图2-3可测得一阶系统的时间常数T。由上式（1）可知，系统的稳态值为1，因而该系统的跟踪阶跃输入的稳态误差ess = 0。
令G（S）=1/（0.5S+1）,则其相应的模拟电路如图6-2所示。测量时示波器的X轴停止扫描，把扫频电源的正弦信号同时送到被测环节的输入端和示波器的X轴，被测环节的输出送到示波器的Y轴，如图6-3所示。
(实验时取R1=R2=510K，C=1uF)
图4-2惯性环节的模拟电路图
图4-3相频特性测试的接线图
四、实验内容与步骤
1、根据图3-1，调节相应的参数，使系统的开环传递函数为：
2、令ui(t)=1V，在示波器上观察不同K（K=10，5，2，0.5）时的单位
阶跃响应的波形，并由实验求得相应的Mp、tp和ts的值。
3、调节开环增益K，使二阶系统的阻尼比=1/2 =0.707，观察并记录
此时的单位阶跃响应波形和Mp、tp和ts的值。
3、把实测求得的传递函数与理论值进行比较，并分析产生差异的原因。
2）、数字示波器一台
三、实验原理
以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R、C构成。
基于图中A点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：
由上式可求得由下列模拟电
路组成的典型环节的传递函数及
其单位阶跃响应。
当扫频电源输出一个正弦信号，则在示波器的屏幕上呈现一个李沙育图形------椭圆。据此，可测得在该输入信号频率下得相位值：

自动控制理论实验指导书讲解

目录第一章硬件资源 (1)第二章软件的使用 (3)第三章实验系统部分 (5)实验一典型环节及其阶跃响应 (5)实验二二阶系统阶跃响应 (8)实验三控制系统的稳定性分析 (11)实验四连续系统串联校正 (13)第一章硬件资源实验系统主要由计算机、AD/DA 采集卡、自动控制原理实验箱、打印机（可选）组成如图1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，打印机主要记录各种实验数据和结果，实验箱主要构造被控模拟对象。

图1 实验系统构成实验箱面板如图2：图2实验箱面板下面主要介绍实验箱的构成：一、系统电源EL-AT 教学实验系统采用高性能开关电源作为系统的工作电源，其主要技术性能指标为： 1．输入电压：AC 220V2．输出电压/电流：＋12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A 3．输出功率：22W4．工作环境：－5℃～＋40℃。

二、AD/DA采集卡AD/DA采集卡如图3采用ADUC812芯片做为采集芯片，负责采样数据及与上位机的通信，其采样位数为12位，采样率为10KHz。

在卡上有一块32KBit的RAM62256，用来存储采集后的数据。

AD/DA采集卡有两路输入（AD1、AD2）、输出（DA1、DA2），其输入和输出电压均为－5V～+5V。

另外在AD/DA卡上有一个9针RS232串口插座用来连接AD/DA卡和计算机20针的插座用来和控制对象进行通讯图3 AD/DA采集卡三、实验箱面板实验箱面板主要由以下几部分构成：1．实验模块本实验系统有七组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。

每个模块中都有一个由UA741构成的放大器和若干个电阻、电容。

这样通过对这七个实验模块的灵活组合便可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。

2．AD/DA卡输入输出模块该区域是引出AD/DA卡的输入输出端，一共引出两路输出端和两路输入端，分别是DA1、DA2，AD1、AD2。

自动控制理论实验指导书(模拟)解析

目录：实验一典型环节及其阶跃响应实验二二阶系统阶跃响应（P7）实验一典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 掌握控制系统模拟实验的基本原理和一般方法。

2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

3. 加深典型环节的概念在系统建模、分析、研究中作用的认识。

4. 加深对模拟电路——传递函数——响应曲线的联系和理解。

二、实验仪器1．EL-AT-II型自动控制系统实验箱一台2．计算机一台三、实验原理1．模拟实验的基本原理根据数学模型的相似原理，我们应用电子元件模拟工程系统中的典型环节，然后加入典型测试信号，测试环节的输出响应。

反之，从实测的输出响应也可以求得未知环节的传递函数及其各个参数。

模拟典型环节传递函数的方法有两种：第一种方法，利用模拟装置中的运算部件，采用逐项积分法，进行适当的组合，构成典型环节传递函数模拟结构图；第二种方法将运算放大器与不同的输入网络、反馈网络组合，构成传递函数模拟线路图，这种方法可以称为复合网络法。

本节介绍第二种方法。

采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络构成相应的模拟系统。

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，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。

图1-1 模拟实验基本测量原理模拟系统以运算放大器为核心元件，由不同的R-C输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-2所示。

图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R、C构成。

基于图中A 点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-2得： 1210)(Z Zu u s G -=-=由上式可求得由下列模拟电路组成典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。

2．一阶系统时域性能指标s r d t t t ,,的测量方法：利用软件上的游标测量响应曲线上的值，带入公式算出一阶系统时域性能指标。

d t ：响应曲线第一次到达其终值∞y 一半所需的时间。