自控原理实验指导书解析

自动控制原理实验指导书

赵家林

南京工程学院

二○一三年二月

目录

实验一典型环节及系统性能的模拟……………………………………………3学时实验二系统频率特性的测试……………………………………………………2学时实验三自动控制系统性能的校正………………………………………………2学时附录1 自控原理实验报告

附录2 ZK—III型自动控制原理模拟实验系统使用说明

实验一典型环节及系统性能的模拟

一、实验目的

1．了解ZK—III型自动控制原理实验系统的功能，掌握其操作使用方法；

2．熟悉并定性地验证各种典型环节的阶跃响应曲线；

3．研究一阶系统，二阶系统的运动规律，了解系统在阶跃信号作用下的过渡过程的变化；

4．研究放大系数对闭环系统过渡过程的影响；

二、实验仪器

1．ZK—III型自动控制原理实验系统一台；

2．接插线若干。

三、实验步骤

1 实验系统的“测试准备”处于压下状态，Ui为负阶跃信号,其值为负的3V左右；

2 先接一反相器电路(如图一所示)，其输入接负阶跃信号，

输出接“测试启动”同时接直流信号的Array“输入1”端；关断“负阶跃信号”。

3 将负阶跃信号接在实验线路的输入端，

再将实验线路的输出端接直流信号的“输入

2”端

4选择适当的“采样时间”和“量程”，图一反相器

按一下“复位”键，仪器即做好了测试准备；

5 重复测量时先关断“负阶跃信号”, 再

按一下“复位”键即可。；

6 电位器顺时针调节阻值增大；

7 整个实验系统共地，实验系统

内部地线可以不接。

四、典型环节的实验内容

1 比例环节

传递函数 G( S )=K, 其中:K=R2/R1。

①按图二所示将实验线路接好图二比例环节

②“采样时间”选0.5S,“量程”选6V，按一下“复位”键，仪器已经做好了测试准备；

③打开“负阶跃信号”开关，观察并记录输出波形；

2 积分环节

传递函数 G( S )=1/TS, 其中: T=R1×C。

①按图三所示接好线路，并将积分电容的

两端并到“放电”的两端；

②采样时间选0.5S，量程选12V；

③在输入端加上“负阶跃信号”，观察输出

的动态过程并记录输出波形

图三积分环节

3 惯性环节

传递函数 G( S )=K/(TS+1) 。其中: K=R2/R1, T=R2×C

①按图四所示接好线路

②采样时间选1S，量程选6V

③在输入端加上“负阶跃信号”，

观察并记录输出的波形。

4 比例微分环节图四惯性环节

传递函数 G( S )=K(1+τS)。

①按图五所示接好线路；

②采样时间选0.5S，量程选6V；

③在输入端加上“负阶跃信号”，观察

并记录输出的波形。

图五比例微分环节

5 比例积分环节

传递函数 G( S )=K(1+1/TS)。其中: K=R2/R1, T=R2×C 。 ① 按图六所示接好线路，并将电容的 两端并到“放电”的两端；

②采样时间选0.5S ，量程选12V ； ③在输入端加上“负阶跃信号”，观察 并记录输出的波形；

图六 比例积分环节

五、典型系统的实验内容 采样时间为1s,量程为6v 。

1 一阶系统的性能研究

积分环节经反馈构成的一阶系统 ①按图七所示接好线路；

② 负阶跃信号调成负3V 入端，打开负阶跃信号，观察系统的输出波 图七

形并记录之； 2 二阶系统性能的研究 ⑴典型二阶系统

①按图八所示接好线路(将R1电阻调到最大)，在输入端加上负阶跃信号，观察系统的输出波形，记录波形；

②分别调整参数R1，C1，C2的大小，分别记录波形，观察并定性的分析参数改变对输出波形的影响，记录系统阻尼比ξ、自然振荡角频率ωn 和tr 、ts 及其他性能指标的变化情况。

其中: K1=R1/R0, K2=R4/R3, T1=R2C1, T2=R4C2

图八

⑵比例—微分控制的二阶系统

系统中加入比例微分环节能使系统阻尼比增加，减小超调，同时，闭环零点将使系统的响应速度加快，调节时间和上升时间都有所减小。

①按图九所示接好线路，先去掉C3，将R4电位器调到最大，在输入端加上负阶跃信号，记录输出波形；

②并上电容C3，C3=2.2μF观察比例微分对系统性能的影响，并记录输出波形。

其中: K1=R2/R1, K2=R4/R3, T1=R0C1, T2=R2C2, τ=R3C3

图九

六、实验结果分析

1.推导典型二阶系统（图八）的闭环传递函数。分析参数变化对输出的影响。

2.分析比例微分对典型二阶系统（图九）输出的影响。

实验二系统频率特性的测试

一、实验目的

1 通过对系统频率特性的测量，验证频率法分析系统的正确性；

2 根据实验数据学会绘制伯德图和乃氏图，并和理论数据进行比较；

3 学习测量系统或环节频率特性的方法。

二、实验仪器

1 ZK—III型自动控制原理模拟实验系统一台；

2 接插线若干。

三、实验内容

系统频率特性的测试线路如下图所示。在不同的频率下测量系统的输入,输出电压值和相位差值。绘制系统的伯德图和乃奎斯特图。

四、实验方法

1 按图接好线路，将正弦信号接到被测系统的输入端和“交流信号”的“输入1”。将被测信号输出端接“交流信号”的“输入2”。

2 松开“测试准备”键，仪器进入交流测试状态。

3 波形选择“正弦波”，在频率为48Hz时，调输入电压为3—5V，并保持不变。

4 通过“频率选择”和“频率微调”选择所需要的频率。

5 根据液晶显示屏的显示值，记录相应参数，填入下表。其中：“有效值1”表示输入电压值，“有效值2”表示输出电压值。

五、实验线路

实验线路图G(S)=1/(1+TS) 其中：T=RC

A(ω)=Uo/Ui

L(ω)=20*lg A(ω) 其中：ω=2πf

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