自动控制原理实验报告资料

自动控制原理及其应用

实验报告

2015年 12 月

实验一控制系统典型环节的模拟实验

一、实验目的

1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。

2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。

二、实验内容

1．对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二) 表一：典型环节的方块图及传递函数

2．测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。

3．改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。

三、实验内容及步骤

（一）说明部分

1、当信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块”短接时，通用单元中的场效应管处于开路状态，这时通用单元运放处于工作状态。当信号发生器单元U1的ST端与S端用“短路块”短接时，通用单元中的场效应管处于短路状态，可以使电容器放电，让电容器两端的初始电压为0V。

2、交直流数字电压表: U16单元的交直流数字电压表相当于两只表，红色琴键开关弹起时，做直流数字电压表用，当红色琴键开关按下时,做交流数字毫伏表用。测量范围0～20V，分200mV、2V、20V三档，由互锁开关切换。

3、阶跃信号的产生：电路可采用图1-1所示电路连接，它由“阶跃信号单元”（U3）及“给定单元”（U4）组成。

具体线路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y端引出输出信号。

实验中需要阶跃信号时，按照图1-1连线，按下U3单元的按键SP不放开，调节U4单元W41电位器，同时用U16单元的直流数字电压表检测U4单元Y端输出电压的大小(U4单元Y端接至交直流数字电压表的左边的接线柱, 交直流数字电压表的右边的接线柱接通用单元的GND 端)，直到输出1V单位阶跃信号时放开。

注：以后实验中再用到ST短路帽放置位置、阶跃信号产生时，操作方法参上。

（二）观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的单位阶跃响应曲线。

1.1比例环节电路

实验步骤：

①准备：U1单元的ST端与+5V端用“短路块”短接，输入信号Ui采用阶跃信号产生电路。按表二中的比例典型环节的模拟电路图将线接好，各器件的参数可参考表三。

②将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接，接至示波器的CH1通道；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器CH2通道。

③打开软件，在菜单栏选择：“窗口—调试”，按下实验箱上复位键，待调试窗口中出现“WELCOME TO YOU”后。在菜单栏选择：“窗口—示波器”，如下图所示窗口。本实验中选用普通示波器，按下U3单元按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。

④同理按照上面的步骤得比例、积分、比例积分的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线参见表三。

比例环节电路

短路块短接ST端与+5V端时图

短路块短接ST端与S端时图

1.2 积分环节电路

①准备：U1单元的ST端与+5V端用“短路块”短接，输入信号Ui采用阶跃信号产生电路。按表二中的比例典型环节的模拟电路图将线接好，各器件的参数可参考表三。

②实验步骤参照比例环节的②、③。将结果记下，改变积分参数，重新观测结果。

注意：实验中重复采集波形前，可将U1单元的ST端与S端用“短路块”先短接一下,使通用单元中的场效应管处于短路状态,输出曲线先归零后,再将U1单元的ST端与+5V端用“短路块”短接,正常开始实验。

积分环节电路

短路块短接ST端与+5V端时图

短路块短接ST端与S端时图

1.3比例积分环节电路

①准备：U1单元的ST端与+5V端用“短路块”短接，输入信号Ui采用阶跃信号产生电路。按表二中的比例积分典型环节、比例微分典型环节、惯性典型环节的模拟电路图将线接好，各器件的参数可参考表三。

②实验步骤同积分环节电路。

比例积分环节电路

短路块短接ST端与+5V端时图

短路块短接ST端与S端时图

实验二 线性定常系统的瞬态响应和稳定性分析

一、实验目的

1．通过二阶、三阶系统的模拟电路实验，掌握线性定常系统动、静态性能的一般测试方法。

2．研究二阶、三阶系统的参数与其动、静态性能间的关系。

二、实验原理

1．二阶系统

图2-1为二阶系统的方块图。由图可知，系统的开环传递函数 G(S)=

)1S T (S K

)1S T (S K 111+=+τ，式中K=τ

1K

相应的闭环传递函数为

1

12121T K S T 1S T K

K

S S T K

)S (R )S (C +

+=

++= ………………………① 二阶系统闭环传递函数的标准形式为

)S (R )

S (C =n 2n 2n 2S 2S ω+ξω+ω ………………………② 比较式①、②得：ωn =

1

1

1T K T K τ= ………………………③ ξ=1

KT 21=

1

1K T 2

1τ

………………………④

图中τ=1s ，T 1=0.1s

图2-1

表一列出了有关二阶系统在三种情况(欠阻尼，临界阻尼、过阻尼)下具体参数的表达式，

以便计算理论值。

图2-2为图2-1的模拟电路，其中τ=1s ，T 1=0.1s ，K 1分别为10、5、2.5、1，即当电路中的电阻R 值分别为10K 、20K 、40K 、100K 时系统相应的阻尼比ξ为0.5、2

1、1、1.58，它

们的单位阶跃响应曲线为表二所示。

表二：二阶系统不同ξ值时的单位阶跃响应