控制工程基础实验指导书(答案)

控制工程基础实验指导书

自控原理实验室编印

（内部教材）

实验项目名称：

（所属课程：）

院系：专业班级：姓名：学号：实验日期：实验地点：合作者：指导教师：本实验项目成绩：教师签字：日期：

（以下为实验报告正文）

一、实验目的

简述本实验要达到的目的。目的要明确，要注明属哪一类实验（验证型、设计型、综合型、创新型）。

二、实验仪器设备

列出本实验要用到的主要仪器、仪表、实验材料等。

三、实验内容

简述要本实验主要内容，包括实验的方案、依据的原理、采用的方法等。四、实验步骤

简述实验操作的步骤以及操作中特别注意事项。

五、实验结果

给出实验过程中得到的原始实验数据或结果，并根据需要对原始实验数据或结果进行必要的分析、整理或计算，从而得出本实验最后的结论。

六、讨论

分析实验中出现误差、偏差、异常现象甚至实验失败的原因，实验中自己发现了什么问题，产生了哪些疑问或想法，有什么心得或建议等等。

七、参考文献

列举自己在本次准备实验、进行实验和撰写实验报告过程中用到的参考文献资料。

格式如下:

作者，书名（篇名），出版社（期刊名），出版日期（刊期），页码

实验一 控制系统典型环节的模拟

一、实验目的

1、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法；

2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性；

3、了解典型环节中参数的变化对输出动态特性的影响。 二、实验仪器

1、控制理论电子模拟实验箱一台；

2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；

3、数字万用表一只；

4、各种长度联接导线。 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R 、C 构成。

图1-1 运放反馈连接

基于图中A 点为电位虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得：

21

()o i u Z

G s u Z =

=-（1-1） 由上式可以求得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。 1、比例环节

实验模拟电路见图1-2所示

图1-2 比例环节

传递函数：2

1

()R G s K R =-=- 阶跃输入信号：-2V 实验参数：

（1） R 1=100K R 2=100K （2） R 1=100K R 2=200K 2、 惯性环节

实验模拟电路见图1-3所示

图1-3 惯性环节

传递函数：2

212211211()11

R CS R Z R K CS G s Z R R R CS TS +=-=-=-=-++

阶跃输入：-2V 实验参数：

（1） R 1=100K R 2=100K C=1µf

23、积分环节

实验模拟电路见图1-4所示

图1-4 积分环节

传递函数：21111()Z CS G s Z R RCS TS

=-=-=-= 阶跃输入信号：-2V 实验参数：

（1） R=100K C=1µf （2） R=100K C=2µf 4、比例微分环节

实验模拟电路见图1-5所示

图1-5 比例微分环节

传递函数：2

22

11

1

1

1()(1)(1)1

D Z R R G S R CS K T S R Z R CS R CS =-

=-=-

+=-++ 其中 T D =R 1C K=

1

2

R R 阶跃输入信号：-2V 实验参数：

12

（2）R

1=100K R

2

=200K C=1µf

四、实验内容与步骤

1、分别画出比例、惯性、积分、比例微分环节的电子电路；

2、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节；

3、按照给定的实验参数，利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，观察并记录其单位阶跃响应波形。

五、实验报告

1、画出四种典型环节的实验电路图，并标明相应的参数；

2、画出各典型环节的单位阶跃响应波形，并分析参数对响应曲线的影响；

3、写出实验心得体会。

六、实验思考题

1、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出？

（运算放大器开环放大倍数K0很大，运算放大器输入阻抗很高）2、积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？

（惯性环节的特点是，当输入x(t)作阶跃变化时，输出y(t)不能立刻达到稳态值，瞬态输出以指数规律变化。而积分环节，当输入为单位阶跃信号时，输出为输入对时间的积分，输出y(t)随时间呈直线增长。

当t趋于无穷大时，惯性环节可以近似地视为积分环节，当t趋于0时，惯性环节可以近似地视为比例环节。）

3、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？（积分环节的时间常数T由输出曲线斜率的倒数确定，惯性环节的时间常数T等于曲线上升到稳态值的63..2%时的时间t）

实验二二阶系统的瞬态响应分析

一、实验目的

1、熟悉二阶模拟系统的组成。

2、研究二阶系统分别工作在=1， 0< <1，和 1三种状态下的单位阶跃响应。

3、分析增益K对二阶系统单位阶跃响应的超调量P、峰值时间tp和调

整时间ts。

4、研究系统在不同K值时对斜坡输入的稳态跟踪误差。

5、学会使用Matlab软件来仿真二阶系统，并观察结果。

二、实验仪器

1、控制理论电子模拟实验箱一台；

2、超低频慢扫描数字存储示波器一台；

3、数字万用表一只；

4、各种长度联接导线。

三、实验原理

图2-1为二阶系统的原理方框图，图2-2为其模拟电路图，它是由惯性环节、积分环节和反号器组成，图中K=R2/R1， T1=R2C1，T2=R3C2。

图2-1 二阶系统原理框图

图2-1 二阶系统的模拟电路