四川大学自动控制原理实验报告完整版带数据

目录
一．实验目的 (1)
二．实验设备及仪器 (1)
三．实验内容
1.惯性环节
（1）实验原理 (1)
（2）实验内容 (1)
（3）实验数据 (2)
（4）误差分析 (5)
2.震荡环节
（1）实验原理 (6)
（2）实验内容 (6)
（3）实验数据 (6)
（4）误差分析 (8)
3.二阶系统
（1）实验原理 (9)
（2）实验内容 (9)
（3）实验数据 (9)
（4）误差分析 (11)
4.三阶系统
（1）实验原理 (12)
（2）实验内容 (12)
（3）实验数据 (12)
（4）误差分析 (14)
四．思考题 (15)
五．心得体会 (15)
附：实验原始数据记录单 (16)
实验一. 典型环节的电模拟及阶跃响应分析
实验二. 二、三阶系统动态分析
一、实验目的：
1、学习典型环节、二阶三阶系统的电模拟方法及参数测试方法；
2、观察典型环节、二阶三阶系统的阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响；
3、学习示波器的使用方法；
4、学习使用MATLAB中SIMULINK的使用，进行时域法分析。

二、实验设备及仪器：
1、模拟实验箱；
2、示波器；
3、计算机；
4、MATLAB仿真软件。

1
（1
（2
b.
（3
T=1s T=2s
K R2/kΩC/μF Tr/s K实测K R2/kΩC/μF Tr/s K实测
1 100 10 5.16 1 1 100 20 8.08 1.04
2 200 5 5.68 2 2 200 10 10.7 1.96
①K=1，T=1s 时
实验仿真图及波形如下：
②K=2，T=1s 时
实验仿真图及波形如下：
仿真波形实验波形
仿真波形实验波形
K=1，T=2s 时
实验仿真图及波形如下：
仿真波形实验波形
④K=2，T=2s 时
实验仿真图及波形如下：
仿真波形实验波形
T=1s时的波形图T=2s时的波形图（4）误差分析
由理论公式，
(1)1
0.020.05
1
t
T
K e-
∣--∣
≤≤，可将数据整理如下表所示：
K T/s t s(实际
值)/（s）t s(理论
值)/(s)
t s(模拟
值)/(s)
K T/s t s(实际值)/
（s）
t s(理论
值)/(s)
t s(模拟
值)/(s)
1 1 5.16 2.996~3.9
12 2.9473 1 2 8.08 5.992~7.8
24
5.8946
2 1 5.68 3.219~3.6
892．9473 2 2 10.7 6.438~7.3
78
5.8946
仿真波形实验波形
仿真波形实验波形
仿真波形实验波形
我们还在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲线方便比较：
（4）误差分析
ξ取值σ%实测值σ%模拟值Ts/s（实测值）Ts/s（模拟值）Tp/s（模拟值）
0.1 0.9790.721625 4.14 2.85880.3142
0.5 0.1700.158324 0.720.51580.3592
1 00 0.80.4600-
我们的实验数据与通过程序模拟出来的结果有一定的差别，出现这种差别的可能原因有以下几点：（1）实测值是通过示波器读出来的数据，因此存在一定的人为误差；（2）仪器本身的误差，即仪器误差；（3）ξ是通过电阻、电容等元件算得的，实际中选取的电阻和理论电阻有一定的差别（比如500Ω的电阻，我们用的是510Ω的电阻）。

仿真波形实验波形
仿真波形实验波形
我们还在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲线方便比较：
（4）误差分析
根据实测数据、模拟数据可以对比如下：
K σ%实测值σ%模拟值Ts/s（实测值）Ts/s（模拟值）Tp/s（模拟值）1 0.106 0.045152 0.8 0.2026 0.3132
5 0.213 0.249137 0.408 0.2993 0.1428
10 0.340 0.363269 0.228 0.2395 0.1013
我们的实验数据与通过程序模拟出来的结果有一定的差别，出现这种差别的可能原因有以下几点：（1）实测值是通过示波器读出来的数据，因此存在一定的人为误差；（2）仪器本身的误差，即仪器误差；（3）实验中所用的电阻、电容等元件是通过给定的K值计算得到的，
实际中选取的电阻和理论电阻有一定的差别（比如500Ω的电阻，我们用的是510Ω的电阻），所以实际的K值并不是给定的1、5、10。

总结：（1）当ξ=0时，输出响应为等幅振荡。

（2）当0<ξ<1时，输出响应为衰减振荡曲线，且y（∞）=1，ξ的变化影响动态性能指标。

随着ξ增大，上升时间增大，超调量变大，调节时间变短，峰值时间变大。

4、三阶系统
（1）实验原理
K=1时
仿真波形实验波形
仿真波形实验波形
仿真波形实验波形
我们还在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲线方便比较：
K σ%实测值σ%模拟值Ts/s（实测值）Ts/s（模拟值）Tp/s（模拟值）1 0.255 0.19950010.2 5.2696 3.6164
5 0.660 0.67454215 11.8058 1.5837
10 0.809 0.91960049.8 76.9365 1.1421
这里实验波形和仿真波形有一定差距，比如过调峰值，可能是由于实验采样、实验器材存在一定误差造成的，而且震荡次数，仿真出来的波形显然的可以看到2次，但实验得到的波形有明显有3次，应该是线路元件误差导致阻尼下降带来的。

随着放大倍数的增加，已经可以看到过调峰值接近相同了，但与K值较小的时候不同的是，
示波器出来的波形没有仿真的那么幅度明显了，甚至在示波器看到的波形只能观察到3个周期的振荡。

四．思考题
1.根据实验结果，分析一阶系统Ts与T、K之间的关系。

答：对于一阶系统来说，其单位脉冲响应曲线为单调下降的指数曲线，时间常数Ts越大，响应曲线下降越慢，表明系统受到脉冲输入信号后，恢复到初始状态的时间越长。

因此有如下结论：（Ts为时间常数）
时间常数越大，恢复到初始状态的时间越长，即Ts越大，T越大；
开环放大系数越大,时间常数越小，即K越大，Ts越小。

2．认真思考一般环节的电路摸拟图构成，并找出规律，学会设计简单的环节摸拟图。

答：构成电路模拟图的基本原理是：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来模拟各种典型环节，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，并利用测量仪器，来测量系统的输出，就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。

比如：（1）比例环节——可由电阻和运算放大器构成；（2）惯性环节——可由电阻、运算放大器、电容构成；（3）积分环节——可由电阻、运算放大器、电容构成；（4）微分环节——可由电阻、运算放大器、电容构成；（5）比例+积分环节——可由电阻、运算放大器、电容构成；（6）比例+微分环节——可由电阻、运算放大器、电容构成。

自动控制系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。

熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析是十分有益的。

根据资料和实验可以发现：（1）比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化；（2）积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。

五．实验心得体会
典型系统的电路模拟和二阶、三阶系统动态分析实验是我们本学期自动控制课的第一次实验，我们在老师的指导下和同组成员的相互合作中顺利完成，并在实验后，认真高效地完成了实验报告。

整个过程中，我们不仅动手认真操作实验，还动脑思考实验，运用所学的软件呈现出实验的数据和结果，比如用MATLAB软件来处理数据，用Multisim软件来进行仿真，用excel表格、word文档来作报告等，可以说，整个过程都在充分地学习，学习如何实验，学习如何联系理论与实验，学习如何在实验中思考，学习相关数学工具，学习如何准确地呈现结果，所以说，这次实验对我们来说，是一次极大的收获，同时提升了我们的能力。

下面我就实验中我们遇到的问题来做一下总结：
实验过程面临的问题:实验过程中的确遇到了不少的麻烦，比如部分放大器不能使用等问题，但经过老师维修后，能够进行正常的实验。

开始做一阶系统实验的时候，由于不太清楚如何使用示波器观察暂态过程，浪费了很长时间，但经过老师的解答，我们便掌握了并能够熟练地测量出清晰的波形。

在进行三阶系统动态分析实验时，线路布置也花费了较长的时间。

实验报告撰写时遇到的问题：由于实验时没有仪表测量各电压值，导致在写报告处理数据是时通过读示波器得到的，产生的误差较大，所以我们在写报告时实验数据参照对比了仿真值。

特别感谢实验室老师在实验过程的指导和独特理念的传授，让我们受益匪浅。

附：实验数据记录单。