自控原理实验指导书

自动控制原理实验指导书（自动化/电气工程及其自动化专业用书）

电子信息工程学院实验教材

2006．10

前言

自动控制原理是自动化专业和电气工程及其自动化专业的主干课程。该课程具有理论性强、抽象的特点。因此除了课堂教学外还需要配合实验教学，使学生通过实际操作了解和掌握自动控制系统模拟电路的构成、参数变化对系统动静态性能指标的影响、控制系统串联校正方法、非线性环节特点等，以加深学生对自动控制原理的基本概念、基本理论和控制系统分析和设计方法的理解，提高学生分析问题和解决问题的能力。

实验采用的主要设备包括自动控制系统学习机、超低频示波器和万用表。采用电子模拟的方法作为自动控制理论课程的教学实验手段优点是明显的：设备简单、容易在实验室进行调整，改变参数灵活，显示直观，将抽象理论具体化。

各实验难易程度不同，其中实验一、二作为开始的基本实验，考虑到学生对仪器不熟悉，模拟实验方法未掌握，故编写较详尽，后面的实验则仅给出实验内容及必要的实验电路图和要求。要求学生预习及准备阶段做的设计工作较多，意在培养学生自己动手，独立思考的能力。为了取得良好的实验效果，学生需要注意以下几个阶段的要求：

1、进入实验室需携带预习报告（要求利用有关理论知识预判实验结果或结论）；

2、实验过程中严格按照实验注意事项操作，保障人身及设备安全；

3、实验报告要紧紧围绕实验目的，结合有关理论知识对实验数据、图形进行总结分析，不允许简单罗列实验数据。

目录

实验一典型环节和典型系统的构成及其响应 (1)

实验二二阶系统阶跃响应特性 (6)

实验三控制系统的静态误差 (8)

实验四控制系统的稳定性 (10)

实验五控制系统的串联校正 (12)

实验六典型非线性环节 (14)

实验一 典型环节和典型系统的构成及其响应

一、实验目的和要求

1、熟悉各典型环节的模拟电路的组成及其工作原理，熟练推导各典型环节的传递函数；

2、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特征的影响；

3、观察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、实验内容及步骤 准备工作

1、将各运算放大器接成比例状态，接通电源，调节各放大器零点（输入端接地；万用表电压档接在输出端，调节调零电位器使输出电压为零）。

2、断开模拟装置电源，按实验线路接线，注意：不用的运算放大器仍接成比例状态，切勿断开放大器的反馈电阻，输出禁止接地。 （一） 典型环节的阶跃响应 1、比例环节

比例环节

K W

S Ui S Uo S G -=+==

100

50)()()(

调节W 使其分别为0K,50K,150K,250K,输入端加阶跃信号，用示波器同时观察输入和输出波形，画图如下(标明数值,并注意极性)，写出传递函数G(S)表达式。

2、积分环节

积分环节

TS

S Ui S Uo S G 1

)()()(-

==

其中T = RC=100C

取C=1μF 和0.1μF 两种情况，观察T 不同时的输入和输出波形，写出传递函数G(S)表达式。

3、惯性环节

惯性环节

1

)()()(+-==

TS K

S Ui S Uo S G

其中K= R 2 / R 1=（50+W ）/100，T=R 2C=（50+W ）C

参数取值分别如下，观察K 和T 不同时的输入和输出波形，写出传递函数G(S)表达式。

取W=50K,C=1μF，用输出达到稳态值63.2%的方法测量惯性环节的时间常数，用达到稳态值95%的方法测量调节时间，并与理论值比较。

4、比例微分环节

比例微分环节

参数取值分别如下，观察不同时的输入和输出波形，写出传递函数G(S)表达式。

5、比例积分环节

比例积分环节

参数取值分别如下，观察不同时的输入和输出波形，写出传递函数G(S)表达式。

（二）典型系统的阶跃响应

1、典型二阶系统

典型二阶系统实验线路图

参数取值分别如下表所示，观察不同时的输入和输出波形，写出传递函数G(S)表达式。

2、 典型三阶系统

系数器α和电容C2（或Cx ）取不同值下的输出波形（图中R2=133K ，R3=330K ）

三、实验报告

1、画出各系统的模拟电路图，推导出传递函数；

2、分析记录的波形及数据，将系统的理想阶跃响应曲线与实验响应曲线加以比较，总结分析。 四、思考题

1、若系统开环传递函数)

1)(12(2

)(++=S S S s G ，画出其单位负反馈闭环系统的模拟电路图，并

注明所用R 、C 值。

2、积分环节和惯性环节的主要区别是什么？什么条件下的惯性环节可视为积分环节？惯性环节在什么条件下可视为比例环节？

3、为什么典型二阶系统实验中加入比例环节？三阶系统是否要加？

实验二二阶系统阶跃响应特性

一、实验目的和要求

1、研究二阶系统的两个重要参数, ζ（阻尼比）和Wn（无阻尼自然频率）对系统动态特性的影响。

2、通过对二阶系统阶跃响应的测定，分析参数ζ和Wn对动态性能指标超调量σp和调节时间t s的

影响。

二、实验内容及步骤

1、将各运算放大器接成比例状态，接通电源，调节各放大器零点（输入端接地；万用表电压档接在输出端，调节调零电位器使输出电压为零）。

2、断开模拟装置电源，按实验线路接线，注意：不用的运算放大器仍接成比例状态，切勿断开放大器的反馈电阻，输出禁止接地。

3、搭建二阶闭环系统，分别通过改变电阻比值和积分器的积分时间常数改变系统的阻尼比（ζ）和无阻尼自然频率（Wn），研究参数变化对系统动态特性（超调量σp和调节时间t s）的影响。（一）、接线图

（二）、方块图