自控原理实验指导书打印稿(1)

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1、实验一控制系统典型环节的模拟一、实验目的1、了解并掌握TKKL-1型控制理论实验箱的基本组成、使用方法，掌握用运放组成控制系统典型环节的模拟电路的构成方法2、熟悉超低频示波器的使用方法，测量典型环节的阶跃响应曲线3、了解典型环节中参数的变化对系统动态性能的影响二、实验仪器1、TKKL-1型控制理论实验箱一台2、超低频慢扫描示波器一台3、万用表一块三、实验原理和电路实验是以运算放大器为核心元件，由不同的输入R-C网络和反馈R-C网络构成控制系统的各种典型环节。表表表1-1典型环节方框图及其模拟电路名称传函方框图模拟电路R1Usi()Uo()

2、s比例(P)环节KKuiR0uo-C1Usi()1Uo()s积分(I)环节uiR0uoTsTs-R1C比例-积分1Usi()1Uo()sK+K+uiR0uo(PI)环节TsTs-C1Usi()1Uo()sR1惯性环节Ts+1Ts+1uRui0o-输出300GND-15VH幅度调节图图图1-1阶跃信号源的接线图-1-四、实验内容及步骤1、、、内容、内容：：：观测：比例、积分、比例-积分和惯性环节的阶跃响应曲线。表表表1-2实验记录表格环环环阶跃响应波形传函G(s)元件参数电路图节节节理想实测1P21sI10.5s12+sPI11+2s1s+

3、1T10.5s+12、、、步骤、步骤：：：(1).仔细阅读附录——TKKL-1型控制理论实验箱使用说明书，了解并掌握TKKL-1型控制理论电子模拟实验箱的基本组成、使用方法；(2).按图1-1所示接线，构成阶跃信号源；用实验箱所带直流数字电压表测信号源输出电压，调整“幅度调节”旋钮，使输出信号幅值为1V；(3).按表1-1所示模拟电路图接线；(4).将模拟电路输入端与图1-1的输出端相连接，电路输出端uo接示波器；(5).按下按钮H(或者松开按钮H)时，用示波器观察输出的响应曲线uo(t)，且将结果记录于实验记录表格；(6).分别按表1-

4、1所示模拟电路图接线，重复步骤(4)、(5)。五、实验报告要求1、实验前根据实验记录表格推荐的传函，选定两组典型环节模拟电路的元件参数，画出五种典型环节的实验电路图及理想阶跃响应曲线；2、测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应，并注明时间坐标轴；3、分析实验结果，写出心得体会和建议。六、思考题1、用运算放大器模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？输入电阻、反馈电阻的阻值可任意选用吗？2、积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似地视为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？3、如何根据阶跃响应的

5、波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？-2-实验二典型系统的时域响应及参数测定一、实验目的1、观察一阶系统在阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应2、根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数3、观察在不同参数下二阶系统的阶跃响应曲线，并测出超调量σ、峰值时间tp和调整时间ts4、研究增益K对二阶系统阶跃响应的影响二、实验仪器1、TKKL-1型控制理论实验箱一台2、超低频慢扫描示波器一台3、万用表一块三、实验原理和电路1、典型一阶系统的方框图如图2-1所示：Rs()Es()1Cs()Rs()1Cs()-TsTs+1(a)一阶系统框图(

6、b)等效框图图图图2-1一阶系统框图及其等效框图(1)令r(t)=1，即R(s)=1/s，则系统输出为11TCs()==-(2.1)sTs(+1)sTs+1对上式取拉氏反变换，得()-tTct=-1e(2.2)121100.880.632T=20.66r(t)=tc(t)c(t)0.44c(t)0.22000246810024681012t/st/s图图图2-2一阶系统单位阶跃响应(a)和单位斜坡响应(b)曲线-1它的单位阶跃响应曲线如图2-2(a)所示。当t＝T时，c(T)=1-e=0.632，这表示当c(t)上升到稳定值的63.2%时

7、，对应的时间就是一阶系统的时间常数T，根据这个原理，由图2-2可测得一阶系统的时间常数T。2(2)当r(t)=t，即R(s)=1/s，则系统输出为-3-11TTCs()==-+(2.3)22sTs(+1)sss+1T从而()-tTct=-tT+Te(2.4)由于()-tTet()=rt()-ct=T(1-e)，所以当t®¥时，e()¥=e=T。ss这表明一阶系统能跟踪斜坡信号输入，但有稳态误差存在。其误差的大小为系统的时间常数T。它的单位斜坡响应曲线如图2-2(b)所示。2、典型一阶系统的模拟电路如图2-3所示：CHuRui0o-R0-1

8、5V图图图2-3一阶系统模拟电路3、典型二阶系统的方框图如图2-4所示：Rs()1Rs()2Cs()1Cs()wnK22-Ts1+1Ts2s+2xwns+wn(a)二阶系统框图(b)等效框图图