自动控制原理实验指导书(20111105修改)

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1、自动控制原理实验指导书罗雪莲编著41目录实验一典型环节的模拟研究2实验二典型系统瞬态响应和稳定性6实验三控制系统的频率特性10实验四线性连续系统校正13实验五采样系统分析16实验六典型非线性环节20实验七非线性系统的相平面法分析25实验八非线性系统的描述函数法分析30实验九采样控制系统校正34实验十状态反馈37附:实验系统介绍4141实验一典型环节模拟研究本实验为验证性实验。一、实验目的1、学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性影响。2、熟悉各种典型环节的阶跃响应。3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃

2、响应曲线计算典型环节的传递函数。二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。三．实验原理及电路下面列出了各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。1、各环节的方块图及传递典型环节名称方块图`传递函数比例（P）KUi(s)Uo(s)Uo(s)Ui(s)K积分（I）Uo(s)Ui(s)TS1Uo(s)1Ui(s)TS比例积分（PI）Uo(s)KUi(s)TS1Uo(s)TS1Ui(s)K比例微分（PD）Ui(s)1TSUo(s)1K（TS+1）Uo(s)Ui(s)41惯性环节（T）Ui(s)

3、Uo(s)TS+1KKTS+1Uo(s)Ui(s)比例积分微分（PID）KPTiS1Ui(s)Uo(s)TdS2、各典型环节的模拟电路图及输出响应各典型环节名称模拟电路图输出响应比例（P）U0(t)=K(t≥0)其中K=R1/R0积分（I）U0(t)=(t≥0)其中T=R0C比例积分（PI）U0(t)=(t≥0)其中K=R1/R0，T=R1C41比例微分（PD）U0(t)=KTδ(t)+K其中δ(t)为单位脉冲函数C惯性环节（T）U0(t)=K(1-e-t/T)其中K=R1/R0，T=R1C比例积分微分（PID）其中δ(t)

4、为单位脉冲函数Kp=R1/R0;Ti=R0C1Td=R1R2C2/R0四、实验内容及步骤1、观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。（1）实验接线①准备：使运放处于工作状态。将信号源单元（U1SG）的ST端（插针）与+5V端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（3DJ6）夹断，这时运放处于工作状态②阶跃信号的产生；电路可采用图1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（U13SP）及“电位器单元”（U14P）组成。具体线路形成：在U13SP单元中，将H1与+5V插针用“短路块”短接，H2插针用排线接至

5、U14P单元的X插针；在U14P单元中，将Z插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Y端输出信号。以后实现再用到阶跃信号时，方法同上，不再累赘。41（2）实验操作①.按2中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例）。（PID先不接）②.将模拟电路输入端（Ui）与阶跃信号的输出端Y相联接；模拟电路的输出端（U0）接至示波器。③.按下按钮（或松平按扭）H时，用示波器观测输出端U0(t)的实际响应曲线，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。④.同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实

6、际响应曲线见表1-1。2、观察PID环节的响应曲线。①.此时Ui采用U1SG单元的周期性方波信号（U1单元的ST的插针改为与S插针用“短路块”短接，S11波段开关置与“阶跃信号”档，“OUT”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12与电位器W11调节，信号幅值由电位器W12调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜）。②.参照2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。③.将中产生的周期性方波加到PID环节的输入端（Ui），用示波器观测PID的输出端（U0），改变电路参数，重新观察并记录。41实验二典型系统瞬态响

7、应和稳定性本实验为验证性实验。一、实验目的1、熟悉有关二阶系统的特性和模拟仿真方法。2、研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对过渡过程的影响。3、研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。4、熟悉劳斯判据，用劳斯判据对三阶系统进行稳定性分析。二、实验设备PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。三．实验原理及电路1、典型二阶系统①典型二阶系统的方块图及传递函数图2-1是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1s，T1=0.1s，K1分别为10、5、2、1。开环函数：开环增益：K=K1/T0=K1闭环函

8、数：其中，②模拟电路图：见图2-241图2-22．典型三阶系统①典型三阶系统的方块图：见图2-3图2-3开环传递函数为：其中，K=K1K2/T0(开环增益)②模拟电路图：见图2-441图2-4开环传递函数为：（其中K=500/R）系统的特征方程为1+G(S)H(S)=0即S3+12S2+2