控制原理实验指导书

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1、第四章自控原理实验一控制系统典型环节的模拟实验一、实验目的1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。二、实验内容1．对表一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路(参见表二)表一：典型环节的方块图及传递函数典型环节名称方块图传递函数比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（PD）惯性环节（T）比例积分微分（PID）表二：典型环节的模拟电路图各典型环节名称模拟电路图比例（P）积分（I）比例积分（PI）比例微分（P

2、D）惯性环节（T）各典型环节名称模拟电路图比例积分微分（PID）2．测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。3．改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。三、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准备：使运放处于工作状态。将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（K30A）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“阶跃信号单元”（U3）及“给定单元”（U4）组成。具体线

3、路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的Y端输出信号。以后实验若再用阶跃信号时，方法同上，不再赘述。实验步骤：①按表二中的各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。(PID先不接)②将模拟电路输入端(Ui)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。③按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。改变比例参数，重新观

4、测结果。④同理得积分、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际响应曲线参见表三。2．观察PID环节的响应曲线。实验步骤：①将U1单元的周期性方波信号(U1单元的ST端改为与S端用短路块短接，S11波段开关置于“方波”档，“OUT”端的输出电压即为方波信号电压，信号周期由波段开关S11和电位器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)。②参照表二中的PID模拟电路图，按相关参数要求将PID电路连接好。③将①中产生的周期性方波信号加到PID环节

5、的输入端（Ui），用示波器观测PID输出端(Uo)，改变电路参数，重新观察并记录。四、实验思考题：1．为什么PI和PID在阶跃信号作用下，输出的终值为一常量？2．为什么PD和PID在单位阶跃信号作用下，在t=0时的输出为一有限值？表三：典型环节传递函数参数与模拟电路参数关系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线比例K=μo(t)=KRo=250KR1=100KR1=250K惯性K=T=R1Cμo(t)=K(1-e-t/T)R1=250KRo=250KC=1μFC=2μFIT=RoCμo(t)

6、=Ro=200KC=1μFC=2μF典型环节传递函数参数与模拟电路参数关系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线PIK=T=RoCμo(t)=K+R1=100KC=1uFRo=200KC=2uFPDK=T=理想：μo(t)=KTδ(t)+K实测：μo(t)=+e-t/R3CRo=100KR2=100KC=1uFR3=10KR1=100KR1=200KPIDKP=TI=RoC1TD=理想：μo(t)=TDδ(t)+Kp+实测：μo(t)=+[1+()e-t/R3C2Ro=100KR2=10KR

7、3=10KC1=C2=1μFR1=100KR1=200K实验二一阶系统的时域响应及参数测定一、实验目的(1)观察一阶系统在单位阶跃和斜坡输入信号作用下的瞬态响应。(2)根据一阶系统的单位阶跃响应曲线确定系统的时间常数。二、实验所需挂件及附件序号型号备注1TKDD-1电源控制屏该控制屏包含“三相电源输出”等几个模块。2DK15控制理论实验3双踪超低频慢扫描示波器4万用表三、实验线路及原理图8-9为一阶系统的模拟电路图。由该图可知io=i1-i2根据上式，画出图8-10所示的方框图，其中T=R0C。由

8、图8-9一阶系统模拟电路图8-10得：2-图8-11为一阶系统的单位阶跃响应曲线。当t=T时，C（T）=1–e-¹=0.632。这表示当C（t）上升到稳定值的63.2%时，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8-11可测得一阶系统的时间常数T。由上式（1）可知，系统的稳态值为1，因而该系统的跟踪阶跃输入的稳态误差ess=0。当则所以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。四、思考题(1)一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差