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工业控制实验指导书 实验一典型环节及其阶跃响应 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的影响。 2.学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 二、实验内容构成下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。 比例环节的模拟电路及其传递函数示于图1-1。 1.D/A112)(RRsG?图112.惯性环节的模拟电路及其传递函数示于图1-2。 R1U11)(?TSKsG12RRK?CRT2?图123.积分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-3。 TSsG1)(?RCT?图13100KR2200KD/A1U2A/D1C1ufR1100KR2200KU1U2A/D1R1100KU1D/A1U2A/D1C1uf24.微分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-4。 RCSsG?)(图145.比例加微分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-5。 )1()(?TSKsG12RRK?CRT2?图156.比例加积分环节的模拟电路及其传递函数示于图1-6。 )11()(TsKsG?12RRK?CRT2?图16 三、软件使用1.在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2.选择实验三按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。 3.参数设置按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。 1）采样周期设置选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。 最小周期0.01S。 2）采样点数设置选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER确认输入完成。 3）输入阶跃信号幅值设置选中输入电压菜单项，在参数显示窗口中，“电压”的R2100KU1D/A1U2A/D1C1ufC10.01ufR1100KR2100KU1D/A1U2A/D1C10.01ufC1ufR1100KR2100KU1D/A1U2A/D1C1uf3参数显示处将改变颜色，此时可输入阶跃信号幅值，按ENTER确认输入完成。 输入范围为02.5V。 4.运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。 如想采集终止，请按ESC键。 5.退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实验。 如想退出DOS，应按ESC。 四、实验步骤1连接被测量典型环节的模拟电路及A/D，D/A连线，检查无误后接通电源。 2启动计算机，运行AT.EXE，设置T和N。 参考值T=0.05妙，N=200。 3观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据。 4记录波形及数据（由实验报告确定）。 五、实验报告1画出惯性环节，积分环节，比例加微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的惯性环节，积分环节，比例加微分环节的响应曲线。 2由阶跃响应曲线计算出惯性环节，积分环节的传递函数，并与由电路计算的结果相比较。 4实验二二阶系统阶跃响应 一、实验目的1研究二阶系统的特征参数，阻尼比?和无阻尼自然频率定量分析?和n?与最大超调量n?对系统动态性能的影响。 p?和调节时间st之间的关系。 2进一步学习实验仪的使用方法。 3学会根据系统阶跃响应曲线确定传递函数。 二、实验原理及电路典型二阶系统的传递函数为2n22n2?)(nss? （1）其中?和n?对系统的动态品质有决定的影响。 二阶系统模拟电路如图21图21电路的结构图如图22图22经计算，系统闭环传递函数为RCS112RRRCS1R100KU1D/A1U2A/D1R100KR100KR100KU2A/D1R1100KR2500KR100KR100KC1ufC1uf52221) (1) (1) (2)(TsTKsTsUsUs? （2）式中RCT?，12RRK?。 比较 （1）， （2）二式，可得RC2T21n1R1?，可以改变二阶系统的阻尼比。 改变RC值可以改?12RK2R?R （3）由 （3）式可知，改变比值?。 Rxx?电阻R取?K100变无阻尼自然频率n令取K，?K1.0R500f?102（?2R由电位器调节），可得实验所需的阻尼比。 f，可得到两个无阻尼自然频率，电容C分别取和n?。 三、实验步骤1了解实验仪，熟悉实验仪的使用方法。 sradn10?，即令?R1001?K 140、?K200?和调节时间5.0?，即取fC?1.0?注意两个电容值同时改变，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量2取?2K2RR（K100R由电位器调节）分别等于 0、?。 输入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录最大，fC?1?；分别0?、0. 25、0. 5、0. 7、?K 50、 1、2，即取?K，?K 100、400超调量pst的数值和响应的动态曲线，并与理论值比较。 ?KR1002；n?3取R1srad100，即取?KR100，p和调节时间?Rst。 ?K4取100，fC?1?，KR?的数值。 1001?，?KR502，测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录st和p 四、软件使用1在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2选择实验三按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。 3参数设置按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。 1）采样周期设置选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。 最小周期0.01S。 2）采样点数设置选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER确认输入完成。 3）输入阶跃信号幅度设置选中输入电压菜单项，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入阶跃信号幅值，按ENTER确认输入完成。 输入范围为02.5V。 4运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。 如想采集终止，请按ESC键。 5退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实验。 如想退出DOS，应按ESC。 五、实验预习要求61通过理论分析分别求出实验步骤中所对应的?和n?值下阶跃响应的最大超调量p?和调节时间st以备与实验时比较。 2通读实验指导书，了解实验目的、要求、实验步骤和实验设备。 六、实验报告1画出二阶系统的模拟电路图，并求参数?、2把不同?和n?条件下测量的n?的表达式。 p?和st列表，根据测量结果得出响应结论。 ?计算出传递函数，并与由模拟电路计算的3根据步骤3画出系统响应曲线，再由st和p传递函数相比较。 7实验三设计性实验控制系统的稳定性分析一实验目的1观察系统的不稳定现象。 2研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。 二实验内容设计一个能方便的调节开环增益的至少3阶系统的模拟电路，通过调节增益观察其对系统稳定性的影响，并调节出临界稳定的相关参数；同时用稳定判据进行理论计算，并分析其结果的一致性。 三实验条件自动控制原理实验箱、计算机、导线。 四试验报告1写出所设计系统的数学模型。 2画出系统的模拟电路图及写出各个器件的参数。 3调整系统放大系数，使系统各个状态（收敛、振荡、发散）至少出现一次，得出相应的模拟参数值，画出波形图。 4计算系统的临界放大系数，并与测得的临界放大系数相比较，看是否一致。 5仔细观察实验现象，认真记录实验中发现的问题、错误、故障及解决方法。 五参考书目自动控制原理，胡寿松，科学出版社软件使用1在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2选择实验三按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。 3参数设置按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。 1）采样周期设置选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。 最小周期0.01S。 2）采样点数设置选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER确认输入完成。 3）输入阶跃信号幅度设置选中输入电压菜单项，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入阶跃信号幅值，按ENTER确认输入完成。 输入范围为02.5V。 4运行观测选中“运行观测”菜单项，波形显示窗口将动态显示输入（下）输出（上）波形，采集完成将显示波形。 如想采集终止，请按ESC键。 5退出实验，选中“退出”菜单，即可退出该实验。 如想退出DOS，应按ESC。 8实验四系统频率特性测量 一、实验目的 1、加深了解系统及元件频率特性的物理概念。 2、掌握系统及元件频率特性的测量方法。 二、实验内容1.模拟电路图及系统结构图分别如图41和图42图41图42?K，则系统传递函数为2系统传递函数取?R500350010500) (1) (2)(2?sssUsUs? （1）若输入信号tUtu?sin1)(1?，则在稳态时，其输出信号为12UU和?随?变化的数值，这个变化规律就是)sin (2)(2u?t?Ut。 改变输入信号角频率?值，便可得到二组系统的幅频特性和相频特性。 三、软件使用1在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2选择实验三按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。 3参数设置按动光标上下键，移动高亮菜单项，按ENTER键将选中该菜单项。 1）频率参数设置选中频率参数，在参数显示窗口中，“频率”的参数显示处将改变颜色，此时可输入正弦信号的频率0.120hz。 2）幅度参数设置选中幅度参数，在参数显示窗口中，“电压”的参数显示处将改变颜色，此时可输入正弦信号的幅度02.5V。 s1011.01s?K1U1U2100K100KU1D/A1100K100K100KU2A/D1C1ufC1ufR3500K94运行观测1）单个频率点的响应波形观测，选中“频率响应”菜单项，将显示频率参数中设置频点的响应曲线。 2）画制波特图，选中“测波特图”菜单项，将自动测试各频率响应，并画出波特图，自动测试范围0.410hz.5退出 四、实验报告1.画出被测系统的模拟电路图，计算其传递函数，根据传递函数绘制Bode图。 2.把上述测量数据列表，根据此数据画Bode图。 3.分析测量误差。 10实验五连续系统串联校正 一、实验目的 1、研究串连校正环节对系统稳定性及过渡过程的影响。 2、熟悉和掌握系统过渡过程的测量方法。 二、系统模拟电路图及传递函数 1、串联超前校正1）系统模拟电路图如图51，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正情况。 图512）系统结构图如图52图52图中2)(1?sGc （1）1005.0)1055.0 (2)(2?sssGc （2） 2、串联滞后校正1）系统模拟电路图如图53，图中开关S断开对应未校情况，接通对应滞后校正情况。 图53s1012.02?sU1U2)(sGc100K100KU1D/A1100K100K100K100KU2A/D11uf50K1uf1ufS10uf500K100K100KU1D/A1100K200K100K200KU2A/D1C1uf100K5K1ufC1ufS112）系统结构图如图54图54图中10)(1?sGc （3）111)1 (10)(2?sssGc （4） 3、串联滞后超前校正1）系统模拟电路如图55，图中开关S断开对应未校情况，接通对应滞后超前校正情况。 图552）系统结构图示如图56图56图中6)(1?sGc （5）)105.0)(16()115.0)(12.1 (6)(2?sssssGc （6） 三、实验步骤1.连接模拟电路图，开关s放在断开位置，系统加入阶跃信号，测量系统阶跃响应，?和调节时间并记录超调量?st。 s10)(sGcU1U2101.01?s11.01?ss10)(sGcU1U2105.01?s11.01s?100K100KU1D/A1100K100K100K100KU2A/D11uf100K50K1uf0.1uf1ufS100K100K1uf500K10uf100K100K122.开关s接通重复步骤1。 四、软件使用1在DOS提示符下运行AT.EXE，即弹出主界面菜单2选择实验三按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项，并且进入参数设置和波形显示窗口。 3实验内容选择1）串联超前校正选中“超前校正”菜单项，将进入超前校正实验2）串联滞后校正选中“滞后校正”菜单项，将进入滞后校正实验3）串联超前滞后校正选中“超前滞后”菜单项，将进入超前滞后校正实验4参数设置按动光标“上、下”键，移动高亮菜单，按“ENTER”将选中该菜单项。 1)采样周期设置选中采样周期项，在参数显示窗口中，“周期”的参数显示处将改变颜色，此时可输入采样周期，按ENTER确认输入完成。 最小周期0.01S。 2)采样点数设置选中采样点数菜单项，在参数显示窗口中，“点数”的参数显示将改变颜色，此时可输入采样点数，按ENTER确认