自控实验指导书

1、实验一 典型环节的模拟实验1、 实验目的通过模拟实验电路，结合理论知识感性认识各基本环节在典型信号下的响应。通过实验初步了解实验装置的性能和结构，学会布线、设计和组合单元，学会软件的操作。2、实验设备基本知识准备：使运放处于工作状态将信号源单元（U1 SG）的端（插针）与+5端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（）夹断，这时运放处于工作状态阶跃信号的产生：电路可采用图1一1所示电路它由“单脉冲单元”（U0 sp）及“电位器单元（14 ）组成图 11具体线路形成：在13 单元中，将1与十5插针用“短路决”短接，2插针用排线接至U14 单元的X插针; 在U14 单元中，将插针和GND

2、插针用“短路块”短接，最后由插座的端输出信号以后实验若再用到阶跃信号时，方法同上不再赘述。3、 典型环节的模拟电路图图1-2 比例环节（P）图1-3 积分环节(I) 图1-4 比例积分环节(PI)图1-5 比例微分环节(PD)图1-6 惯性环节(T)图1-7 比例积分微分环节（PID）4、 各环节参数参考值表 环节参数比例环节惯性环节积分环节（I）比例积分（PI）比例微分（PD）比例积分微分（PID）电阻值R0=200KR1=200K,200KR0=200KR1=200KR0=200KR0=200KR1=200KR0=10KR1=10KR2=10K,20KR3=200R0=10KR1=10K,

3、20KR2=1KR3=200电容值C=1F或2FC=1F或2FC=1F或2FC=1FC1=1FC2=2F5、 实验内容和步骤：（）观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶成响应曲线。按第3部分中的各典型环节的模拟电路图将线接好。将模拟电路输入端（1）与阶跃信号的输出端相联接，模拟电路的输出端（U0）接至虚拟示波器信号输入通道（共有两个，可任选）。按下按钮（或松平按钮）H 时，用示波器观测输出端的实际响应曲线U0(t)，且将结果记下。改变参数，重新观测结果。（）观测环节的响应此时1采用U1 SG的周期性方波信号（1单元的的插针改为与插针用“短路块”短接，11波段开关置于“阶跃信号”档，“

4、”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12和电位器11调节，信号幅值由电位器12调节以信号幅值小信号周期较长比较适宜）。参照第3部分中的 模拟电路图，将环节搭接好。将中产生的周期性方波信号加到PID 环节的输人端（1），用示波器观测输出端（。），改变电路参数，重新观察并记录。（3）根据实际搭建的模拟电路图的参数，求解各典型环节的传递函数，在Simulink中进行仿真，给出理论的响应曲线，并与实际响应曲线进行对比分析。实验报告（一）典型环节的模拟实验班级 姓名 学号一、 写出各典型环节在阶跃信号作用下的输出响应表达式（用参数表示）1、 比例环节：2、 积分环节：3、 惯性环节：4、

5、 比例积分环节：5、 比例微分环节：6、比例积分微分环节：二、 画出各典型环节实际响应曲线图1、 比例环节：2、 积分环节：3、 惯性环节：4、 比例积分环节：5、 比例微分环节：6、比例积分微分环节：实验二 典型系统瞬态响应和稳定性分析1、 实验目的通过搭建模拟电路，观测和分析在典型输入信号下二阶和三阶系统的响应，并分析各参数变化时对系统稳定性和输出响应的影响。2、 系统参数及框图（1） 典型二阶系统 典型二阶系统的方块图及传递函数图是典型二阶系统原理方块图，其中0=1，1=0.1S。R(s)E(S)+_C(S) 图21开环传递函数： ，其中K1 =K/T0，K1 为开环增益。闭环传递函数：

6、 其中 模拟电路图：见下图图 2-2（2）典型三阶系统 典型三阶系统的方块图：见图23 R(S)C(S)+ 图 23开环传递函数为： 其中K=K1K2/T0(开环增益) 模拟电路图：见图24图 24 、实验内容及步骤采用阶跃信号为信号源（参见实验一的描述）。（） 典型二阶系统瞬态性能指标的测试按图接线=。用示波器观察系统阶跃响应C（），测量并记录超调量Mp，峰值时间tp，和调节时间ts记录表中（表中已给出了实验结果参考数据，请自己重新观测记录和计算）。分别按=； 改变系的统开环增益，观察相应的阶跃响应（t），测量并记录性能指标p，tp，和ts，及系统的稳定住。并将测量值和计算值（实验前必须按公

7、式计算出）进行比较。（）典型三阶系统的性能 按图接线，=。观察系统的阶跃响应，并记录图形。 用劳斯判据计算系统稳定、临界稳定和不稳定时的K、R的值。 任取3个R值，使系统稳定、临界稳定和不稳定，观察系统的阶跃响应并记录图形。 将R用可调电阻来替换，动态改变R的值，在零输入的情况下使系统在三种状态下运行。 实验报告（二）典型系统瞬态响应和稳定性分析班级 姓名 学号一、 写出图2-3和图2-4所示系统的传递函数二、 当二阶系统=；时，填写下表R值(K)K(开环增益)C(tp)(峰值)C()(稳态值)响应曲线测量计算测量计算测量计算2040100三、对图2-4所示的系统，应用劳斯判据确定3个不同的R

8、值，使系统处于稳定、临界稳定和不稳定状态，并记录相关的实验数据。R(K)K稳定性输出波形实验三 控制系统的频率特性1、 实验目的加深对系统频率特性响应的认识，了解频率特性的构成。熟练掌握典型系统频率特性的实验测试方法和表现形式。2、 测系统的方块图及原理 图 3-1系统（或环节）的频率特性G（j）是一个复变量可以表示成以角频率为参数的幅值和相角： （4-1）本实验用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特性。图41所示系统的开环频率特性为： （4-2）将频率特性测试仪内信号发生器产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化，并施加于被测系统的输入端r（t）。然后分别测量相应的反馈信号b（t）和误差信号e

9、(t)的对数幅值和相位。频率特性测试仪测试数据经相关器运算后在显示器中显示。分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，在半对数座标纸上作出实验曲线：开环对数幅频曲线和相频曲线根据实验开环对数用幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再根据渐近线的斜率和转角频确定频率特性（或传递函数）。所确定的频率特性（或传递函数）的正确性可以由测量的相频曲线来检验，对最小相位系统而言，实际测量所得的相频曲线必须与由确定的频率特性（或传递函数）所画出的理论相频曲线在一定程度上相符。如果测量所得的相位在高频（相当转角频率）时不等于一900×(q-p）式中p和q分别表示传递函数分母和分子的阶次，那么，频率特

10、性（或传递函数）必定是一个非最小相位系统的频率特性。3、被测系统的模拟电路图图 3-2注意：所测点一（）、（）由于倒相器的作用，输出均为负值，若要其正的输出点，可分别在一（）、，（）之后串接一组1/的比例环节，比例环节的输出即为（）、（）的正输出。4、验内容及步骤在此实验中，我们利用CS系统中的 DAC单元将提供频率和幅值均可调的基准正弦信号源作为被测对象的输人信号。而 CS系统中测量单元的 1通道用来观测被测环节的输出，选择不同角频及幅值的正弦信号源作为对象的输人，可测得相应环节的输出，并在机屏幕上显示，我们可以根据所测得的数据正确描述对象的幅频和相频特性图。具体实验步骤如下：（）将 单元的

11、 端按到对象的输入端。（）将测量单元的1（必须拨为乘1档）按至对象的输出端。（）将U1 SG的和端断开，用排线将端接至8088单元中的PB10（由于在每次测量前，应对对象进行一次回零操作，ST即为对象锁零控制端，在这里，我们用8255而的PB10口对进行程序控制）。（）在机上输人相应的角频率并选择合适的幅值，按ENTER后，输入的角频率开始闪烁，直至测量完毕时停止，屏幕即显示所测对象的输出及信号源。移动游标，可读出相应的幅值和相位。（）如需重新测试则按“”键，系统会消除当前的测试结果，并等待输入新的角频率准备开始进行下次测试。（）根据测得在不同频率和幅值的信号源作用下系统误差（t）及反馈c(t

12、)的幅值相对于信号源的相角差。据此，可自行计算并画山闭环系统的开环幅频和相频曲线。（7）应用Matlab工具箱函数绘制系统的Bode图，并与实验测得的数据进行比较。实验报告（三）控制系统的频率特性班级 姓名 学号三、 实验数据的测量与记录输入R(t)的角频率(rad/s)误差信号e(t)反馈信号 b(t)开环特性幅值(V)对数幅值20lg相位(°)幅值(V)对数幅值20lg相位(°)对数幅值20lg相位(°)0.1110100200二、作出系统的频率特性图（Bode图）1、幅频特性曲线 2、相频特性曲线三、根据绘制的对数频率特性图确定出系统的开环传递函数，并与实际

13、系统的理论传递函数相比较实验四 系统校正1、 实验目的了解系统校正的目的和意义，掌握系统校正设计的一般方法。2、 未校正前系统的原理方块图图 4-1未校正前系统的方块图则有闭环传函：3、 原系统及校正前的模拟电路图（图4-2）图 4-2 未校正系统的模拟电路图4、串联校正装置设计要求使系统满足性能指标：提示：应用闭环时域指标和开环频域指标之间的经验公式进行相关的设计5、实验内容及步骤准备：将“信号源单元”（U1SG）的ST插针和+5V的插针用“短路块”短接。（）测量未校正系统的性能指标 按图32接线。加入阶跃信号，观察阶跃响应曲线，并测出超调量p，和调节时间ts。记录曲线及参数。（） 理论设计串联校正单元，在Matlab的Simulink环境下进行仿真，使各项参数达到性 能要求。（） 设计校正单元的模拟电路，实测校正后系统