自动控制原理实验指导书

1、 0目目 录录实验装置简介（3-4）实验一 控制系统典型环节的模拟（5-6）实验二 一阶系统的时域响应及参数测定（6-7）实验三 二阶系统的瞬态响应分析（8-9）实验四 频率特性的测试 （9-13）实验五 PID 控制器的动态特性（13-15）实验六 典型非线性环节（15-18）实验七 控制系统的动态校正（设计性实验）（19）备注：本实验指导书适用于自动化、电子、机设等专业，各专业可以根据实验大纲选做实验。 1THZK-1 型控制理论电子模拟实验箱型控制理论电子模拟实验箱自动控制技术广泛应用于工农业生产、交通运输和国防建设，因此一个国家自动控制的水平是衡量该国家的生产技术与科学水平先进与否的一

2、项重要标志。本模拟实验装置能完成高校自动控制原理课程的主要实验内容。它可以模拟控制工程中的各种典型环节和控制系统，并对控制系统进行仿真研究，使学生通过实验对自动控制理论有更深一步地理解，并提高分析与综合系统的能力。本模拟实验箱可分为信号源与频率计，电源和典型环节实验三大部分:一、 信号源与频率计1 信号源部分 信号源部分包括阶跃信号发生器，函数信号发生器，扫频电源。 (1) 阶跃信号发生器 当按下按钮时，输出一负的阶跃信号，其幅值约 (0.9V -2.45V)之间可调。(2) 函数信号发生器函数信号发生器主要是为本实验装置中所需的超低频信号而专门设计的能输出三种函数信号，每一种函数信号有三个频

3、段可供选择，三种信号分别为正弦波信号，三角波信号和方波信号。正弦波信号: 正弦波信号电压的有效值在(07.5V)可调，频率在(0.25Hz1.55KHz)可调，其中低频段(0.25Hz14Hz)，中频段(2.7Hz155Hz)可调，高频段(26Hz1.55KHz)可调。三角波信号: 三角波信号输出电压的有效值在(03v)可调，频率调节范围与正弦波信号相一致。方波信号: 方波信号输出电压的有效值在(06.6v)可调，频率调节范 2围与正弦波信号相一致。 (3) 扫频电源 扫描电源采用可编程逻辑器件 ispLSI1032E 和单片机 AT89C51 设计而成，它的输出为一频率可调的正弦波信号，能在

4、 50Hz-80KHz 的全程范围内进行扫频输出。该扫频电源提供了 11 档扫速，也可用手动点频输出，此外还有频标指示。2 频率计该系统在作频率特性测试实验时，需要用到超低频信号，若用示波器去读，显然很不方便。为了能直观地读出超低频信号的频率，我们采用了一个频率计。它采用单片机编程，能精确、直观地显示小数点后两位。二、 电源电源部分包括直流稳压电源，直流数字电压表，交流数字电压表。 (1) 直流稳压电源能输出5v ，15v 的直流电压。 (2) 直流数字电压表有三个档位。分别为 2v 档，20v 档，200v 档。能完成对直流电压的准确测量，测量误差不超过 1%。(3)交流数字电压表也有三个档

5、位，分别为 200mv 档，2v 档，20v 档，能完成对交流电压的准确测量，测量误差不超过 1%。三、 典型环节与系统的模拟实验典型环节与系统模拟实验部分包括了自动控制系统中所有的部件，即包括加法器，惯性环节，积分环节，有源滞后-超前校正环节，非线性环节等。学生根据需要，可任意组成各种典型环节与系统的模拟。 3实验一实验一 控制系统典型环节的模拟控制系统典型环节的模拟一、 实验目的1、熟悉超低频扫描示波器的使用方法；2、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子模拟电路；3、测量典型环节的阶跃响应曲线；4、通过本实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响。二、 实验设备1、控制理论电子模拟实

6、验箱一台；2、超低频慢扫描示波器一台；3、万用表一只。三、 实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的输入 R-C 网络和反馈 R-C 网络构成控制系统的各种典型环节。四、 实验内容1、画出比例、惯性、积分、微分的电子模拟电路图。2、观察并记录下列典型环节的阶跃响应波形。 1) G1(S)=1，取 Ri =100K，Rf =100K；2) G1(S)=1/0.1S，取 Ri =100K，Cf =1uF；3) G1(S)=1/(0.1S+1)，取 Rf =100K，Rf =100K，Cf =1uF。五、 实验报告要求1、画出四种典型环节的实验电路图，并注明参数。2、测量并记录各种典型环节的单位阶

7、跃响应，并注明时间坐标轴。3、分析实验结果，写出心得体会。六、 实验思考题1、用运放模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？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？ 4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。二、 实验设备1、控制理论电子模拟实验箱一台；2、双踪低频慢扫描示波器一台；3、万用表一只。三、 实验原理 11Ts( )C s( )R s图 2-1 一阶系统框图图 2-1 为

8、一阶系统的框图，它的闭环传递函数为：( )1( )1C sR sTs令 r（t）=1(t)，即 R(s) =1/S，则其输出为：1/( )1tc te 它的阶跃响应曲线如图 2-2 所示。图 2-2 一阶系统阶跃响应曲线当 t=T 时，。这表示当上升到稳定值的 63.2%1/( )10.632Tc Te ( )c t 5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 2-2 可测得一阶系统的时间常数 T。当，即，系统的输出为：( )r tt2( )1/R ss2211( )1(1)TTC ss TssssT即：/( )(1)t Tc ttTe /( )( )(1)t Te tr

9、tTe所以当 t时，e（）=ess=T。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、 实验内容1、根据图 2-1 所示的系统，设计相应的模拟实验线路图。2、当 r（t）=1V 时，观察并记录一阶系统的时间常数 T 为 0.1S 时的瞬态响应曲线，并标注时间坐标轴。3、当 r（t）= t 时，把输入斜波的频率调到最低 f=2 Hz，观察并记录一阶系统时间常数 T 为 0.1S 时的响应曲线。五、 实验报告1、根据实验，画出一阶系统的时间常数 T=0.1S 时的单位阶跃响应曲线，并由实测的曲线求得时间常数 T。2、观察并记录一阶系统的斜坡响应曲线，并由

10、图确定跟踪误差 ess，这一误差值与由终值定理求得的值是否相等？分析产生误差的原因。六、 实验思考题1、一阶系统为什么对阶跃输入的稳态误差为零，而对单位斜坡输入的稳态误差为 T？2、一阶系统的单位斜坡响应在理论上能否由其单位阶跃响应求得？试说明之。 6实验三实验三 二阶系统的瞬态响应分析二阶系统的瞬态响应分析一、 实验目的1、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p、峰值时间 tp和调整时间 ts；2、研究增益 K 对二阶系统阶跃响应的影响。二、 实验原理111TsK21T s( )R s( )C s图 3-1 二阶系统框图图 3-1 为二阶系统的框图，它的闭环传递函数为：21

11、 222211 2/()( )( )/()2nnnKTTC sR sss TKTTss由上式求得：1 2211f1f12f2f2/()=/4100R CR CnKTTTT KKwTT；=；三、 实验内容+-+-+-+741A741A741A100k100k100k100k100k470k200k0.1 F1 F阶跃输入w图 3-2 二阶系统原理图根据图 3-2，调节可调电阻 w 的大小（w 取 1M 的电阻） ，显然只要改变w 的电阻值，就能同时改变 n 和的值，调节 w 值，观察过阻尼(1)、临 7界阻尼（=1）和欠阻尼（aE/(1-a)21K=-(1-a)R /R21tan =(1-a)R

12、 /R图中 Ui0、和 K 为死区非线性的主要特征参数。改变电位器的电阻值，就能改变和 K。4、回环非线性特性实现回环非线性特性的模拟电路和其非线性特性曲线分别如图 6-5（a）和（b）所示。图 6-6(a) 模拟电路 图 6-6(b) 特性曲线它的数学表达式为：201(1)()ciiCUa UUC 1821tan(1)/a CC式中 Ui0=a E/（1-a） ，由上式可见，只要改变电阻 R1、R2的电阻值，就能改变特性的夹角。5、带回环的继电器特性实现带回环继电器特性的模拟电路和其特性曲线分别由图 6-6（a）和图 6-6（b）所示。图 6-6(a) 模拟电路 图 6-6(b) 特性曲线这

13、里运算放大器接成正反馈。其反馈系数为 K=R1/（R1+R2） ，显然，R2越小，正反馈的系数 K 越大，说明正反馈越强。环宽的电压 Ui0与输出限幅电压 M 和反馈系数 K 有关，其关系为 Ui0=KM。四、 实验步骤1、根据典型非线性环节设计相应的模拟电路图。2、调节信号发生器的周期为 1S 左右，按图 6-1 接线。3、用示波器（或 XY 记录仪）观察并记录各种典型非线性特性。4、调节相关参数，观察它们对非线性特性的影响。五、 实验思考题1、如果限幅电路改接在运算放大器的反馈回路中，则非线性特性将发生什么变化。2、在带回环的继电器特性电路中，如何确定环宽电压？ 19实验七实验七 自动控制系统的动态校正自动控制系统的动态校正一、 实验目的1、要求学生根据要求，自行设计一校正装置，并用本实验箱构成一模拟