自控原理实验指导书

1、自动控制原理实验指导书赵 家 林 南 京 工 程 学 院二 一 三 年 二 月目 录实验一 典型环节及系统性能的模拟3学时实验二 系统频率特性的测试2学时实验三 自动控制系统性能的校正2学时 附 录1 自控原理实验报告附 录2 ZKIII型自动控制原理模拟实验系统使用说明实验一 典型环节及系统性能的模拟一、实验目的1了解ZKIII型自动控制原理实验系统的功能，掌握其操作使用方法；2熟悉并定性地验证各种典型环节的阶跃响应曲线；3研究一阶系统，二阶系统的运动规律，了解系统在阶跃信号作用下的过渡过程的变化；4研究放大系数对闭环系统过渡过程的影响；二、实验仪器1ZKIII型自动控制原理实验系统一台；2

2、接插线若干。三、实验步骤1 实验系统的“测试准备”处于压下状态，Ui为负阶跃信号,其值为负的3V左右；10k··10kUiUo2 先接一反相器电路(如图一所示)，其输入接负阶跃信号，输出接“测试启动”同时接直流信号的“输入1”端；关断“负阶跃信号”。3 将负阶跃信号接在实验线路的输入端，再将实验线路的输出端接直流信号的“输入 2”端 ；接好实验电路；关断“负阶跃信号”。4选择适当的“采样时间”和“量程”， 图一 反相器按一下“复位”键，仪器即做好了测试准备；5 重复测量时先关断“负阶跃信号”, 再按一下“复位”键即可。；··R1R2UiUo6

3、电位器顺时针调节阻值增大；7 整个实验系统共地，实验系统内部地线可以不接。四、典型环节的实验内容 1 比例环节传递函数 G( S )=K, 其中:K=R2/R1。 按图二所示将实验线路接好 图二 比例环节“采样时间”选0.5S,“量程”选6V，按一下“复位”键，仪器已经做好了测试准备；打开“负阶跃信号”开关，观察 并记录输出波形；··放电C2 积分环节传递函数 G( S )=1/TS, 其中: T=R1×C。按图三所示接好线路，并将积分电容的两端并到“放电”的两端··UiR1Uo； 采样时间选0.5S，量程选12V；在输入端加上“负阶跃信号”，

4、观察输出的动态过程并记录输出波形 图三 积分环节3 惯性环节 传递函数 G( S )=K/(TS+1) 。其中: K=R2/R1, T=R2×C··R1R2CUiUo··按图四所示接好线路采样时间选1S，量程选6V在输入端加上“负阶跃信号”， 观察并记录输出的波形。 4 比例微分环节 图四 惯性环节R2·C··R1·UiUo传递函数 G( S )=K(1+S)。 其中: K=R2/R1, = R1×C。按图五所示接好线路； 采样时间选0.5S，量程选6V；在输入端加上“负阶跃信号”，观察并记录输

5、出的波形。 图五 比例微分环节 5 比例积分环节Uo··R1R2UiC放电··传递函数 G( S )=K(1+1/TS)。其中: K=R2/R1, T=R2×C。 按图六所示接好线路，并将电容的两端并到“放电”的两端；采样时间选0.5S，量程选12V；在输入端加上“负阶跃信号”，观察并记录输出的波形；Uo··R0CUiR0 图六 比例积分环节五、典型系统的实验内容 采样时间为1s,量程为6v。1 一阶系统的性能研究 积分环节经反馈构成的一阶系统按图七所示接好线路； 负阶跃信号调成负3V左右，加到系统输入端，打开负阶跃信号，观

6、察系统的输出波 图七形并记录之； 2 二阶系统性能的研究 典型二阶系统 按图八所示接好线路(将R1电阻调到最大)，在输入端加上负阶跃信号，观察系统的输出波形，记录波形；分别调整参数R1，C1，C2的大小，分别记录波形，观察并定性的分析参数改变对输出波形的影响，记录系统阻尼比、自然振荡角频率n和tr、ts及其他性能指标的变化情况。UoUiR3··R1R0R0··C2R2C1····R4 R42 K11T1SK2T2S+1UiUo 其中: K1=R1/R0, K2=R4/R3, T1=R2C1, T2=R4C2图八比例

7、微分控制的二阶系统系统中加入比例微分环节能使系统阻尼比增加，减小超调，同时，闭环零 点将使系统的响应速度加快，调节时间和上升时间都有所减小。按图九所示接好线路，先去掉C3，将R4电位器调到最大， 在输入端加上负阶跃信号，记录输出波形；UoUiR3··R1R0R0··C2R2C1····R4 R42C3··并上电容C3，C3=2.2F观察比例微分对系统性能的影响，并记录输出波形。K2(1+S)1T1SK1T2S+1UiUo其中: K1=R2/R1, K2=R4/R3, T1=R0C1, T2=R2

8、C2, =R3C3图九六、实验结果分析1.推导典型二阶系统（图八）的闭环传递函数。分析参数变化对输出的影响。2.分析比例微分对典型二阶系统（图九）输出的影响。实验二 系统频率特性的测试一、实验目的1 通过对系统频率特性的测量，验证频率法分析系统的正确性；2 根据实验数据学会绘制伯德图和乃氏图，并和理论数据进行比较；3 学习测量系统或环节频率特性的方法。二、实验仪器1 ZKIII型自动控制原理模拟实验系统一台；2 接插线若干。三、实验内容系统频率特性的测试线路如下图所示。在不同的频率下测量系统的输入,输出电压值和相位差值。绘制系统的伯德图和乃奎斯特图。与输入电压值和输出与输入之间的相位差， 按下

9、表改变输入信号的频率，测量对应的相位差和输入与输出的电压值。 根据上表可以画出被测电路的四、实验方法1 按图接好线路，将正弦信号接到被测系统的输入端和“交流信号”的“输入1”。将被测信号输出端接“交流信号”的“输入2”。2 松开“测试准备”键，仪器进入交流测试状态。3 波形选择“正弦波”，在频率为48Hz时，调输入电压为35V，并保持不变。4 通过“频率选择”和“频率微调”选择所需要的频率。5 根据液晶显示屏的显示值，记录相应参数，填入下表。其中：“有效值1”表示输入电压值，“有效值2”表示输出电压值。五、实验线路0.033Uo接交流“输入2”接信号发生器，同时接交流“输入1”10K·

10、;··Ui 实验线路图G(S)=1/(1+TS) 其中：T=RCA()=Uo/Ui L()=20*lg A() 其中：=2ff(Hz)_4885152202270361417448Ui(V)Uo(V)计算lg计算L()f(Hz)482517556642857114215242710Ui(V)Uo(V)计算lg计算L() L幅 L() lg幅频特性 lg相频特性六 根据实验数据画出该电路的伯德图和乃奎斯特图。实验三 自动控制系统性能的校正一、实验目的1 了解和观测校正装置对系统稳定性的影响；2 学习有源校正和无源校正装置的性能。二、实验仪器1 ZKIII型自动控制原理模拟实验

11、系统一台；2 接插线若干。三、实验步骤1 实验系统的“测试准备”处于压下状态，Ui为负阶跃信号,其值为负的3V左右；10k··10kUiUo2 先接一反相器电路(如图一所示)，其输入接负阶跃信号，输出接“测试启动”同时接直流信号的“输入1”端。3将负阶跃信号接在实验线路的输入端，再将实验线路的输出端接直流信号的“输入 2”端 ；接好实验电路；关断“负阶跃信号”。 4 选择“采样时间”为4S。系统不稳定时，选择“量程”为12V；系统稳定时，选择“量程”为6V，按一下“复位”键，仪器即做好了 图一 反相器测试准备； 5 重复测量时先关断“负阶跃信号”, 再按一下“复位

12、”键即可； 6 电位器顺时针调节阻值增大；7 整个实验系统共地，实验系统内部地线可以不接。 四、实验内容1 无源校正的分析按图二所示三阶系统接线，“直流信号”输入方式，量程选12V，采样时间选4S。电位器的值调至最大，加上负阶跃信号，输出为不稳定波形，测量并记录输出波形。在三阶不稳定系统的前向通道中（图二中A点）串入“滞后超前”无源 校正装置如图三所示，调整校正装置的参数RW1（RW1的阻值调到最大），改变参数RW2的阻值（分别调到最大和最小），分别记录系统的输出波形；然后再改变RW1的值（RW1的阻值调到最小），再改变参数RW2的阻值（分别调最大和最小），分别记录系统的输出波形。·

13、UoUi··10K10K··10µ······10µ10µ10K10K10K47KA图二10KRW1:47K2K10µ47K····RW24.7图三从以上实验中可以看出，“超前”校正主要改善系统的瞬态响应，“滞后”校正主要改善系统的稳态性能，而“滞后超前”校正能够同时改善系统的动态性能和稳态性能。2 有源校正的分析图四为带有比例微分校正的三阶系统的电路图，按图接好线路，先将电容C4去掉，调整R4电位器，使系统在负阶跃

14、信号作用下为欠阻尼状态，最好有34个振荡波或者为不稳定，记录波形。UoUiR3··R1R0R0··C2R2C1····R4 R42C3···C4然后将电容C4加上，观察系统在单位阶跃信号作用下的输出响应，这时系统的超调量减小，响应加快，调节时间减小。记录系统的响应波形，分析校正装置对系统性能的影响。图四自动控制原理实验报告 南 京 工 程 学 院自 动 化 学 院目 录实验一 典型环节及系统性能的模拟23实验二 系统频率特性的测试28实验三 自动控制系统性能的校正30实验一 典型环节及

15、系统性能的模拟一、实验目的1了解ZKIII型自动控制原理实验系统的功能，掌握其操作使用方法；2熟悉并定性地验证各种典型环节的阶跃响应曲线；3研究一阶系统，二阶系统的运动规律，了解系统在阶跃信号作用下的过渡过程的变化；二、实验仪器1ZKIII型自动控制原理实验系统一台；2接插线若干。三、典型环节的实验内容 1 比例环节传递函数 G(S)=K, 其中:K=R2/R1。 R1UiUoR2 图二 比例环节 输出波形2 积分环节传递函数 G(S)=1/TS, 其中: T=R1×C。UoCUi放电R 图三 积分环节 输出波形3 惯性环节 传递函数 G( S )=K/(TS+1) 。其中: K=R

16、2/R1, T=R2×CR1UiUoR2C 图四 惯性环节 输出波形4 比例微分环节 传递函数 G( S )=K(1+S)。其中: K=R2/R1, = R1×C。CR1UiUoR2 图五 比例微分环节 输出波形 5 比例积分环节传递函数 G( S )=K(1+1/TS)。其中: K=R2/R1, T=R2×C。UoUiC放电R2R1 图六 比例积分环节 输出波形四、典型系统的实验内容 1 一阶系统的性能研究 积分环节经反馈构成的一阶系统UoCUiR1R1 图七 输出波形2 二阶系统性能的研究 UoUiR3··R1R0R0··

17、;C2R2C1····R4 R42典型二阶系统 图八1.推导典型二阶系统的闭环传递函数。2记录典型二阶系统的输出波形3记录参数改变（注明参数如何改变）后的典型二阶系统的输出波形4分析参数变化对输出的影响。比例微分控制的二阶系统UoUiR3··R1R0R0··C2R2C1····R4 R42C3··图九1记录典型二阶系统的输出波形2记录加入比例微分控制的二阶系统输出波形3分析比例微分对典型二阶系统输出的影响。实验二 系统频率特性的测试一、实验目的1 通过对系

18、统频率特性的测量，验证频率法分析系统的正确性；2 根据实验数据学会绘制伯德图和乃氏图，并和理论数据进行比较；3 学习测量系统或环节频率特性的方法。二、实验仪器1 ZKIII型自动控制原理模拟实验系统一台；2 接插线若干。五、实验线路0.033Uo接交流“输入2”接信号发生器，同时接交流“输入1”10K···Ui 实验线路图G(S)=1/(1+TS) 其中：T=RCA()=Uo/Ui L()=20*lg A() 其中：=2ff(Hz)_4885152202270361417448Ui(V)Uo(V)计算A（）计算lg计算L()f(Hz)482517556642857

19、114215242710Ui(V)Uo(V)计算A（）计算lg计算L() L幅伯德图 幅频特性 相频特性乃奎斯特图实验三 自动控制系统性能的校正一、实验目的1 了解和观测校正装置对系统稳定性的影响；2 学习有源校正和无源校正装置的性能。二、实验仪器1 ZKIII型自动控制原理模拟实验系统一台；2 接插线若干。四、实验内容1 无源校正的分析·UoUi··10K10K··10µ······10µ10µ10K10K10K47KA图二10KRW1:47K2K10&

20、#181;47K····RW24.7图三记录一型三阶系统的输出波形记录校正装置参数在各特殊状态下的输出波形。通过以上图形的变化能得出什么结论UoUiR3··R1R0R0··C2R2C1····R4 R42C3···C42无源校正的分析图四记录有无C4时的输出波形分析加入C4后对系统输出的影响实验五 计算机仿真时域法一 实验目的 在研究系统的结构和参数的变化对系统性能的影响时，采用计算和作图的方法比较麻烦，而且误差也大，而用计算机实现则简单方便，精

21、度高。由于MATLAB具有强大的作图功能，因此本实验采用MATLAB绘制控制系统的瞬态响应波形.通过该实验，可加深对系统阶次，型号，参数与系统性能的关系的理解。 五 实验内容 1. 二阶系统不带零点的时域分析 观察并记录变化，n不变时的输出响应曲线。Error! No bookmark name given. =1.5 =1 =0.5 =0.25 分析阻尼比的变化对系统性能的影响和性能指标的变化。观察并记录阻尼比不变，wn变化时的输出响应曲线。n=0.5 n=1 n=3 分析n变化时对系统性能的影响和性能指标的变化。 观察并记录A变化时的输出响应曲线。A=0.7 A=5 分析A变化对系统性能的

22、影响。 2. 三阶不带零点的时域分析法A=0.5 A=3 A=7 分析A变化对系统性能的影响。3. 二阶系统带零点的时域分析法（ 0 1 ） 分析零点变化对系统性能的影响。4. 三阶系统带零点的时域分析法F=2 F=3 分析零点变化对系统性能的影响。附录2 ZKIII型自动控制原理模拟实验系统使用说明ZKIII型自动控制原理模拟实验系统包含两个部分。其一为测量部分，包括信号发生器、直流信号测量和交流信号测量等。其二为构造实验线路部分，包括可构成基本典型环节的10个基本单元、无源校正电路、RC电路和正、负阶跃输入信号等。以下分别介绍ZKIII型自动控制原理模拟实验系统的各个部分的功能及其使用方法

23、。第一部分：测量部分： 一 技术性能 1 测量部分主要由波形显示，信号发生器，直流信号输入和交流信号输入四个部分构成。 2 信号发生器输出信号波形为正弦波，频率范围为30Hz7000Hz，输出电压最大值为12V。 3 直流输入电压最大值不超过12V，交流输入电压最大值不超过12V。 4 有+5V直流电源输出。二 应用范围 1 测试模拟各基本环节的瞬态响应波形。 2 测试系统的瞬态响应波形。 3 提供系统频率特性测试所需的输入信号和同时显示该实验所需的各组参数值。三 基本结构 1 波形显示由一块点数为320×240的液晶显示屏组成，可以显示所需测量的直流瞬态响应波形和交流信号的输入、输

24、出电压值，交流信号的频率，两个交流信号的相位差及波形等。 2 信号发生器ZK配置一个正弦信号发生器，可用来做频率特性实验所需的信号源。频率范围为30Hz7000Hz分成四个波段可调，另外有一个“频率微调”调节它可得到实验所需要的具体频率。“电压调节”使输出电压在012V之间可调。 3 直流输入方式直流输入方式包括启动、采样时间、输入1、输入2和量程等。可用于测量环节和和系统的瞬态响应波形。 4 交流输入方式交流输入方式包括输入1、输入2和标准/放大等。可用于测量环节和系统的频率特性。 5 其它 面板上所有接地端已经全部连通。四 “直流输入”形式下的用法 1连接一个反相器，输入接“负阶跃信号”（

25、输出电压为负3V5V之间），其输出接到“启动”处，作为测试时的启动信号同时接到“输入1”用来监控输入电压值。 2 将被测电路的输出信号接到“输入2”端，接线时要注意不能将输出信号接到“地”端。 3 按下“测试准备”键，选择合适的量程和采样时间，再按一下“复位”键，这时仪器已做好测量前的准备工作。 4 当被测电路加上“负阶跃信号”时，显示屏即显示出所需测量的输出瞬态响应波形。 5 重复测量时，先将负阶跃信号关断，按一下“复位”键，仪器即做好了下一次测量的准备。五 “交流输入”形式下的用法1 先接实验线路，将线路输入端接信号发生器输出，同时接“交流信号”的“输入1”。 线路输出端接“交流信号”的“输入2” 。2 按下“测试准备”键，仪器即进入“交流输入”状态。3 将输入信号的电压在频率为48Hz时，调“电压调节”使其值在35V之间，在实验过程中将不再调节，在实验过程中该值会随频率的变化而变化，只需按实际值记录即可。4 实验中数据全部在显示屏中显示。其中，有效值1：为输入电压值，有效值2：为输出电压值。注意：一阶系统的频率特性中其相位差为负值。第二部分：构造实验线路部分：一 技术性能 1