南理工机械院控制工程基础实验报告

1、实验 1 模拟控制系统在阶跃响应下的特性实验一、实验目的根据等效仿真原理，利用线性集成运算放大器及分立元件构成电子模拟器，以干电池作为输入信号，研究控制系统的阶跃时间响应。二、实验内容研究一阶与二阶系统结构参数的改变，对系统阶跃时间响应的影响。三、实验结果及理论分析1. 一阶系统阶跃响应a. 电容值 1uF，阶跃响应波形：b. 电容值 2.2uF，阶跃响应波形：c. 电容值 4.4uF，阶跃响应波形：2. 一阶系统阶跃响应数据表电容值稳态终值Uc（）（ V）时间常数 T(s)（ uF）理论值实际值理论值实际值1.02.872.900.510.502.22.872.901.021.074.42.

2、872.902.242.06元器件实测参数Ur= -2.87VRo=505k?R1=500k?R2=496k?其中TR2CU c ( )( R1 / R2 )U r误差原因分析：电阻值及电容值测量有误差；干电池电压测量有误差；在示波器上读数时产生误差；元器件引脚或者面包板老化，导致电阻变大；电池内阻的影响输入电阻大小。在 C=4.4uF的实验中，受硬件限制，读数误差较大。3. 二阶系统阶跃响应a. 阻尼比为 0.1，阶跃响应波形：b. 阻尼比为 0.5，阶跃响应波形：c. 阻尼比为 0.7，阶跃响应波形：d. 阻尼比为 1.0，阶跃响应波形：4. 二阶系统阶跃响应数据表Rw（ ? ） 峰值时间

3、Uo (t p)t p（s）（ V）0.1454k0.34.80.552.9k0.43.30.724.6k0.43.0调整时间稳态终值超调（ %） 震荡次数ts（ s）s（ V）M pNU2.82.9562.760.52.9511.910.32.922.711.02.97k1.02.981.02.9800四、回答问题1. 为什么要在二阶模拟系统中设置开关K1 和 K2，而且必须同时动作？答：K1 的作用是用来产生阶跃信号， 撤除输入信后， K2 则是构成了 C2 的放电回路。当 K1 一旦闭合（有阶跃信号输入），为使 C2 不被短路所以 K2 必须断开，否则系统传递函数不是理论计算的二阶系统。

4、 而 K1 断开后，此时要让 C2 尽快放电防止烧坏电路，所以K2 要立即闭合。2. 为什么要在二阶模拟系统中设置 F3 运算放大器？答：反相电压跟随器。 保证在不影响输入和输出阻抗的情况下将输出电压传递到输入端，作为负反馈。实验 2 模拟控制系统的校正实验一、实验目的了解校正在控制系统中的作用。二、实验内容设计一个串联校正装置来改善系统性能，使其满足指定的指标要求。三、实验结果及理论分析1. 系统校正前输出波形：2. 校正前二阶系统数据表峰值时间Uo(t p)调整时间 ts稳态终值超调（ %）震荡次数 Ntp （ s）（ V）（ s）Us（ V）M p测量数值0.64.43.62.950.7

5、4元器件参数R1=98.2k? ,R2=98.7k? ,R3=98.5k? ,R4=97.8k? ,R5=98.8k?R6=506k? ,R7=100k?,R8=234k? ,R9=98.8k?C1=1.08uF,C2=1.10uF,C3=1.2.87uF理论数值0.54.63.52.96043. 系统校正后输出波形：4. 校正后二阶系统数据表峰值时间Uo(t p)调整时间 ts稳态终值超调（ %）震荡次数 Ntp （ s）（ V）（ s）Us（ V）M p测量数值0.23.10.32.926.21系统校正后，达到稳态的时间大大缩短， 而且振荡过程中超调量也变得很小，总之，系统校正后稳定性大大

6、提高。四、回答问题1. 校正前系统的输出为何与输入反相？答：因为校正前输入信号经过了三个放大器，而且每次都是从放大器负引脚输入，所以每经过一次信号反相一次，三次之后输出信号正好与输入信号反相。或者说，系统的传递函数中还有一个“”。2. 校正后的系统电模拟线路原理图中 F5 的作用是什么？答：反相电压跟随器。 保证在不影响输入和输出阻抗的情况下将输出电压传递到输入端，作为负反馈。实验 3 模拟一阶系统频率特性测试实验一、实验目的学习频率特性的测试方法，根据所测量的数据，绘制一阶惯性环节的开环Bode 图，并求取系统的开环传递函数二、实验内容利用频域法的理论，有一阶系统的开环频率特性分析其闭环系统

7、的特性。三、实验结果及理论分析1. 频率特性数据记录表设计频率值20405060708090100110120150（ Hz）实测频率值20.2840.8849.9559.8170.9279.6290.09100.2110.6120.2150.4（ Hz）输峰-峰1.881.961.962.002.002.002.002.002.002.002.00入值 (V)周期49.3624.5020.1016.7614.1212.5611.0810.029.608.306.65T输峰-峰6.163.643.002.602.202.001.761.601.481.321.08出值 (V)相移7.204.8

8、04.003.503.002.702.402.202.101.901.50频幅频3.281.861.531.301.101.000.880.800.740.660.54率特相频-52.5-70.5-71.6-75.1-76.4-77.3-77.9-79.0-78.7-82.4-81.2性元件实测参数R1=9.91(K )R2=9.91(K )R3=9.91(K)R4=10.16(K )R6 =10.12(K)R7=9.86(K)R8=51.8(K)C1=1.04( F)理幅频1.851.551.311.121.000.890.800.730.670.54论3.15计相频算-51.8-68.7-

9、72.3-75.0-77.3-78.6-79.9-80.9-81.8-82.4-83.92. 幅频特性曲线：3. 相频特性曲线4. 结果分析根据实验数据分别绘制系统的幅频特性曲线和相频特性曲线。与理论曲线对比可以发现：幅频特性曲线与理论曲线比较接近，相频特性曲线与理论曲线有一定偏差。分析误差原因，有以下几种可能：在示波器屏幕上的读数精度低，读数的误差较大；阻容元件不是完全的理想模型，真实相频曲线和理论相频曲线有偏差。电路中有噪声干扰。实验 4 数字伺服系统、计算机控制系统的演示实验一、实验目的通过对计算机控制的电液伺服系统、数字伺服系统（小功率电机控制系统）的介绍，使学生了解控制理论的工程实际应用。二、实验内容通