自动控制原理硬件仿真实验报告

1、实验课程名称：自动控制原理开课实验室：学科三号楼s306学院：信息与控制学院班级： 15 自动化姓名：学号：指导教师：日期： 2017.10.28教育资料实验一典型环节的电路模拟一、实验目的1 .熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟研究方法。2 .测量各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对其动态性能的影响。二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑（已和实验箱连接好）三、实验内容1 .设计并组建比例环节的模拟电路，测量比例环节的阶跃响应曲线，改变参数K观察曲线的变化规律。2 .设计并组建积分环节的模拟电路，测量积分环节的阶跃响应曲线，改变参数T观察曲线的变化

2、规律。3 .设计并组建惯性环节的模拟电路，测量惯性环节的阶跃响应曲线，改变参数K和T观察曲线的变化规律。4 .设计并组建比例积分环节的模拟电路，测量比例环节的阶跃响应曲线，改变K观察曲线的变化规律。四、实验过程及结果分析1.比例环节按照下图在实验箱上完成接线1,其中红色是响应曲线，黑色为输入曲线。我们改变它的参数K,将图中的R1变小，对其重新接线，根据 K的表达式, 此时K应该变大，实验结果如下图所示：ci123hS$789-13上图可见相对于黑色曲线，红色响应相较于之前明显抬高。 我们再改变它的参数K,将图中的R2调小，使R2R1即K1, K变小，对其 重新接线，实验结果如下图所示：卜321

3、1n2B45E79.24显然可见K变小，且位于输入曲线的下方。2.积分环节按照下图在实验箱上完成接线(1)然后在电脑上打开仿真软件，将输入信号调节为单位阶跃信号，幅值为 1, 点击开始得到如下图的结果：(2)要改变它的参数T就要改变电阻R的值，这里我们先增大R的值，R的值增(3)我们再减小R的值，R的值减小，T就减小，T减小斜率1/T就变小，实验结 果如下图所示：幅值为 1,显然，斜率变大了，上升变快。3.惯性环节按照下图在实验箱上完成接线(1)然后在电脑上打开仿真软件，将输入信号调节为单位阶跃信号 点击开始得到如下图的结果：这里有两个参数K和T,为了方便研究，我们采用控制变量法，即一次只改变

4、一 个参数进行研究：保持T不变，我们改变它的参数 K,将图中的R1变小，对其重新接线，根据 K的表达式，此时K应该变大，实验结果如下图所示：保持T不变，我们改变它的参数K,将图中的R1变大，对其重新接线，根据 K的表达式，此时K应该变小，实验结果如下图所示：可以看出，输出的幅值明显缩小。保持K不变，我们改变它的参数T,将图中的电容C变大，对其重新接线， 根据T的表达式，此时T应该变大，T变大，斜率1/T就会变小，实验结果如下 图所示：可以看出，起始斜率较（1）明显减小，但幅值不变。(5)保持K不变，我们改变它的参数T,将图中的电容C变小，对其重新接线， 根据T的表达式，此时T应该变小，T变小，

5、斜率1/T就会变大，实验结果如下 图所示：543产1b1?34557?3-2(1)然后在电脑上打开仿真软件，将输入信号调节为单位阶跃信号，幅值为 1, 点击开始得到如下图的结果：起始斜率明显变大，快接近于竖轴了，但幅值不变。4.比例积分环节按照下图在实验箱上完成接线E b C(jJG(j) =其中(3)保持T不变，我们改变它的参数 K,将图中的R2变小，对其重新接线，根据 K的表达式，此时K应该变小，实验结果如下图所示：(5)保持K不变，我们改变它的参数T,将图中的电容C变小，对其重新接线， 根据T的表达式，此时T应该变小，T变小，斜率1/T就会变大，实验结果如下五、实验收获通过此次实验，我对

6、各个典型信号的阶跃响应更加熟悉， 在图上更直观的看出了 各个参数对于曲线特性的影响，尤其是对斜率的影响，为研究更多系统的性能打 下基础。实验二二阶系统的瞬态响应一、实验目的1 .掌握二阶系统的电路模拟方法及其动态性能指标测试方法。2 .研究二阶系统的重要参数（对系统动态性能的影响。二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑（已和实验箱连接好）三、实验内容观测二阶系统的阻尼比分别在 0己1,己=1和七1三种情况下的单位阶跃响应 曲线；调节二阶系统的开环增益 K,使系统的阻尼比 己=0.707 ,测量此时系统的 超调量er、调节时间ts（ =0.05）。四、实验过程及结果分析1 .按照如

7、下的电路图在实验箱上接线c2 lk IpF15Q500k 100k100ktV) 图中滑动变阻器在实验箱上没有，所以我们用三个不同的电阻代替。2 .先选用一个R300Q的电阻接上，对应0 1的情况，运行如下图所示 51 5-0.E由图看出（300Q的电阻接上，对应（1的情况，运行如下图所示2.BZ1 51/1e3456739.05-11.5上图可以看出（1的情况系统没有超调4.选用一个R=30QQ的电阻接上，对应（=1的情况，运行如下图所示2.BZ1 5/17%1Z347多3.0.5- 11.5上图可以看出系统没有超调，且相比较于 （1的情况，响应速度较快。5.选用一个R300Q的电阻接上，并

8、且尽量接近于（=0.707的情况，运行如下图 所示：1 20.01OT0 9（=0.707是理论的最佳阻尼比，上图可以看出，它的优点就是调节时间较短，超调小，符合工业生产需要。五、实验收获此实验的接线较为复杂，容易接错，后来发现采用一条一条通路顺着接的方法比 较靠谱，并且对其分红黑色，这在以后的实验要格外注意，可以省去很多不必要 的麻烦。实验三 高阶系统的瞬态响应和稳定性分析一、实验目的1 .观察系统的不稳定现象。2 .研究系统参数变化对典型三阶系统的动态性能及稳定性的影响。二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑（已和实验箱连接好）三、实验内容观测三阶系统在开环增益 K为不同数值

9、时的阶跃响应曲线。四、实验过程及结果分析根据理论知识学习的劳斯判据我们可以算出使系统临界稳定的值为K=12;且K12时系统不稳定，下面我们实验来验证。1.按照如下图所示的电路图在实验箱上接线：2.因为图中K=500/Rx, Rx代表为变阻器，这里直接用不同的电阻代替，将输入 调节为单位阶跃信号，幅值为1。4.选if?Rx。使参数K尽量接近于K=12,实验结果如下图所示:K=12,所以这里的结果并非完全临界稳定五、实验收获通过这个实验，我感受到我们平时所研究的很多系统的稳定与否可以直接在实验箱上进行仿真，而避免繁琐的计算，但我们还是要知道典型的判断方法， 如劳斯判据，以便在必要时相互验证。实验四

10、 线性定常系统的稳态误差一、实验目的1 .了解不同典型输入信号对于同一个系统所产生的稳态误差。2 .了解一个典型输入信号对不同类型系统所产生的稳态误差。3 . 了解系统的型次对稳态误差的影响。二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑(已和实验箱连接好)三、实验内容观测0型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应；观测1型二阶系统的单位 阶跃响应和单位斜坡响应；观测II型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡 实测上述系统的稳态误差。四、实验过程及结果分析1. “0”型二阶系统按照如下电路在实验箱上接线:2其对应的开环传递函数为(0.2s 1)(0.1s 1),根据理论知识学习的稳态误差计算

11、方法，可以算出单位阶跃响应的稳态误差为 0.3 ,单位斜坡响应的稳态误差为 下面我们实验来验证：(1)将仿真软件中的输入信号调整为单位阶跃信号，运行得到响应如下图所示：型二阶系统的阶跃响应可以跟踪阶跃信号。(2)将仿真软件中的输入信号调整为单位斜坡信号，运行得到响应如下图所示:最终可见输入与输出误差越来越大，最终趋于无穷，与计算相符，说明“0”型二阶系统的斜坡响应无法跟踪斜坡信号2. “1”型二阶系统其对应的开环传递函数为 一10，根据理论知识学习的稳态误差计算方法，可s(0.1s 1)以算出单位阶跃响应的稳态误差为0,单位斜坡信号的稳态误差为0.1 ,下面我们实验来验证：(1)将仿真软件中的

12、输入信号调整为单位阶跃信号，运行得到响应如下图所示:3. “II ”型二阶系统按照如下电路在实验箱上接线:其对应的开环传递函数为10(0.47s+1),根据理论知识学习的稳态误差计算方法, s可以算出单位斜坡响应的稳态误差为 0,单位加速度信号的稳态误差为 0.1,下 面我们实验来验证：(2)将仿真软件中的输入信号调整为单位加速度信号，运行得到响应如下图所示:五、实验收获此实验巩固了我对于不同类别系统的不同响应能否跟踪输入信号的认识， 直观的 仿真出了跟踪情况，当然，这里对于系统参数没有进一步去细化，在实际工程中， 我们除了选择合适的系统进行跟踪，还需要考虑响应速度等问题。实验五控制系统的时域

13、分析一、实验目的进一步认识实验二中士为各种情况下的曲线区别二、实验设备模拟实验箱、有自动控制实验仿真软件的电脑（已和实验箱连接好）三、实验内容1 .仿真0己1情况下己为不同数值的阶跃响应曲线2 .仿真Z =1及己1情况下己为不同数值的阶跃响应曲线四、实验过程及结果分析按照下图所示的线路图在实验箱上接线:图中变阻器Rx我们直接在实验箱上用不同电阻代替，理论上Rx值越大，己的值越大，我们据此来做实验：1.0己1情况：有超调，显然是0己1的情况；(2)我们再将电阻调小，减小 Rx,使七减小，仿真图如下所示:2.BZ15r012345783-0.5-1-1.5可以看出，与之前相比，超调增加，调节时间增加； 我们再在(1)的基础下，把电阻调大，使阻尼比接近 1,仿真图如下所示:2.BZ1 57-i1Z3456733.05-11.5可以看出，与(1)相比，超调减小，调节时间减小； 综上，0己1情况下，己大小与超调量大小及调节时间均成负相关关系2 =1及己1情况(1)再调大Rx,使七变大，仿真后如下图所示：2.BZ1 5 /k i/u12345739. 0.5-11.5系统没有超调，显然10(2)