自控原理实验指导书G

1、绪 论实验特点 实验课的目的在于培养学生掌握基本的实验方法和操作技能，特别着重于对学生能力的培养，包括自学能力、动手能力、数据分析处理能力、运用理论解决实际问题的能力、初步科研实验能力、文字表达能力等。实验中学生可灵活运用所学的理论知识，学会分析和解决实验中出现的问题。培养实践动手能力，同时验证理论。加强理论与实验的统一，实践理论再实践可使认识不断提高，深化，并进一步有新发现，有新创新。实验进行方式 为了提高效率，讲求实效，取得预期的收获，实验建议按以下方式进行。一、实验预习：预习是实验前重要准备工作，是保证实验顺利进行的必要步骤，也是培养学生独立工作能力，提高实验质量与效率的重要环节。要求做

2、到： 1.实验前应复习有关课程的章节，熟悉有关理论知识。 2.认真阅读实验指导及有关实验装置介绍，了解实验目的、内容、要求和实验原理。明确实验过程中应注意的问题。有些内容可到实验室对照实物预习 （如熟悉所有仪器设备，抄录仪器设备型号等)。 3.画出实验线路图，明确接线方式，拟出实验步骤，列出实验时需记录的各项数据表格。算出事先需要计算的数据。 4.实验预习需实验前每人写一份预习报告，预测实验结果及大致趋势，做到心中有数。二、实验进行整个实验过程中必须严肃认真，集中精力及时做好实验。 1.预习检查，严格把关：实验开始前由指导教师检查预习质量 (包括对本次实验的理解，认识及预习报告)，当确认已做好

3、了实验前的准备工作方可开始实验，对于因没有预习 而对本次实验的目的、内容、方法、要求了解很差的同学，拒绝其实验。 2.按图接线，力求简明：根据拟定的的实验线路及选用的仪表设备，按图接线，力求简单明了。 3.确保安全，检查无误：为确保安全，线路接好后请指导教师检查确认无误后方可通电。 4.按照计划，操作测试：按实验步骤，由简到繁，逐步进行操作测试，实验中要严格遵守操作规程和注意事项。仔细观察实验中的现象，认真做好数据测试工作，并结合理论分 析与预测趋势相比较，判断数据的合理性。做到实验内容完整，数据正确。 5.认真负责，完成实验：实验完毕，应将记录数据交指导教师审阅，经指导教师认可签字后才允许拆

4、线，整理现场，并做到物归原处。三、实验报告实验报告是实验工作的总结，提高和最后成果，也是对学生分析能力和工作能力的进一步培养锻炼，因此必须独立书写，每人一份，应对实验数据及实验中观察和发现的问题，进一步整理讨论、分析研究，得出结论，写出心得体会，以便积累一定的实际经验。编写实验报告应具严肃认真的科学态度，报告要求条理清楚，简明扼要，字迹端正，图表整洁，分析认真，结论明确。实验报告内容主要包括以下几方面： 1.实验名称、专业班级、组别、姓名、同组同学姓名、实验日期。 2.列出实验仪器的型号。 3.实验目的和要求。 4.绘出实验时所用的线路图。 5.写出实验项目，调试步骤，总结调试方法。 6.整理

5、实验数据，在记录的表格上应注明试验条件。 7.画出实验所得的曲线波形，对这些数据和图形加以分析总结，得出明确结论。 8.分析讨论实验中遇到的问题。写出心得体会以及合理化建议和改进措施。 实验一 典型环节的模拟研究 实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：选修一、实验目的：、学习典型环节的模拟电路的构成方法及参数测试方法。、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。、学习超低频示波器和超低频信号发生器的使用方法。二、实验仪器：、电子模拟装置台自制、超低频双踪示波器台型号DF4313D、函数信号发生器 台型号JY8112D三、实验原理和电路：本实验是利用运算放大器的基

6、本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等），设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。典型环节方块图及其模拟电路如下：、 比例（）环节 微分方程c(t)kr(t) 传递函数 模拟电路如图1-1所示: R151K R0270K R251K、510K 由于输入信号r(t)是从运算放大器的反相端输入，所以输出信号在相位上正好相反，传递函数中出现负号。有时为了观测方便，也可以在输出端串一个反相器如图1-2所示。 图1-2从输入端加入阶跃信号，观测不同的比例系数时的输出波形，并作记录。 (绘制曲线时，应将输入、输出信号绘制于同一坐标系中，以下记录波形时都这样处理)。、积分(I)环节 微分方程 传递函数

7、模拟电路如图1-3所示: 其中:T=R1C 改变电阻R1或电容C的大小, 可以得到不同的积分时间常数T。输入阶跃信号，观测T=0.5秒、5秒时的输出波形, 并作记录。、惯性(T)环节(一阶系统) 微分方程 传递函数 模拟电路如图1-4所示: 其中: T=R2 C 从输入端加入阶跃信号(或方波信号)。保持k=1不变, 分别观测T=0.5秒、5秒时的输出波形, 并作记录。保持T=R2C=0.5秒不变, 分别观测K=1, 10时的输出波形, 并作记录。波形记录应比较准确，特别是时间刻度的测定。、比例积分(PI)环节传递函数 模拟电路如图1-5所示:其中: T=R1 C 、比例微分(PD)环节 传递函

8、数 模拟电路如图1-6所示: 其中: 四、实验步骤、检查电源是否接好。、 按模拟线路图接线, 仔细检查, 确认接线无误后方能接通电源开始进行测试。附实验记录表格(供参考)环 节P （R2=510K）I （R1=510K）R1=R1=C=C=阶跃响应波形理想实测环 节T （R2=510K）PIPDC=1ufR1=R2= R1=R1=R1=C=C=阶跃响应波形理想实测 注:模拟装置、超低频信号发生器及示波器的使用方法请参考附录1-1,1-2,1-3。五、实验报告：写出实验报告一份，至少包括下述各项内容。、应有本实验的原理方块图，实际接线图及相应的文字说明。、将实验所得数据、曲线整理成便于阅读、对比

9、的一览表。、写出实验后的收获、心得体会和对实验的意见建议。实验二： 二阶系统阶跃响应分析实验学时：2 实验类型：设计 实验要求：必修 一、实验目的：1、学会用电子模拟装置(以集成运算放大器为主体)构成一个闭环模拟二阶系统的方法。2、掌握测试二阶系统时域性能指标的方法。3、通过实验进一步加深对二阶系统特性的认识和理解以及系统参数对系统特性的影响。4、掌握各种仪器的使用。二、实验仪器： 1、电子模拟装置 1台 自制 2、超低频双踪示波器 1台 型号 DF4313D 3、超低频信号发生器 1台 型号 JY8112D4、万用表 1只 型号 DT-8 3 0三、实验原理： 二阶系统的原理方框图如图2-1

10、所示 图2-1 二阶系统原理方块图 (0<<1)一个二阶系统外加一个阶跃输入时，即有一个输出响应，它表征了该系统的控制特性。当系统的参数变化时，其控制特性也随之变化。决定一个二阶系统特性的主要参数有二个，一个是阻尼比，另一个是无阻尼自振频率n 。当这两个参数变化时,二阶系统阶跃响应的诸特征量(如最大超调量p，调节时间ts等)都将随之变化。当系统的其它参数固定不变时，可以通过改变系统的放大倍数来选取所需的和n值。（建议惯性时间T=0.5S）系统的闭环传递函数为： 其中和n的表达式分别为： 对应于不同的阻尼比时的二阶系统单位阶跃响应曲线（理论曲线）如图2-2所示: 图2-2 二阶系统的

11、单位阶跃响应曲线四、实验要求：本实验所用的闭环模拟二阶系统实验电路是在电子模拟装置上用运算放大器分别组成一个积分环节，一个惯性环节，然后串联构成闭合回路而成，其原理结构如图2-1所示，注意，实际的实验电路不是原理方块图的简单组合。二阶系统的实验电路图由学生实验前设计。构成系统诸环节的放大倍数Ki（ i=1、2、）中至少有一个应是可调的，以便在实验时选取不同的阻尼比值。五、实验内容与方法：、 用超低频双踪示波器同时观察并大致描绘二阶系统的阶跃响应曲线与理论曲线作比较；、 在超低频双踪示波器上分别记下对应于不同值时表征系统阶跃响应的主要性能指标，过渡过程时间ts，最大超调量p以及振荡次数N等，并与

12、理论计算比较；、 选择一个值（最好是欠阻尼状态），在教师指导下，用智能信号测试仪记录其阶跃输入与响应曲线，并对响应曲线作分析。上述实验中所须不同的值原则上均可通过改变系统的放大倍数K值来实现，ts值可通过示波器读出。六、实验预习要求：、 进一步加深了解电子模拟装置的使用方法，附录 1-1中绘出了电子模拟放大装置的面板图，该装置有八个运算放大器，模拟运算单元。、 根据实验要求，设计好电子模拟装置组成的闭环模拟二阶系统实验电路图，并绘出它与示波器的连接图。、 根据实验内容，应先复习课堂教学有关内容，深入地了解二阶系统的特性及各参数对特性的影响，预先正确地确定实验所需的值、n，并计算出相应的放大倍数

13、K值，以及考虑实验时如何实现这个值，注意确定K值所用元件参数要以所提供的实验器材为依据，不能随意选择。、 拟出实验步骤。、 熟悉示波器等测试仪器的使用方法，参考附录1-2、3。上述2、3、4项在实验前未完成者或在规定时间内未修改正确者均取消其实验资格，并按实验不及格计。七、参考书：、自动控制原理李友善编，国防工业出版社，2000.10、模拟电子技术基础童诗白等主编，高等教育出版社，2002.5八、注意事项：、 电源不得接错，电子模拟装置上运算放大器以及构成系统后的输出均不得短路，以免烧坏运算放大器。、 实验时输入信号不要过大，以免引起运放饱和。九、实验报告要求：写出实验报告一份，可根据实验的结

14、果收获与体会等自行编制，但至少应包括下述各项内容。、应有本实验的原理方框图，实际接线图及相应的文字说明。、将实验所得数据、曲线整理成便于阅读、对比的一览表。、 将系统参数变化所得不同阶跃响应特征量的理论计算值与实验测得值列于一个表中。、 完成实验所必须的元件参数计算结果以及实验方法。 实验三 线性控制系统稳态误差分析实验学时：2 实验类型：设计实验要求：必修一、实验目的：、 了解系统在各种不同点控制信号作用下的稳态误差；、 观察作用于不点的扰动信号对系统形成的稳态误差。二、实验仪器： 、电子模拟装置 台自制 、超低频双踪示波器 台型号DF4313D、超低频信号发生器 台型号JY8112D4、万

15、用表 1只 型号 DT-8 3 0三、实验原理： 对于稳定的控制系统来说，稳态性能的优劣一般是根据反应某些典型输入信号的稳态误差来评价的，所以需要对系统的稳态误差进行讨论。设系统结构图如图3-1所示: 图3-1 系统结构图一般定义 或 为误差信号若H(s)=1时, 则e(t)=L -1R(S)-C(S),就可以比较方便地通过观察输入信号与输出信号之差来分析系统的稳态误差ess, 为此,本实验的控制系统采用单位反馈系统, 其方块图如图3-2所示。此时，E(S)=(S), 它是一个二阶系统。 图3-2 二阶系统方块图系统的误差： E(s)=R(s)-C(s)=e(s)=利用终值定理, 得系统稳态误

16、差稳态值的计算公式为: 本实验使用的信号分别为阶跃信号、速度信号、加速度信号。、阶跃信号r(t)=I(t) 即 所以系统稳态误差的稳态值 可见型系统对阶跃信号是无差的。、速度信号r(t)=t 即 所以系统稳态误差的稳态值 可见型系统对速度信号的稳态误差的稳态值是一恒值, 与系统开环放大倍数K成反比, 与信号的斜率(现在tg=t)成正比。、加速度信号 即 所以系统稳态误差的稳态值 可见型系统对加速度信号的稳态误差的稳态值是无穷大, 也即型系统不能跟踪加速度信号。当控制信号为零，系统中加有扰动(设为一阶跃信号, 其幅值=Rn), 这时输出有二种情况：、 扰动加在积分环节之前，如图3-3所示。 图3

17、-3 扰动作用在积分环节之前的系统方块图E（s）= 单位反馈H（s）=1 =这时由终值定理得： 可见当输入为零条件时输出仍有一个恒定输出,稳态误差为常值。、 扰动加在积分环节之后，惯性环节之前，如图3-4所示。 图3-4 扰动作用在积分环节之后的系统方块图 H(s)=1 E(s)= (s)F(s)=这时由终值定理得: 可见当输入为零条件时尽管在积分环节后加一干扰, 系统最终稳定在原输出上，稳态误差为零。四、实验要求：本实验所用的闭环模拟二阶系统实验电路是在模拟装置上用运算放大器分别组成一个积分环节，一个惯性环节，然后串联构成闭合回路，其原理结构如图3-2所示，、学生自己设计二阶系统的实验线路图

18、；、将阶跃信号、速度信号、加速度信号作为控制信号依次加在二阶系统的输入端，分别获得二阶系统在不同输入情况下的稳态误差曲线和稳态值。、 把阶跃信号作为扰动信号加在二阶系统的不同位置，即积分环节之前和之后，观察系统输出情况（响应曲线和稳态误差曲线）。五、实验内容和方法：、用超低频双踪示波器同时观察并绘出二阶系统各种输入信号及其响应曲线，系统稳态误差曲线和稳态值的大小。 、用超低频双踪示波器同时观察并绘出扰动信号作用于不同位置时的响应曲线和稳态误差曲线。六、预习要求：、复习实验一，根据实验要求设计好用电子模拟装置组成闭环模拟二阶系统，绘出信号源与二阶系统及测试仪器的连接图。、复习课堂教学有关内容，弄

19、清稳态误差的概念，控制作用，扰动作用之间的关系，详细阅读本实验指导书，在熟悉实验原理和内容的基础上，拟出各项实验出现的理论情况，以便与实验现象作比较。、写一份预习报告，包括拟出详细的实验步骤。、熟悉使用示波器及信号发生器的方法。上述几项在实验前未完成者，或在规定时间内未修改正确者取消实验资格，实验成绩按不及格计。七、实验报告要求： 写出本实验报告一份，应包括下述各项内容：、 本实验的原理方块图，实际接线图及相应的文字说明、 将实验所得曲线、数据整理成便于阅读对比的一览表。、绘出阶跃信号、速度信号、加速度信号作为控制信号作用系统时的稳态误差曲线及其稳态值，并与理论作比较，说明稳态误差与系统类型、

20、输入信号类型的关系。、绘出扰动信号(阶跃信号)作用于不同点时系统稳态误差的变化曲线.、写出实验后的收获、心得体会和对实验的意见和建议。实验四 频率特性测试实验学时：2 实验类型：验证 实验要求：必修一、实验目的：、熟悉使用示波器及信号发生器测量一个系统(或一个电路元件)频率特性的方法。、熟悉使用超低频信号发生器测量频率特性的方法。二、实验仪器： 、电子模拟装置台自制 、超低频双踪示波器台型号DF4313D、函数信号发生器 台型号JY8112D三、实验原理： 测定自动控制系统或元件的频率特性一般用两类方法，一是采用专用设备，如超低频频率特性测试仪；另一种方法是用李萨氏图形法，这种方法测量精度较低

21、，但不用专门设备，比较容易实现，只用一台超低频信号发生器和一台示波器即可。本实验准备采用李萨氏图形法。李萨氏图形法测试方法如下：对系统(或元件)加一个正弦输入Usr, 其输出为Usc。(系统或元件) Usr Usc设系统的输入量为:Usr=A1()sint , 实验时A1可以是常数。其输出量为： Usc=A2()sint+()则频率特性为: 其中: 为幅频特性 ()为相频特性测量法：、幅频特性用比较法如图4-1所示, 将Usr、Usc分别送入示波器的Y1、Y2通道, 这时使X轴停止扫描，示波器光点只作上下移动，分别读出其最大值，各为Ym(A1)、Ym(A2)。一般为了读取方便, 读出其峰一峰值

22、各为2Ym(A1)、2Ym(A2),则幅频特性为: 变化一次输入信号频率, 读出对应的A, 这样连续变化,即得到一组A()。信号 源被测对象Y1Y2示波器 Usr Usc 图4-1 幅频特性测量、相频特性 信号 源被测对象Y1X(Y2)示波器 Usr Usc 图4-2 相频特性测量 使示波器的X轴扫描停止, 把输入信号Usr送入X轴, 输出信号Usc送Y轴: 光点沿X轴移动分量为X(t)=Xmsimt、光点沿Y轴移动分量为Y(t)=Ymsim(t+)X(t)与Y(t)的波形分别如图4-3所示： 图4-3 X(t)与Y(t)的波形图两波形的角频率相等, 幅值之比为Ym/Xm,而相角差为, 相应在

23、示波器上可得到一个椭圆形，称为李萨氏图形如图4-4所示 。 图4-4 李萨氏图当t=0时 X(0)=Xmsin0=0 Y(0)=Ymsin(0+)=Ymsin 变化输入信号的频率, 即可得一组()当角大小不同时,椭圆的长短轴的位置也不同,同时角的超前或滞后与光点的旋转方向有关。以上两者均与示波器的触发脉冲有关。具体规律可以如表4-1所示(以滞后相位为例)表4-1滞后相位009009009001800180018002700图 形计算公式IIIIIIIVV : : =900 : : =1800 : 四、实验内容被测对象： 本实验所测的是微分积分环节（RC网络），线路如下: 图4-5 RC网络其传

24、递函数为 其中: 1R1C1 ；2R2C2 ；12R1C2 R140K C110 R210K C220 10.4秒 20.2秒 120.8秒 参数间有如下关系 T1·T21·2 T1 + T21 +2 +12 由上式可解出 根据上面所求出的G(S)可得出网络频率，近似如图4-6所示： 图4-6五、实验步骤：、按图4-1、4-5接线，变化输入信号频率，测得输入输出振幅的相对值Xm(A1)、Ym(A2)填入表4-2。、按图4-2、4-5接线，变化输入信号频率，依次观察各频率下的李萨氏图形，记录对应的Ym、Y0及图形填入表4-2，特别注意光点的旋转方向及李萨氏图形的形状，从而正确

25、判断出是超前还是迟后的相位差。注意：由于测量信号频率太低，示波器必须用直流(DC)输入。六、预习要求：、弄清用李萨氏图形法测试频率特性的原理方法。、根据理论计算，作出被测对象的对数频率特性。、考虑实验时，应取哪些频率为宜？应如何取输入信号频率？其每个相隔的信号频率的间隔如何为好？如何在实验时取一些特殊频率的点？如=0，及最大正相移，最大负相移，各交接频率时的。、为什么测量被测对象的相频特性时,用2Y0和2Ym根据sin-1(2Y0/2Ym)算出相角?七、实验报告要求：、整理表格中的各项实验数据，按照实验数据作出被测对象的对数幅频特性和相频特性图。、对李萨氏图形测量的结果与理论计算结果进行分析，

26、试分析误差原因。表4-2：频率f (Hz)（rad/s）输入振幅2Xm（A1）输出振幅2Ym（A2） 2Ym 2Y0图 形（包括旋转方向） （degree）实验五 三阶系统的串联校正实验学时：2实验类型：验证实验要求：选做一、实验目的：、通过对模拟控制系统的调整，了解控制系统中校正的作用。、 了解系统开环放大倍数对系统稳定性的影响。二、实验仪器： 、电子模拟装置台自制 、超低频双踪示波器台型号DF4313D、超低频信号发生器 台型号JY8112D4、万用表 1只 型号 DT-8 3 0三、实验内容： 设一单位负反馈系统的结构图如图5-1所示。 图 5-1 单位负反馈系统其Gc(s)为串联校正环

27、节。当采用下列三种校正方案时，分别测试系统的时域性能指标，并加以比较。、 超前校正方案： 其中: R1=200K, R2=R3=100K, R4=10K, C=10F 图 5-2超前校正、迟后校正方案： 其中：R1=3270K, R2=270K, R3=3000K, C=10F. 图 5-3 迟后校正 、迟后超前校正方案其中：R1=1450K, R2=240K, R3=1200K, R4=200, R5=10K, R6=1K, C1=10F,C2=100F. 图 5-4迟后超前校正四、实验步骤：在电子模拟装置上模拟出图5-1所示的三阶系统(接线图自己设计)。开环放大倍数K的可调范围应为0<

28、;K<40。、未校正系统时域性能指标的测试:(Gc(S)=1) 目的：(1)确定校正实验时系统开环增益值； (2)使校正是否有效，以及校正效果如何有个比较的基础。 测试：(1)调节K,使p25，记录K,ts值。 (2)增大K,直至系统出现临界振荡,记录响应曲线及K临。、系统分别接入各不同校正环节后时域性能指标的测试。 (1)保持K临不变,记录此时的p，ts及响应曲线。 (2)调节K,使p25，并记录K,ts。五、实验报告：、原系统及各校正环节的模拟线路图，各测试数据及响应曲线。、对实验结果加以讨论。在开环放大倍数K等于原系统的K临情况下,采取哪种校正方案使得系统的动态性能指标最好? 附录1 实验装置面板图 附录2 DF4313D 15