2013自动控制原理实验指导书

1、自动控制原理实验指导书机电系2012-2-25审核人:审核时间:实验一 控制系统典型环节与系统的模拟一、实验目的1、熟悉数字存储示波器及控制理论实验箱的使用方法。2、掌握用运算放大器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、实验仪器1、TKKL-1控制理论实验箱1台2、TDS1001B数字存储示波器1台3、万用表1只4、U盘1只(学生自备，4G以下)三、实验原理1、以运算放大器为核心，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，用数字存 储示波器测量各环节的阶跃响应曲线。2、数字存

2、储示波器的工作原理及使用方法请参考TDS1001B数字存储示波器用户手册。3、操作过程注意事项。A、接通TKKL-1实验箱的电源总开关。B、接通TKKL-1实验箱上的直流电源开关。C、接通TKKL-1实验箱上的阶跃信号发生器电源开关。D、电位器顺时针调节时，电阻值增大。E、示波器探头接地端要与实验箱的地端牢固连接。四、实验内容与步骤1、分别画出比例、积分、惯性、微分和振荡环节的电路原理图。2、按所设计的电路原理图接线，并在各电路的输入端输入阶跃信号，在电路的输出端观察并记录其单位阶跃响 应的输出波形。3、分别观察并记录下列典型环节的阶跃响应波形(部分环节的参数也可根据需要自行选择)。G1(S)

3、=1 和 G2(S)=2G1(S)=1/S 和 G2(S)=1/(0.51S)G1(S)=1/(S+1)和 G2(S)=1/(0.51S+1)G1(S)= 410(1+0.02S)/200G(S)=100/(S2+10S+100)4、写出实验心得与体会五、实验思考题1、用运算放大器模拟典型环节时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出来的？2、积分环节与惯性环节的主要差别是什么？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？3、如何根据阶跃响应的波形，确定积分环节和惯性环节的时间常数？(选做)六、报告的形式与要求：1、画出五种典型环节的实验电路图，并注明参数。

4、2、测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应，并注明时间坐标轴。3、分析实验结果，写出心得体会。实验二二阶系统的瞬态响应分析一、实验目的1、熟悉二阶模拟系统的组成。2、研究二阶系统在不同参数状态下的单位阶跃响应，并分别测量出系统的超调量卬、峰值时间tp和调整时间 tSo3、研究增益K对二阶系统阶跃响应的影响。二、实验仪器1、1、TKKL-1控制理论实验箱1台2、TDS1001B数字存储示波器1台3、万用表1只4、U盘1只(学生自备)三、实验原理图1为二阶系统的方框图，它的闭环传递函数为图1二阶系统的方框图C (S)K/ (T1T2)3n2R (S)=S2+S/T1+K/ (T1T2)=S2+2wn

5、s+3n2由上式求得3 n=V K/ (T1T2)g=V T2/ (4T1K)若令 T1=0.2S, T2=0.5S, 则3 n=V 10K, g=V0.625/K因此只要改变K值,就能同时改变3 n和&的值,由此可以得到过阻尼化1)、临界阻尼(&=1)和欠阻尼(&V1)三种情 况下的阶跃响应曲线。四、实验内容与步骤1、 按开环传递函数G (S) = K/ (0.5S(0.2S+1)的要求，设计相应的实验线路图。令r (t) =1V,在示波器上观 察不同K (K=10, 5, 2, 1, 0.625, 0.5, 0.312,其中K=10,5, 1,0.625必做，其他K值选做)下闭环二阶系统的

6、瞬 态响应曲线,并由图求得相应的。p、tp和ts的值。_2、调节K值，使该二阶系统的阻尼比&=1川厂,观察并记录阶跃响应波形。3、实验前按所设计的二阶系统，计算K=10,K=1,K=0.625三种情况下的&和3 n值。据此，求得相应的动态性能 指标。p、tp和ts,并与实验所得出的结果作比较。4、写出实验心得与体会五、实验思考题1、在电子模拟系统中如何实现负反馈及单位负反馈？六、报告的形式与要求：1、完成实验并画出二阶系统在不同K值下的瞬态响应曲线，并注明时间坐标轴。2、实验前先计算二阶系统中K=10,K=1,K=0.625和K=0.312三种情况下的&和3 n值。据此，求得相应的动态性 能指

7、标。p、tp和ts,并与实验所得出的结果作一比较。3、写出本实验的心得与体会。实验三PID控制器的动态特性一、实验目的1、熟悉PI、PD和PID三种控制器的结构形式。2、通过实验，深入了解PI、PD和PID三种控制器的阶跃响应特性和相关参数对它们性能的影响。二、实验仪器1、TKKL-1控制理论实验箱1台2、TDS1001B数字存储示波器1台3、万用表1只。4、U盘1只（学生自备）。三、实验原理PI、PD和PID三种控制器在工业控制系统中有广泛的应用（以下各实验内容的有关参数也可根据需要自己设 定）。（1） PD控制器电路如图2所示，其传递函数为：G（s）=-Kp（TdS+1），其中Kp=R2/

8、R1，TD=R1C1（,建议把R1设 为100K,R2设为200K,C设为0.1U或1U参照图2-1）图2 PD控制器原理图（2）PI控制器PI控制器电路如图3所示，其传递函数为：G（s）=-Kp（1+ 1/TiS），其中Kp=R2/R1，T广R2C。（建议把R1设为200K，R2设为200K），也可自由选取。图3 PI控制器原理图（3）PID控制器如图4所示，为PID控制器的电路图，其传递函数为：G（s）=-Kp（1+ 1/TIS+ TDS）,其中t1=R1C1, t2=R2C2,Ti=R1C2，Kp=（11+12）/TI，TI=t1+t2，TD=（1112）/（11+12）图4 PID控制

9、器原理图四、实验内容1、按其原理图连线，令Ur=1V，C=1uF，用示波器分别测试R1=100K和R2为200K时的PD控制器的输出波 形（PD控制器的有关参数也可根据实验条件自己选择合适的参数）。2、令Ur=1V，C=1uF，用示波器分别测试R2=100K和200K时的PI控制器的输出波形（PI控制器的有关参数 也可根据实验条件自己选择合适的参数）。3、令Ur=1V，设计PID控制器的有关参数，并用示波器测试PID控制器的输出波形。（参考值R1=100K， C1 = 1uF，R2=200k，C2=2Uf）， （PI控制器的有关参数也可根据实验条件自己选择合适的参数）。五、实验报告要求1、画出

10、PD、PI和PID三种控制器的实验线路图，并注明具体的参数值。2、根据三种控制器的传递函数，画出它们在单位阶跃信号作用下的理想输出波形。3、根据实验，画出三种控制器的单位阶跃响应曲线，并与理想输出波形作分析比较。4、分析有关参数对三种控制器性能的影响。六、思考题实验得到的PD和PID输出波形与它们的理想波形是否一致？产生不一致的原因是什么？七、报告的形式与要求：1、画出PD、PI、和PID三种控制器的实验线路图，并注明具体的参数值。2、根据三种控制器的传递函数，画出它们在单位阶跃信号作用下的理想输出波形图。3、根据实验，画出三种控制器的单位阶跃响应曲线，并与理想输出波形进行比较分析。4、分析参

11、数对三种控制器性能的影响。实验四频率特性的测试一、实验目的1、用信号发生器和示波器测量被测系统的频率特性二、实验仪器1、TKKL-1控制理论实验箱1台2、TDS1001B数字存储示波器1台3、万用表1只4、U盘1只(学生自备)三、实验原理对于稳定的定常系统或环节，当其输入端加入一正弦信号X(t)=XmSinW t，它的稳态输出是一与输入信号同频率 的正弦信号，但其幅值和相位将随着输入信号的频率3的变化而变化。即输出信号为Y(t)=Ym Sin(W t+中)=XmlG(j W )|Sin(31+ 中)，其中|G(j3 )|=祟,中(3 ) = argG(j3 )Xm所以，只要改变输入信号x(t)

12、的频率w ,就可测得输出信号与输入信号的幅值比lG(jw )1和它们的相位中(w )= argG(jw )。不断改变x(t)的频率，就可测得被测环节的幅频特性lG(jw )1和相频特性9 (W )。本实验通过使用示波器分别测量输入信号及输出信号的幅值及相位关系，实现对幅频特性及相频特性进行测量。四、实验内容及步骤1、本实验准备测量二阶系统的闭环频率特性(二阶系统可选K=200/51,T1=0.02,T2=0.051,也可根据需要自己选择)。2、画出要测量的二阶系统的方框图及模拟电路图。3、计算所设计的二阶系统的频率特性的理论值，确定要测量的关键点的频率及要测量的频率范围，设计好实 验记录表格。

13、4、完成实验并记录相关实验数据，验证数据的合理性。5、二阶系统的输入信号可采用实验箱上的正弦波信号发生器的输出信号，信号的幅值及频率可以通过电位器 进行调节，信号的频率可以采用实验箱上的频率计进行测量。五、实验报告1、由实验数据绘制所测量的系统的伯德图，据此，求出传递函数，并与理论求得的G (s)作比较，分析实验 测量的频率特性产生误差的原因。(选做内容)2、由实验数据制作出二阶系统的闭环频率特性曲线。由图求出系统的频带宽度、谐振频率和谐振峰值，并与理 论计算结果进行比较(频率单位由1/S折算到rad/S。)。六、思考题所设计的二阶系统为什么会谐振？你是如何用实验确定谐振频率和谐振峰值的？七、

14、报告的形式与要求：1、根据被测电路和系统的传递函数，设计相应的实验线路图。2、由实验数据绘制系统的相关图形(极坐标图、幅相图等)，并与理论比较，分析实验测得频率特性产生误差 的原因。3、由实验数据制作出二阶系统的闭环频率特性曲线。由此求出系统的频带宽度2小谐振频率Wr和谐振峰值 Mr，并与理论计算的结果进行比较。附录一：扫频电源的操作使用点频输出及频率显示：1、实验箱的右上角有一块是扫频模块电路，先按“复位”键后，按“换挡”键，功能指示灯中的红色“点频换 档”指示灯亮，选定点频步进区（共7区），此时显示“F *”，其中*为0-7中的某一个数。2、按“测频”键，扫频器输出便输出相关频率的信号，F

15、0区起点频率为15HZ，以后每按2次点频键，再按一 次“测频”键输出频率增加1HZ。F1区起点频率为510HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增 加10HZ。F2区起点频率为1488HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加50HZ。F3区起点频 率为2976HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加90HZ。F4区起点频率为5953HZ，以后每 按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加200HZ。F5区起点频率为14426HZ，以后每按2次点频键，再按 一次“测频”键输出频率增加390HZ。F6区起点频率为23814HZ，以后每按2次点频键，再

16、按一次“测频”键输出 频率增加800HZ。F7区起点频率为47629HZ，以后每按2次点频键，再按一次“测频”键输出频率增加1560HZ。3、频率的输出也可以使用正弦波信号发生器的电位器进行调节。附录二：示波器通讯软件的使用方法1、双击桌面上的OpenChoice Desktop，启动示波器通讯软件。2、点击“喜好设定”功能键，设定语言为“简体中文”3、点击“屏幕捕获”功能键。4、点击“选择仪器”功能键，以便选择与PC机通讯的设备。5、在“选择仪器”功能弹出菜单中，选择“USB0：.”6、点击“取得屏幕”功能键，获取示波器屏幕的内容。7、点击“修改注释”功能键，以便进行注释。8、点击“另存为”功能键，把所获得的画面保存为文件。附录二、实验设备介绍1、实验设备共有3种（TKKL-1控制理论实验箱、TDS1001B示波器、用于通讯的计算机）2、打开实验箱右下角的“电源总开关”接通实验箱的总电源。3、打开实验箱上的直流稳压电源开关，用于接通实验箱上的直流电源，为运算放大器提供正、负直流电源。实验箱 中，所有器件的工作电源已经由系统自己接好了，不需要自己接线。所以，不需从直流稳压电源处引出电源线。4、接通阶跃信号发生器的开关。所谓阶跃信号是指信号在某一时刻，信号从高变为低或从低变为高。本次实验，所 有阶跃信号都从这里取，