自动控制理论实验指导书解析

自动掌握理论试验指导书自动掌握理论试验指导书自动掌握理论试验指导书名目试验一典型环节与典型系统的模拟………1试验二二阶系统阶跃响应特性……………6试验三自动掌握系统稳定性试验…………10试验四线性系统动态特性的争论…………12试验五自动掌握系统静态误差试验………13试验六掌握系统的品质及校正装置的应用〔设计性〕…15试验七掌握系统频率特性仿真争论………17试验八非线性系统运动特性的争论………18试验九非线性系统的计算机仿真…………20附录KJ82-3型自动掌握系统模拟机可做模拟运算电路举例… 21自动掌握理论试验指导书自动掌握理论试验指导书10试验一典型环节与典型系统的模拟一．试验目的观看典型环节阶跃响应曲线，定性了解参数变化对典型环节动特性的影响；观测不同阶数线性系统对阶跃输入信号的瞬态响应，了解参数变化对它的影响。二．试验设备和仪器KJ82-3型自动掌握系统模拟机一台TektronixTDS1002数字存储示波器一台万用表一块三．试验内容及步骤1.试验步骤：开启电源前先将全部运算放大器接成比例状态，拔去不用的导线。调整好方波信号。断开电源后按图接好线，由信号源引出方波信号接到各环节输入端。闭合电源，调整有关旋钮，观看阶跃响应波形，并利用表1.1-1.6记录之。2.试验内容：比例调整器

100K

50KA1

WUsc1.1比例调整器比例调整器W增大〔顺旋〕W减小〔逆旋〕阶跃输入响应波形输出积分调整器

100K

CUscA1转变C时保护输入信号不变

1.2积分调积分调节器0.010.1110输入输出响应惯性环节

50K100K A

RUsc1时间常数0.01时间常数0.01s0.1s1s10sT调整器〔=0.1CR=100K〕〔C=1 R=100K〕〔C=1 R=1M〕〔C=10 R=1M〕输入波形阶跃响应比例微分5K100K50K1Usc1.4PP-D调整器输入波形R050KR 100K0R 1M0输出波形RCRC100KUscAP-P-IR100KC0.33R330K1输入波形输出波形比例、积分、微分220100K50K5KUsc11.6调整器调整器PPIPDPID输入波形输出波形1.试验线路：C 11

C (0.1/1)2

50K

1MR100KA1100K

100K R2A22

3100KA3 Usc方框图：U +sr

1 TS1

K2TS12

UK sc3U(S)

K 3K2TS K2

1 KKsc G(S) 1 2 3 2U(S)

1 K TTS2TSKsr 1 3 12 1 3TS TS11 2 1TT

1T2S22TS1112 S21K K

S1TTT12KK3 2T

时间常数；12TK12TKTK3 2 21 1n T

为无阻尼自然频率〔角频率：弧度/秒。nf n 为阻尼自振频率〔Hz。n试验步骤：关上电源，按上图接线，经教师检查后，再合电源，由调零转入工作。在TT1 2

1

1F，C2

3

＝10四周转变增益系数，观察方波输入作用下之响应曲线，利用表1.7记录之。让C1

1F，C2

1F，T1

＝0.1秒，T2

＝1K3

＝10转变增益系数，观察方波输入作用下之响应曲线，利用表1.7记录之。第一组参数其次组参数C第一组参数其次组参数C＝1,C＝0.1,R＝R＝1M C＝1,C＝1,R＝R＝1M1 2 2 3 1 2 2 3输入波形＝0.1输出输出波形＝0.5＝1〔三〕三阶系统的模拟接线图：1X100K1X100K100K1MA100K1A2A4U100KscUsrUsr+1TS1TS1K2K4U2TS14scG(S)

U (S) 1scU (S) aS3bS2cS1srTTT

T(TT) T式中：a 12 4；b 1 2 4 ；c 1K K K4 4 1试验步骤：按图接线，先取C1.8记录。

＝0.1，缓缓转变的值，观看并记录阶跃响应曲线〔用X取C ＝1，重复上述试验过程。X三阶系统C三阶系统Cx＝0.1Cx＝1输入波形＝0.1输出阶跃＝0.5＝1四．思考题积分环节和惯性环节主要差异是什么？什么条件下惯性环节可视为积分环节？惯性环节在什么条件下可近似为比例环节？为什么典型二阶系统试验中参加比例环节？三阶系统是否要加？二阶系统在什么状况下不稳定，怎样构成振荡环节？五．试验报告要求写出试验各环节的构造图和传递函数，推出抱负阶跃响应曲线。分析试验中消灭的现象。试验二二阶系统阶跃响应特性一．试验目的学习二阶系统阶跃响应特性测试方法。了解系统参数对阶跃响应特性的影响。二．试验设备和仪器KJ82-3型自动掌握系统模拟机一台TektronixTDS1002数字存储示波器一台万用表一块三．试验线路

1A

2A

50K A

Usc1100K

2A4

350K 四．方框图U +sr

1 1TS TS

UK sc3 1 2K4+srU 1+srTS

K U3sc3TS KK1 2 3 4Usr(S)

KKTS(TS K

KTT 31 2 3 4

3 12S2KTS1T2S2

1

K 4 13K42T1TK32式中：TK42T1TK32式中：TTT12时间常数；Kn31 为无阻尼自然频率T12T例：假设TT T1 2

则T T0当C C0K3K3

1F T0

3

10 n当C C1 2

1F T0

13 10f1.6Hz。nK42TK42TT1K32

〔K 1，T2 K2 K3

T〕23当K 10时，1.58；而K 1时，则0.5233依据T及的值则依下述公式可求其它参量。1无阻尼自然角频率： n T1无阻尼自然频率： f阻尼自然频率： d

112n衰减系数： n

1212P超调量： M eP峰值时间： t P

100%d3调整时间： t S 阻尼振荡周期： tT五．试验步骤

2d将各运放接成比例状态〔反响电阻调到最大，认真调零〔或示波器直流电平档。调整好方波信号源，频率调到1H 以下。Z断开电源按图接线，经检查无误后再闭合电源，按以下步骤进展试验记录：令C＝C1 2

＝1，K4

＝1K ＝10，保持输入方波幅值不变，依表2.1所列3的变化值逐次转变，记录输出波形，并与理论值比较。f (Hz)(S1)Usc(v)Mttn(S1)d(S1)(%)P(ms)P(ms)S计算0输出波形输0.13 出波形计算输0.33 出波形计算输0.44 出波形计算输0.63 出波形令C＝C1 2

＝1，K4

＝1，K3

U (t)的瞬态响应曲线并与理论曲线比较。SCUscUsc(t)t (ms)六．试验分析及思考结合试验数据进一步从物理意义上分析转变系统参数对M ，tP S参数的影响。

等系统瞬态响为满足一般掌握系统瞬态响应特性的性能指标，各参量一般取值范围。通过试验总结出观测一个试验二阶系统阶跃响应的方法。七．试验报告要求依据理论计算，认真填写表2.1中各项数据。依据试验观测，认真绘制表2.1中输出波形，特别留意M ，t ，tP P S绘制试验步骤〔2〕所要求的二阶系统瞬态响应曲线。

的变化。试验三自动掌握系统稳定性试验一．试验目的观看线性系统稳定和不稳定的运动状态，验证理论上的稳定判别的正确性。K对稳定性的影响。了解系统时间常数对稳定性的影响。二．试验设备和仪器KJ82-3型自动掌握系统模拟机一台TektronixTDS1002数字存储示波器一台万用表一块三．试验内容1.试验线路132232132232R11R12AC1100KR21AC2AC312R3MR31100K3.1按下表分别接试验线路R13

C R1

C R C2 32 3方案一

1M 1 1M 10 100K 1方案二 同 上 同 上 100K 0.1方案三 同 上 同 上 1M 1在A输入端接适当宽度的方波信号，将〔即U U1 R

之值〕01逐步变化，观值。按上面的线路，依下表调整参数〔A

接成积分器〕参数组别参数组别第一组其次组R13C1R22CR32C1M1M2100K50K3重复2的试验过程并做记录。R(SR(S)KKC(S)TS111nTS1n3.23.2n＝4，5，6，7并与理论值比较。建议T0.01-0.5K0.5-10。临K K〔马上衰减电位器系数1〕临使系统消灭饱和的等幅自持振荡，然后缓缓减小的值，直到消灭很慢的衰减振荡时，登记此时的值，即可求得K 。临当n＝4K由小到大变化时，系统动态响应的变化。对于一个

KG(S)开 a

建议选T＝0.5秒，测出当a＝1，2，5时系统的K 和自振频率。临四．试验预备及要求〔一〕的试验线路，分别用代数稳定判据和频率分析法判据，判定其稳定性，试验结果验证。对试验内容〔二〕所给构造图，分别画出模拟试验图，选择好各组参数，拟定实验步骤，分别计算K 。临对试验内容〔三〕给的开环传递函数，选择设计各项参数，拟定试验步骤。设计各项试验内容中的记录表格。五．试验报告要求画出各项试验的模拟试验线路图。各项试验参数选择方案。按各选择方案进展预先理论计算，包括计算中有关公式及运算结果。试验中数据整理，试验现象记录。试验结果分析得出结论。试验中消灭问题，体会及建议。六．思考题三阶系统的各时间常数怎样组合时系统稳定性最好？何种组合时最差？三阶系统各时间常数，如何估量其自振频率？自动掌握理论试验指导书自动掌握理论试验指导书13试验四线性系统动态特性的争论一．试验目的用性。二．试验内容对于传递函数为K(T

G (S) 4开 S(TS1)(TS1)(T

1 2 3的系统，排出模拟运算图，选择适宜的K，使系统稳定储藏如下表所示，分别计算和描述表中各项内容。稳定稳定储备阶跃响应曲线超调计算量实测过渡过程时间计算实测30建议选T1

10s，T2

0.33s，T3

0.1s，T4

2sK值和自振频率，与理论值比较。三．预习要求复习有关内容，画出系统伯德图。排出模拟试验图，拟定试验步骤。四．试验报告要求画出试验的模拟试验线路图。各项试验参数选择方案。按各选择方案进展预先理论计算，包括计算中有关公式及运算结果。试验中数据整理，试验现象记录。试验结果分析得出结论。试验中消灭问题，体会及建议。试验五自动掌握系统静态误差试验一．试验目的分析O型、I型、II型系统在三种不同典型输入下的静态误差，验证理论上的结论。二．试验原理与线路试验线路R(S)100K A1100K

a 50K

50K0.1A4

50K0.3350KA5

C(S)100K

图5.1〔○型系统〕50K0.1 1R(S)100K A1

50KaAa4

50K

C(S)A5100K100K

图5.2〔Ⅰ型系统〕R(S)

100K100K

50KA1 a

A4

校 正50K A网 5络

C(S)图5.3〔Ⅱ型系统〕典型输入信号S1S2

0.4s

由信号源直接取得100KS20KS20KS1A22S3自动掌握理论试验指导书自动掌握理论试验指导书15S50KS50K2S3即用1 1 ； 1 1

TS1

(TS1)2 20K0.47

100K三．试验内容定性观看三种系统在三种不同典型输入时的误差，记录a点波形。值S1信号输入时的静态误差有何变化。四．预习要求复习有关掌握系统误差的理论，设计记录波形的表格。写出试验内容所给三种系统的构造图。估量在a点测量误差时的波形。五．试验报告要求按设计的表格画好试验中各种波形图。六．思考问题

1 近似1；用1 近似1？

TS1 S(TS1)2 S2试验六掌握系统的品质及校正装置的应用〔设计性〕一．试验目的〔或动态特性不良的系统〕设计校正装置，并验证设计的正确性。二．试验预习和预备对本试验所给电路，分别推出开环传递函数。正装置，制定试验打算〔包括试验步骤、记录表格等。三．试验设备和仪器KJ82-3型自动掌握系统模拟机一台TektronixTDS1002数字存储示波器一台万用表一块四．试验线路

1100KA

50K100K A

1M100KA

50K100K

1100KA3

2 100KA4

5α50K6.111M200KA25KA5A46.2五．试验步骤振荡。参加自己设计的校正装置，观看系统输出波形的变化，与理论计算比较。六．试验报告要求写明设计过程，画出试验电路图校正前后的伯德图。按设计的记录表格画出校正前后系统阶跃输入响应曲线，分析系统稳定性与品自动掌握理论试验指导书自动掌握理论试验指导书18试验七掌握系统频率特性仿真争论一．试验目的生疏MATLAB的一些根本操作。把握使用MATLAB绘制系统的频率特性图，如绘制伯德图、奈奎斯特曲线。利用频率特性图分析闭环系统的稳定性，并用响应曲线验证。二．试验内容

G(s)

2ns22nn

s2n绘制出取不同值时的伯德图。

G(s)

50(s5)(s2)冲激响应。三．试验步骤生疏MATLAB的一些根本操作。生疏MATLAB编程语言中与试验相关的函数的使用。翻开M文〔Mfile在命令窗〔Command Window中输入编写的m语句程序。翻开自动生成的图形窗口〔Figure 〕查看频率特性图及单位冲激响应。四．试验报告要求使用MATLAB语言编制仿真程序。在坐标纸上画出图形窗口〔Figure〕显示的频率特性图及单位冲激响应。分析仿真结果。试验八非线性系统运动特性的争论一．试验目的了解非线性环节对掌握系统的影响。观看非线性系统的自持振荡。学习和理解描述函数分析法。二．试验内容〔一〕死区特性对掌握系统的影响。100K100K100K100K51K1v51KE()100KA1100KA100K2A7100K1M如图，先不加非线性环节〔A7性变化。

8.1单元接成反相器〕逐步加大K值，观看系统动特加进非线性环节，使K值由小到大逐步变化，观看并记录系统动特性变化，与不加非线性环节时比较。某非线性系统usrNL

uG(j) scR 50K

R 52

R 330K6212 R1 A 21 1

C5R 0.33 R51 A 61

C 0.165A65R6R324250K R 50K32R 50K73

C4 100K C3

R 100K33R100K

50K3.3

R 3.3 R1110v

71 AAR7 AR72

43 41

A 313 50KR D1R1.5K 76174 K

1 100K10v

R 1 YDK77 2 TDS1002DKR 75

8.2自动掌握理论试验指导书自动掌握理论试验指导书22参数选择方案表方案方案第一组其次组第三组参数R21C2R51R61100K0.3333K100K50K1033K100K200K101M100K注：33K100K//50K性，假设不稳定，计算系统自持振荡的频率及振幅。荡的频率和振幅并记录各运放输出端的波形〔画出草图即可。对于稳定的方案，转变输入扰动信号的幅度〔例如1V，3V，5V，10V〕分别记录系统输出端M 及t。P S三．试验预习要求函数以及如何应用描述函数法分析系统。画好频率特性曲线，完成有关计算。拟定试验步骤及记录表格。四．试验报告要求按试验内容要求，整理试验中记录的数据及图形，并按自己设计的表格填写。比照理论计算与试验结果，分析比照结果。总结如何用描述函数法分析非线性系统。试验九非线性系统的计算机仿真一．试验目的了解非线性环节对掌握系统的影响。二．试验手段利用MATLAB语言进展仿真。三．试验内容系统框图rr+-NCs0.5s0.120s(s2)(s10)C9.1死区特性对掌握系统的影响。饱和特性对掌握系统的影响。继电器特性对掌握系统的影响。四．试验步骤SIMULINK.m”文件中。在屏幕上显示掌握系统的阶跃响应曲线和相轨迹曲线。五．试验报告要求画出仿真模型构造图。分析仿真结果。附录KJ82-3型自动掌握系统模拟机可做模拟运算电路举例R0

伯德图K

十倍频

传递函数C(S) KT20lg T

R(S)TS1R(S)R C1 -

C(S) 1

KRR0R+TRC+0R C(S) T

1S101R +R

R(S)KT2S11120lg 0