202306车辆工程专业自动控制原理实验指导书

202406车辆工程专业自动控制原理实验指导书《自动掌握原理》课程试验指导书

主编田玉冬

适用专业：车辆工程

上海电机学院

2024年06月

名目

前言(2)

试验规章(3)

试验一典型环节的时域响应试验(4)

试验二典型系统瞬态响应和稳定性分析试验(6)

试验三掌握系统的频率特性分析试验(9)

前言

《自动掌握原理》是车辆工程专业的一门重要的专业基础课，也是国内各院校相应专业的主干课程。

当前，科学技术的进展趋势既高度综合又高度分化，这要求高等院校培育的高校生，既要有坚实的理论基础，又要有严格的工程技术训练，不断提高的试验讨论力量、分析计算力量、总结归纳力量和解决各种实际问题的力量。21世纪要求培育“制造型、开发型、应用型”人才，这就对我们试验教学提出了新的考验。自动掌握原理课程的理论性较强，因此在学习本课程时，开设必要的试验，对同学加深理解深化把握基本理论和分析方法，培育同学分析问题、解决问题的力量，以及使抽象的概念和理论形象化、详细化，对增加学习的爱好有极大的好处，做好本课程的试验，是学好本课程的重要教学帮助环节。

自动掌握原理试验系统是为《自动掌握原理》的教学试验特地研制的，是师生科研的有利工具。它具有直观、操作敏捷等便于培育同学试验技能的优点，为充分发挥同学独立思索力量和主观能动性。试验指导书明确要求试验前做好有关理论计算或分析，而试验步骤通常是原则性的。试验中可能遇到的主要问题则列在思索题内以引起同学的留意。

《自动掌握原理试验》是该课程的课内试验，总计6学时。本课程试验主要完成线性连续系统方面的试验共三个。试验主要以计算机为平台、以操作观看检测为主，在试验中应主要熟识自动掌握系统的时频分析，熟识各部件的安装位置，把握工作的原理及检测方法。在完成试验后，需写出具体的试验报告，包括试验方法、试验过程和结果、心得和体会等。

试验规章

试验前要做好充分预备，试验进行中才能有条不紊的进行操作、观看和测量拟订的各量，以达预期的效果。试验应集中思想、细心操作、留意平安，否则难以达到预期的效果，甚至损坏仪器设备或造成人身事故。

1．试验前必需仔细预习，作好充分的预备，以保证明验能有效而顺当的进行。预习要求搞清晰试验的目的、要求、设备性能、试验原理和试验步骤。

2．试验按预定的步骤进行，做好后经老师的检查允后方可启动或通电试验。

3．试验做完后，应自行检查数据等结果，并与理论相对比，分析试验结果，做好试验报告。

4．试验做完后，工具不要乱放，擦洁净后，整理好装入工具箱内。

5．试验时发生事故，切勿慌张失措，首先切断电源，保持现场，由老师检查处理。

6．要爱惜国家财产，正确使用试验设备，如有损坏要添表上报，并听候处理，特殊是操作不当或使用不当者，要部分或全部赔偿。

7．严禁动与本次试验无关的仪器、仪表等。

8．每次做完试验后，各组轮番打扫试验室，以保持清洁。

试验一典型环节的时域响应试验

一、目的与要求

把握典型环节模拟电路的构成方法，了解各环节的阶跃响应曲线和参数变化对典型环节的动态特性的影响。

二、试验设备

计算机、自动掌握原理试验系统、Matlab软件、万用表、示波器。

三、试验内容

1、比例（P）环节：其方块图如图1-1A所示。

其传递函数为：

比例环节的模拟电路如图1-1B所示。

分别记录Ri=1M，Rf=510K；Ri=1M，Rf=1M；Ri=510K，Rf=1M时的阶跃响应曲线。

2、积分（I）环节：

其方块图如图1-2A所示。

其传递函数为:

积分环节的模拟电路如图1-2B所示。

分别记录Ri=1M，Cf=1μF；Ri=1M，Cf=4.7μF；Ri=1M，Cf=10μF时的阶跃响应曲线。

3、比例积分（PI）环节。

其方块图如图所示。

详细见教材。

其传递函数为：见教材。

比例积分环节的模拟电路如图1-3B所示。

其中：K=R1/R0T=R0C

分别记录Ri=Rf=1M，Cf=4.7μF；Ri=Rf=1M，Cf=4.7μF；Ri=Rf=1M，Cf=10μF时的阶跃响应曲线。

五、复习思索题

1、绘制一阶系统的阶跃响应曲线，并分析其性能。

2、推导模拟电路的闭环传递函数Y（s）/X（s）？

3、确定R、C、Rf、Ri与自然振荡角频率和阻尼比之间的关系。若模拟试验中Y（t）的稳态值不等于阶跃输入函数X（t）的幅度，分析主要缘由可能是什么？

试验二典型系统瞬态响应和稳定性分析试验

一、目的与要求

通过测定典型系统阶跃响应曲线，分析系统的稳定性，性能指标。

二、试验设备

计算机、自动掌握原理试验系统、Matlab软件、万用表、示波器。

三、试验内容

1、典型二阶系统方框图为：

其闭环传递函数：

Wn----无阻尼振荡角频率；（Wn=1/T=1/RC）

ξ---阻尼比；(ξ=K/2=Rf/(2Ri))

模拟电路图为：

2、参数调整：

（1）调整Rf=40K,使K=0.4(即ξ=0.2)；取R=1M,C=0.47μ,使T=0.47秒（Wn=1/0.47），加入阶跃扰动X(t)=2(t)V,记录阶跃响应曲线，记作①；

（2）保持ξ=0.2不变，阶跃扰动不变，取R=1M,C=1.0μ，使T=1.0秒（Wn=1/1.0），记

录阶跃响应曲线，记作②；

（3）保持Wn=1/1.0不变、阶跃扰动不变，调整Rf=80K,使K=0.8(即ξ=0.4)，记录阶跃响应曲线，记作③；

（4）保持Wn=1/1.0不变、阶跃扰动不变，调整Rf=100K,使K=1.0(即ξ=1.0)，记录阶跃响应曲线，记作④；

3、系统稳定性分析的模拟电路如下图所示：

系统结构图为：

4、系统稳定性分析的试验参数调整：

（1）取C1=C2=C3=0.47uF，求该三阶系统的临界开环比例系数Kj1，方法如下：

1）电位器Rw置于最大（470K）。

2）加入Xr=0.5v的阶跃输入信号。

3）调整Rw使系统输出Xc呈等幅振荡。

4）保持Rw不变，断开反馈线，维持输入幅值不变（输入单阶跃信号），测取系统开环输出值Xck。则：Kj1=Xck/Xr

（2）系统的开环放大系数K对稳定性的影响：

1）适当调整Rw，观看K增大；K减小时的系统响应曲线。

2）记录当K=0.5Kj1时的系统响应曲线。

3）记录当K=1.25Kj1时的系统响应曲线。

（3）验证时间常数错开原理：

取T=0.47秒，T1=T/n；T2=T；T3=nT。

1）求取该系统在n=2时的临界开环放大系数Kj2，记录此时的系统响应曲线。

2）记录该系统在n=5；K=Kj2时的系统响应曲线。

3）记录该系统在n=1；K=Kj2时的系统响应曲线。

四、复习思索题

1、绘制典型二阶欠阻尼系统的阶跃响应曲线，并进行性能分析。

2、依据试验结果：总结开环比例系数K准时间常数T影响系统稳定的规律。

3、三阶系统的各时间常数怎样组合时，系统的稳定性最好？怎样组合时系统的稳定性最差？

试验三掌握系统的频率特性分析试验

一、目的与要求

学会掌握系统频率特性测试方法，和特性分析。

二、试验设备

计算机、自动掌握原理试验系统、Matlab软件、万用表、示波器

三、试验内容

1、典型二阶系统方框图为：

其闭环传递函数：

其中：Wn----无阻尼振荡角频率；（Wn=1/T=1/RC）

ξ---阻尼比；(ξ=K/2=Rf/(2Ri))

模拟电路图与试验二相同.

2、参数调整：

（1）选定R、Rf、C值，使Wn=1，ξ=0.2取R=1M,C=1μ，Rf=40K,；

（2）输入X（t）=Xsinwt，稳态时，其响应为Y（t）=Ysin（wt+Ψ）；

（3）转变输入信号的频率；使W分别等于0.2、0.4、0.6、0.8、0.9、1.2、1.4、1.6、2.0、

3.0（rad/s）稳态时，分别记录X（t）、Y（t），记录序号依次为①、②、③、④、⑤、⑥、

⑦、⑧、⑨、⑩、（11）；

3、整理试验数据，如下表所示：