自控实验指导书

实验一典型环节的模拟实验

1、实验目的

通过模拟实验电路，结合理论知识感性认识各基本环节在典型信号下的响应。通过实验初步了解实验装置的性能和结构，学会布线、设计和组合单元，学会软件的操作。

2、实验设备基本知识

①准备：使运放处于工作状态．

将信号源单元（U1 SG）的ＳＴ端（插针）与+5Ｖ端（插针）用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管（３ＤＪ６）夹断，这时运放处于工作状态．

②阶跃信号的产生：

电路可采用图1一1所示电路．它由“单脉冲单元”（U0 sp）及“电位器单元（Ｕ14Ｐ）组成．

图1—1

具体线路形成：在Ｕ13ＳＰ单元中，将Ｈ1与十5Ｖ插针用“短路决”短接，Ｈ2插针用排线接至U14 Ｐ单元的X插针; 在U14 Ｐ单元中，将Ｚ插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插

座的Ｙ端输出信号．

以后实验若再用到阶跃信号时，方法同上．不再赘述。

3、典型环节的模拟电路图

图1-2 比例环节（P）

图1-3 积分环节(I)

图1-4 比例积分环节(PI)

图1-5 比例微分环节(PD)

图1-6 惯性环节(T)

图1-7 比例积分微分环节（PID）

4、各环节参数参考值表

5、实验内容和步骤：

（１）观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶成响应曲线。

①按第3部分中的各典型环节的模拟电路图将线接好。

②将模拟电路输入端（Ｕ1）与阶跃信号的输出端Ｙ相联接，模拟电路的输出端（U0）接至虚拟

示波器信号输入通道（共有两个，可任选）。

③按下按钮（或松平按钮）H 时，用示波器观测输出端的实际响应曲线U0(t)，且将结果记下。

改变参数，重新观测结果。

（２）观测ＰＩＤ环节的响应

①此时Ｕ1采用U1 SG的周期性方波信号（Ｕ1单元的ＳＴ的插针改为与Ｓ插针用“短路块”短接，

Ｓ11波段开关置于“阶跃信号”档，“ＯＵＴ”端的输出电压即为阶跃信号电压，信号周期由波段开关S12和电位器Ｗ11调节，信号幅值由电位器Ｗ12调节．以信号幅值小信号周期较长比较适宜）。

②参照第3部分中的ＰＩＤ模拟电路图，将ＰＩＤ环节搭接好。

③将①中产生的周期性方波信号加到PID 环节的输人端（Ｕ1），用示波器观测ＰＩＤ输出端（Ｕ。），

改变电路参数，重新观察并记录。

（3）根据实际搭建的模拟电路图的参数，求解各典型环节的传递函数，在Simulink中进行仿真，给出理论的响应曲线，并与实际响应曲线进行对比分析。

实验报告（一）

——典型环节的模拟实验

班级姓名学号

一、写出各典型环节在阶跃信号作用下的输出响应表达式（用参数表示）

1、比例环节：

2、积分环节：

3、惯性环节：

4、比例积分环节：

5、比例微分环节：

6、比例积分微分环节：

二、画出各典型环节实际响应曲线图

1、比例环节：

2、积分环节：

3、惯性环节：

4、比例积分环节：

5、比例微分环节：

6、比例积分微分环节：

实验二典型系统瞬态响应和稳定性分析

1、实验目的

通过搭建模拟电路，观测和分析在典型输入信号下二阶和三阶系统的响应，并分析各参数变化时对系统稳定性和输出响应的影响。

2、系统参数及框图

（1）典型二阶系统

①典型二阶系统的方块图及传递函数

图２—ｌ是典型二阶系统原理方块图，其中Ｔ0=1Ｓ，Ｔ1=0.1S。

S

T

1

1

1

1

+

S

T

K

图2—1

开环传递函数：

)1

(

)

(

1

+

=

S

T

S

T

K

S

G，其中K1 =K/T0，K1 为开环增益。

闭环传递函数：

2

2

2

2

)

(

n

n

n

S

S

S

W

ω

ζω

ω

+

+

=其中0

1

1/T

T

K

n

=

ω

1

1

0/T

K

T

n

=

ζ

②模拟电路图：见下图２—２

图2-2

R(s) E(S)

+

_

C(S)

（2）典型三阶系统

① 典型三阶系统的方块图：见图2—3

图 2—3

开环传递函数为： )

1)(1()()(21++=S T S T S K

S H S G 其中K=K 1K 2/T 0(开环增益)

② 模拟电路图：见图2—4

图 2—4

３、实验内容及步骤

采用阶跃信号为信号源（参见实验一的描述）。

（１） 典型二阶系统瞬态性能指标的测试

①按图２—２接线．Ｒ=１０Ｋ。

②用示波器观察系统阶跃响应C （ｔ），测量并记录超调量Mp ，峰值时间tp ，和调节时间ts ．记录表２中（表中已给出了实验结果参考数据，请自己重新观测记录和计算）。

③分别按Ｒ=２０Ｋ；４０ｋ；１００Ｋ 改变系的统开环增益，观察相应的阶跃响应Ｃ（t ），测量并记录性能指标Ｍp ，tp ，和ts ，及系统的稳定住。并将测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。

（２）典型三阶系统的性能

① 按图２—４接线，Ｒ=３０Ｋ。观察系统的阶跃响应，并记录图形。 ② 用劳斯判据计算系统稳定、临界稳定和不稳定时的K 、R 的值。

③ 任取3个R 值，使系统稳定、临界稳定和不稳定，观察系统的阶跃响应并记录图形。

④ 将R 用可调电阻来替换，动态改变R 的值，在零输入的情况下使系统在三种状态下运行。

实验报告（二）

——典型系统瞬态响应和稳定性分析

班级姓名学号

一、写出图2-3和图2-4所示系统的传递函数

二、当二阶系统Ｒ=２０Ｋ；４０ｋ；１００Ｋ时，填写下表

三、对图2-4所示的系统，应用劳斯判据确定3个不同的R值，使系统处于稳定、临界稳定和不稳定状态，并记录相关的实验数据。

实验三 控制系统的频率特性

1、 实验目的

加深对系统频率特性响应的认识，了解频率特性的构成。熟练掌握典型系统频率特性的实验测试方法和表现形式。

2、 测系统的方块图及原理

图 3-1

系统（或环节）的频率特性G （j ω）是一个复变量可以表示成以角频率ω为参数的幅值和相角：

)(/)()(ωωωj G j G j G = （4-1）

本实验〔用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特性。图4—1所示系统的开环频率特性为：

)

()

(/

|)()(|

)()(2)(1ωωωωωωωj E j B j E j B j H j G j G = （4-2）

将频率特性测试仪内信号发生器产生的超低频正弦信号的频率从低到高变化，并施加于被测系统的输入端[r （t ）]。然后分别测量相应的反馈信号［b （t ）］和误差信号[e(t)]的对数幅值和相位。频率特性测试仪测试数据经相关器运算后在显示器中显示。

分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，在半对数座标纸上作出实验曲线：开环对数幅频曲线和相频曲线．

根据实验开环对数用幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再根据渐近线的斜率和转角频确定频率特性（或传递函数）。所确定的频率特性（或传递函数）的正确性可以由测量的相频曲线来检验，对最小相位系统而言，实际测量所得的相频曲线必须与由确定的频率特性（或传递函数）所画出的理论相频曲线在一定程度上相符。如果测量所得的相位在高频（相当转角频率）时不等于一900×(q-p ）[式中p 和q 分别表示传递函数分母和分子的阶次]，那么，频率特性（或传递函数）必定是一个非最小相位系统的频率特性。

3、被测系统的模拟电路图

图 3-2

注意：所测点一ｃ（ｔ）、－ｅ（ｔ）由于倒相器的作用，输出均为负值，若要其正的输出点，可分别在一ｃ（ｔ）、，（ｔ）之后串接一组1/１的比例环节，比例环节的输出即为ｃ（ｔ）、ｅ（ｔ）的正输出。

4、验内容及步骤

在此实验中，我们利用ＡCS系统中的Ｕ１０DAC单元将提供频率和幅值均可调的基准正弦信号源作为被测对象的输人信号。而ＡCS系统中测量单元的ＣＨ1通道用来观测被测环节的输出，选择不同角频及幅值的正弦信号源作为对象的输人，可测得相应环节的输出，并在ＰＣ机屏幕上显示，我们可以根据所测得的数据正确描述对象的幅频和相频特性图。具体实验步骤如下：

（ｌ）将Ｕ１０ＤＡＣ单元的ＯＵＴ端按到对象的输入端。

（２）将测量单元的ＣＨ1（必须拨为乘1档）按至对象的输出端。

（３）将U1 SG的ＳＴ和Ｓ端断开，用排线将ＳＴ端接至8088ＣＰＵ单元中的PB10（由于在每次测量前，应对对象进行一次回零操作，ST即为对象锁零控制端，在这里，我们用8255而的PB10口对ＳＴ进行程序控制）。

（４）在ＰＣ机上输人相应的角频率．并选择合适的幅值，按ENTER后，输入的角频率开始闪烁，直至测量完毕时停止，屏幕即显示所测对象的输出及信号源。移动游标，可读出相应的幅值和相位。（５）如需重新测试．则按“Ｎ”键，系统会消除当前的测试结果，并等待输入新的角频率准备开始进行下次测试。

（６）根据测得在不同频率和幅值的信号源作用下系统误差ｅ（t）及反馈c(t)的幅值相对于信号源的相角差。据此，可自行计算并画山闭环系统的开环幅频和相频曲线。

（7）应用Matlab工具箱函数绘制系统的Bode图，并与实验测得的数据进行比较。

实验报告（三）

——控制系统的频率特性

班级姓名学号

三、实验数据的测量与记录

二、作出系统的频率特性图（Bode图）

1、幅频特性曲线

2、相频特性曲线

三、根据绘制的对数频率特性图确定出系统的开环传递函数，并与实际系统的理论传递函数相比较

实验四 系统校正

1、 实验目的

了解系统校正的目的和意义，掌握系统校正设计的一般方法。

2、 未校正前系统的原理方块图

图 4-1未校正前系统的方块图

则有闭环传函：2

6.3240

()2400.158

n W S S S ω?=?=

??++=? 3、 原系统及校正前的模拟电路图（图4-2）

图 4-2 未校正系统的模拟电路图

4、串联校正装置设计要求

使系统满足性能指标：??

?

??≥≤≤)/1(201%

25%s Kv s t s σ

提示：应用闭环时域指标和开环频域指标之间的经验公式进行相关的设计

5、实验内容及步骤

准备：将“信号源单元”（U1SG）的ST插针和+5V的插针用“短路块”短接。（１）测量未校正系统的性能指标

①按图3—2接线。

②加入阶跃信号，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Ｍp，和调节时间t s。记录曲线及参数。

（２）理论设计串联校正单元，在Matlab的Simulink环境下进行仿真，使各项参数达到性能要求。

（３）设计校正单元的模拟电路，实测校正后系统的性能指标

①画出校正后系统的模拟结构图，并按图搭建模拟电路。

②加人阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Ｍp，以及调节时间t s。看是否达到期望值，

若未达到，请仔细检查接线（包括阻容值）或重新改变参数。

实验报告（四）

——系统校正实验

班级姓名学号

一、写出串联校正单元的设计过程

二、画出校正后的系统结构框图和相应的Matlab仿真结果（响应曲线和性能指标）

三、画出校正后系统的模拟电路图和实际响应曲线及相关的性能指标