学生自动控制原理实验指导书

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1、目录第一部分控制理论实验实验一控制系统典型环节的模拟实验实验二线性定常系统的瞬态响应和稳立性分析实验三控制系统的频率特性附录：使用说明第Y盼掛®^实验实验一控制系统典型环节的模拟实验一、实验目的1.掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。2.测杲典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化対环节输出性能的影响。二、实验内容1.対农一所示各典型环节的传递函数设计相应的模拟电路（参见表二）表一：典型环节的方块图及传递函数—>Kp比例积分+微分5(S)>_>1TjS

2、h+”(PID)<+■_>TdS2.测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。3.改变各典型坏节的相关参数，观测对输出响

3、应的影响。实验内容及步91.观测比例、积分、比例枳分、比例微分和惯性环节的阶跃响应曲线。①准备：使运放处于工作状态。将信号发生器单元U1的ST端与+5V端用“短路块”短接，使模拟电路中的场效应管(K30A)夹断，这时运放处于工作状态。②阶跃信号的产牛：1号导线+5V图1・1U4J电路可采用图1-1所示电路，它由“阶跃信号单元(Us)及“给定单元”(UQ组成。具体线路形成：在山单元中，将出与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至山单元的X端：在山单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后山插座的Y端输出信号。以后实验若再用阶跃信号时，方法同上，不再赘述。实验步骤：①按表二

4、中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先接比例）。（PID先不接）②将模拟电路输入端（UJ与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端（Uo）接至示波器。③按下按钮（或松开按钮）SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo（t）,且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。④同理得积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线参见表三。1.观察PID环节的响应曲线。实验步骤：①将U1单元的周期性方波信号（U1单元的ST端改为与S端用短路块短接，S"波段开关置于“方波”档，“OUT”端的输出电压即为方波信号电压，信号周期由波段开关Sh和电位器陥调节，信号幅值由电位

5、辭UH调节。以信号輪值小、信号周期较长比较适宜）。②参照表二中的PTD模拟电路图，按相关参数要求将PTD电路连接好。③将①中产生的周期性方波信号加到ND环节的输入端（UJ,用示波器观测HD输出端（Uo）,改变电路参数，重新观察并记录。四、实验思考题：1.为什么P1和P1D在阶跃信号作川下，输出的终值为一常量？2・为什么PD和PID在单位阶跃信号作用下，在"0时的输出为一有限值？在一个闭环系统中，即使是一个阶跃信号，由于系统的微分和积分作用，T=0时输出也是一个有限值表三:典型环节传递函数参数与模拟电路参数关系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应曲线比例K二R]R。Uo(t)=KRo=2

6、50KRi=100KRi=250K惯性k=r,RoT二R£U0(t)=K(l-e,r)Rf250KRo=250KC=1pFC二2pFIT=RoC/、1MO(t)=—tTRo=200KC=1pFc二2pF典型环H-卩传递函数参数与模拟电路参数关系单位阶跃响应理想阶跃响应曲线实测阶跃响应Ml线Ri=C=K二宝1100KluFPTR。yo(t)=K+—tT-RoCTRo=C=200K2uFRo=Ri=理想:po(t)=”Ri+R°100K100K17—12KT5(t)+KRor2=实测：Po(t)=PD100KRi+R9R]R2T_尺］尺2。R（）R（）RaC=luFR>=R]+R°VVoNFR

7、s=200Ke310KRf理想：U0（t）=『D§Ro=100K100K](t)+Kp+一tR2=10KIZR1T]KpRa=Ro实测：Po(t)=10KP1DT】二RoC,R]+R?1zCi=R.R9RoRfTd=-^C7c2=Ro1r9c9200K1+—[1•卜1ul;RoC]RoC

8、(RlC1De'

9、总T丽冷’式中心相应的闭环传递函数为C(S)_K_XR(S)_+S+K_s2+丄$+冬hT,二阶系统闭环传递函数的标准形式为CXS)_nR(S)S2+2^nS+0?n比较式①、②得:图中T二Is,Ti=0.Is图2-1表一列出了有关二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼、过阻尼）下具体参数的表达式，以便计算理论值。1、图2-2为图2-1的模拟电路，其中T=ls,T-0.Is,&分别为10、5、2.5.1,即当电路中的电阻R