自动控制原理实验指导书.doc

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1、自动控制原理实验指导书内蒙古工业大学电力学院自动化系2012年10月目录实验一典型环节模拟及二阶系统的时域瞬态响应分析1实验二频率特性的测试8实验三控制系统的动态校正12实验四非线性系统的相平面分析14实验五状态反馈20TKKL—1型控制理论电子模拟实验箱使用说明书23实验一典型环节模拟及二阶系统的时域瞬态响应分析一、实验目的1．通过搭建典型环节模拟电路，熟悉并掌握控制理论电子模拟实验箱的使用方法。2．了解并掌握各典型环节的传递函数及其特性，掌握用运放搭建电子模拟线路实现典型环节的方法。3．掌握二阶系统单位阶跃响应的特点，理解二阶系统参数变化对输出响应的影响。二、实验仪器1．控制理论

2、电子模拟实验箱一台；2．超低频扫描示波器一台；3．万用表一只。三、实验原理1．典型环节的传递函数及其模拟电路图（1）比例环节图1-1比例环节的方框图比例环节的方框图如图1-1所示，其传递函数为（1-1）比例环节的模拟电路图如图1-2所示，其传递函数为（1-2）比较式（1-1）和式（1-2），得：图1-2比例环节的模拟电路图当输入为单位阶跃信号，即时，由式（1-1）得输出，其输出波形如图1-3所示。图1-3比例环节的单位阶跃响应（2）积分环节图1-4积分环节的方框图积分环节的方框图如图1-4所示，其传递函数为（1-3）图1-5积分环节的模拟电路图积分环节的模拟电路图如图1-5所示，其传

3、递函数为（1-4）比较式（1-3）和式（1-4），得：当输入为单位阶跃信号，即时，由式（1-3）得输出其输出波形如图1-6所示。图1-6积分环节的单位阶跃响应（3）惯性环节图1-7惯性环节的方框图惯性环节的方框图如图1-7所示，其传递函数为（1-5）惯性环节的模拟电路图如图1-8所示，其传递函数为（1-6）图1-8惯性环节的模拟电路图比较式（1-5）和式（1-6），得：当输入为单位阶跃信号，即时，由式（1-5）得输出，其输出波形如图1-9所示。图1-9惯性环节单位阶跃响应2．二阶系统图1-10为典型二阶系统的方框图，其闭环系统的传递函数为：（1-7）图1-10二阶系统方框图图1-11

4、典型二阶系统模拟电路图典型二阶系统的模拟电路图如图1-11所示，其闭环传递函数为：若令，与二阶系统的标准形式比较，可得如下关系：同时改变和的大小，可改变无阻尼振荡频率的大小；改变的大小，可改的大小。这样就可得到过阻尼、临界阻尼和欠阻尼三种情况下的阶跃响应曲线。四、实验内容1．观察并记录各种典型环节的单位阶跃响应曲线。2．典型二阶系统（1）令（，）①设置（，），记录输出响应曲线，测量峰值时间、超调量和调节时间。。②设置（，），记录输出响应曲线，测量峰值时间、超调量和调节时间。。③设置（，），记录输出响应曲线，测量峰值时间、超调量和调节时间。。（2）令（，）①设置（，），记录输出响应曲线

5、，测量峰值时间、超调量和调节时间。。②设置（，），记录输出响应曲线，测量峰值时间、超调量和调节时间。③设置（，），记录输出响应曲线，测量峰值时间、超调量和调节时间。五、实验报告要求1．概略绘制各种典型环节单位阶跃响应曲线。2．画出二阶系统在不同和时的单位阶跃响应曲线，并与理论计算值做比较，分析实验结果。六、实验思考题1．用运放模拟典型环节的时候，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？2．积分环节和惯性环节主要差别是什么？在什么条件下，惯性环节可以近似的视为积分环节？在什么条件下，又可以视为比例环节？3．阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？4．在电子模拟系统中，如何实现

6、负反馈和单位负反馈？实验二频率特性的测试一、实验目的1．了解用李沙育图形法测取系统频率特性的原理。2．掌握运用实验数据绘制对数频率特性的方法。二、实验仪器1、控制理论电子模拟实验箱一台。2、双踪低频慢扫描示波器一台。3、数字万用表一只。三、实验原理频域分析法是应用频率特性研究线性系统的一种经典方法。频率响应就是当正弦函数信号作用于线性系统时，系统稳定后输出的稳态分量仍然是同频率的正弦信号。对于稳定的线性定常系统或环节，设输入信号，输出信号为其中：由上面的介绍，对于频率特性可以得出以下结论：1）当系统的输入信号是正弦波时，其稳态输出仍是同频率正弦信号；2）稳态输出的正弦信号是输入正弦信

7、号的

8、G(jω)

9、倍；3）稳态输出的正弦信号的相角和输入正弦信号的相角之差是φ（ω）；上述结论是很重要的，它是用实验方法求取系统频率特性的理论基础。为了用实验方法求频率特性，只要所需研究系统的输入端加一个频率为正弦信号，就可测得输出信号的幅值比和相位差。如果不断的改变输入信号的角频率ω，重复上述实验步骤，便可得到被测环节（系统）的频率特性。本实验采用李沙育图形法，测试的方框图如图2-1所示。图2-1频率特性测试方框图下表中列出了超前与滞后时，相位的计算公式