《自动控制原理》实验指导书-南京航空航天大学.doc

《自动控制原理》实验指导书 （能源与动力学院用） 南京航空航天大学能源与动力学院 二○○四年七月 目 录 实验一 典型环节的模拟和特性测定 （1） 实验二 控制系统的频率特性测试 （6） 实验三 控制系统的串联校正 （10） 附：控制系统串联想校正装置的设计（设计性实验） （13） 实验四 采样控制系统的研究 （15） 实验五 非线性系统的相平面法及描述函数法 （20） 附录：自动控制综合教学实验系统使用说明 （24） 1 实验系统的工作原理 （24） 1.1 系统组成 （24） 1.2 电动伺服系统的原理 （26） 2 硬件使用说明 （27） 2.1 实验仪上的模拟计算机 （27） 2.2 实验仪的工作方式 （32） 2.3 实验仪的后面板 （35） 3 软件使用说明 （36） 3.1 软件使用特点 （36） 3.2 如何进入本软件 （37） 3.3 如何进入实验软件 （37） 3.4 如何运用实验软件进行实验 （38） 3.5 使用方法举例 （39） 实验一　典型环节的模拟和特性测定 一、实验目的 （1）掌握典型环节模拟电路的构成方法； （2）观察和记录典型环节在阶跃输入信号作用下的输出响应，分析参数变化对典型环节动态特性的影响； （3）研究二阶闭环系统在阶跃输入信号的作用下，稳态误差与系统结构参数的关系； （4）了解计算机数据采集系统的构成以及AC－1自动控制综合实验仪的原理，学会使用AC－1自动控制综合实验仪。 二、实验仪器设备 （1）AC－1自动控制综合实验仪　　　 　一台 （2）数字计算机（配有AD/DA卡） 　　　　一台 （3）数字万用表　　　　　　　　　　　　　一块 三、实验内容 1．惯性环节（一阶系统） （1）传递函数和结构图 惯性环节的结构图如图1-1所示， 其传递函数为： 式中T为时间常数，K为放大倍数。 （2）实验线路 对于图1-1所示的一阶系统，其对应的模拟电路如图1-2所示。 图1-2　惯性环节模拟线路 图中第一个运放构成惯性环节，第二个运放构成反相器，使与的极性相同。 与的关系为： 式中，。 执行“Control”程序，进入“实验一”，选择阶跃信号（幅值为2V）加到模拟电路的输入端，保持K＝1不变，点击“启动”按钮，分别观察T ＝0.2秒（此时选定=200k?）和T＝0.5秒（此时选定=500 k?）时的输出阶跃响应曲线，并保存所对应的数据文件为xx1和xx2 (“xx”表示文件名，由实验同学自己选定，或实验指导老师指定)。 2．振荡环节（二阶系统） （1）传递函数和结构图 振荡环节的结构图如图1-3所示， 其开环传递函数为： 闭环传递函数为： 　　　　　　 式中为阻尼比，为自振频率。 （2）实验线路 对于图1-3所示的二阶系统，其对应的模拟电路如图1-4所示。 图1-4 振荡环节模拟电路 该模拟电路由惯性环节和积分环节相串联，再经过反相器引入单位负反馈而构成。由模拟电路得到的闭环传递函数为： 根据AC－1自动控制综合实验仪上的模拟机面板设置的电阻和电容数值，，选取电容，则上式变成： 显然，该系统的无阻尼自振频率为（弧度/秒），阻尼比为： 　　　　　　　　　　　　 由此可见，选择电阻的大小，就可改变系统的阻尼比。若分别选取＝250k?、100 k?、71.4 k?、50 k?、25 k?，则二阶系统的阻尼比将分别为＝0.2、0.5、0.7、1、2。 分别设置上述五种阻尼比，点击“启动”按钮，在阶跃信号的作用下，观察系统输出响应曲线，并分别保存＝0.2、＝0.5、＝0.7、＝1和＝2五种情况下所对应的数据文件。 3．二阶闭环系统的稳态误差的研究 给定二阶闭环系统的结构图如图1-5所示。 图1-5 二阶闭环系统的结构图 其对应的模拟电路如图1-6所示。 图1-6　二阶闭环系统模拟电路 （1）按图示接线，在阶跃信号（幅值为1V）的作用下，分别改变系统的开环增益　　　　K＝1，K＝9（改变的电阻值），分别取=1k?,=9k?,用数字万用表测量系统的稳态误差。 （2）若将A6的反馈电阻去掉，使其变成I型系统，按上述方法测量系统的稳态误差。 四、实验注意事项 （1）计算机D/ A输出口严禁短路；即不要将DA0或DA1直接与电源端或地端相连，否则将损坏数据采集卡。 （2）用万用表测电阻时应将电路连线断开，严禁带电测量电阻，否则将损坏万用表。 五、实验报告要求 （1）实验完毕，利用实验数据文件，按实验指导老师的要求打印部分实验曲线，以便完成实验报告。 （2）画出各典型环节的模拟电路图。 （3）对于惯性环节（一阶系统）应从阶跃曲线上求出时间常数T，并与理论