学生自动控制原理实验指导书.doc

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定性分析…………………………………………… 实验三 控制系统的频率特性……………………………………………………………… 附录：使用说明…………………………………………………………………………  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 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．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。 二、实验内容 1．对表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 典型环节名称 方 块 图 传递函数 比例 （P） 积分 （I） 比例积分 （PI） 比例微分 （PD） 惯性环节 （T） 比例积分 微分（PID） 表二：典型环节的模拟电路图 各典型环节名称 模拟电路图 比例 （P） 积分 （I） 比例积分 （PI） 比例微分 （PD） 惯性环节 （T） 各典型环节名称 模拟电路图 比例积分 微分（PID） 2．测试各典型环节在单位阶跃信号作用下的输出响应。 3．改变各典型环节的相关参数，观测对输出响应的影响。 三、实验内容及步骤 1．观测比例、积分、比例积分、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阶跃信号的产生： 电路可采用图1-1所示电路，它由“阶跃信号单元”（U3）及“给定单元”（U4）组成。 具体线路形成：在U3单元中，将H1与+5V端用1号实验导线连接，H2端用1号实验导线接至U4单元的X端；在U4单元中，将Z端和GND端用1号实验导线连接，最后由插座的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(Ui)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。 2．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，S11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S11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)。 ②参照表二中的PID模拟电路图，按相关参数要求将PID电路连接好。 ③将①中产生的周期性方波信号加到PID环节的输入端（Ui），用示波器观测PID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PI和PID在阶跃信号作用下，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t=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 μo(t)=K Ro= 250K R1= 100K R1= 250K 惯性 K= T=R1C μo(t)= K(1-e-t/T) R1= 250K Ro= 250K C= 1μF C= 2μF I T=RoC μo(t)= Ro= 200K C= 1μF C= 2μF 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 PI K= T=RoC μo(t)=K+ R1= 100K Ro= 200K C= 1uF C= 2uF PD K= T= 理想：μo(t)= KTδ(t)+K 实测：μo(t)= + e-t/R3C Ro= 100K R2= 100K C=1uF R3= 10K R1= 100K R1= 200K PID KP= TI=Ro C1 TD= 理想：μo(t)= TDδ(t)+Kp+ 实测：μo(t)= + [1+ ()e-t/R3C2 Ro= 100K R2=10K R3= 10K C1= C2= 1μF R1= 100K R1= 200K  实验二