湖南工学院自动控制原理实验指导书.doc

自动控制原理 实验指导书 湖南工学院 电气与信息工程系  目录 实验一 典型环节的模拟研究 2 实验二 典型系统瞬态响应和稳定性 6 实验三 控制系统的频率特性 10 实验四 线性连续系统校正 13 实验五 采样系统分析 16 实验六 采样控制系统的校正 20 附: 实验系统介绍 实验一 典型环节模拟研究 本实验为验证性实验。 一、实验目的 1、学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性影响。 2、熟悉各种典型环节的阶跃响应。 3、学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。 二、实验设备 PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。 三．实验原理及电路 下面列出了各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。 1、各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） Ui(s) Uo(s) 积分（I） 比例积分（PI） 比例微分（PD） K(1+TS) 惯性环节（T） 比例积分微分（PID） 2、各典型环节的模拟电路图及输出响应 各典型环节名称 模拟电路图 输出响应 比例 （P） U0(t)=K (t≥0) 其中K=R1/R0 积分 （I） U0(t)=(t≥0) 其中T=R0C 比例积分 （PI） U0(t)= (t≥0) 其中K=R1/R0，T=R0C 比例微分 （PD） U0(t)=KTδ(t)+K 其中δ(t)为单位脉冲函数 惯性环节 （T） U0(t)=K(1-e-t/T) 其中K=R1/R0， T=R1C 比例积分微分（PID） 其中δ(t)为单位脉冲函数 Kp=R1/R0 ;Ti=R0C1 Td=R1R2C2/R0 四、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）实验接线 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1-1所示电路，它由“单脉冲单元”（U13 SP）及“电位器单元”（U14 P）组成。 具体线路形成：在U13 SP单元中，将H1与+5V 插针用“短路块”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。 以后实现再用到阶跃信号时，方法同上，不再累赘。 （2）实验操作 按2中的各典型环节的模拟电路图将线接好（先按比例）。（PID先不接） 将模拟电路输入端（Ui）与阶跃信号的输出端Y相联接；模拟电路的输出端（U0）接至示波器。 按下按钮（或松平按扭）H 时 ，用示波器观测输出端U0(t)的实际响应曲线，且将结果记下。改变比例参数，重新观测结果。 同理得出积分、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见表1-1。 2、观察PID环节的响应曲线。 此时Ui采用U1 SG单元的周期性方波信号（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与电位器W12调节，信号幅值由电位器W11调节。以信号幅值小、信号周期较长比较适宜）。 参照2中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。 将(中产生的周期性方波加到PID环节的输入端（Ui），用示波器观测PID的输出端（U0），改变电路参数，重新观察并记录。 实验二 典型系统瞬态响应和稳定性 本实验为验证性实验。 一、实验目的 1、熟悉有关二阶系统的特性和模拟仿真方法。 2、研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn对过渡过程的影响。 3、研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性。 4、熟悉劳斯判据，用劳斯判据对三阶系统进行稳定性分析。 二、实验设备 PC机一台，TDN-AC系列教学实验系统。 三．实验原理及电路 1、典型二阶系统 ①典型二阶系统的方块图及传递函数 图2-1是典型二阶系统原理方块图，其中T0=1s，T1=0.1s，K1分别为10、5、2、1。 开环函数： 开环增益：K=K1/T0=K1 闭环函数： 其中， ②模拟电路图：见图2-2