长江大学：电工电子国家级实验教学示范中心《自动控制理论》课程实验指导书

《自动控制理论》实验指导书目录第一章前言第二章实验内容4实验一典型环节的模拟研究4实验二典型系统瞬态响应和稳定性实验三控制系统的频率特性12实验四系统校正.16实验五非线性系统20

《自动控制理论》实验指导书 目 录 第一章 前言 ················································································1 第二章 实验内容 ········································································3 实验一 典型环节的模拟研究·····················································3 实验二 典型系统瞬态响应和稳定性·········································7 实验三 控制系统的频率特性···················································12 实验四 系统校正 ······································································16 实验五 非线性系统···································································20

第一章前言自动控制理论是一门专业基础理论课，为了使学生能有较直观的认识，培养理论联系实际的基本技能，特开设了这门课的实验。实验的目的是将该课程所论述的某些基本原理、基本的分析方法，通过这些实验加以论证和检验，学生们根据实验结果，利用所学过的理论知识，通过分析找出内在的联系，从而加深对自动控制理论基本概念的理解。同时培养学生实事求是，严谨的科学作风。一、本实验课使用的仪器为西安唐都科教仪器公司的TDN-ACS+实验系统。二、为了确保实验质量及人身、仪器设备的安全，在实验的过程中，要求学生必须注意以下几点：1.实验前必须阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，对实验中所用仪器设备的基本工作原理和使用方法要有所了解。2.实验前必须做好实验预习，明确每次实验的目的，弄清楚实验内容、要求、方法，了解实验原理才能做实验。3．为了确保安全，严格按实验指导书的要求进行接线和操作，须经检查和指导教师认定合格后再通电。4．做实验时，要严肃认真，仔细观察实验现象，作好各种数据、图形的记录，并由指导教师复查后才能结束实验。5，在实验过程中，如需要变动连线，必须先将实验仪器设备断电，再进行拆、连线。以免引起短路，从而造成仪器损坏。6：实验必须严格按操作规程正确使用仪器设备。如发现仪器出现故障，应立即断电，并报告指导教师处理，不得擅自拆修仪器设备。-

第一章 前 言 自动控制理论是一门专业基础理论课，为了使学生能有较直观的认识， 培养理论联系实际的基本技能，特开设了这门课的实验。实验的目的是将该 课程所论述的某些基本原理、基本的分析方法，通过这些实验加以论证和检 验，学生们根据实验结果，利用所学过的理论知识，通过分析找出内在的联 系，从而加深对自动控制理论基本概念的理解。同时培养学生实事求是，严 谨的科学作风。 一、本实验课使用的仪器为西安唐都科教仪器公司的 TDN-ACS+实验系统。 二、为了确保实验质量及人身、仪器设备的安全，在实验的过程中，要求学 生必须注意以下几点： 1．实验前必须阅读实验指导书，复习与实验有关的理论知识，对实验中所 用仪器设备的基本工作原理和使用方法要有所了解。 2．实验前必须做好实验预习，明确每次实验的目的，弄清楚实验内容、要 求、方法，了解实验原理才能做实验。 3．为了确保安全，严格按实验指导书的要求进行接线和操作，须经检查和 指导教师认定合格后再通电。 4．做实验时，要严肃认真，仔细观察实验现象，作好各种数据、图形的记 录，并由指导教师复查后才能结束实验。 5．在实验过程中，如需要变动连线，必须先将实验仪器设备断电，再进行 拆、连线。以免引起短路，从而造成仪器损坏。 6．实验必须严格按操作规程正确使用仪器设备。如发现仪器出现故障，应 立即断电，并报告指导教师处理，不得擅自拆修仪器设备。 1 - -

7．实验完毕，必须经指导教师审核签字后，方可进行拆线，清理现场，将全部仪器设备复归原位，然后离开教室。8、要独立写出严谨、有理论分析、实事求是、文理通顺、字迹端正、图表清楚的实验报告。数据真实、准确，结论明确。9.爱护公共财产，损坏仪器设备必须及时报告，认真检查原因，从中吸取教训，并按校方规定的赔偿办法处理。10.对于不认真预习，对实验目的、方法、内容不了解以及不认真对待实验者，严重违反规章制度者，指导教师有权停正其实验。三、实验结束后，要认真编写实验报告。报告要求：文理通顺、字迹工整数据和图表齐全，除实验数据和实验现象同组同学可共用外，分析和计算必须由学生独立完成。报告的内容应包括：实验名称，目的和要求；使用的仪器设备、实验线路、实验内容、实验数据、实验结果和现象的分析讨论，以及实验指导书所规定的其它内容。还应写明实验日期、班级、同组同学姓名，并附有经指导教师审阅的实验数据记录

7．实验完毕，必须经指导教师审核签字后，方可进行拆线，清理现场，将 全部仪器设备复归原位，然后离开教室。 8．要独立写出严谨、有理论分析、实事求是、文理通顺、字迹端正、图 表清楚的实验报告。数据真实、准确，结论明确。 9．爱护公共财产，损坏仪器设备必须及时报告，认真检查原因，从中吸 取教训，并按校方规定的赔偿办法处理。 10．对于不认真预习，对实验目的、方法、内容不了解以及不认真对待实 验者，严重违反规章制度者，指导教师有权停止其实验。 三、实验结束后，要认真编写实验报告。报告要求：文理通顺、字迹工整、 数据和图表齐全，除实验数据和实验现象同组同学可共用外，分析和计 算必须由学生独立完成。报告的内容应包括：实验名称，目的和要求； 使用的仪器设备、实验线路、实验内容、实验数据、实验结果和现象的 分析讨论，以及实验指导书所规定的其它内容。还应写明实验日期、班 级、同组同学姓名，并附有经指导教师审阅的实验数据记录。 2 - -

第二章实验内容实验一典型环节的模拟研究实验目的1.学习典型线性环节的模拟方法：2.研究系统参数对典型线性环节阶跃响应的影响。二、实验内容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。2.观察PID环节的响应曲线。（可选做）三、实验原理各典型环节的模拟电路图及输入响应如下表3

第二章 实验内容 实验一 典型环节的模拟研究 一、 实验目的 1．学习典型线性环节的模拟方法； 2．研究系统参数对典型线性环节阶跃响应的影响。 二、实验内容 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。 2. 观察 PID 环节的响应曲线。(可选做) 三、实验原理 各典型环节的模拟电路图及输入响应如下表 3 - -

各典型环输出响应模拟电路图节名称RIR10KUU.(t)=K比例(t≥0)1OxUo(P)0其中K=K/R。测量点51kRUo(t)=元积分(t≥0)(1)Uo其中T=R.C测量点RtoKU(t)=K+A比例积分(t≥0)(PI)10Ko其中K=Ri/Ro,T=Ro测量点U(t)=-KT(t)+K10K其中&(t)为单位脉冲函数比例微分(R,+R2)(PD)JK=RoR,R2测量点T=(R.+R)Uo(t)=K(1-e-/)惯性环节其中K=R(T)Uo1/Re,T=RIC测量点

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各典型环模拟电路图输出响应节名称R2RIU,(t)=Tao(t)ca+K,+T2比例积分其中8(t)为微分(PID)单位脉冲函数K,-RI/R.HaT,=RoCi,测量点Ta=R,R,C/Ro四、实验步骤（注意：①准备：使运放处于工作状态。将信号源单元（U，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：在U13SP单元中，将H与+5V插针用“短路块”短接，H2插针用排线接至Ui4P单元的X插针：在U14P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。）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按各典型环节的电路图将线接好（先接比例）。（PID先不接）②将模拟电路输入端（U）与阶跃信号的输出端Y相联接：模拟电路的输出端（Uo）接至示波器。③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同理得出积分、比例积分、比例微分和惯性环节的实际响应曲线。2.观察PID环节的响应曲线。（可选做）5

四、 实验步骤 (注意: 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：在U13 SP单元 中，将Hl与+5V插针用“短路块”短接，H2插针用排线接至Ul4 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。) 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按各典型环节的电路图将线接好（先接比例）。（PID先不接） ②将模拟电路输入端（U1）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。 ③用示波器观测输出端的实际响应曲线U0(t)，且将结果记下。改变比 例参数，重新观测结果。 ④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。 2. 观察PID环节的响应曲线。(可选做) 5 - -

①参照表中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。②将周期性方波信号加到PID环节的输入端（U），用示波器观测PID输出端（U。），改变电路参数，重新观察并记录五、实验报告要求分析各实验结果，绘出（打印）结果图像6

①参照表中的PID模拟电路图，将PID环节搭接好。 ②将周期性方波信号加到PID环节的输入端（U1），用示波器观测PID输 出端(U0)，改变电路参数，重新观察并记录。 五、实验报告要求 分析各实验结果，绘出(打印)结果图像 6 - -

实验二典型系统瞬态响应和稳定性实验目的1.学习瞬态性能指标的测试技术及典型系统阶跃响应曲线的实验测试方法。2.研究系统参数对系统动态品质的影响。二、实验内容1.典型二阶系统瞬态性能指标的测试：2.典型三阶系统的性能。三、实验原理1.典型二阶系统①典型二阶系统的方块图及传函图2-1是典型二阶系统原理方块图，其中To=1S，Ti=0.1S，K，分别为10、5、2.5、1。E(S)aX1AV1TS+1TS图2-11

实验二 典型系统瞬态响应和稳定性 一、 实验目的 1． 学习瞬态性能指标的测试技术及典型系统阶跃响应曲线的实验测 试方法。 2．研究系统参数对系统动态品质的影响。 二、实验内容 1. 典型二阶系统瞬态性能指标的测试； 2. 典型三阶系统的性能。 三、实验原理 1. 典型二阶系统 ①典型二阶系统的方块图及传函 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、2.5、1。 图 2-1 7 - -

KK,开环传函：G(S)其中K=Ki/To=Ki=开环增益S(T,S +1)S(0.1S+1)o,其中O=K,/TT闭环传函：W(S)=$? +250,S+0.=VT/KT表2-1列出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。表2-1种情况5=15>1010<5<1各参数M,=e5n/l-gM,(%)元I,(S)O.V1-5?

开环传函： )11.0()1( )( 1 1    SS K STS K SG 其中K=K1/T0=K1=开环增益 闭环传函： 2 2 2 2 )( n n n SS SW     其中 011  n  / TTK 110 / 2 1   TKT 表 2-1 列出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。 表 2-1 一种情况 各参数    10   1   1 K 101  /  KTKK  n  n  011  10/ KTTK 1  1 1 110 2 10 / 2 1 K K   TKT  )( p tC 2 1 1)(  p  etC C )( 1 8 - 一种情况 各参数    10   1   1 (%) M p 2 1  p  eM St )( p 2 1     n p t -

4t (S)2EO.见图2-2②模拟电路图：LOOK200K+5VH20010kR-10K020K100Kc(t)测量点图2-2K,100/RG(S) =S(0.1S + 1)S(0.1S +1)K,=100/RVIOK,-D2K,o,=1oK2.典型三阶系统①典型三阶系统的方块图：见图2-3

)( 2 St n t  4 2  ②模拟电路图：见图 2-2 图 2-2 )11.0( /100 )11.0( )( 1     SS R SS K SG            1 1 1 1 10 2 10 /100 K K K RK  n  2．典型三阶系统 ①典型三阶系统的方块图：见图 2-3。 9 - -