201306车辆工程专业自动控制原理实验指导书[tian]

%100%max ⨯-=∞∞Y Y Y σ实验一 典型环节及其阶跃响应一、实验目的1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。

2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器1． EL-AT-III 型自动控制系统实验箱一台 2． 计算机一台 三、实验原理1．模拟实验的基本原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。

再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

2． 时域性能指标的测量方法： 超调量Ó %：1) 启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。

2) 检查USB 线是否连接好，在实验项目下拉框中选中任实验，点击按钮，出现参数设置对话框设置好参数按确定按钮，此时如无警告对话框出现表示通信 正常，如出现警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以继续进行实验。

3) 连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D 、D/A 卡的DA1 输出，电路的输出U2接A/D 、D/A 卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

4) 在实验项目的下拉列表中选择实验一[典型环节及其阶跃响应] 。

5)鼠标单击按钮，弹出实验课题参数设置对话框。

在参数设置对话框中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

6) 用软件上的游标测量响应曲线上的最大值和稳态值，代入下式算出超调量： T P 与T S ：利用软件的游标测量水平方向上从零到达最大值与从零到达95%稳态值所需的时间值，便可得到T P 与T S 。

四、实验内容构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应： 1. 比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。

《自动控制原理Ⅰ》实验指导书2013年9月修订实验一 典型环节及其阶跃响应一． 实验目的1．学习构成典型环节的模拟电路。

2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

3．学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。

4．掌握仿真分析软件multisim的使用。

二． 物理模拟说明用电子线性运算放大器和各种反馈电路能够模拟线性系统典型环节。

同时，模拟典型环节是有条件的，即是将运算放大器视为满足以下条件的理想放大器：(1)输入阻抗为∞，进入运算放大器的电流为零，同时输出阻抗为零；(2)电压增益为∞；(3)通频带为∞；(4)输入与输出间呈线性特性．可是，实际运算放大器毕竟不是理想的；电子元件和电路仍然有惯性（尽管非常小）其通频带有限，并非达到∞，输入输出功率也是有限的；一般的运算放大器，在开环使用时，其通频带仅为10-100Hz，当将其接成K=1的比例器，其通频带也不过MHz左右。

所以，以线性运算放大器和各种反馈电路去模拟系统的各种线性和非线环节也不是无条件的，它仍然是在一定条件下，在一定程度上模拟出线性典型环节的特性，超出条件的范围和要求过份精确都是办不到的。

因此，需要说明以下几点事项：(1)用实际的运算放大器模拟线性系统各种典型环节都是有条件的近似关系，不可能得到理想化典型环节的特性。

其主要原因是：1实际运算放大器输出幅值受其电源所限，根本不可能达到∞，此即非线性影响；2实际运算放大器不是无惯性的。

尽管惯性很小，但通频带不会达到∞。

(2)实际运算放大器输出幅值受限的非线性因素对所有各种模拟环节都有影响，但情况迥异。

对比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节和振荡环节，只要控制了输入量的大小或是输入量施加的时间长短(对于积分或比例积分环节），不使其输出在工作期间内达到最高饱和度，则非线性因素对上述环节特性的影响可以避免；但是非线性因素对模拟比例微分环节和微分环节的影响却无法避免。

自动控制原理实验指导书刘利贤韩兵欣编著石家庄铁道学院电气工程分院目录实验一、典型线性环节的模拟 (1)实验二、二阶系统的阶跃响应 (5)实验三、根轨迹实验 (7)实验四、频率特性实验 (10)实验五、控制系统设计与校正实验 (15)实验六、控制系统设计与校正计算机仿真实验 (17)实验七、采样控制系统实验 (19)实验八、典型非线性环节模拟 (21)实验九、非线性控制系统分析 (24)实验十、非线性系统的相平面法 (26)实验一、典型线性环节的模拟一、实验目的：1、学习典型线性环节的模拟方法。

2、研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。

二、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。

三、实验内容：1、比例环节：r(t)方块图模拟电路图中：ifP RRK=分别求取R i=1M，R f=510K，（K P=0.5）；R i=1M，R f=1M，（K P=1）；R i=510K，R f=1M，（K P=2）；时的阶跃响应曲线。

2、积分环节：r(t)方块图模拟电路图中：T i=R i C f分别求取R i=1M，C f=1μ，（T i=1s）；R i=1M，C f=4.7μ，（T i=4.7s）；）；R i=1M，C f=10μ，（T i=10.0s）；时的阶跃响应曲线。

3、比例积分环节：r(t)方块图模拟电路图中：ifP RRK=；T i=R f C f分别求取R i=R f=1M，C f=4.7μ，（K P=1，T i=4.7s）；R i=R f=1M，C f=10μ，（K P=1，T i=10s）；R i=2M，R f=1M，C f=4.7μ，（K P=0.5，T i=4.7s）；时的阶跃响应曲线。

4、比例微分环节：r(t)方块图模拟电路图中：i1fP RRKR+=；CRRRRRRTffd⋅+++=12f121RR；T f=R2C分别求取R i=R f=R1=R2=1M，C=2μ，（K P=2，T d=3.0s）；R i=2M，R f=R1=R2=1M，C f=2μ，（K P=1，T d=3.0s）；R i=2M，R f=R1=R2=1M，C f=4.7μ，（K P=1，T d=7.05s）；时的阶跃响应曲线。

目录实验一发动机结构分析实验--------------------------------------------------------------3 实验二汽车底盘结构分析实验-----------------------------------------------------------9 实验三汽车低速滑行实验---------------------------------------------------------------19 实验四汽车高速滑行实验---------------------------------------------------------------21 实验五汽车最低稳定车速实验---------------------------------------------------------24 实验六机动车辆噪声测量---------------------------------------------------------------25 实验七汽车加速性能实验---------------------------------------------------------------29 实验八汽车最高车速实验---------------------------------------------------------------31 实验九汽车燃油经济性实验------------------------------------------------------------33 实验十发动机速度特性曲线测试与分析---------------------------------------------34 实验十一发动机废气测试与分析--------------------------------------------------------38 实验十二汽车发动机故障诊断实验---------------------------------------------------45 实验十三汽车变速器故障诊断实验---------------------------------------------------47 实验十四转向系统的调整实验---------------------------------------------------------49 实验十五制动系统调整实验------------------------------------------------------------51 实验十六主减速器调整实验------------------------------------------------------------53 实验十七交流发电机拆检实验---------------------------------------------------------55 实验十八发动机点火系检测实验------------------------------------------------------62 实验十九汽车减振器性能实验---------------------------------------------------------66 实验二十喷油泵性能实验---------------------------------------------------------------68 实验二十一汽车摩托车平顺性实验---------------------------------------------------70 实验二十二汽车摩托车零件三维反求实验------------------------------------------72 实验二十三汽车摩托车零部件结构模态分析实验-----------------------------------79实验一发动机结构分析实验一、实验名称发动机结构分析二、实验课时及类型1、学时：6学时2、类型：综合三、实验目的1、熟悉汽车主要零部件的结构特点。

自动控制原理实验指导书刘利贤韩兵欣编著石家庄铁道学院电气工程分院目录实验一、典型线性环节的模拟 (1)实验二、二阶系统的阶跃响应 (5)实验三、根轨迹实验 (7)实验四、频率特性实验 (10)实验五、控制系统设计与校正实验 (15)实验六、控制系统设计与校正计算机仿真实验 (17)实验七、采样控制系统实验 (19)实验八、典型非线性环节模拟 (21)实验九、非线性控制系统分析 (24)实验十、非线性系统的相平面法 (26)实验一、典型线性环节的模拟一、实验目的：1、学习典型线性环节的模拟方法。

2、研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。

二、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。

三、实验内容：1、比例环节：r(t)方块图模拟电路图中：ifP RRK=分别求取R i=1M，R f=510K，（K P=0.5）；R i=1M，R f=1M，（K P=1）；R i=510K，R f=1M，（K P=2）；时的阶跃响应曲线。

2、积分环节：r(t)方块图模拟电路图中：T i=R i C f分别求取R i=1M，C f=1μ，（T i=1s）；R i=1M，C f=4.7μ，（T i=4.7s）；）；R i=1M，C f=10μ，（T i=10.0s）；时的阶跃响应曲线。

3、比例积分环节：r(t)方块图模拟电路图中：ifP RRK=；T i=R f C f分别求取R i=R f=1M，C f=4.7μ，（K P=1，T i=4.7s）；R i=R f=1M，C f=10μ，（K P=1，T i=10s）；R i=2M，R f=1M，C f=4.7μ，（K P=0.5，T i=4.7s）；时的阶跃响应曲线。

4、比例微分环节：r(t)方块图模拟电路图中：i1fP RRKR+=；CRRRRRRTffd⋅+++=12f121RR；T f=R2C分别求取R i=R f=R1=R2=1M，C=2μ，（K P=2，T d=3.0s）；R i=2M，R f=R1=R2=1M，C f=2μ，（K P=1，T d=3.0s）；R i=2M，R f=R1=R2=1M，C f=4.7μ，（K P=1，T d=7.05s）；时的阶跃响应曲线。

要求：电路图要画，其他波形图不用。

电阻电容参数要写实验一和三是2课时实验，实验二是4课时的。

可打印，但是要注意格式，后期结果要手写实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究一．实验目的1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。

2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。

二．实验内容1．设计各种典型环节的模拟电路。

2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。

3．在上位机界面上，填入各个环节的实际（非理想）传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟研究的结果作比较。

三．实验线路及步骤1．比例(P)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例环节的传递函数为：K s U s U i O =)()( 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示，于是01R R K =，实验参数取R 0＝100k ，R 1＝200k ，R=10k 。

图1.1.2R 1P+u iR 0-++RR-+u ou o t图1.1.3t图1.1.1KU i sU o s2．积分(I)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 积分环节的传递函数为：Tss U s U i O 1)()(= 其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.2.1、图1.2.2和图1.2.3所示，于是C R T 0=，实验参数取R 0＝100k ，C ＝1uF ，R=10k 。

3．比例积分(PI)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例积分环节的传递函数为：TsK U U i O 1+=其方块图、模拟电路和阶跃响应，分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示，于是1R R K =，C R T 0= 实验参数取R 0＝200k ，R 1＝200k ，C ＝1uF ，R=10k 。

图1.2.2C I+u iR 0-++RR-+u oTs 图1.2.11U i sU o s图1.2.3u o tt图1.3.3u o ttK Ts图1.3.11U o sU i s图1.3.2PI+u iR 0-R 1++CRR-+u o4．比例微分(PD)环节的传递函数、方块图、模拟电路和阶跃响应 比例微分环节的传递函数为：)1(Ts K U U iO+= 其方块图和模拟电路分别如图1.4.1、图1.4.2所示。

实验一 典型环节的时域响应一、 实验目的1．掌握各典型环节模拟电路的构成方法，掌握TD －ACC 设备的使用方法。

2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。

3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、 实验设备PC 机一台，TD-ACC 系列教学实验系统一套。

三、 实验原理及内容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．比例环节 （P ） (1) 方框图：图1－1 (2) 传递函数：K )S (Ui )S (Uo = (3) 阶跃响应：Uo(t) = K ( t ≥0 ) 其中K = R 1 / R 0 (4) 模拟电路图：图1－2(5) 理想与实际阶跃响应对照曲线 ① 取R0 = 200K ；R1 = 100K 。

② 取R0 = 200K ；R1 = 200K 。

2．积分环节（I ） (1) 方框图：图1－3(2) 传递函数：TS1)S (Ui )S (Uo =(3) 阶跃响应：t T1)t (Uo =( t ≥0 ) 其中T = R 0C (4) 模拟电路图：图1－4(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照 ① 取R0 = 200K ；C = 1uF 。

② 取R0 = 200K ；C = 2uF 。

3．比例积分环节（PI ） (1) 方框图：图1－5(2) 传递函数：TS1K )S (Ui )S (Uo +=(3) 阶跃响应：t T1K )t (Uo += ( t ≥0 ) 其中K = R 1/R 0 ；T = R 0C (4) 模拟电路图：见图 1.1－6 图1－6(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照 ① 取R0 = R1 = 200K ；C = 1uF 。

② 取R0=R1=200K ；C=2uF 。

4．惯性环节（T ） (1) 方框图：图1－7(2) 传递函数：1TS K)S (Ui )S (Uo +=。

(3) 模拟电路图：见图1.1－8图1－8(4) 阶跃响应：)e1(K )t (Uo Tt--=，其中01R R K =；C R T 1=。

自动控制理论实验指导书徐 焜 主编杜佳璐 审阅实 验 守则1.实验前必须充分做好预习，包括实验内容、方法以及实验线路，完成有关的理论计算以及实验设备的使用方法。

2.连接线路或改变接线时，必须在关断电源的情况下进行。

3.实验结果经指导老师检查，同意后才可拆除线路并整理放好离开。

4.认真写实验报告。

报告内容必须按每次实验具体要求书写，切不可相互抄袭。

5.预习不符合要求者不准参加实验。

目录第一部分实验系统概述………………...…………………………..… ………………………. . . .1一. 实验系统硬件资源 (1)二. 实验系统软件 (2)第二部分自动控理论实验 (6)实验一典型环节的模拟及其阶跃响应 (6)实验二二阶系统阶跃响应 (11)实验三系统频率特性测量 (14)实验四连续系统串联校正 (18)实验五典型非线性环节实验 (21)实验六非线性系统相平面法研究 (24)实验七采样定理实验 (26)实验八状态反馈的设计与实现 (29)第一部分 实验系统概述一. 实验系统硬件资源自控理论EL-A T -II 型实验系统主要由计算机、AD/DA 采集卡、自动控制理论实验箱组成如图1，其中计算机根据不同的实验分别起信号产生、测量、显示、系统控制和数据处理的作用，AD/DA 采集卡负责数据采集和计算机USB 口通信，实验箱主要构造被控模拟对象。

实验箱、面板实验面板主要由以下几部分构成，如图2：电源模块模拟仿真模块1 运算放大器×1电阻：1K ×2、50K ×2 100K ×4、200K ×4 电容：0.1μf ×3、1μf ×2模拟仿真模块2 运算放大器×1电阻：1K ×2、50K ×2 100K ×3、200K ×2 电容：0.1μf ×2、1μf ×2AD/DA 卡 输入输出模块二极管区 模拟开关 模拟开关×3组EL-CAT -II电阻、电容、二极管、稳压管区模拟仿真模块3 运算放大器×1电阻:1K ×3、10K ×2 100K ×2、200K ×2电容:0.1μf ×3、1μf ×2模拟仿真模块4 运算放大器×1电阻:1K ×3、10K ×2 100K ×2、200K ×2 电容:0.1μf ×3、1μf ×2 变阻箱、变容箱模块 0k Ω~999 k Ω×2 0μf ~9μf ×1模拟仿真模块5 运算放大器×1电阻:1K ×3、10K ×2 100K ×2、200K ×2电容:0.01μf ×2、 0.1μf ×3、1μf ×1模拟仿真模块6 运算放大器×1电阻:1K ×2、10K ×250K ×2、100K ×2200K ×2、300K ×2电容:0.01μf ×20.1μf ×2、1μf1模拟仿真模块7 运算放大器×1电阻:1K ×2、10K ×250K ×2、100K ×2200K ×2、300K ×2电容:0.01μf ×2 0.1μf ×2、1μf ×1模拟仿真模块8 运算放大器×1电阻:1K ×3、10K ×2 100K ×2、200K ×2 电容:0.01μf ×2、 0.1μf ×3、1μf ×1图2 实验箱面板布局(1) 模拟仿真模块本实验系统有八组由放大器、电阻、电容组成的实验模块。

《自动控制原理》实验指导书实验一 控制系统的时域分析一、实验名称控制系统的时域分析二、实验目的利用MATLAB 编程求解系统单位阶跃响应三、预习要求1、 熟悉系统单位阶跃响应的物理意义及求解方法；2、 熟悉MALAB 运行环境四、实验内容与步骤1、 设闭环传递函数分别为：22()200/(140100384)G s s s =++；num=[200];den=[150 40 50];t=0:0.1:100;step(num,den,t);grid onnum=[200];den=[150 1550 50]; t=0:0.1:100;step(num,den,t); grid onnum=[200];den=[150 60 1550]; t=0:0.1:100;step(num,den,t); grid on4323()200/(20140400384)G s s s s s =++++； num=[200];den=[15 150 60 70]; t=0:0.1:100; step(num,den,t); grid onnum=[200];den=[15 1500 60 70]; t=0:0.1:500;step(num,den,t);grid onnum=[200];den=[15 70 1500 70]; t=0:0.1:500;step(num,den,t);grid onnum=[200];den=[15 70 60 1500]; t=0:0.1:100;step(num,den,t);grid on24()(7)/(6)G s s s s =+++； num=[1 7];den=[15 70 60 70]; t=0:0.1:100; step(num,den,t); grid onnum=[1 7];den=[1500 70 60 70]; t=0:0.1:100;step(num,den,t);grid onnum=[1 7];den=[50 1700 60 70]; t=0:0.1:100;step(num,den,t);grid onnum=[1 7];den=[50 70 1600 70]; t=0:0.1:1000;step(num,den,t);grid onnum=[1 7];den=[50 70 60 1700]; t=0:0.1:100;step(num,den,t);grid on[]11122251211116.5010()10x x u x x u G s x y x ⎧--⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤⎡⎤=+⎪⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎢⎥⎣⎦⎣⎦⎪⎣⎦⎣⎦⎣⎦=⎨⎡⎤⎪=⎢⎥⎪⎣⎦⎩A=[-1 -1;6.5 0]B=[1 1;1 0];C=[1 0];D=[0 0];t=0.01:20;sys=ss(A,B,C,D);step(sys,t)grid onA=[3 3;7 9]B=[1 1;1 0];C=[1 0];D=[0 0];t=0.01:10;sys=ss(A,B,C,D); step(sys,t)grid onA=[-1 -1;6.5 0] B=[3 3;1 0];C=[1 0];D=[0 0];t=0.01:10;sys=ss(A,B,C,D); step(sys,t)grid onA=[-1 -1;6.5 0] B=[1 1;1 0];C=[5 0];D=[0 0];t=0.01:10;sys=ss(A,B,C,D); step(sys,t)grid on通过编程求系统的单位阶跃响应曲线。