自动控制原理实验一

自动控制原理实验实验1 控制系统典型环节的模拟利用运算放大器的基本特性，如：开环增益高，输入阻抗大、输出阻抗小等，通过设置不同的反馈网络，可以模拟各种典型环节。

一．实验目的● 掌握用运算放大器组成控制系统典型环节的电子电路原理。

● 观察几种典型环节的阶跃响应曲线。

● 了解参数变化对典型环节输出动态性能（即阶跃响应）的影响。

二．实验仪器● THSCC-1实验箱一台。

● 示波器一台。

三．实验内容 1．比例环节比例（P ）环节的方框图如图1-1所示。

图1-1比例环节方框图K Z Z S u S u S G i o ==-=12)()()(当输入为单位阶跃信号，即u i =-1V 时，u i （s ）=s 1，则u o （s ）=K s1，所以输出响应为：u o （t ）=K （t ≥0）。

比例环节实验原理图如图1-2所示。

选择：K=R2/R1=2，例如选择R2=820k ，R1=410k ，或选择R2=100k ，R1=51k 。

R2图1-2 比例环节实验原理图和输出波形实验步骤：（1）调整示波器：● 选择输入通道CH1或CH2。

● 逆时针调节示波器的时间旋钮“TIME/DIV ”到底，使光标为一点，并调节上下“位移”旋钮使光标位于0线上。

● 调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察，例如选择档位为1V 档。

● 将输入幅度档位选择开关中心的微调旋钮顺时针旋到底。

● 将信号选择开关打到DC 档。

（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负（绿灯亮）。

（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱的幅度旋钮。

使负跳变幅度为一格（即Ui=-1V ）。

（4）接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。

预习思考：输出幅度跳变应为……? 2.惯性环节惯性环节实验原理图如图1-3所示。

其传递函数为：11)()()(+==TS Ks u s u S G i o ， K= R2/R1，T=R2*C 当输入为单位阶跃信号，即u i （t ）=-1V 时，u i （s ）=S 1，则u o （s ）=S11TS 1⋅+ 所以输出响应为u o （t ）=)e1(K Tt--。

《自控原理实验报告》实验名称：实验一控制系统的电子模拟实验实验数据记录与分析：除比例环节和积分换节外，输出信号均接入一反相器再输入至示波器CH2通道。

1.比例环节R0=200K、R1=100K时传递环数G(s)=0.5，响应函数曲线如图所示R0=200K、R1=500K时传递环数G(s)=2.5，响应函数曲线如图所示结论：理论上，由于G(s)=Uin/Uout=R1/R0，当R1=100K变化到500K时，在输入信号不变的情况下，输出信号幅值应当变为原来的5倍。

由虚拟示波器图像可知输出红线（CH2）代表Uout，当R1=100K变化到500K时，其幅值变为原来的5倍。

这一结果符合理论分析结果。

2.积分环节R0=500K、C=1uF时传递环数G(s)=2/s，响应函数曲线如图所示R0=500K、C=2uF时传递环数G(s)=1/s，响应函数曲线如图所示R0=500K、C=3uF时传递环数G(s)=2/3s，响应函数曲线如图所示结论：理论上，由于G(s)分别为2/s、1/s、2/3s，可知响应曲线图像为斜率分别为2、1、1.5的直线，在输入信号为1V、1Hz的方波时，在有信号输入的阶段响应曲线上升但是斜率不相同，在无信号输入的阶段响应曲线保持不变。

由虚拟示波器图像可知输出红线（CH2）代表Uout。

结果符合理论分析结果。

3.惯性环节R0=200K、R1=200K、C=1uF时测量所得时间常数T=201.667ms理论上，传递环数G(s)=1/(0.2s+1),时间常数理论值为0.2s，响应函数曲线如图所示R0=200K、R1=200K、C=2uF时测量所得时间常数T=416.667ms理论上，传递环数G(s)=1/(0.4s+1),时间常数理论值为0.4s，响应函数曲线如图所示R0=200K、R1=100K、C=1uF时测量所得时间常数T=120ms理论上，传递环数G(s)=0.5/(0.1s+1),时间常数理论值为0.1s，响应函数曲线如图所示结论：实验测得时间常数与理论值基本符合。

实验一典型系统的时域响应和稳定性分析一、实验目的1．研究二阶系统的特征参量(ξ、ωn) 对过渡过程的影响。

2．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。

3．熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。

二、实验设备PC机一台，TD-ACC+教学实验系统一套。

三、实验原理及内容1．典型的二阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1-1所示。

图1-1(2)图1-2(3) 理论分析系统开环传递函数为：G(s)=K1T0⁄s(T1s+1)开环增益：K= K1T0⁄先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。

在此实验中由图1-2，可以确地1-1中的参数。

T0= 1s , T1= 0.1s ,K1= 200R , K= 200R系统闭环传递函数为：W(s)=5Ks2+5s+5K其中自然振荡角频率：?n ω= 10√10R；阻尼比：?ζ= √10R402．典型的三阶系统稳定性分析(1) 结构框图：如图1-3所示。

图1-3(2) 模拟电路图：如图1-4所示。

图1-4(3) 理论分析系统的开环传函为: G(s)H(s)=20K s 3+12s 2+20s系统的特征方程为:1()()0G s H s += : s 3+12s 2+20s+20K=0 (4) 实验内容实验前由Routh 判断得Routh 行列式为：S 3 1 20 S 2 12 20K S 1 20-5/3*K 0 S 0 20K为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，因此可以确定系统稳定 K 值的范围 : 0<K <12 R >41.7k系统临界稳定K: K=12 R =41.7k 系统不稳定K 值的范围: K >12 R <41.7k四、实验步骤1）将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”短接。

自动控制理论实验报告姓名学号班级同组人实验一典型系统的阶跃响应分析一、实验目的1. 熟悉一阶系统、二阶系统的阶跃响应特性及模拟电路；2. 测量一阶系统、二阶系统的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响；3. 掌握系统动态性能的测试方法。

二、实验内容1. 设计并搭建一阶系统、二阶系统的模拟电路；2. 观测一阶系统的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；σ、3. 观测二阶系统的阻尼比0<ξ<1时的单位阶跃响应曲线；并求取系统的超调量%调节时间t s(Δ= ±0.05)；并研究参数变化对其输出响应的影响。

三、实验结果（一）一阶系统阶跃响应研究1. 一阶系统模拟电路如图1-1所示，推导其传递函数G（s）=K/(Ts+1)，其中R0=200K。

图1-1 一阶系统模拟电路2. 将阶跃信号发生器的输出端接至系统的输入端。

3. 若K=1、T=1s时，取：R1=100K，R2=100K，C=10uF（K= R2/ R1=1，T=R2C=100K×10uF=1）。

当T=1，光标为起点和终值：光标为起点和0.95的终值：传递函数为:(R2/R1)/(R2CS+1)4 若K=1、T=0.1s时，重复上述步骤（R1=100K，R2=100K，C=1uF(K= R2/ R1=1,T=R2C=100K×1uF=0.1)）。

当T=0.1时，光标为起点和终值;光标为起点和0.95终值:6. 保存实验过程中的波形，记录相关的实验数据.，参数变化对系统动态特性的影响分析。

传递函数为:(R2/R1)/(R2CS+1), t=3T ，当T 减小需要达到稳定的时间也会减少，（二）二阶系统阶跃响应研究二阶系统模拟电路如图1-2所示，Rx 阻值可调范围为0～470K 。

图1-2 二阶系统模拟电路传递函数为1. n ω值一定（取10n ω=）时：1.1 当ξ=0.2时，各元件取值：C=1uF ，R=100K ， R X =250K （实际操作时可用200k+51k=251k 代替），理论计算系统的%σ，t s (Δ= ±0.05)，记录此时系统的阶跃响应曲线（阶跃信号的幅值自定），在曲线上求取系统的%σ，t s (Δ= ±0.05)，并与理论值进行比较。

实验一 典型环节的模拟研究一、实验目的：1． 了解并掌握XG2003自控理论教学实验系统模拟电路的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。

2． 熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。

3． 了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、实验要求：1． 观测各种典型环节的阶跃响应曲线。

2． 观测参数变化对典型环节阶跃响应的影响。

三、实验仪器：1． XG2003教学实验板 一台 2． 示波器一台 3． 万用表一块四、实验原理和电路：本实验是利用运算放大器的基本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等），设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。

典型环节块图及其模拟电路如下：1．比例（P ）环节。

其方块图如图1-1A 所示。

图1-1B 比例环节模拟电路比例环节的模拟电路如图1—1B 所示，其传递函数为1)()(R R s Ui s Uo = (1-2)比较式(1-1)和(1-2)得 K = R1/R0 (1-3)当输入为单位阶跃信号时，即)()(t l t U i = 时，SS U i 1)(=则由式(1-1)得 SKS U 1)(0= ， 所以输出响应为 K t U =)(0 (t ≥0) (1-4) 其输出方波如图1-1C 。

2．积输分（I ）环节。

其方块图如图1—2A 所示。

图1-1C 比例环节输出波形图 图1-2A 积分环节方块图 其传递函数为TSs Ui s Uo 1)()(=(1-5) 积分环节的模拟电路如图1—2B 所示。

图1-2B 积分环节模拟电路 积分环节模拟电路的传递函数为RoCSs Ui s Uo 1)()(=(1-6) 比较式(1-5)和(1-6)得C R T 0= 当输入为单位阶跃信号，即)()(t l t U i =时，S S U i 1)(=，则由式(1-5)得到TS S U 1)(0=·S 1=21TS 所以输出响应为：t T t U 1)(0=其输出波形如图1-2C 所示。

实验1 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。

实验原理：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。

实验内容及步骤实验内容：观测比例、惯性和积分环节的阶跃响应曲线。

实验步骤：分别按比例，惯性和积分实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行。

①按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(U i)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。

实验数据实验二控制系统典型环节的模拟实验（二）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。

实验仪器1．自动控制系统实验箱一台2．计算机一台实验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。

实验内容及步骤内容：观测PI，PD和PID环节的阶跃响应曲线。

步骤：分别按PI，PD和PID实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行①按各典型环节的模拟电路图将线接好。

⾃动控制原理（实验指导书）⽬录实验⼀典型环节的模拟研究（验证型）（2）实验⼆典型系统的瞬态响应和稳定性（设计型）（9）实验三动态系统的数值模拟（验证型）（15）实验三动态系统的频率特性研究（综合型）（16）实验四动态系统的校正研究（设计型）（18）附录XMN—2学习机使⽤⽅法简介（20）实验⼀典型环节的模拟研究⼀、实验⽬的:1、了解并掌握XMN-2型《⾃动控制原理》学习机的使⽤⽅法，掌握典型环节模拟电路的构成⽅法，培养学⽣实验技能。

2、熟悉各种典型线性环节的阶跃响应曲线。

3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

⼆、实验设备Uo(S)=（K+TS 1）S1?)1()()(21210210CS R R RR R R R S U S U i +++≈（1-19）⽐较式(1-17)和(1-19)得K=21R R R +T=C R R R R ?+2121 （1-20）当输⼊为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S 。

则由式（1-17）得到111)()(23111022100210++?+++=S C R S C R C R C R S C R R R R S U S U i (1-24) 考虑到R 1》R 2》R 3，则式（1-24）可近似为S C R R R S C R R R S U S U i 2021100101)()(++≈（1-25）⽐较式(1-23)和(1-25)得K P =1R R ， T 1=R 0C 1T D =2021C R R R ? （1-26）当输⼊为单位阶跃信号,即Ui(t)=1(t)时,Ui(S)=1/S 。

则由式（1-23）得到U o (S)=（K P +ST 11+T D S ）S 1?五、实验报告要求：1、实验前计算确定典型环节模拟电路的元件参数各⼀组，并推导环节传递函数参数与模拟电路电阻、电容值的关系以及画出理想阶跃响应曲线。

2、实验观测记录。

实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。

二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。

三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。

四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。

熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。

本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。

图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。

1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。

图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。

2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。

它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。

TsS U S U s G i O 1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CS R R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。

自动控制原理实验实验一 典型环节的电模拟及其阶跃响应分析一、实验目的⑴ 熟悉典型环节的电模拟方法。

⑵ 掌握参数变化对动态性能的影响。

二、实验设备⑴ CAE2000系统（主要使用模拟机，模/数转换，微机，打印机等）。

⑵ 数字万用表。

三、实验内容１．比例环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t Kr t c -= 传递函数 =)(s G )()(s R s C K -= 负号表示比例器的反相作用。

模拟机排题图如图9-1所示，分别求取K=1，K=2时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

图9-1 比例环节排题图 图9-2 积分环节排题图 ２．积分环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()(t r dtt dc T= 传递函数 sKTs s G ==1)(模拟机排题图如图9-2所示，分别求取K=1，K=0.5时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

３．一阶惯性环节的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(t Kr t c dtt dc T=+ 传递函数 1)(+=TS KS G模拟机排题图如图３所示，分别求取K=1, T=1; K=1, T=2; K=2, T=2 时的阶跃响应曲线，并打印曲线。

４．二阶系统的模拟及其阶跃响应微分方程 )()()(2)(222t r t c dt t dc T dt t c d T =++ξ传递函数 121)(22++=Ts s T s G ξ2222nn n s s ωξωω++= 画出二阶环节模拟机排题图，并分别求取打印： ⑴ T=1，ξ=0.1、0.5、1时的阶跃响应曲线。

⑵ T=2，ξ=0.5 时的阶跃响应曲线。

四、实验步骤⑴ 接通电源，用万用表将输入阶跃信号调整为2V 。

⑵ 调整相应系数器；按排题图接线，不用的放大器切勿断开反馈回路（接线时，阶跃开关处于关断状态）；将输出信号接至数/模转换通道。

⑶ 检查接线无误后，开启微机、打印机电源；进入CAE2000软件，组态A/D ，运行实时仿真；开启阶跃输入信号开关，显示、打印曲线。