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⾃动控制原理实验指导书⽬录第⼀章⾃动控制原理实验 (1)实验⼀典型环节模拟⽅法及动态特性 (1)实验⼆典型⼆阶系统的动态特性 (4)实验三典型调节规律的模拟电路设计及动态特性测试 (6)实验四调节系统的稳态误差分析 (8)实验五三阶系统模拟电路设计及动态特性和稳定性分析 (11)实验六单回路系统中的PI调节器参数改变对系统稳定性影响 (13)实验七典型⾮线性环节的模拟⽅法 (15)实验⼋线性系统的相平⾯分析 (17)第⼆章控制理论实验箱及DS3042M（40M）⽰波器简介 (19)第⼀节⾃动控制理论实验箱的简介 (19)第⼆节数字存储⽰波器简介 (20)第⼀章⾃动控制原理实验实验⼀典型环节模拟⽅法及动态特性⼀、实验⽬的1、掌握⽐例、积分、实际微分及惯性环节的模拟⽅法。
2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性。
⼆、实验设备及器材配置1、⾃动控制理论实验系统。
2、数字存储⽰波器。
3、数字万⽤表。
4、各种长度联接导线。
三、实验内容分别模拟⽐例环节、积分环节、实际微分环节、惯性环节，输⼊阶跃信号，观察变化情况。
1、⽐例环节实验模拟电路见图1-1所⽰传递函数：K R R V V I -=-=120阶跃输⼊信号：2V实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K（2） R 1=100K R 2=200K2、积分环节实验模拟电路见图1-2所⽰传递函数：ST V V I I O 1-= ，其中T I阶跃输⼊信号：2V 实验参数：（1） R=100K C=1µf（2） R=100K C=2µf 3、实际微分环节实验模拟电路见图1-3所⽰传递函数：K ST S T V V D D I O +-=1 其中 T D =R 1C K=12R R 阶跃输⼊信号：2V实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K （2）R 1=100K R 2=200K C=1µf4、惯性环节实验模拟电路见图1-4所⽰传递函数：1+-=TS K V V I O 其中 T=R 2C K=12R R 阶跃输⼊：2V 实验参数：（1） R 1=100K R 2=100K C=1µf（2） R=100K R 2=100K C=2µfR四、实验步骤1、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节。
自动控制原理实验目录实验一二阶系统阶跃响应（验证性实验） (1)实验三控制系统的稳定性分析（验证性实验） (9)实验三系统稳态误差分析（综合性实验） (15)预备实验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，了解电路参数对环节特性的影响。
2.学习典型环节阶跃响应测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节传递函数。
二、实验内容搭建下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。
1.比例(P)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-1。
2.惯性(T)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-2。
3.积分(I)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-3。
4. 比例积分(PI)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-4。
5.比例微分(PD)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-5。
6.比例积分微分(PID)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-6。
三、实验报告1.画出惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的各环节的阶跃响应曲线。
2.由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由模拟电路计算的结果相比较。
附1：预备实验典型环节及其阶跃响应效果参考图比例环节阶跃响应惯性环节阶跃响应积分环节阶跃响应比例积分环节阶跃响应比例微分环节阶跃响应比例积分微分环节阶跃响应附2：由模拟电路推导传递函数的参考方法1． 惯性环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：整理得进一步简化可以得到如果令R 2/R 1=K ，R 2C=T ，则系统的传递函数可写成下面的形式：()1KG s TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时 则有输入U 1(s)=1输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 1KTS-+由拉氏反变换可得到单位脉冲响应如下：/(),0t TK k t e t T-=-≥ 当输入r(t)为单位阶跃函数时 则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 11K TS s-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：/()(1),0t T h t K e t -=--≥当输入r(t)为单位斜坡函数时 则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2323R R C T R R =+2Cs12Cs-(s)U R10-(s)U 21R R +-=12212)Cs (Cs 1(s)U (s)U )(G R R R s +-==12212)Cs 1((s)U (s)U )(G R R R s +-==由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：/()(1),0t T c t Kt KT e t -=--≥2． 比例微分环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：(s)(s)(s)(s)(s)U100-U U 0U 2=1R1R23(4)CSU R R '''---=++由前一个等式得到 ()1()2/1U s U s R R '=- 带入方程组中消去()U s '可得1()1()2/11()2/12()1134U s U s R R U s R R U s R R R CS+=--+由于14R C〈〈，则可将R4忽略，则可将两边化简得到传递函数如下： 2()23232323()(1)1()11123U s R R R R R R R R G s CS CS U s R R R R R ++==--=-++如果令K=231R R R +， T=2323R R C R R +，则系统的传递函数可写成下面的形式：()(1)G s K TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时，单位脉冲响应不稳定，讨论起来无意义 当输入r(t)为单位阶跃函数时 则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=(1)K TS S-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：()(),0h t KT t K t δ=+≥当输入r(t)为单位斜坡函数时 则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2(1)K TS S -+由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：(),0c t Kt KT t =+≥实验一 二阶系统阶跃响应（验证性实验）一、实验目的研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响。
自动控制原理实验指导书电力学院自动控制原理实验室二○○八年三月目录实验一典型环节的电路模拟与软件仿真 (2)实验二线性定常系统的瞬态响应 (6)实验三线性系统稳态误差的研究 (8)实验四系统频率特性的测量 (11)实验五线性定常系统的串联校正 (13)附： THBDC-1控制理论.计算机控制技术实验平台简介 (16)实验一典型环节的电路模拟与软件仿真一、实验目的1．熟悉并掌握THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台及上位机软件的使用方法。
2．熟悉各典型环节的电路传递函数及其特性，掌握典型环节的电路模拟与软件仿真研究。
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．THBDC-1型控制理论·计算机控制技术实验平台2．PC机1台(含上位机软件) USB数据采集卡37针通信线1根16芯数据排线USB接口线3．双踪慢扫描示波器1台(可选)4．万用表1只三、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；3．在上位机界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等典型环节按一定的关系连接而成。
熟悉这些环节对阶跃输入的响应，对分析线性系统将是十分有益的。
在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论的阶跃响应曲线和环节的模拟电路图。
五、实验步骤1．熟悉实验台，利用实验台上的各电路单元，构建所设计比例环节(可参考本实验附录)的模拟电路并连接好实验电路；待检查电路接线无误后，接通实验台的电源总开关，并开启±5V，±15V直流稳压电源。
2．把采集卡接口单元的输出端DA1、输入端AD2与电路的输入端U i相连，电路的输出端U o则与采集卡接口单元中的输入端AD1相连。
连接好采集卡接口单元与PC上位机的通信线。
自动控制原理实验指导书信息工程学院自动化教研室目录目录...................................................... 错误！未定义书签。
第一章虚拟示波器........................................... 错误！未定义书签。
第一节虚拟示波器的类型................................. 错误！未定义书签。
第二节虚拟示波器的使用................................. 错误！未定义书签。
第二章自动控制原理实验..................................... 错误！未定义书签。
实验一典型环节的模拟研究............................... 错误！未定义书签。
实验二典型二阶系统瞬态响应和稳定性 (12)实验三控制系统的频率特性 (15)实验四系统校正 (20)实验五典型非线性环节 (24)附录一 LCAACT集成调试环境 (31)第一节 LCAACT软件界面介绍 (31)第二节第二节 88串行监控命令 (43)第三节 LCAACT软件调试 (46)第四节快速入门 (48)第一章虚拟示波器第一节虚拟示波器的类型虚拟示波器的类型为了满足自动控制不同实验的要求我们提供了示波器的三种使用方法。
（1）示波器的一般用法（2）幅频相频示波器的用法（3）特征曲线的用法第二节虚拟示波器的使用一．设置用户可以根据不同的要求选择不同的示波器，具体设置方法如下：1．示波器的一般用法：运行LCAACT程序，点击开始即可当作一般的示波器使用。
2. 实验使用：运行LCAACT程序，选择‘自动控制 / 微机控制 / 控制系统’菜单下的相应实验项目，再选择开始实验，就会弹出虚拟示波器的界面，点击开始即可使用本实验机配套的虚拟示波器（B3）单元的CH1、CH2测孔测量波形。
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。
目录实验一控制系统典型环节的模拟 (1)实验二二阶系统的瞬态响应分析 (4)实验三线性系统稳态误差的研究 (6)实验四线性系统的频率特性的测试 (9)实验五自动控制系统的动态校正 (10)实验六典型非线性环节的静态特性 (14)实验七非线性系统的描述函数法 (19)实验八非线性系统的相平面分析法 (25)实验九控制系统极点的任意配置 (30)实验十具有内部模型的状态反馈控制系统 (36)实验十一状态观测器及其应用 (41)实验十二采样控制系统的分析 (44)实验十三采样控制系统的动态校正 (47)实验一 控制系统典型环节的模拟 一、 实验目的 1、掌握用运放组成控制系统典型环节的电子电路2、测量典型环节的阶跃响应曲线3、通过实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响二、 实验仪器1、自控原理电子模拟实验箱一台2、电脑一台（虚拟示波器）3、万用表一只三、 实验原理以运算放大器为核心元件，由其不同的R-C 输入网络和反馈网络组成的各种典型环节，如图1-1所示。
图中Z1和Z2为复数阻抗，它们都是由R 、C 构成。
基于图中A 点的电位为虚地，略去流入运放的电流，则由图1-1得： 120)(Z Z U U s G i =-= (1) 由上式可求得由下列模拟电路组成的典型环节的传递函数及其单位阶跃响应。
1、比例环节比例环节的模拟电路如图1-2所示：图1-1、运放的反馈连接 1212)(R R Z Z s G == (2)图1-2 比例环节取参考值K R 1001=，K R 2002=；或其它的阻值。
2、惯性环节惯性环节的模拟电路如图1-3所示：111/1/)(21212212+=+•=+==TS K CS R R R R CS R CSR Z Z s G (3)图1-3 惯性环节取参考值K R 1001=，K R 1002=，uF C 1=。
3、积分环节积分环节的模拟电路如图1-4所示：TSRCS R CS Z Z s G 111)(12==== (4)图1-4 积分环节取参考值K R 200=，uF C 1=。
《自动控制原理》实验指导书梅雪罗益民袁启昌许必熙南京工业大学自动化学院目录实验一典型环节的模拟研究--------------------------1 实验二典型系统时域响应和稳定性-------------------10 实验三应用MATLAB进行控制系统根轨迹分析----------15 实验四应用MATLAB进行控制系统频域分析------------17 实验五控制系统校正装置设计与仿真-----------------19 实验六线性系统校正-------------------------------22 实验七线性系统的频率响应分析---------------------26 附录：TDN—ACP自动控制原理教学实验箱简介----------31实验一 典型环节的模拟研究一． 实验目的1．熟悉并掌握TD-ACC +设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。
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。
对比差异、分析原因。
3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二．实验内容下面列出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)A 方框图：如图1.1-1所示。
图1.1-1B 传递函数：K S Ui S Uo =)()( C 阶跃响应：)0()(≥=t Kt U O 其中 01/R R K =D 模拟电路图：如图1.1-2所示。
图1.1-2注意：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100K 的电阻，实验中不需要再接。
以后的实验中用到的运放也如此。
E 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)A ．方框图：如右图1.1-3所示。
图1.1-3B ．传递函数：TSS Ui S Uo 1)()(=C ．阶跃响应： )0(1)(≥=t t Tt Uo 其中 C R T 0=D ．模拟电路图：如图1.1-4所示。
《自动控制原理》实验指导书31000字实验一、开关量控制与监测实验目的：掌握开关量控制与监测的基本原理及方法。
实验器材：PC机、PLC编程软件、PLC编程器、PLC实验箱、直流电源、继电器、开关。
实验内容：1. 使用PLC编程软件进行PLC的程序编写。
2. 使用直流电源作为控制电源，将继电器与开关连接，利用PLC实现开关量控制和监测。
实验步骤：1. 利用PLC编程软件进行PLC的程序编写。
2. 将直流电源的正极与继电器的常闭端相连，继电器的常开端与开关相连。
3. 将开关的另一端与PLC的输入端相连，PLC的输出端与继电器的控制端相连。
4. 将直流电源的负极与PLC实验箱的接地端相连。
5. 将PLC编程器连接到PC机上，将编写好的程序下载到PLC实验箱中。
6. 按下开关，观察继电器的输出，检查程序的正确性。
实验结果：1. 开关按下，PLC输出信号，继电器吸合。
2. 开关松开，PLC输出信号，继电器断开。
实验二、模拟量采集和控制实验目的：掌握模拟量采集和控制的基本原理及方法。
实验器材：PC机、PLC编程软件、PLC编程器、PLC实验箱、直流电源、电位器、LED灯。
实验内容：1. 使用PLC编程软件进行PLC的程序编写。
2. 使用电位器作为模拟量输入信号源，利用PLC采集电位器的模拟量信号，并控制LED灯的亮度。
实验步骤：1. 利用PLC编程软件进行PLC的程序编写。
2. 将电位器的信号通过模拟量转换模块输入到PLC的模拟量输入端。
3. 利用PLC的模拟量比较指令，将电位器的模拟量信号转换成数字量信号。
4. 根据数字量输出信号的状态，控制LED灯的亮度。
5. 将直流电源的负极与PLC实验箱的接地端相连。
6. 将PLC编程器连接到PC机上，将编写好的程序下载到PLC实验箱中。
7. 调节电位器，观察LED灯的亮度变化。
实验结果：1. 电位器调整时，模拟量输入信号发生变化。
2. 根据模拟量输入信号的大小，PLC输出数字量信号，控制LED灯的亮度。
目录第一章自动控制原理实验 (3)1.1线性系统的时域分析 (3)1.1.1典型环节的模拟研究 (3)1.1.1.1比例环节 (3)1.1.1.2惯性环节 (3)1.1.1.3积分环节 (4)1.1.1.4比例积分环节 (4)1.1.1.5比例微分环节 (5)1.1.1.6 PID（比例积分微分）环节 (5)1.1.2二阶系统瞬态响应和稳定性 (6)1.1.3三阶系统的瞬态响应和稳定性 (7)1.2线性系统的频域分析 (8)1.2.1一阶惯性环节的频率特性曲线 (8)1.2.2二阶闭环系统的频率特性曲线 (8)1.2.3二阶开环系统的频率特性曲线 (9)1.3线性系统的校正与状态反馈 (10)1.3.1频域法串联超前校正 (10)1.3.2频域法串联迟后校正 (13)1.3.3时域法串联比例微分校正 (16)1.3.4时域法局部比例反馈校正 (18)1.3.5时域法微分反馈校正 (19)1.3.6线性系统的状态反馈及极点配置 (21)1.4非线性系统的相平面分析 (22)1.4.1典型非线性环节 (22)1.4.1.1 测量继电特性 (22)1.4.1.2 测量饱和特性 (23)1.4.1.3 测量死区特性 (23)1.4.1.4 测量间隙特性 (24)1.4.2二阶非线性控制系统 (24)1.4.2.1 继电型非线性控制系统 (24)1.4.2.2 饱和型非线性控制系统 (25)1.4.2.3 间隙型非线性控制系统 (25)1.4.3三阶非线性控制系统 (26)1.4.3.1 继电型非线性三阶控制系统 (26)1.4.3.2 饱和型非线性三阶控制系统 (27)第二章计算机控制技术实验 (28)2.1采样与保持 (28)2.1.1采样实验 (28)2.1.2采样控制 (28)2.2微分与数字滤波 (29)2.2.1一阶微分反馈控制 (29)2.2.2四点微分均值反馈控制 (30)2.2.3模拟一阶惯性数字滤波 (30)2.2.4四点加权平均数字滤波 (31)2.3数字PID控制 (31)2.3.1被控对象辨识 (34)2.3.1.1 对象开环辨识 (34)2.3.1.2 对象闭环辨识 (34)2.3.2二阶PID控制 (35)2.3.2.1 位置型PID控制 (35)2.3.2.2 增量型PID控制 (35)2.3.2.3 积分分离PID控制 (36)2.3.2.4 带死区PID控制 (37)2.3.2.5 Ⅰ型位置型PID控制 (37)2.3.2.6 Ⅰ型增量型PID控制 (38)2.3.2.7 带有延迟对象PID控制 (38)2.3.3三阶PID控制 (39)2.3.3.1 位置型PID控制 (39)2.3.3.2 Ⅰ型位置型PID控制 (40)2.3.3.3 Ⅰ型增量型PID控制 (40)2.3.4串级控制 (41)2.3.4.1 二阶串级PID控制 (42)2.3.4.2 三阶串级PID控制 (43)2.3.5比值控制 (43)2.3.5.1 单闭环比值PID控制 (44)2.3.5.2 双闭环比值PID控制 (45)2.3.6前馈-反馈控制 (45)2.3.6.1 静态前馈-反馈PID控制 (46)2.3.6.2 动态前馈-反馈PID控制 (47)2.3.7解耦控制 (47)2.3.7.1 静态前馈补偿解耦PID控制 (48)2.3.7.2 动态前馈补偿解耦PID控制 (51)2.4二阶位式控制 (51)2.5直接数字控制实验 (52)2.5.1大林算法控制 (52)2.5.1.1 大林算法控制（L=2） (53)2.5.1.2 消除振铃大林算法控制（L=2） (54)2.5.2最少拍控制 (54)2.5.2.1最少拍有纹波控制系统 (55)2.5.2.2最少拍无纹波控制系统 (56)第三章控制系统应用实验 (57)3.1直流电机PID控制 (57)3.2温度PID控制 (58)3.3温度PWM方式PID控制 (58)3.4温度位式控制 (59)3.5烤箱PWM方式PID控制 (60)3.6步进电机控制 (61)附录：验机与随机附件清单 (62)第一章 自动控制原理实验1.1 线性系统的时域分析1.1.1典型环节的模拟研究1.1.1.1比例环节典型比例环节模拟电路如图1-1-1所示。
《自动控制原理》实验指导书梅雪罗益民袁启昌许必熙南京工业大学自动化学院目录实验一典型环节的模拟研究--------------------------1 实验二典型系统时域响应和稳定性-------------------10 实验三应用MATLAB进行控制系统根轨迹分析----------15 实验四应用MATLAB进行控制系统频域分析------------17 实验五控制系统校正装置设计与仿真-----------------19 实验六线性系统校正-------------------------------22 实验七线性系统的频率响应分析---------------------26 附录：TDN—ACP自动控制原理教学实验箱简介----------31实验一 典型环节的模拟研究一． 实验目的1．熟悉并掌握TD-ACC +设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。
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。
对比差异、分析原因。
3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二．实验内容下面列出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)A 方框图：如图1.1-1所示。
图1.1-1B 传递函数：K S Ui S Uo =)()( C 阶跃响应：)0()(≥=t Kt U O 其中 01/R R K =D 模拟电路图：如图1.1-2所示。
图1.1-2注意：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100K 的电阻，实验中不需要再接。
以后的实验中用到的运放也如此。
E 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)A ．方框图：如右图1.1-3所示。
图1.1-3B ．传递函数：TSS Ui S Uo 1)()(=C ．阶跃响应： )0(1)(≥=t t Tt Uo 其中 C R T 0=D ．模拟电路图：如图1.1-4所示。
图1.1-4(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：如图1.1-5所示。
图1.1-5(2) 传递函数： TSK S Ui S Uo 1)()(+=(3) 阶跃响应： )0(1)(≥+=t t TK t Uo 其中1/R R K =；C R T 0=(4) 模拟电路图：如图1.1-6所示。
图1.1-6(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：如图1.1-7所示。
图1.1-7(2) 传递函数：1)()(+=TS KS Ui S Uo 。
(3) 模拟电路图：如图1.1-8所示。
图1.1-8(4) 阶跃响应：)1()(Tt eK t Uo --=，其中01/R R K =；C R T 1=(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 。
5．比例微分环节 (PD)(1) 方框图：如图1.1-9所示。
图1.1-9(2) 传递函数：)1()()(TS K S Ui S Uo +=(3) 阶跃响应：K t KT t Uo +)(=δ)(。
其中021R R R K +=，CR R R R T 2121+=，)t (δ为单位脉冲函数，这是一个面积为ｔ的脉冲函数，脉冲宽度为零，幅值为无穷大，在实际中是得不到的。
(4) 模拟电路图：如图1.1-10所示。
图1.1-10(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照：① 取R0 = R2 = 100K ，R3 = 10K ，C = 1uF ；R1 = 100K 。
② 取R0=R2=100K ，R3=10K ，C=1uF ；R1=200K 。
6．比例积分微分环节 (PID)(1) 方框图：如图1.1-11所示。
图1.1-11(2) 传递函数：STSTKSUiSUodiP++=1)()((3) 阶跃响应：tTKtTtUoipd1)()(++=δ。
其中)t(δ为单位脉冲函数，1RRKP=；1CRTi=；221RCRRTd=(4) 模拟电路图：如图1.1-12所示。
图1.1-12(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照：①取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 100K。
②取R2 = R3 = 10K，R0 = 100K，C1 = C2 = 1uF；R1 = 200K。
三、实验设备及仪器1．PC机一台；2．TD-ACC+实验系统一套；3．万用表。
四. 注意事项1．连接通信线时，应首先关闭电源。
在使用中如果出现不能通讯的情况。
请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。
2．在使用中如果出现不能通讯的情况。
请先按实验仪上的复位键，使系统复位，按键盘上的“ESC”键，观察通讯是否正常，如果仍然不能通讯，请重新启动计算机，再次连接。
3．连接导线在插拔时，应抓住连接端头，不能拔导线。
五. 实验方法及步骤1．按1.1.3节中所列举的比例环节的模拟电路图将线接好。
检查无误后开启设备电源。
2．将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。
由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。
将开关分别设在“方波”档和“500ms～12s”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。
3．将2中的方波信号加至环节的输入端Ui，用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分别监测模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际响应曲线U0(t)，记录实验波形及结果。
4．改变几组参数，重新观测结果。
5．用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比例积分微分环节的模拟电路图。
观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实验波形及结果。
六. 实验报告内容与要求1．画出各模拟电路图；2．写出各模拟电路图的传递函数；3．分别画出理想阶跃响应曲线和实测阶跃响应曲线。
七. 思考1．分析各模拟电路中的元件参数对阶跃响应的影响。
2．实验中模拟电路出现的故障，如何排除。
实验二 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．实验内容1． 典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图1.2-1所示。
图1.2-1(2) 对应的模拟电路图：如图1.2-2所示。
图1.2-2(3) 理论分析系统开环传递函数为：)1()1()(101101+=+=S T S T K S T S T K S G ；开环增益01T K K =。
(4) 实验内容先算出临界阻尼、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(图1.2-2)，s T 10=， s T 2.01=，R K 2001= R K 200=⇒系统闭环传递函数为：KS S KS S S W n n n ++=++=52)(2222ωζωω其中自然振荡角频率：RT K n 10101==ω；阻尼比：401025Rn==ωζ。
2． 典型的三阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图1.2-3所示。
图1.2-3(2) 模拟电路图：如图1.2-4所示。
图1.2-4(3) 理论分析系统的开环传函为:)15.0)(11.0(500)()(++=S S S R S H S G (其中R K 500=)，系统的特征方程为:02020120)()(123=+++⇒=+K S S S S H S G 。
(4) 实验内容实验前由Routh 判断得Routh 行列式为：S 31 20 S 212 20K S 1 (-5K/3)+20 0 S 0 20K 0为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 ⎪⎩⎪⎨⎧>>+-02002035K K得： 0 < K < 12 ⇒ R > 41.7KΩ 系统稳定 K = 12 ⇒ R = 41.7KΩ 系统临界稳定 K > 12 ⇒ R < 41.7KΩ 系统不稳定三．实验设备及仪器1．PC 机一台；2．TD-ACC +实验系统一套； 3．万用表。
四．注意事项1．参考实验一。
2．在做实验前一定要进行对象整定 ，否则将会导致理论值和实际测量值相差较大。
五. 实验方法与步骤1． 信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。
由于每个运放单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。
将开关分别设在“方波”档和“500ms ～12s ”档，调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。
2． 典型二阶系统瞬态性能指标的测试(1) 按模拟电路图1.2-2接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 10K 。
(2) 用示波器观察系统响应曲线C(t)，测量并记录超调M P 、峰值时间t p 和调节时间t S 。
(3) 分别按R = 20K ；40K ；100K ；改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记录性能指标M P 、t p 和t S ，及系统的稳定性。
并将测量值和计算值进行比较 (实验前必须按公式计算出)。
将实验结果填入表1.2-1中。
表1.2-2中已填入了一组参考测量值，供参照。
3．典型三阶系统的性能(1) 按图1.2-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 30K。
(2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。
(3) 减小开环增益 (R = 41.7K；100K)，观察响应曲线，并将实验结果填入表 1.2-3中。
表1.2-4中已填入了一组参考测量值，供参照。
六. 实验报告内容与要求1．画出模拟电路图，写出对象的传递函数。
2．填写典型二阶系统瞬态性能指标实验测试值（见表1.2-1）。
表1.2-13．填写三阶系统在不同开环增益下的响应情况实验测试值（见表1.2-2）表1.2-2表1.2－4七. 思考分析R 参数对21ζζπδ--=e p 、2np 1t ζ-ωπ=、n s 4t ζω=，21p e 1)t (C ζ-ζπ-+=等质量指标的影响。
实验三 应用MATLAB 进行控制系统的根轨迹分析一、实验目的1. 学习MATLAB 在控制系统中的应用； 2．熟悉MATLAB 在绘制根轨迹中的应用；2. 掌握控制系统根轨迹绘制，应用根轨迹分系统性能的方法。
