自动控制原理实验指导书
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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 S
T 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。
2、利⽤实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，并研究参数改变对
典型环节阶跃特性的影响。绘出响应曲线。3、分析实验结果，完成实验报告。
实验⼆ 典型⼆阶系统的动态特性
⼀、实验⽬的1、学习和掌握⼆阶系统动态性能指标的测试⽅法
2、了解⼆阶系统动态指标和阻尼⽐的关系。
3、研究⼆阶系统参数改变对系统动态性能和稳定性的影响
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
观测⼆阶系统的阶跃响应曲线，测出其超调量和调节时间，并研究
其参数变化对动态性能和稳定性的影响。1、典型⼆阶系统的模拟电路图：
2、典型⼆阶系统的⽅块图：
Vo
⽅块图中的具体参数请同学⾃⼰算出并填进去3、实验参数：
4、输⼊信号信号：2V
四、实验步骤：1、按典型⼆阶系统的模拟电路图在实验设备上接好线，分别观察各组
参数的阶跃响应曲线，并记录响应曲线。2、计算各组参数的阻尼⽐、超调量、调整时间和衰减率的值，并填写下
表。3、总结⼆阶系统动态指标和阻尼⽐的关系。
4、分析实验结果、完成实验报告。
实验三典型调节规律的模拟电路设计及动态特性测试
⼀、实验⽬的1、学习和掌握实现P、PI、PD、PID调节规律。
2、了解P、PI、PD、PID调节规律的动态特性及参数变化对动态特性的影响。3、学习⽤模拟电路来实现PID的实现⽅法。
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1、P调节器
实验模拟电路见图3-1所⽰
实验参数：
（1）R2= 100K R
1
= 100K
（2）R2= 200K R
1
= 100K
2、PI调节器
实验模拟电路见图3-2所⽰
实验参数：
（1）R2= 200K R
1= 200KC = 2µF
（2） R 2 = 200K R 1 = 100KC = 2µF
3、PD 调节器
实验模拟电路见图3-3所⽰
实验参数 ：
（1） R 1 = 100K R 2= 200KR 3 = 200K C = 1µF
（2） R 1= 100K R 2= 100KR 3= 200K C = 1µF
4、PID 调节器
实验模拟电路见图3-4所⽰
实验参数 ：
（1）R 1 = 33K R 2= 200KR 3= 200K
C 1= 1µF C 2 = 2µF
（2）R 1= 33K R 2= 100K 3C 1= 1µF C 2= 2µF5、设计⼀个由理想微分组成的PID 调节器，绘出模拟电路图，选取设
计参数，求出传递函数。
四、实验步骤1、分别连接各种调节规律实验模拟电路，输⼊信号2V 。
2、完成各种调节规律的阶跃特性测试，绘出响应曲线。
R V I R C
3、写出各种调节规律的传递函数。
4、分析实验结果，完成实验报告。实验四调节系统的稳态误差分析
⼀、实验⽬的1、了解系统的稳定误差和输⼊信号的形式（如阶跃信号、斜坡信号）的关
系。2、熟悉系统类型（0型、1型）和开环放⼤倍数K之间的联系。
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1、0型系统
0型系统的模拟电路见图4-1所⽰
0型系统的开环传递函数：3
)1(+TS K 其中 K=Ω
K R 100 T=100K Ω×C 注意 ：电阻、电容的单位 实验参数：
（1） R=100K C=1µf 或10µf
（2） R=510K C=1µf 或10µf2、1型系统
1型系统的模拟电路图，是把4-1所⽰的0型系统模拟电路中的3个
惯性环节当中的任意⼀变成积分环节即可。1型系统的开环传递函数：
2)1(+TS S T K I 其中 K=Ω
K R 100 T I =100K Ω×C T=100K Ω×C 注意 ：电阻、电容的单位
实验参数：
（1） R=50K C=1µf 或10µf（2） R=100K C=1µf 或10µf3、输⼊信号分两类：
（1）阶跃信号。
（2）斜坡信号。
四、实验步骤：1、分别连接0型系统和1型系统实验模拟电路。
2、分析从V 01和V 02输出的区别。
3、记录实验结果并绘出实验曲线。
4、把稳态误差的计算值和实际值的结果进⾏⽐较。
5、分析实验结果，完成实验报告。
提⽰：阶跃输⼊的稳态误差值对应0型系统和1型系统分别是1/（1+K）和0。斜坡输⼊的稳态误差值对应0型系统和1型系统分别是⽆穷⼤和1/K。
实验五三阶系统模拟电路设计及动态特性和稳定性分析
⼀、实验⽬的1、学习和掌握三阶系统动态性能指标的测试⽅法
2、研究三阶系统参数改变对系统动态性能和稳定性的影响。
3、根据系统的开环传递函数设计其模拟电路。
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
观察三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究参数变化对其动态性能和稳定性的影响。1、三阶系统的模拟电路图：
2、三阶系统的开环传函数： )
151.0)(11.0(++S S S K 其中K=X
R K Ω510 注意电阻单位⽤千欧 3、已知⼀系统的开环传递函数为：G （S ）H （S ）=2)
11.0(+S S K 由给出的系统开环传递函数设计出该闭环系统的模拟电路，求出该系统稳
定情况下K 的取值范围。
三、实验步骤1、写出系统的特征⽅程。
2、根据劳斯判据求出：
（1）系统稳定情况下的R X 取值范围。
（2）系统临界稳定情况下的R X 取值范围。
（3）系统不稳定情况下的R X 取值范围。3、按照三阶系统的模拟电路及R X 的值排好题。
4、分别绘出实验曲线。
5、分析实验结果，完成实验报告。
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
⼀、实验⽬的1、以四阶惯性对象为例，由边界稳定条件整定PI 调节器的参数，了解整
定过程。2、在单回路调节系统中，观察δ和T i 变化对调节系统的影响。
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、实验内容实验模拟电路图；
图中F 为所加输⼊（扰动）信号，V I =0为给定值，V o 为被调量。
四、实验步骤V I
1、先把调节器设为纯⽐例调节器，其⽐例带δ1=-2
1R R =-K 1（即⽐例调节器放⼤倍的倒数）。 2、将该闭环系统投⼊运⾏，通过调节δ的⼤⼩使此系统处于临界稳定状
态，求出此时的⽐例带（称临界⽐例带δK ）和临界振荡周T K 。3、由经验公式确定，衰减率为Φ=0.75时，PI 调节器参数为δ=2.2δK ，
T I = T K /1.2，由此确定PI 调节器中C 、R 1、R 2的数值（将C 取⼀定
值），根据所确定的参数值，将该闭环系统投⼊运⾏，测取扰动F=2V
时的响应曲线。3、在上述已整定的基础上，观察δ，T I 改变对系统稳定性的影响。
（1）将δ减⼩或增⼤，T I 不变，测取响应曲线。
（2）δ不变，将T I 减⼩或增⼤，测取响应曲线。4、分析实验结果，完成实验报告。
实验七典型⾮线性环节的模拟⽅法
⼀、实验⽬的1、了解并掌握典型⾮线性环节的静态特性。
2、了解并掌握典型⾮线性环节的模拟⽅法。
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1、具有继电特性的⾮线性环节
继电特性的参数由双向稳压管的稳压值与后⼀级运放放⼤倍数之积决定。2、饱和特性的⾮线性环节
