自动控制理论实验指导书

自动控制理论实验指导书

合肥工业大学电气与自动化实验中心

2010.11 1

实验注意事项

一：实验前要做好预习，明确实验目的、内容，拟订好实验线路，选定好参数，掌握实验步骤，并将这些内容写入预习报告中。

二：实验准备工作就绪后，应经指导老师检查无误方可实验。

三：应遵守实验室规则。

四：实验结束后，应把仪表、仪器、导线等收拾整齐。 2

目 录

实验一 典型环节的时域响应„„„„„„„„„„„„„„„„„3

实验二 典型系统的时域响应和稳定性分析 „„„„„„„„„„12

实验三 线性系统的校正 „„„„„„„„„„„„„„„„„„16

实验四 频率特性的测量 „„„„„„„„„„„„„„„„„„19 3 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TDN-AC/ACS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. 实验要求

1．观察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响应曲线的影响

三. 实验设备

1．TD-ACS 系列教学实验系统一套。

2．数字示波器一台。

3．连接导线。

四. 实验原理

下面列出了各典型环节的方框图、模拟电路图、传递函数、阶跃响应，实验前应熟悉了解。

1．比例环节（P )

( l ）方框图：

图1-1

( 2 ）模拟电路图：

图1-2 4 ( 3 ）传递函数： Uo(s)/Ui(s) = K = R1／R0

( 4 ）单位阶跃响应：Uo(t) = K (t≥0）其中K = R1／R0

( 5 ）理想与实际阶跃响应曲线对照。记录实际响应曲线进行对照并分析原因。

① 取RO = 200K ; R1 = 100K

② 取RO = 200K ; R1 = 200K

2. 积分环节(I)

前言

1 前 言

自动控制理论的形成和发展经历了近半个世纪的历程。现代数字计算机的迅速发展，为自动控制技术的应用开辟了广阔的前景。自动控制技术的广泛应用不仅能够使生产设备或过程实现自动化，而且在人类征服大自然、探索新能源、发展空间技术和改善人民生活等方面都起着极其重要的作用。

“自动控制原理”是自动控制、自动化、电子技术、电气技术、精密仪器等专业教学中的—门重要专业基础课程。 实验作为感性认知的重要渠道构成教学环节中必不可少的一环。上海埃威航空电子有限公司推出了爱迪克labACT自控/计控原理教学实验系统。本公司隶属于航空工业总公司第615研究所，我们一贯以航空产品的要求来研制和生产产品，我们的口号是：“用户至上，质量第一，追求卓越，不断改进”。

爱迪克labACT自控/计控原理教学实验系统具有以下突出特点，有效地提高了实验系统的实验效果和性价比：

1、采用模块式结构，可构造出各种型式和阶次的模拟环节和控制系统。被控实验对象构建方便，含有9个放大器和一个比较器， 0~999.9KΩ的直读式可变电阻和0~0.7uf的直读式可变电容。标准实验部分只需使用短路套连接即可，直观且简化了实验操作和设备管理。扩充环节可以灵活搭建多种不同参数的系统。

2、元器件的选用上，我们都采用了较高精度元器件。例如放大器采用了高精度、低漂移的OP07，电阻选用0.5%精度，电容选用5%精度，使之实验结果更接近于理论值。

3、实验系统自带多种信号源，足以满足实验的要求。有信号发生器、函数发生器、正弦波发生器，其中正弦波信号源采用幅度和频率较为稳定的ICL8038集成电路。

4、labACT自控/计控原理教学实验系统加了外接接口模块，可以容易的扩展外设接口。

（1）烤箱控制实验通道选用了铂电阻PT100作为检测传感器。

（2）电机驱动和检测通道。

（3）单回路可编程调节器通道。（2路A/D输入、1路D/A输出、4路开关量输入、4路开关量输出）

实用标准文案

精彩文档 实验三 线性系统的频率响应分析

在经典控制理论中，采用时域分析法研究系统的性能，是一种比较准确和直观的分析法。但是，在应用中也常会遇到一些困难。其一，对于高阶系统，其性能指标不易确定；其二，难于研究参数和结构变化对系统性能的影响。而频率响应法是应用频率特性研究自动控制系统的一种经典方法，它弥补了时域分析分析法的某些不足。

一、实验目的

1、 掌握波特图的绘制方法及由波特图来确定系统开环传递函数。

2、 掌握实验方法测量系统的波特图。

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

（一）实验原理

1、频率特性

当输入正弦信号时，线性系统的稳态响应具有随频率（w由0变至∞）而变化的特性。根据控制系统对正弦输入信号的响应，可推算出系统在任意周期信号或非周期信号作用下的运动情况。 实用标准文案

精彩文档

2、 频率特性的表达方式

（1）对数频率特性：又称波特图，它包含对数幅频和对数相频两条曲线。

（2）极坐标图（又称为乃奎斯特图）

（3）对数幅相图（又称为尼克尔斯图）

本次实验采用对数频率特性图来进行频率响应分析的研究。实验中提供了两种实验测试方法：直接测量和间接测量。

（二）实验内容

1、 间接频率特性测量方法 实用标准文案

精彩文档

用来测量闭环系统的开环特性，因为有些线性系统的开环时域响应曲线发散，幅值不易测量，可将其构成闭环反馈稳定系统后，通过测量信号源、反馈信号、误差信号的关系，从而推导出对象的开环频率特性。

① 对象为积分环节：1/0.1S

由于积分环节的开环时域响应曲线不收敛，稳态幅值无法测出，我们采用间接测量方法，将其构成闭环，根据闭环时的反馈及误差的相互关系，得出积分环节的频率特性。

② 将积分环节构成单位负反馈，模拟电路构成如图3.1-1

图3.1-1

③ 理论依据

图3.1-1所示的开环频率特性为：

实用标准文案

1 自动控制理论实验指导书

实验1 典型环节的模拟研究

一、实验目的

1．了解并掌握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。

3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。

二、实验设备

TD－ACC+型实验系统一套；数字示波器、万用表。 三、实验内容及步骤

1．实验准备：将信号源单元的“ST”插针与“S”端插针用“短路块”短接。将开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值为2V，周期为10s左右。

2．观测各典型环节对阶跃信号的实际响应曲线

(1) 比例( P )环节

① 按模拟电路图1-1接好线路。

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。

② 将模拟电路输入 (Ui) 端与信号源的输出端“OUT”相连接；用示波器观测模拟电路的输入 (Ui) 端和输出 (Uo) 端，观测实际响应曲线Uo(t)，记录实验波形及结果于表1-1中。

表1-1

阶跃响应： 𝑈O(𝑡)=𝐾 (𝑡≥0) 其中 𝐾=𝑅1𝑅0⁄ 实验参数 理论计算 示波器观测值

输入输出波形

0R 1R o1i0URUR iU oU oiUU

k200 k100 0.5

k200 1 R0=200kΩ；R1=100kΩ或200kΩ

图1-1 UiR0R1RR10K10KUo 2 (2) 积分( I )环节

①按图1-2接好线路。

② 将模拟电路输入 (Ui) 端与信号源的输出端“OUT”相连接；用示波器观测模拟电路的输入 (Ui) 端和输出 (Uo) 端，观测实际响应曲线Uo(t)，测量积分时间T，记录实验波形及结果于表1-2中。