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)
《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
2
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 3 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。
KUi(S)Uo(S)
图1.1-1
B传递函数：KSUiSUo)()(
C阶跃响应：)0()(tKtUO 其中 01/RRK
D 模拟电路图：如图1.1-2所示。
_UiR0R1_10K10KUo输出测量端反相器信号输入端比例环节R0 = 200K; R1 = 100K或200K
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。 4 11/2Uo0tUi(t)Uo(t)理想阶跃响应曲线11/2Uo0tUi(t)Uo(t)实测阶跃响应曲线
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）
iiissQsH)()(1)(第一章：1 闭环系统（或反馈系统）的特征：采用负反馈，系统的被控变量对控制作用有直接影响，即被控变量对自己有控制作用 。2 典型闭环系统的功能框图。
自动控制 在没有人直接参与的情况下，通过控制器使被控对象或过程按照预定的规律运行。
自动控制系统 由控制器和被控对象组成，能够实现自动控制任务的系统。
被控制量 在控制系统中．按规定的任务需要加以控制的物理量。
控制量 作为被控制量的控制指令而加给系统的输入星．也称控制输入。
扰动量 干扰或破坏系统按预定规律运行的输入量，也称扰动输入或干扰掐入。
反馈 通过测量变换装置将系统或元件的输出量反送到输入端，与输入信号相比较。反送到输入端的信号称为反馈信号。
负反馈 反馈信号与输人信号相减，其差为偏差信号。
负反馈控制原理 检测偏差用以消除偏差。将系统的输出信号引回插入端，与输入信号相减，形成偏差信号。然后根据偏差信号产生相应的控制作用，力图消除或减少偏差的过程。
开环控制系统 系统的输入和输出之间不存在反馈回路，输出量对系统的控制作用没有影响，这样的系统称为开环控制系统。开环控制又分为无扰动补偿和有扰动补偿两种。
闭环控制系统 凡是系统输出端与输入端存在反馈回路，即输出量对控制作用有直接影响的系统，叫作闭环控制系统。
自动控制原理课程中所讨论的主要是闭环负反馈控制系统。
复合控制系统 复合控制系统是一种将开环控制和闭环控制结合在一起的控制系统。它在闭环控制的基础上，用开环方式提供一个控制输入信号或扰动输入信号的顺馈通道，用以提高系统的精度。
自动控制系统组成 闭环负反馈控制系统的典型结构如图1．2所示。组成一个自动控制系统通常包括以下基本元件
1．给定元件 给出与被控制量希望位相对应的控制输入信号(给定信号)，这个控制输入信号的量纲要与主反馈信号的量纲相同。给定元件通常不在闭环回路中。2．测量元件 测量元件也叫传感器，用于测量被控制量，产生与被控制量有一定函数关系的信号。被控制量成比例或与其导数成比例的信号。测量元件的精度直接影响控制系统的精度应使测量元件的精度高于系统的精度，还要有足够宽的频带。3．比较无件 用于比较控制量和反馈量并产生偏差信号。电桥、运算放大器可作为电信号的比较元件。有些比较元件与测量元件是结合在一起的，如测角位移的旋转变压器和自整角机等。4．放大元件 对信号进行幅值或功率的放大，以及信号形式的变换．如交流变直流的相敏整流或直流变交流的相敏调制。5．执行元件 用于操纵被控对象，如机械位移系统中的电动机、液压伺服马达、温度控制系统中的加热装置。执行元件的选择应具有足够大的功率和足够宽的频带。6．校正元件 用于改善系统的动态和稳态性能。根据被控对象特点和性能指标的要求而设计。校正元件串联在由偏差信号到被控制信号间的前向通道中的称为串联校正；校正元件在反馈回路中的称为反馈校正。7．被控对象 控制系统所要控制的对象，例如水箱水位控制系统中的水箱、房间温度控制系统中的房间、火炮随动系统中的火炮、电动机转速控制系统中电机所带的负载等。设计控制系统时，认为被控对象是不可改变的，它的输出即为控制系统的被控制量。8．能源元件 为控制系统提供能源的元件，在方框图中通常不画出。
