控制工程基础实验指导书

四、实验内容 构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应： 1. 比例环节的模拟电路如图 1-1
2. 惯性环节的模拟电路如图 1-2
3. 积分环节的模拟电路如图 1-3
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4. 微分环节的模拟电路如图 1-4
5. 比例+微分环节的模拟电路如图 1-5
五、实验步骤 1.连接被测典型环节模拟电路及 D/A、A/D 连线，检查无误后接通电源。 2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信 正常后才可以继续进行实验。 3.在桌面双击图标 [自动控制模拟实验系统] 运行软件。设定采样周期 T 和采样电数 N 的值（计算机默认亦可）。在采样时，先点击开始采样菜单，然后打开阶跃开关，进 行采样。 比例环节 4.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-1)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出 ， 电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 5.在实验项目的下拉列表中选择实验一[一、典型环节及其阶跃响应] 。 6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。 7.记录波形及数据（由实验报告确定）。 惯性环节 8.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-2)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出 ， 电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 9.实验步骤同 5～7 积分环节 10.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-3)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输 出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入，将积分电容两端连在模拟开关上。 检查无误后接通电源。 11.实验步骤同 5～7
出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 15.实验步骤同 5～7 16. 测量系统的阶跃响应曲线，并记录数据。 六、实验报告 1．画出比例环节、积分环节 、惯性环节 、微分环节 、比例加微 分环节的模 拟电路图， 用坐标纸画出所记录的比例环节、积分环节、微分环节、比例加微分环节的理论曲线及 实验响应曲线，加以比较，分析原因。 2．观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据。 3. 记录波形及图形。
3．取 R=100KΩ，C=1µf，R1=100KΩ，R2=50KΩ，测量系统阶跃响应，记录响应曲线， 特别要记录最大超调量σp 和调节时间 ts 数值 。。 五．实验报告
1．画出二阶系统的模拟电路图，并求参数ζ、ωn 的表达式。 2．把不同ζ和ωn 条件下测量的σp 和 ts 值列表，根据测量结果得出响应结论。
2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制实验系统] 运行软件。
3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。如通信不正常查找原因使通信
正常后才可以继续进行实验。
4．根据屏幕提示测量多点输出与输入正弦波的振幅比及相位差，并记录相应数据。参
考频率为：
F(Hz)=0.5,1,2,4 ,6,8, …………最后画波特图。
三、实验原理 模拟实验的基本原理： 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。若 改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。
TAP-2 型控制理论模拟实验装置是一个控制理论的计算机辅助实验系统。如下图所示， TAP-2 型控制理论模拟实验由计算机、A/D/A 接口板、模拟实验台和打印机组成。计算机负 责实验的控制、实验数据的采集、分析、显示、储存和恢复功能，还可以根据不同的实验产 生各种输出信号；模拟实验台是被控对象，台上共有运算放大器 12 个，与台上的其他电阻 电容等元器件配合，可组成各种具有不同系统特性的实验对象，台上还有正弦、三角、方波 等信号源作为备用信号发生器用；A/D/A 板安装在模拟实验台下面的实验箱底板上，它起着 模拟与数字信号之间的转换作用，是计算机与实验台之间必不可少的桥梁；打印机可根据需 要进行连接，对实验数据、图形作硬拷贝。
三．实验内容 二阶系统模拟电路图
四．实验步骤 1．取ωn =10rad/s,即令 R=100KΩ，C=1µf；分别取ζ=0、0.5、1、2，即取 R1=100KΩ，R2
分别等于 0、100KΩ、200KΩ、400KΩ。输入阶跃信号，测量系统阶跃响应，并记录最大超调 量σp 和调节时间 ts 的值。
2．取ζ=0.5，即取 R1=R2=100KΩ；ωn =100rad/s,取 R=100KΩ，C=0.1µf。注意：二电容 同时改变，测量系统阶跃响应，并记录最大超调量σp 和调节时间 ts 数值。
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实验一 典型环节阶跃响应
一、 实验目的 1． 掌握各种典型环节的特点,传递函数的基本形式和相关参数的基本意义。 2． 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。 3． 学习典型环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函 数。
二、实验仪器 1． 自动控制系统实验箱一台 2． 计算机一台
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3．画出系统的理论响应曲线和实验响应曲线，再由σp 和 ts 计算出传递函数，并与由模拟电 路计算的传递函数相比较。
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实验三 系统频率特性测量
一、实验目的 1．加深了解系统及元件频率特性的物理概念。 2．掌握系统及元件频率特性的测量方法。 3. 熟悉掌握一般典型系统频率特性的 Bode 图的特点及绘制。
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《控制工程基础》
实 验 指 导 书
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目录
实验一 典型环节阶跃响应 实验二 二阶系统阶跃响应 实验三 系统频率特性测量
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控制工程基础实验是控制工程基础课程的一部分，它的任务是：一方面，通过实验使学 生进一步了解和掌握自动控制理论的基本概念、控制系统的分析方法和设计方法；另一方面 ， 帮助学生学习和提高系统模拟电路的构成和测试技术。
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Байду номын сангаас10
六、实验报告 1. 画出被测系统的模拟电路图,计算其传递函数，根据传递函数绘制波特图。 2. 把上述测量数据列表，根据此数据画波特图。 3. 分析测量误差。
U2（t）=U2m sin（ωt+Ψ）
改变输入信号角频率ω值，便可测得二组 U2m/U1m 和φ随ω变化的数值，这个变化规律就是系
统的幅频特性和相频特性。
五、实验步骤
1.连接被测量典型环节的模拟电路。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输出，电路
的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入，检查无误后接通电源。
二、实验仪器 1.自动控制系统实验箱一台 2.计算机一台
三、实验内容 1.模拟电路图及系统结构图分别如图 4-2。
图 4-2 系统模拟电路图
2．系统传递函数 取 R=1MΩ，则系统传递函数为
G（S）=
U2（S） =
1000
U1（S）
S2+10S+1000
若输入信号 U1（t）=U1m sinωt,则在稳态时，其输出信号为
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微分环节 12.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-4)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输
出，电路的输出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 输入。检查无误后接通电源。 13.实验步骤同 5～7 比例+微分环节 14.连接被测量典型环节的模拟电路(图 1-6)。电路的输入 U1 接 A/D、D/A 卡的 DA1 输
显示器
打印机
计算机
AD/DA 卡
模拟实验台
TAP-2 型自动控制原理实验系统的基本结构
实验台由 12 个运算放大器和一些电阻、电容元件组成，可完成控制工程基础课程的典 型环节阶跃响应、二阶系统阶跃响应、控制系统稳定性分析、系统频率特性测量、连续系统 串联校正、数字 PID、状态反馈与状态观测器等相应实验。
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实验二 二系统阶跃响应
一．实验目的 1． 观察二阶系统在单位阶跃响应信号作用下的输出响应。 2． 研究二阶系统的两个重要参数：阻尼比ζ和无阻尼自然频率ωn 对动态性能的影响。 3． 学会根据系统阶跃响应曲线，确定传递函数。
二．实验原理 模拟实验的基本原理： 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。若改变系 统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影响。