201306车辆工程专业自动控制原理实验指导书[tian]

《自动控制原理》课程实验指导书
主编田玉冬
适用专业：车辆工程
上海电机学院
2013年06月
目录
前言 (2)
实验规则 (3)
实验一典型环节的时域响应实验 (4)
实验二典型系统瞬态响应和稳定性分析实验 (6)
实验三控制系统的频率特性分析实验 (9)
前言
《自动控制原理》是车辆工程专业的一门重要的专业基础课，也是国内各院校相应专业的主干课程。

当前，科学技术的发展趋势既高度综合又高度分化，这要求高等院校培养的大学生，既要有坚实的理论基础，又要有严格的工程技术训练，不断提高的实验研究能力、分析计算能力、总结归纳能力和解决各种实际问题的能力。

21世纪要求培养“创造型、开发型、应用型”人才，这就对我们实验教学提出了新的考验。

自动控制原理课程的理论性较强，因此在学习本课程时，开设必要的实验，对学生加深理解深入掌握基本理论和分析方法，培养学生分析问题、解决问题的能力，以及使抽象的概念和理论形象化、具体化，对增强学习的兴趣有极大的好处，做好本课程的实验，是学好本课程的重要教学辅助环节。

自动控制原理实验系统是为《自动控制原理》的教学实验专门研制的，是师生科研的有利工具。

它具有直观、操作灵活等便于培养学生实验技能的优点，为充分发挥学生独立思考能力和主观能动性。

实验指导书明确要求实验前做好有关理论计算或分析，而实验步骤通常是原则性的。

实验中可能碰到的主要问题则列在思考题内以引起学生的注意。

《自动控制原理实验》是该课程的课内实验，总计6学时。

本课程实验主要完成线性连续系统方面的实验共三个。

实验主要以计算机为平台、以操作观察检测为主，在实验中应主要熟悉自动控制系统的时频分析，熟悉各部件的安装位置，掌握工作的原理及检测方法。

在完成实验后，需写出详细的实验报告，包括实验方法、实验过程和结果、心得和体会等。

实验规则
实验前要做好充分准备，实验进行中才能有条不紊的进行操作、观察和测量拟订的各量，以达预期的效果。

实验应集中思想、细心操作、注意安全，否则难以达到预期的效果，甚至损坏仪器设备或造成人身事故。

1．实验前必须认真预习，作好充分的准备，以保证实验能有效而顺利的进行。

预习要求搞清楚实验的目的、要求、设备性能、实验原理和实验步骤。

2．实验按预定的步骤进行，做好后经教师的检查允后方可启动或通电实验。

3．实验做完后，应自行检查数据等结果，并与理论相对照，分析实验结果，做好实验报告。

4．实验做完后，工具不要乱放，擦干净后，整理好装入工具箱内。

5．实验时发生事故，切勿惊慌失措，首先切断电源，保持现场，由教师检查处理。

6．要爱护国家财产，正确使用实验设备，如有损坏要添表上报，并听候处理，特别是操作不当或使用不当者，要部分或全部赔偿。

7．严禁动与本次实验无关的仪器、仪表等。

8．每次做完实验后，各组轮流打扫实验室，以保持清洁。

实验一典型环节的时域响应实验
一、目的与要求
掌握典型环节模拟电路的构成方法，了解各环节的阶跃响应曲线和参数变化对典型环节的动态特性的影响。

二、实验设备
计算机、自动控制原理实验系统、Matlab软件、万用表、示波器。

三、实验内容
1、比例（P）环节：其方块图如图1-1A所示。

其传递函数为：
比例环节的模拟电路如图1-1B所示。

分别记录Ri=1M，Rf=510K；Ri=1M，Rf=1M；Ri=510K，Rf=1M时的阶跃响应曲线。

2、积分（I）环节：
其方块图如图1-2A所示。

其传递函数为:
积分环节的模拟电路如图1-2B所示。

分别记录Ri=1M，Cf=1µF；Ri=1M，Cf=4.7µF；Ri=1M，Cf=10µF时的阶跃响应曲线。

3、比例积分（PI）环节。

其方块图如图所示。

具体见教材。

其传递函数为：见教材。

比例积分环节的模拟电路如图1-3B所示。

其中：K=R1/R0 T=R0C
分别记录Ri=Rf=1M，Cf=4.7µF；Ri=Rf=1M，Cf=4.7µF；Ri=Rf=1M，Cf=10µF时的阶跃响应曲线。

五、复习思考题
1、绘制一阶系统的阶跃响应曲线，并分析其性能。

2、推导模拟电路的闭环传递函数Y（s）/X（s）？
3、确定R、C、Rf、Ri与自然振荡角频率和阻尼比之间的关系。

若模拟实验中Y（t）的稳态值不等于阶跃输入函数X（t）的幅度，分析主要原因可能是什么？
实验二典型系统瞬态响应和稳定性分析实验
一、目的与要求
通过测定典型系统阶跃响应曲线，分析系统的稳定性，性能指标。

二、实验设备
计算机、自动控制原理实验系统、Matlab软件、万用表、示波器。

三、实验内容
1、典型二阶系统方框图为：
其闭环传递函数：
Wn----无阻尼振荡角频率；（Wn=1/T=1/RC）
ξ---阻尼比；(ξ=K/2=Rf/(2Ri))
模拟电路图为：
2、参数调节：
（1）调整Rf=40K,使K=0.4(即ξ=0.2)；取R=1M,C=0.47μ, 使T=0.47秒（Wn=1/0.47），加入阶跃扰动X(t)=2(t)V,记录阶跃响应曲线，记作①；
（2）保持ξ=0.2不变，阶跃扰动不变，取R=1M,C=1.0μ，使T=1.0秒（Wn=1/1.0），记
录阶跃响应曲线，记作②；
（3）保持Wn=1/1.0不变、阶跃扰动不变，调整Rf=80K,使K=0.8(即ξ=0.4)，记录阶跃响应曲线，记作③；
（4）保持Wn=1/1.0不变、阶跃扰动不变，调整Rf=100K,使K=1.0(即ξ=1.0)，记录阶跃响应曲线，记作④；
3、系统稳定性分析的模拟电路如下图所示：
系统结构图为：
4、系统稳定性分析的实验参数调节：
（1）取C1=C2=C3=0.47uF，求该三阶系统的临界开环比例系数K j1，方法如下：
1）电位器Rw置于最大（470K）。

2）加入Xr=0.5v的阶跃输入信号。

3）调整Rw使系统输出Xc呈等幅振荡。

4）保持Rw不变，断开反馈线，维持输入幅值不变（输入单阶跃信号），测取系统开环输出值Xck。

则：K j1=Xck/Xr
（2）系统的开环放大系数K对稳定性的影响：
1）适当调整Rw，观察K增大；K减小时的系统响应曲线。

2）记录当K=0.5K j1时的系统响应曲线。

3）记录当K=1.25K j1时的系统响应曲线。

（3）验证时间常数错开原理：
取T=0.47秒，T1=T/n；T2=T；T3=nT。

1）求取该系统在n=2时的临界开环放大系数K j2，记录此时的系统响应曲线。

2）记录该系统在n=5；K=K j2时的系统响应曲线。

3）记录该系统在n=1；K=K j2时的系统响应曲线。

四、复习思考题
1、绘制典型二阶欠阻尼系统的阶跃响应曲线，并进行性能分析。

2、根据实验结果：总结开环比例系数K及时间常数T影响系统稳定的规律。

3、三阶系统的各时间常数怎样组合时，系统的稳定性最好？怎样组合时系统的稳定性最差？
实验三控制系统的频率特性分析实验
一、目的与要求
学会控制系统频率特性测试方法，和特性分析。

二、实验设备
计算机、自动控制原理实验系统、Matlab软件、万用表、示波器
三、实验内容
1、典型二阶系统方框图为：
其闭环传递函数：
其中：Wn----无阻尼振荡角频率；（Wn=1/T=1/RC）
ξ---阻尼比；(ξ=K/2=Rf/(2Ri))
模拟电路图与实验二相同.
2、参数调节：
（1）选定R、Rf、C值，使Wn=1，ξ=0.2取R=1M,C=1μ，Rf=40K,；
（2）输入X（t）=Xsinwt，稳态时，其响应为Y（t）=Ysin（wt+Ψ）；
（3）改变输入信号的频率；使W分别等于0.2、0.4、0.6、0.8、0.9、1.2、1.4、1.6、2.0、
3.0（rad/s）稳态时，分别记录X（t）、Y（t），记录序号依次为①、②、③、④、⑤、⑥、
⑦、⑧、⑨、⑩、（11）；
3、整理实验数据，如下表所示：
其中A（w）=Y/X；L(w)=20lg A（w）
4、采用描点法画出BODE图。

四、复习思考题
1、绘制二阶欠阻尼系统的奈氏图和伯德图。

2、理论计算不同W 值时的L（w）和Ψ（w），并与实验结果进行比较。

3、能否根据实验所得的BODE图确定一个二阶系统的闭环传递函数Y（s）/X（s）=？
后记。