自控实验指导书2007-10

实验一典型环节的模拟研究一、实验目的1.熟悉TDN-AC/ACS自控原理实验系统；2.对典型环节的模拟电路有直观的了解。

二、实验要求1.根据要求，分析计算模拟实验系统图；2.观测和记录不同参数下比例、积分、比例积分和惯性环节的阶跃响应曲线。

三、实验仪器1.TDN-AC/ACS教学实验系统一套2.计算机一台3.数字万用表一只四、实验前分析、计算和设计1.各典型环节的方块图及传函：2.各典型环节的模拟电路图及输入响应：3.理想曲线：五、实验步骤1.了解TDN-AC/ACS教学实验系统使用方法；2.按照各典型环节的模拟电路图接线；3.观测并记录在阶跃信号下实际响应曲线U0(t)，改变参数，再次记录曲线。

六、实验报告要求1.实验目的及要求；2.实验前理论分析计算数据及实验线路图；3.实验观测并记录波形；4.根据理论计算和实验结果进行分析、讨论、体会和提出建议。

实验二典型系统动态和稳态性能分析一、实验目的1.培养学生模拟设计、参数计算及元件选择的能力；2.培养学生测试动态和稳定性能指标的技能；3.深入掌握参数对系统性能的影响。

二、实验要求1.根据要求，分析计算和设计模拟实验系统图及参数；2.观测并记录不同条件下二阶系统在阶跃信号作用下的性能指标，即超调量和稳态误差；3.测量并记录开环增益和零点对典型三阶系统性能的影响。

三、实验仪器1.TDN-AC/ACS教学实验系统一套2.计算机一台3.数字万用表一只四、实验前分析、计算和设计1.已知系统结构如图一所示。

图一当G1(s)=K，在如下情况，分别计算超调量和误差：①K=2.5，T2=0.02s；②K=6，T2=0.02s；③K=6，T2=0.1s。

2.已知系统结构如图二所示。

图二①τ=T=0，T0=0.1s，用劳斯稳定判据分析系统的稳定性；②T=0，T0=0.1s，用劳斯稳定判据分析系统的稳定性；③τ=0，T0=0.1s，用劳斯稳定判据分析系统的稳定性；④τ=0.02s，T=0.1s，T0=0.1s，计算系统超调量及误差。

3.按系统结构图，根据给定参数，应用运算放大器和阻容元件，设计模拟实验系统图，并分别选择适当阻容元件参数。

五、实验步骤1.了解TDN-AC/ACS教学实验板使用方法；2.按图一设计的模拟实验系统图，根据电阻电容计算值，先选好电阻及电容，然后按图连线；①用计算机观测并计算K=2.5，T2=0.02s时系统在阶跃信号作用下的超调量和误差；②用计算机观测并计算K=6，T2=0.02s时系统在阶跃信号作用下的超调量和误差；③用计算机观测并计算K=6，T2=0.1s时系统在阶跃信号作用下的超调量和误差。

3.按图二设计的模拟实验系统图，选好电阻电容并连线。

①用计算机观测并记录τ=T=0，T0=0.1s；T=0，T0=0.1s；τ=0，T0=0.1s时系统在阶跃信号作用下的C(t)图形；②用计算机观测并计算τ=0.02s，T=0.1s，T0=0.1s时系统在阶跃信号作用下的超调量和误差。

六、实验报告要求1.实验目的及要求；2.实验前理论分析计算数据及实验线路图；3.实验观测并记录的波形及数据；4.根据理论计算和实验结果进行分析、讨论、体会和提出建议。

七、思考问题1.实验系统图如何保证为负反馈？2.实验时阶跃输入大小范围如何考虑？3.如何测量超调量和误差？4.如何从波形判别系统稳定性？实验三计算机仿真实验一、实验目的1.学习应用计算机绘制响应曲线图的方法；2.培养借助计算机分析系统性能的技能；3.对CTAI软件和Matlab软件有一定的入门了解。

二、实验要求1.根据要求，进行必要的分析、计算及绘图；2.上机绘制曲线图，分析各种参数对系统性能的影响。

三、实验仪器1.计算机一台四、实验步骤1.在计算机中运行CTAI软件，并按照软件中的使用说明进行逐步操作；2.应用CTAI软件对实验二中的系统进行仿真实验；3.运行Matlab软件，并按照附件中的软件操作说明进行逐步操作；4.应用Matlab软件对实验二中的系统进行仿真实验。

五、实验结果分析1.把仿真结果和实验二的实际模拟线路所测量的结果进行比较和分析；2.实验后应再进一步深入学习Matlab软件。

实验四 采样系统分析一、实验目的1. 培养学生模拟研究采样系统的技能；2. 加深理解采样系统的基本理论。

二、实验要求1. 了解信号的采样和恢复与采样周期的关系；2. 分析采样系统的稳定性和时间响应。

三、实验仪器1. TDN-AC/ACS 教学实验系统 一套2. 计算机 一台3. 数字万用表 一只 四、实验前分析、计算和设计1. 已知图一结构及模拟实验线路图如图二所示：输出输入图一 LF398采样——保持器功能原理方框图图二 采样保持器设：()wt A t x sin =,最大频率Hz f25max =，根据采样定理求采样周期T 。

2. 已知图三所示采样系统结构图：图三① 分析K=1，T=0.6S 时系统的稳定性，计算阶跃信号作用下的超调量和稳态误差； ② 分析K=10，T=0.6S 时系统的稳定性，计算阶跃信号作用下的超调量和稳态误差；③分析K=10，T=0.06S时系统的稳定性，计算阶跃信号作用下的超调量和稳态误差；④根据图三设计模拟实验线路图，并选择电路参数。

五、实验步骤首先，将信号源单元(U1SG)的ST插针和+5V插针用“短路快”短接，然后进行：1.信号的采样保持与采样周期的关系。

①按图二接好线；②将单元U15SN产生25Hz正弦波信号；③将实验版的信号单元开关置于“2mS～20mS”档，调节电位器使采样周期T=2mS；④用计算机同时观测LF398的输出波形和输入波形；⑤改变采样周期，直至20mS，观测输出波形。

2.采样系统的稳定性及动态响应分析。

①按图二设计的模拟实验线路图接线；②取T=0.6S，K=1加入阶跃信号，观察并记录波形，测算超调量和稳态误差；③取T=0.6S，K=10加入阶跃信号，观察并记录波形，测算超调量和稳态误差；④取T=0.06S，K=10加入阶跃信号，观察并记录波形，测算超调量和稳态误差。

六、实验报告要求1.实验目的和要求；2.实验前理论分析和计算数值、波形；3.实验观测记录；4.实验结果分析、体会和建议。

实验五非线性系统（一）一、实验目的1.培养模拟研究非线性系统的技能；2.掌握用相平面分析非线性系统实验方法。

二、实验要求1.用相平面法分析继电型非线性系统在阶跃信号下时间响应和稳态误差；2.用相平面法分析带有速度负反馈的继电型非线性系统；3.用相平面法分析饱和型非线性系统。

三、实验仪器1.TDN-AC/ACS教学实验系统一套2.计算机一台3.数字万用表一只四、实验前分析、计算和设计1.分别画出图一图二图三非线性系统的相轨迹图；2.根据图一图二图三分别设计模拟实验系统图，选择适当参数。

图一M=±6v6v图二M=±五、实验步骤1.按图一设计的模拟实验系统图接好线，然后在系统输入端分别加4v、3v、2v阶跃电压，用观测并记录在e-e平面上的相轨迹，测量在4v阶跃信号下的超调量和振荡次数。

六、实验报告要求1.实验目的和要求；2.实验前绘制的相轨迹图及数据；3.实验观测记录的相轨迹图及数据；4.实验结果分析、体会和建议。

七、思考问题1.从模拟实验系统中如何获得e和e的信号？2.用相平面法分析非线性系统时，怎样测取系统超调量和振荡次数？实验六非线性系统（二）一、实验目的1.实习用相平面法分析高阶非线性系统；2.掌握用描述函数法分析非线性系统。

二、实验要求1.用相平面法分析继电型非线性三阶系统；2.用相平面法分析饱和型非线性三阶系统。

三、实验仪器1.TDN-AC/ACS教学实验系统一套2.计算机一台3.数字万用表一只四、实验前分析、计算和设计1.用描述函数法分别分析图四和图五非线性系统的稳定性；2.根据图四和图五，设计模拟实验系统图，并选择电路参数。

图四M=±6v图五M=±6v，K=1五、实验步骤1.用相平面法分析继电型非线性系统：①按图四设计的模拟实验系统图接线；②观测并记录系统在e-e平面的相轨迹；③测量自激振荡（极限环）的振荡幅值和周期。

2.用相平面法分析饱和非线性三阶系统：①按图五设计的模拟实验系统图接线；②观测并记录系统在e-e平面上的相轨迹；③测量自激振荡幅值及角频；④减小线性部分增益，测量自激振荡振幅和角频；⑤继续减小线性部分增益，直至自激振荡现象消失。

六、实验报告要求1.实验目的和要求；2.实验原理及电路图；3.实验前用描述函数法分析的图形及振幅和角频；4.实验观测、记录；5.实验结果分析、体会和建议。

七、思考问题1.消除自激振荡有哪些方法？实验七状态反馈和状态观测器一、实验目的1.学习全状态反馈系统按极点配置的设计方法；2.学习降维状态观测器的设计方法。

二、实验要求1.用全状态反馈配置极点方法，按给定的性能指标进行设计；2.设计一个降维状态观测器。

三、实验仪器1.TDN-AC/ACS教学实验系统一套2.计算机一台3.数字万用表一只四、实验前分析、计算和设计已知控制对象如图一所示：u u0(s)图一1.设计一个全状态反馈系统，闭环系统性能要求ζ=0.707，t s≤0.2s，设计相应系统模拟实验图，选择相应元件参数。

五、实验步骤1.全状态反馈系统实验：①按设计的模拟实验系统图接好线；②观测记录系统阶跃响应，测量σ%，t s。

2.带有状态观测器的状态反馈系统实验：①按设计的模拟实验系统图接好线；②观测记录系统阶跃响应，测量σ%，t s。

六、实验报告要求1.实验目的和要求；2.实验线路图；3.理论设计的数据；4.实验所观测和记录的数据、波形；5.实验结果分析、体会和建议。

附 件1. 进入MATLAB 系统：依次点击“开始→程序→MA TLAB ”后，可进入主界面，也可以双击桌面上的MATLAB 快捷方式。

2. 输入传递函数：设系统传递函数标准型为()()()11211121+-+-++++++==n n n m m m a s a s a b s b s b s den s num S G 在MATLAB 中，输入系统传递函数时直接用分子/分母的系数表示，即只须输入系统分子及分母对应的系数矩阵即可，系数与系数之间用“，”或“空格”隔开，外面用“[ ]”括上。

设分子为num ，则num=[b 1，b 2，…，b m ，b m+1] 设分母为den ，则den=[a 1，a 2，…，a n ，a n+1]例如：系统传递函数()153210232++++=s s s s S G ，则我们只需输入如下命令：num=[1,0,10] den=[1,2,3,15]这时系统就会知道你输入的是上述传递函数所代表的系统[num ，den ]。