自动控制原理实验书(DOC)

目录

实验装置介绍 (1)

实验一一、二阶系统阶跃响应 (2)

实验二控制系统稳定性分析 (5)

实验三系统频率特性分析 (7)

实验四线性系统串联校正 (9)

实验五 MATLAB及仿真实验 (12)

实验装置介绍

自动控制原理实验是自动控制理论课程的一部分，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。

TAP-2型自动控制原理实验系统的基本结构

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。如上图所示，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。

实验台由12个运算放大器和一些电阻、电容元件组成，可完成自动控制原理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。

显示器

计算机

打印机 模拟实验台 AD/DA 卡

实验一一、二阶系统阶跃响应

一、实验目的

1．学习构成一、二阶系统的模拟电路，了解电路参数对系统特性的影响；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。

2．学习一、二阶系统阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算一、二阶系统的传递函数。

二、实验仪器

1．自动控制系统实验箱一台

2．计算机一台

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一、二阶系统，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟一、二阶系统，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。

四、实验内容

构成下述系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

1．一阶系统的模拟电路如图

2．二阶系统的模拟电路如图

U0

五、实验步骤

一阶系统阶跃响应实验

1.连接一阶系统模拟电路及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 [自动控制原理实验] 运行软件。

4. 点击“实验选择”菜单选中“典型环节阶跃响应”栏，再打开“参数设置”菜单，

设定采样周期T和采样点数N的值（计算机默认亦可）。点击“开始”按钮，进行实验。

5. 观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。

6. 记录波形及数据（由实验报告确定）。

二阶系统阶跃响应实验

7．连接二阶系统模拟电路及D/A、A/D连线，检查无误后接通电源。

8.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。

9.在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。设定采样周期T和采样点数N的值

（计算机默认亦可）。点击“开始”按钮，进行实验。

10．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t s的值。

11．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t s数值。

12．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t s数值。

六、实验报告

1．画出一阶系统（惯性环节）二阶系统的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的理论曲

线及实验响应曲线，加以比较，分析原因。

2．阶跃响应曲线计算出各环节的传递函数，并与电路计算的结果相比较。

3．观测计算机屏幕示出的响应曲线及数据。

4．记录波形及图形。

对于二阶系统要求：

①把不同ζ和ωn条件下测量的σp和t s值列表，根据测量结果得出响应结论。

②画出系统的理论响应曲线和实验响应曲线，再由σp和t s计算出传递函数，并与由模拟

电路计算的传递函数相比较。

实验二控制系统稳定性分析

一、实验目的

1．观察系统的不稳定现象。

2．研究系统开环增益和时间常数对稳定性的影响。

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

系统模拟电路图如图2-1

图2-1 系统模拟电路图

其开环传递函数为:

G（s）=10K1/s(0.1s+1)(Ts+1)

式中 K1=R3/R2，R2=100KΩ，R3=0～500K；T=RC，R=100KΩ，C=1μf或C=0.1μf两种情况。

四、实验步骤

1.连接被测量系统的模拟电路。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。

2.启动计算机，在桌面双击图标 [自动控制原理实验] 运行软件。

3.在实验项目的下拉列表中选择实验三[控制系统的稳定性分析]。

4.取R3的值为50KΩ，100KΩ，200KΩ，此时相应的K=10K1=5，10，20。观察不同R3

值时显示区内的输出波形(既U2的波形)，找到系统输出产生增幅振荡时相应的R3及K1值。再把电阻R3由大至小变化，即R3=200kΩ，100kΩ，50kΩ，观察不同R3值时显示区内的输出波形, 找出系统输出产生等幅振荡变化的R3及K1值，并观察U2的输出波形。