《自动控制原理》实验指导书

自动控制原理实验指导书池州学院机械与电子工程系目录实验一、典型线性环节的模拟 (1)实验二、二阶系统的阶跃响应 (5)实验三、根轨迹实验 (7)实验四、频率特性实验 (10)实验五、控制系统设计与校正实验 ......................................... 错误！未定义书签。

实验六、控制系统设计与校正计算机仿真实验...................... 错误！未定义书签。

实验七、采样控制系统实验 ..................................................... 错误！未定义书签。

实验八、典型非线性环节模拟 ................................................. 错误！未定义书签。

实验九、非线性控制系统分析 ................................................. 错误！未定义书签。

实验十、非线性系统的相平面法 ............................................. 错误！未定义书签。

实验一、典型线性环节的模拟一、实验目的：1、学习典型线性环节的模拟方法。

2、研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。

二、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。

三、实验内容：1、比例环节：r(t)方块图模拟电路图中：ifP RRK=分别求取R i=1M，R f=510K，（K P=0.5）；R i=1M，R f=1M，（K P=1）；R i=510K，R f=1M，（K P=2）；时的阶跃响应曲线。

2、积分环节：r(t)方块图模拟电路图中：T i=R i C f分别求取R i=1M，C f=1μ，（T i=1s）；R i=1M，C f=4.7μ，（T i=4.7s）；）；R i=1M，C f=10μ，（T i=10.0s）；时的阶跃响应曲线。

3、比例积分环节：r(t)方块图模拟电路图中：ifP RRK=；T i=R f C f分别求取R i=R f=1M，C f=4.7μ，（K P=1，T i=4.7s）；R i=R f=1M，C f=10μ，（K P=1，T i=10s）；R i=2M，R f=1M，Cf=4.7μ，（K P=0.5，T i=4.7s）；时的阶跃响应曲线。

4、比例微分环节：r(t)方块图模拟电路图中：i1fP RRKR+=；CRRRRRRTffd⋅+++=12f121RR；T f=R2C分别求取R i=R f=R1=R2=1M，C=2μ，（K P=2，T d=3.0s）；R i=2M，R f=R1=R2=1M，C f=2μ，（K P=1，T d=3.0s）；R i=2M，R f=R1=R2=1M，C f=4.7μ，（K P=1，T d=7.05s）；时的阶跃响应曲线。

5、比例积分微分环节：r(t)方块图模拟电路图中：i1fP RRKR+=+fCCR⋅+i21RR；T i=(R f+R1)C f+(R1+R2)C；()()()CRRCRRCCRRRRRRT21ff1ff2f121d+++⋅++=；T f=R2C求取R i=4M，R f=R1=R2=1M，C=C f=4.7μ，（K P=1，T i=18.8s，T d=3.525s）时的阶跃响应曲线。

6、一阶惯性环节：r(t)方块图模拟电路图中：ifP RRK=；T=R f C f分别求取R i=R f=1M，C f=1μ，（K=1，T=1s）；R i=R f=1M，C f=4.7μ，（K=1，T=4.7s）；R i=510K，R f=1M，C f=4.7μ，（K=2，T=4.7s）；时的阶跃响应曲线。

四、实验结果记录上述实验曲线。

五、实验结果分析1、对给定的电路结构和参数计算阶跃响应；2、将实验结果与计算结果对照，对实验的满意度进行分析；3、根据电路参数分析计算系统响应，与实验数据对照分析测试误差原因；4、提高精度的方法和措施（或建议）；5、实验体会。

六、思考题1、设计一个能满足e1+e2+e3=e运算关系的实用加法器；2、一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件可视为比例环节？3、如何设置必要的约束条件，使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化？实验二、二阶系统的阶跃响应一、实验目的：1、学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。

2、研究二阶系统的两个重要参数ξ、ωn 对阶跃瞬态响应指标的影响。

二、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。

三、实验内容：典型二阶系统方块图典型二阶系统方块图其闭环传递函数2222)()()(nn n s s s R s C s ωξωω++==Φ ωn ——无阻尼自然频率；ξ——阻尼比；T =nω1——时间常数 模拟电路r (t )运算放大器的运算功能： （op1）——积分⎪⎭⎫ ⎝⎛=-RC T Ts ,1； （op2）——积分⎪⎭⎫⎝⎛=-RC T Ts ,1； （op9）——反相（-1）； （op6）——反相比例⎪⎪⎭⎫⎝⎛=-i f R R K K ,； RC T n 11==ω（rad/s ）； ifR R K ⨯==212ξ1、调整R f =40K ，使K =0.4（ξ=0.2）；取R =1M ，C =0.47μ，使T =0.47秒（ωn =1/0.47），加入单位阶跃扰动r (t )=1(t )V ，记录响应曲线c (t )，记作①。

2、保持ξ=0.2不变，阶跃扰动r (t )=1(t )V 不变，取R =1M ，C =1.47μ，使T =1.47秒（ωn =1/1.47），加入单位阶跃扰动r (t )=1(t )V ，记录响应曲线c (t )，记作②。

3、保持ξ=0.2不变，阶跃扰动r (t )=1(t )V 不变，取R =1M ，C =1.0μ，使T =1.0秒（ωn =1/1.0），加入单位阶跃扰动r (t )=1(t )V ，记录响应曲线c (t )，记作③。

4、保持ωn =1/1.0不变，阶跃扰动r (t )=1(t )V 不变，调整R f =80K ，使K =0.8秒（ξ=0.4），记录响应曲线c (t )，记作④。

5、保持ωn =1/1.0不变，阶跃扰动r (t )=1(t )V 不变，调整R f =200K ，使K =2.0秒（ξ=1.0），记录响应曲线c (t )，记作⑤。

四、实验结果记录上述实验曲线。

五、实验结果分析1、根据电路的结构和参数计算阶跃响应；2、将实验结果与计算结果对照，对实验的满意度进行分析；3、根据电路参数分析计算系统响应，与实验数据对照分析测试误差原因；4、提高精度的方法和措施（或建议）；5、实验体会。

六、思考题1、设计一个能满足e 1+e 2+e 3=e 运算关系的实用加法器；2、一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件可视为比例环节？3、如何设置必要的约束条件，使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化？实验三、根轨迹实验一、实验目的：1、掌握根轨迹的意义；2、掌握控制系统根轨迹的绘制方法。

二、实验设备：1、计算机；2、数据采集卡；3、MA TLAB 软件。

三、实验内容：1、预备知识——MA TLAB 绘制根轨迹命令； 建立数学模型参数矩阵：numerator=[b 0,b 1,b 2,……,b m ]； denominator=[a 0,a 1,a 2,……,a n ]； zeropoint=[z 1,z 2,……,z m ]；poles=[p 1,p 2,……,p n ]；k=k ； 系统传递函数：system=tf(numerator, denominator)=zpk(z,p,k)； 绘制开环系统的零极点图：[z,p]=pzmap(system)=pzmap(numerator, denominator)=pzmap(p,z)； 绘制闭环根轨迹命令：[r,k]=rlocus(system)=rlocus(numerator, denominator)= rlocus(numerator, denominator,k)； 确定给定一组根的根轨迹增益命令：[k,poles]=rlocfind(system)= rlocfind(system,p)=rlocfind(numerator, denominator)； 2、根据实际物理系统建立数学模型； 设数学模型为2222)(nn ns s s G ωζωω++= 3、改变系统参数绘制系统根轨迹； 输入系统参数：w=ωn =1；b=ζ=0.5； 建立数学模型：numerator=ωn ；denominator=[1,2*ζ*ωn ,1]；G=tf(numerator, denominator)； 则G (s)=112++s s4、绘制系统根轨迹，输入命令：rlocus(G)5、微分二阶系统的根轨迹输入系统参数：w=ωn =2；b=ζ=0.5；建立数学模型：number=[2，1]；den=[4，5，6]；G=tf(number,den)；则65412)(2+++=s s s s G 输入命令：rlocus(G) ，制系统根轨迹； 6、针对作业题绘制根轨迹 7、记录根轨迹图例：绘制单位反馈控制系统65412)(2+++=s s s s G 的根轨迹。

输入命令：a=[2,1];b=[4,5,6];g=tf(a,b);rlocus(g);则绘制出的根轨迹如下图所示。

试绘制如下系统的根轨迹。

1、 )4()(*+=s s k s GH2、)204)(4()(2*+++=s s s s k s GH3、)5)(2()(2*++=s s s k s GH4、22*)2()1()(++=s s k s GH四、实验结果记录上述实验曲线。

五、实验结果分析1、根据数学模型和根轨迹绘制规则分析计算概略根轨迹，与计算机绘制的根轨迹对照，分析误差原因；2、对实验结果的满意度进行分析；3、提高精度的方法和措施（或建议）；4、实验体会。

六、实验结果分析1、给定物理系统对象，即可建立数学模型；2、只要有系统数学模型，即可绘制系统根轨迹；3、根据系统根轨迹可分析系统的稳定性及系统性能指标。

实验四、频率特性实验一、实验目的：1、学习频率特性的实验方测定法；2、掌握根据频率响应实验结果绘制bode 图方法；3、根据实验结果所绘制的Bode 图，分析系统的主要动态特性（M p ，t s ）。

二、实验设备：1、XMN-2型自动控制原理实验箱；2、LZ3系列函数记录仪；3、DX5型超低频信号发生器；4、万用表。