自控实验指导书分解

实验一 典型环节的时域响应一、实验目的1、掌握典型环节模拟电路的构成方法、传函及输出时域函数的表达式。

2、掌握各典型环节的特征参数的测量方法。

3、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。

二、实验设备Pc 机一台，TD-ACC+教学实验系统一套三、实验原理及内容1、比例环节1）结构框图图1-1 比例环节的结构框图2）传递函数K S R S C =)()( 3）阶跃响应K t C =)( )0(≥t 其中 01/R R K =4）模拟电路图1-2 比例环节的模拟电路图注：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100k 电阻。

不需再接。

2、积分环节1）结构框图图1-3 积分环节的结构框图2）传递函数TS S R S C 1)()(=3）阶跃响应t T t C 1)(= )0(≥t 其中 C R T 0=4）模拟电路图1-4 积分的模拟电路图3、比例积分环节1）结构框图图1-5 比例积分环节的结构框图2）传递函数TS K S R S C 1)()(+= 3）阶跃响应t TK t C 1)(+= )0(≥t 其中 01/R R K = ；C R T 0= 4）模拟电路图1-6 比例积分环节的模拟电路图4、惯性环节1）结构框图图1-7 惯性环节的结构框图2）传递函数C(S)R(S)=1TS +13）阶跃响应)1()(/T t e K t C --= 其中 01/R R K = ；C R T 1=4）模拟电路图1-8 惯性环节的模拟电路图四、实验步骤1、按图1-2比例环节的模拟电路图将线接好。

检查无误后开启设备电源。

2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”。

将信号形式开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值小于5V ，周期为10s 左右。

3、将方波信号加至比例环节的输入端R （t ），用示波器的“CH1”和“CH2” 表笔分别监测模拟电路的输入R （t ）端和输出C(t)端。

记录实验波形及结果。

4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号的实际响应曲线。

5、再将各环节实验参数改为如下：比例环节：k R 2000=，k R 2001=。

积分环节：k R 2000=，u C 2= ；比例积分：k R 1000=，k R 2001=，u C 2= ；惯性环节：k R R 20010==；u C 2= 。

6、 重复步骤3。

五、实验报告要求1、将各环节的阶跃响应曲线画在实验报告上，标明输入信号的幅值、输出响应曲线的时间和幅值。

分析参数变化对响应曲线的影响。

2、理论计算比例放大倍数K 、积分时间常数T 、惯性时间常数T 的值与实际测量值进行验证。

六、思考题1、由运算放大器组成的各种环节的传递函数是在什么条件下推导出的？2、实验电路中串联的后一个运放的作用？若没有则其传递函数有什么差别？3、惯性环节在什么条件下可以近似为比例环节？而在什么条件下可以近似为积分环节？实验二 典型系统的时域响应和稳定性分析一、 实验目的1、 研究二阶系统的特征参量（ξ 、n ω）对过渡过程的影响；2、研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性；3、熟悉Routh 判据，用Routh 判据对三阶系统进行稳定性分析。

二、 实验设备Pc 机一台，TD-ACC+教学实验系统一套三、 实验原理及内容1、 典型二阶系统1） 结构框图图2-1典型的二阶系统的结构框图 2）模拟电路图图2-2 典型二阶系统的模拟电路图3）理论分析 系统的开环传递函数为：)1(/)1()()(101101+=+=S T S T k S T S T k S H S G系统的开环增益： 01/T k K =4）实验内容先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R 的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，与理论分析值比较。

在此实验中（图2-2）：s T 10= ，s T 1.01= ，R k /1001= ， R k T k K /100/101=== 系统闭环传递函数为：RS S R S S S W n n n /100010/10002)(2222++=++=ωξωω 其中自然振荡角频率：R n /1010=ω其中阻尼比： R /1021=ξ2、典型的三阶系统稳定性分析1）结构框图图2-3 典型的三阶系统的结构框图2）模拟电路图图2-4 典型三阶系统的模拟电路图3）理论分析系统的开环传递函数为：)15.0)(11.0(/500)()(++=S S S R S H S G （其中R K /500=） 系统的特征方程为： 0)()(1=+S H S G020201223=+++K S S S4）实验内容实验前由Routh 判据得Routh 行列式为：3S 1 202S 12 20K1S （20-5K/3） 00S 20 K 0为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有：3/520K -＞ 0K 20 ＞ 0得： 0 ＜K ＜ 12 R ＞ 41.7 系统稳定K = 12 R = 41.7K 系统临界稳定K ＞ 12 R ＜ 41.7k 系统不稳定系统稳定 系统临界稳定 系统不稳定(衰减震荡) (等幅振荡) (发散振荡)四、 实验步骤1、按图2-2典型二阶系统的模拟电路图将线接好。

检查后开启设备电源。

2、将信号源单元的“ST ”端插针与“S ”端插针用“短路块”。

将信号形式开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT ”端输出的方波幅值为1V ，周期为10s 左右。

3、典型二阶系统瞬态响应1）按模拟电路图2-2接线，将步骤1中的方波信号接至输入端。

2）取k R 10=，用示波器观察二阶系统响应曲线C （t ），测量并记录性能指标%p σ、p t 、s t 。

3）分别按k R 20=、k R 40=、k R 100=；改变系统开环增益，观察二阶系统响应曲线C （t ），测量并记录性能指标%p σ、p t 、s t 及系统的稳定性。

并将测量值和理论计算值进行比较。

4、典型三阶系统的稳定性1）按图2-4接好线，将步骤1中的方波信号接至输入端，2）改变R 值，观察系统响应曲线，使之系统稳定(衰减震荡)、系统临界稳定(等幅振荡)、系统不稳定(发散振荡)。

分别记录与之对应的电阻R 值。

并将测量值和理论计算值进行比较。

五、实验报告要求1、对于二阶振荡系统，从阶跃响应曲线上分别求出不同阻尼比ξ时的动态性能指标%p σ、p t 及s t 等，与相对应阻尼比ξ的动态性能指标%p σ、p t 及s t 等理论计算值进行比较。

2、分析系统稳定条件，确定系统临界稳定时的电阻R 的值，与实验数据进行比较；记录系统稳定、临界稳定、不稳定时的输出曲线。

六、思考题1、在图2—2、图2—4电路中再串联1:1的反向器，系统是否会稳定？2、在图2—4电路中，改变增益是否会出现不稳定现象？实验三 采用PI 的串联校正一、实验目的：1、了解和观测校正装置对系统稳定性及瞬态特性的影响。

2、验证频率法校正是否满足性能要求。

二、实验要求：1、观测未校正系统的稳定性及瞬态响应。

2、观测校正后系统的稳定性极瞬态响应。

三、实验仪器设备1、TDN-AC/ACS 教学实验系统 一套2、万用表 一块四、实验原理、内容及步骤1、原系统的原理方块图未校正系统的方框图如图3—1所示图3—1未校正系统的方框图要求设计PI 串联校正装置，校正时使期望特性开环传递函数为典型II 型并使系统满足下列指标：%25≤p M ， S t s 84.0≤校正网络的传递函数为：CSR CS R s G c 011)(+= 校正后的方块图如图3—2所示图3—2 校正后的方块图2、系统校正前后的模拟电路图图3—3系统校正前的模拟电路图图3—4系统校正后的模拟电路图3、实验内容及步骤1）测量未校正系统的性能指标。

准备：将模拟电路输入端R(t)与信号源单元（U1 SG）的输出端OUT端相连接；模拟电路的输出端C(t)接至示波器。

步骤：按图3—3接线；加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp和调节时间Ts，记录曲线及参数。

2) 测量校正系统的性能指标准备：设计校正装置参数R1= C = R2 = R3=步骤：按图3—4接线，加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp和调节时间Ts，看是否达到期望值，若未达到，请仔细检查接线、参数值并适当调节参数值。

记录达标的校正装置的实测曲线及参数。

五、实验报告要求1、未校正系统性能分析；2、校正后系统分析；3、实验观测记录；4、实验结果分析。

六、思考题1、是推导典型II型开环放大倍数Ka与中频宽ω1、ω2的关系。

2、在本实验的典型II型系统校正外，还有没有其它校正方式？实验四 具有微分负反馈的校正一、 实验目的：1、按给定性能指标，对固有模拟对象运用并联校正对数频率特性的近似作图法，进行反馈校正。

2、用实验验证理论计算结果 。

3、 熟悉期望开环传递函数为典型Ｉ型的参数计算及微分反馈校正调节器的实现.。

二、实验要求：1、观测未校正系统的稳定性及瞬态响应。

2、观测校正后系统的稳定性极瞬态响应。

三、实验仪器设备1、TDN-AC/ACS 教学实验系统 一套2、万用表 一块四、实验内容、步骤及原理1、原系统的原理方块图已知未校正系统的方框图如图4—1所示图4—1未校正系统的方框图要求设计具有微分校正装置，校正时使期望特性开环传递函数为典型I 型，并使系统满足下列指标：放大倍数： 19v K =闭环后阻尼系数： 0.707ζ=超调量： %3.4≤p M调节时间： s T s 3.0≤校正网络的传递函数为：121+=CS R C R G c 校正后的方块图如图4—2所示图4—2校正后的方块图2、系统校正前后的模拟电路图图4—3系统校正前的模拟电路图图4—4系统校正后的模拟电路图3、实验内容及步骤1）、测量未校正系统的性能指标。

准备：将模拟电路输入端R(t)与信号源单元（U1 SG ）的输出端OUT 端相连接；模拟电路的输出端C(t)接至示波器。

步骤：按图4—3接线；加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp 和调节时间Ts ，记录曲线及参数。

2）测量校正系统的性能指标准备：设计校正装置参数根据给定性能指标，设期望开环传递函数为)1(19)(+=TS S s G 因为：闭环特征方程为： 0192=++S TS 或 0T 19T 12=++S S 707.0=ξ故 T 1921=ξ 026.0=T由于微分反馈通道的Bode 图是期望特性Bode 图的倒数，所以微分反馈通道的放大倍数为期望特性的放大倍数的倒数，即1/19。

而微分反馈通道传递函数的时间常数取期望特性时间常数T 的二倍，为80。