自控实验1
自动控制原理实验资料
自动控制原理实验实验1 控制系统典型环节的模拟利用运算放大器的基本特性，如：开环增益高，输入阻抗大、输出阻抗小等，通过设置不同的反馈网络，可以模拟各种典型环节。
一．实验目的● 掌握用运算放大器组成控制系统典型环节的电子电路原理。
● 观察几种典型环节的阶跃响应曲线。
● 了解参数变化对典型环节输出动态性能（即阶跃响应）的影响。
二．实验仪器● THSCC-1实验箱一台。
● 示波器一台。
三．实验内容 1．比例环节比例（P ）环节的方框图如图1-1所示。
图1-1比例环节方框图K Z Z S u S u S G i o ==-=12)()()(当输入为单位阶跃信号，即u i =-1V 时，u i （s ）=s 1，则u o （s ）=K s1，所以输出响应为：u o （t ）=K （t ≥0）。
比例环节实验原理图如图1-2所示。
选择：K=R2/R1=2，例如选择R2=820k ，R1=410k ，或选择R2=100k ，R1=51k 。
R2图1-2 比例环节实验原理图和输出波形实验步骤：（1）调整示波器：● 选择输入通道CH1或CH2。
● 逆时针调节示波器的时间旋钮“TIME/DIV ”到底，使光标为一点，并调节上下“位移”旋钮使光标位于0线上。
● 调整示波器的输入幅度档位选择开关，选择合适的档位使信号幅度便于观察，例如选择档位为1V 档。
● 将输入幅度档位选择开关中心的微调旋钮顺时针旋到底。
● 将信号选择开关打到DC 档。
（2）顺时针调节实验箱的旋钮，使阶跃信号为负（绿灯亮）。
（3）阶跃信号接到示波器上，调节实验箱的幅度旋钮。
使负跳变幅度为一格（即Ui=-1V ）。
（4）接好实验线路，按下阶跃信号按钮，观察示波器的波形。
预习思考：输出幅度跳变应为……? 2.惯性环节惯性环节实验原理图如图1-3所示。
其传递函数为：11)()()(+==TS Ks u s u S G i o ， K= R2/R1，T=R2*C 当输入为单位阶跃信号，即u i （t ）=-1V 时，u i （s ）=S 1，则u o （s ）=S11TS 1⋅+ 所以输出响应为u o （t ）=)e1(K Tt--。
自动控制原理实验一
KTδ(t)+K
实测：μo(t)=
+
e-t/R3C
Ro=
100K R2=
100K
C=1uF
R3=
10K
R1=
100K
R1=
200K
典型
环节
传递函数参数与模拟电路参数
关 系
单位阶跃响应
理想阶跃响应曲线
实测阶跃响应曲线
PID
KP=
TI=Ro C1
TD=
理想：μo(t)= TDδ(t)+Kp+
答：传递函数的相角始终大于零，a>1。
3．你能解释校正后系统的瞬态响应变快的原因吗？
答：由于实际控制系统具有惯性、摩擦、阻尼等原因。
表3-1
参数
项目
Mp(%)
Ts(s)
阶 跃 响 应 曲 线
未校正
0.6
4
校正后
0.125
0.42
实验四 控制系统的频率特性
一、被测系统的方块图及原理：
图4—1 被测系统方块图
关 系
单位阶跃响应
理想阶跃响应曲线
实测阶跃响应曲线
惯性
K=
T=R1C
μo(t)=
K(1-e-t/T)
R1=
250K
Ro=
250K
C=
1μF
C=
2μF
I
T=RoC
μo(t)=
Ro=
200K
C=
1μF
C=
2μF
PI
K=
T=RoC
μo(t)=K+
R1=
100K
Ro=
200K
C=
自动控制原理实验实验指导书
自动控制原理实验目录实验一二阶系统阶跃响应（验证性实验） (1)实验三控制系统的稳定性分析（验证性实验） (9)实验三系统稳态误差分析（综合性实验） (15)预备实验典型环节及其阶跃响应一、实验目的1.学习构成典型环节的模拟电路，了解电路参数对环节特性的影响。
2.学习典型环节阶跃响应测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节传递函数。
二、实验内容搭建下述典型环节的模拟电路，并测量其阶跃响应。
1.比例(P)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-1。
2.惯性(T)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-2。
3.积分(I)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-3。
4. 比例积分(PI)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-4。
5.比例微分(PD)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-5。
6.比例积分微分(PID)环节的模拟电路及其传递函数示于图1-6。
三、实验报告1.画出惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节、比例积分微分环节的模拟电路图，用坐标纸画出所记录的各环节的阶跃响应曲线。
2.由阶跃响应曲线计算出惯性环节、积分环节的传递函数，并与由模拟电路计算的结果相比较。
附1：预备实验典型环节及其阶跃响应效果参考图比例环节阶跃响应惯性环节阶跃响应积分环节阶跃响应比例积分环节阶跃响应比例微分环节阶跃响应比例积分微分环节阶跃响应附2：由模拟电路推导传递函数的参考方法1． 惯性环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：整理得进一步简化可以得到如果令R 2/R 1=K ，R 2C=T ，则系统的传递函数可写成下面的形式：()1KG s TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时 则有输入U 1(s)=1输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 1KTS-+由拉氏反变换可得到单位脉冲响应如下：/(),0t TK k t e t T-=-≥ 当输入r(t)为单位阶跃函数时 则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)= 11K TS s-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：/()(1),0t T h t K e t -=--≥当输入r(t)为单位斜坡函数时 则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2323R R C T R R =+2Cs12Cs-(s)U R10-(s)U 21R R +-=12212)Cs (Cs 1(s)U (s)U )(G R R R s +-==12212)Cs 1((s)U (s)U )(G R R R s +-==由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：/()(1),0t T c t Kt KT e t -=--≥2． 比例微分环节令输入信号为U 1(s) 输出信号为U 2(s) 根据模电中虚短和虚断的概念列出公式：(s)(s)(s)(s)(s)U100-U U 0U 2=1R1R23(4)CSU R R '''---=++由前一个等式得到 ()1()2/1U s U s R R '=- 带入方程组中消去()U s '可得1()1()2/11()2/12()1134U s U s R R U s R R U s R R R CS+=--+由于14R C〈〈，则可将R4忽略，则可将两边化简得到传递函数如下： 2()23232323()(1)1()11123U s R R R R R R R R G s CS CS U s R R R R R ++==--=-++如果令K=231R R R +， T=2323R R C R R +，则系统的传递函数可写成下面的形式：()(1)G s K TS =-+当输入r(t)为单位脉冲函数时，单位脉冲响应不稳定，讨论起来无意义 当输入r(t)为单位阶跃函数时 则有输入U 1(s)=1/s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=(1)K TS S-+由拉氏反变换可得到单位阶跃响应如下：()(),0h t KT t K t δ=+≥当输入r(t)为单位斜坡函数时 则有输入U 1(s)=21s输出U 2(s)=G(s)U 1(s)=2(1)K TS S -+由拉氏反变换可得到单位斜坡响应如下：(),0c t Kt KT t =+≥实验一 二阶系统阶跃响应（验证性实验）一、实验目的研究二阶系统的两个重要参数阻尼比ξ和无阻尼自然频率n ω对系统动态性能的影响。
自动控制原理实验报告 (1)
实验1 控制系统典型环节的模拟实验（一）实验目的：1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。
2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。
实验原理：控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，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。
实验内容及步骤实验内容：观测比例、惯性和积分环节的阶跃响应曲线。
实验步骤：分别按比例，惯性和积分实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行。
①按各典型环节的模拟电路图将线接好(先接比例)。
(PID先不接)②将模拟电路输入端(U i)与阶跃信号的输出端Y相连接；模拟电路的输出端(Uo)接至示波器。
③按下按钮(或松开按钮)SP时，用示波器观测输出端的实际响应曲线Uo(t)，且将结果记下。
改变比例参数，重新观测结果。
④同理得积分和惯性环节的实际响应曲线，它们的理想曲线和实际响应曲线。
实验数据实验二控制系统典型环节的模拟实验（二）实验目的1．掌握控制系统中各典型环节的电路模拟及其参数的测定方法。
2．测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对环节输出性能的影响。
实验仪器1．自动控制系统实验箱一台2．计算机一台实验原理控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，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。
实验内容及步骤内容：观测PI，PD和PID环节的阶跃响应曲线。
步骤：分别按PI，PD和PID实验电路原理图连线，完成相关参数设置，运行①按各典型环节的模拟电路图将线接好。
自动控制原理实验（1）
实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。
三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
TsS U S U s G i O 1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CS R R R CS R R R CS R CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
自动控制原理实验(1)
实验一 典型环节的电路模拟一、实验目的1．熟悉THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱及“THKKL-5”软件的使用； 2．熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1．THKKL-5型 控制理论·计算机控制技术实验箱；2．PC 机一台(含“THKKL-5”软件)、USB 数据采集卡、37针通信线1根、16芯数据排线、USB 接口线。
三、实验内容1．设计并组建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响。
四、实验原理自控系统是由比例、积分、微分、惯性等环节按一定的关系组建而成。
熟悉这些典型环节的结构及其对阶跃输入的响应，将对系统的设计和分析十分有益。
本实验中的典型环节都是以运放为核心元件构成，其原理框图 如图1-1所示。
图中Z 1和Z 2表示由R 、C 构成的复数阻抗。
1．比例（P ）环节比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。
图1-1 它的传递函数与方框图分别为：KS U S U S G i O ==)()()(当U i (S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K 时的响应曲线如图1-2所示。
2．积分（I ）环节 图1-2积分环节的输出量与其输入量对时间的积分成正比。
它的传递函数与方框图分别为：设U i (S)为一单位阶跃信号，当积分系数为T 时的响应曲线如图1-3所示。
TsS U S Us G i O1)()()(==图1-33．比例积分(PI)环节比例积分环节的传递函数与方框图分别为：)11(11)()()(21211212CSR R R CSR R R CSR CS R S U S U s G i O +=+=+==其中T=R 2C ，K=R 2/R 1设U i (S)为一单位阶跃信号，图1-4示出了比例系数(K)为1、积分系数为T 时的PI 输出响应曲线。
最新自控实验报告实验一
最新自控实验报告实验一实验目的：1. 理解并掌握自控系统的基本原理和工作机制。
2. 学习如何搭建和调试简单的自控实验系统。
3. 通过实验数据分析，加深对控制系统性能指标的认识。
实验设备：1. 自动控制实验台一套，包括控制器、执行器、传感器等。
2. 计算机及相关软件，用于数据采集和分析。
3. 标准测试物件，如测试质量块、固定支架等。
实验步骤：1. 根据实验要求，搭建自控系统。
包括安装传感器，连接执行器，设置控制器参数等。
2. 使用计算机软件对系统进行初步的参数设置和校准。
3. 开始实验，记录系统在不同输入下的响应数据。
4. 分析数据，绘制系统响应曲线，如阶跃响应、频率响应等。
5. 根据实验结果调整系统参数，优化系统性能。
6. 重复实验，验证参数调整的效果。
实验结果：1. 系统响应时间：记录并报告系统从接收控制信号到达到稳定状态所需的时间。
2. 稳态误差：分析系统在稳态工作时的误差情况。
3. 过渡过程：描述系统从初始状态到最终状态的过渡过程，包括超调量、振荡次数等。
4. 频率响应：绘制并分析系统频率响应曲线，评估系统的频率特性。
实验结论：1. 通过本次实验，验证了自控系统的基本原理和设计要求。
2. 实验数据显示，系统具有良好的动态响应和稳定性能。
3. 参数调整对系统性能有显著影响，合理的参数设置可以优化系统性能。
4. 实验中遇到的问题及解决方案，如系统过调、振荡等，均已得到妥善处理。
建议与展望：1. 对于未来的实验，建议增加更复杂的控制算法，如PID控制、模糊控制等，以进一步提高系统性能。
2. 可以考虑引入更多的干扰因素，以测试系统在非理想条件下的鲁棒性。
3. 建议对实验设备进行升级，以便进行更高精度和更复杂系统的实验研究。
自控原理实验报告实验一
自控原理实验报告实验一
《自控原理实验报告实验一》
自控原理是一种重要的控制理论，它在工程、生物学、心理学等领域都有着广
泛的应用。
在本次实验中，我们将通过实验一来探索自控原理的基本概念和应用。
实验一的目的是通过控制系统的搭建和实验验证，来理解自控原理的基本原理。
在实验中，我们将使用一台简单的控制系统，通过调节输入信号和反馈信号的
关系，来实现对系统的自控。
首先，我们搭建了一个简单的控制系统，包括一个输入信号发生器、一个控制
器和一个被控对象。
通过调节输入信号发生器的输出信号，我们可以改变被控
对象的状态。
而控制器则根据被控对象的状态和预设的目标状态，来调节输入
信号的大小，从而实现对被控对象的自控。
在实验过程中，我们进行了多组实验，通过改变输入信号的频率、幅值和相位
等参数，来观察被控对象的响应。
同时，我们也调节了控制器的参数，来验证
自控原理的稳定性和鲁棒性。
通过实验一的实验结果，我们得出了一些结论。
首先，我们发现控制系统的稳
定性和鲁棒性与控制器的参数设置有着密切的关系。
合理的参数设置可以使控
制系统更加稳定和鲁棒。
其次，我们也验证了自控原理中的负反馈和正反馈的
概念，并通过实验结果来解释这些概念的作用和影响。
总的来说，实验一为我们提供了一个很好的机会来理解自控原理的基本概念和
应用。
通过实验，我们不仅加深了对自控原理的理解，同时也学会了如何通过
控制系统来实现对被控对象的自控。
这对于我们今后在工程、生物学、心理学
等领域的研究和应用都具有着重要的意义。
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实验报告
课程名称：___自动控制理论实验____________指导老师：_ 吴越__
_成绩：实验名称： 典型环节的模拟电路 实验类型：_ __________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理
六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
实验1 典型环节的模拟电路
一. 实验目的
1.熟悉慢扫描示波器的性能和使用方法；
2.掌握典型环节的电模拟方法及其参数测试方法；
3.测量典型环节的阶跃响应曲线，了解参数变化对动态特性的影响。
二，实验内容
1，了解双线示波器的使用方法和性能；
2，画出测试电路图及典型环节的模拟电路图； 3，观察并记录s 5.0/1s G =）（环节的动态波形，)1/(2s 1+=s G ）（和)15.0/(1s 2+=s G ）（；积分环节：s s G s s G 5.0/1)(2/1)(1==和比例积分环节s s G s S G 5.0/12)(2/11)(1+=+=和；观察并记录比例积分微分环节的动态波形。
三，实验仪器设备
1.电子模拟实验装置一台
2.超低频慢扫描示波器一台
3.万用表一只
四，实验原理
本实验采用复合网络来模拟各种典型环节，即是设置运算放大器不同的输入网络和反馈网络来模拟各种典型环节,根据实域等效电路来求各典型环节的等效模拟电路电路。
五，实验数据记录
1.(1))1/(2s 1+=s G ）（对应R3=1000K,R2=500K,C=1UF
阶跃脉冲为+4.5V输入时，稳定输出值为-9.0V，时间τ=2.0S (2),)1
=s
G）
（:
2+
s
/(
5.0
1
R3=500k，R2=500K,C=1UF
输入阶跃脉冲为+4.5V时，稳定输出值为-4.5V，时间常数τ=1.0s
实验报告
课程名称：___自动控制理论实验____________指导老师：_ 吴越__
_成绩：实验名称： 典型环节的模拟电路 实验类型：_ __________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填） 二、实验内容和原理（必填） 三、主要仪器设备（必填） 四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理
六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
2,(1),积分环节
R=1M,C=1UF
积分环节，输入为+4.5V 的阶跃脉冲，输出积分最大值为-22.5V ，积分时间为7.0S
(2)，积分环节s 5.0/1s G ）
（
R=500K,C=1UF
输入为+4.5V的阶跃脉冲，积分输出最大值为-28.5V，积分时间5.0S
4,(1)，比例积分微分环节的电路图和动态波形
R1=R2=200k,R3=5K,C1=1UF,C2=10UF
输入为脉冲+4.5V，在零时刻有一个冲击响应，，然后进行积分，积分起点为-28.0V积分输出最大值为-28.0V，积分时间为2.0S
实验报告课程名称：___自动控制理论实验____________指导老师：_ 吴越__
_成绩：
实验名称：典型环节的模拟电路实验类型：_ __________同组学生姓名：__________ 一、实验目的和要求（必填）二、实验内容和原理（必填）
三、主要仪器设备（必填）四、操作方法和实验步骤
五、实验数据记录和处理六、实验结果与分析（必填）
七、讨论、心得
(2).R1=R2=R3=200K,C1=1UF,C2=10UF
输入仍为脉冲+4.5v，输出脉冲电压为-28.0V
六，实验结果分析
1，惯性环节)1
/(
2
(+
=s
S
G）
由于R2=2R1，所以稳定时的电压是Uin的2倍，而方向相反，所以为-7.0v,时间啊常数为RC=2s，测量值为2.0s，相对误差为0%。
)1
5.0
/(
1
)
(+
=S
S
G,R1=R2，所以稳定时（电容为断路），有UO=Uin，方向相反，测量值为-4.5V，相对误差为0%，时间常数RC=1.0s，测量值为1.0s，相对误差为0%.
2,积分环节S
S
G/1
)
(=
积分电流为1/1M=1uA,所以积分时间理论值应为7.5s，实际测量值，积分最大值为-22.5V，误差为0%，时间为7.0s，相对误差为7.1%。
S
S
G5.0/1
)
(=,R=500K，积分电流为2uA,理论积分最大值为-28.0v,积分时间为5.0s,实际测量值为积分最大电压-28.5V，误差为1.8%,积分时间为5.0s，相对误差为0%
3比例积分微分环节
)]
1
/
2
3
2
1
1
/1
1
1
/)2
3
1
2
[(
)
(R
S
C
R
R
S
C
R
C
R
C
R
C
R
S
G+
+
+
-
=
将R1=R2=200K,R3=5K,C1=1UF,C2=10UF
G(S)=-(1.002+5/S+0.05S) 其中有一个冲激0.05S，其次为有积分起点的比例积分函数. 将R1=R2=R3=200K,C1=1UF,C2=10UF代入得
G(S)=-(2+5/S+2S)，所得为一个近似阶跃脉冲的输出。
七，思考题
1.运算放大器模拟各环节的传递函数是在什么情况下推导的？
答：虚短条件。
2，积分环节和惯性环节主要差别是什么？惯性环节在什么情况下可以近似为积分环节？在什么条件下课近似为比例环节？
答：积分环节是输出立即线性改变，惯性环节有个过渡过程。
当时间常数很大的时候过渡过程就可视为线性变化，近似为积分环节当时间常数很小即是过渡过程很短，忽略不计。
3，如何从阶跃响应的输出波形中测出惯性环节的时间常数？
答：以零时刻为原点，当电压变为稳定值的0.63倍的时候的时间即视为时间常数
八，实验心得
1.电容式储能元件，使用完要再次使用时要先对其进行放电处理
2.阶跃响应的输入不宜过大，否则会烧坏运算放大器。
3.部分仪器器件可能存在问题，需耐心调整或更换，慢慢调出所需波形。