自控实验报告

实验报告册
课程名称：自动控制原理
指导老师：丁永前
班级：
姓名：
学号：
学期：20 16 —20 17 学年第 1 学期南京农业大学工学院教务处印
实验目录实验一：典型环节的模拟实验
实验二：典型系统瞬态响应和稳定性分析实验三：控制系统的频率特性
实验四：系统校正
实验名称：典型环节的模拟实验
一、实验目的
通过模拟实验电路，结合理论知识感性认识各基本环节在典型信号下的响应。

通过实验初步了解实验装置的性能和结构，学会布线、设计和组合单元，学会软件的操作。

二、实验设备基本知识
①准备：使运放处于工作状态．
将信号源单元（U1 SG）的ＳＴ端（插针）与+5Ｖ端（插针）用“短路块”
短接，使模拟电路中的场效应管（３ＤＪ６）夹断，这时运放处于工作状态．
②阶跃信号的产生：
电路可采用图1一1所示电路．它由“单脉冲单元”（U0sp）及“电位器单元（Ｕ14Ｐ）组成．
图1—1
具体线路形成：在Ｕ
13
ＳＰ单元中，将Ｈ1与十5Ｖ插针用“短路决”短接，
Ｈ2插针用排线接至U
14 Ｐ单元的X插针; 在U
14
Ｐ单元中，将
Ｚ插针和GND插针用“短路块”短接，最后由插座的Ｙ端输出
信号．
以后实验若再用到阶跃信号时，方法同上．不再赘述。

三、实验内容和步骤：
（1）观测比例、积分、比例积分、比例微分和惯性环节的阶成响应曲线。

（2）观测ＰＩＤ环节的响应
（3）根据实际搭建的模拟电路图的参数，求解各典型环节的传递函数，在Simulink中进行仿真，给出理论的响应曲线，并与实际响应曲线进行对比分析。

四、写出各典型环节在阶跃信号作用下的输出响应表达式（用参数表示）
1、比例环节：Uo/Ui=K
2、积分环节：Uo/Ui=K/S
3、惯性环节：Uo/Ui=K/(TS+1)
4、比例积分环节：Uo/Ui=K+1/TS
5、比例微分环节：Uo/Ui=K(1+TS)
6、比例积分微分环节：Uo/Ui= Kp+TdS+1/TiS
四、画出各典型环节实际响应曲线图和理论响应（仿真）图比例环节：
积分环节：
惯性环节：
比例积分环节：
比例微分环节：
比例积分微分环节：
实验名称：典型系统瞬态响应和稳定性分析一、系统参数及框图
（1）典型二阶系统
① 典型二阶系统的方块图及传递函数
图２—ｌ是典型二阶系统原理方块图，其中Ｔ0=1Ｓ，Ｔ1=0.1S 。

S
T 01 111
+S T K
图2—1
开环传递函数： )
1()(10+=
S T S T K
S G ，其中K 1 =K/T 0，K 1 为开环增益。

闭环传递函数： 2
222)(n
n n
S S S W ωζωω++=其中011/T T K n =ω 110/T K T n =ζ
② 模拟电路图：见下图２—２
图 2-2
图中开环传递函数：)
11.0(/100)11.0()(1+=+=
S S R
S S K S G ，其中：1
11110210/100K K K R
K n ===ως
（2）典型三阶系统
① 典型三阶系统的方块图：见图2—3
S T 01 111+S T K 1
21+S T K R(s)
E(S)
+ _
C(S) R(S) C(S)
+
—
图 2—3
开环传递函数为： )
1)(1()()(21++=S T S T S K
S H S G 其中K=K 1K 2/T 0(开环增益)
② 模拟电路图：见图2—4
图 2—4
开环传递函数为)
151.0)(11.0(/510)
()(++=
S S S R
S H S G ，其中 K=510/R
三、实验内容及步骤
采用阶跃信号为信号源（参见实验一的描述）。

（１） 典型二阶系统瞬态性能指标的测试 ①按图２—２接线．Ｒ=１０Ｋ。

②用示波器观察系统阶跃响应C （ｔ），测量并记录超调量Mp ，峰值时间tp ，和调节时间ts ．记录表２中（表中已给出了实验结果参考数据，请自己重新观测记录和计算）。

③分别按Ｒ=２０Ｋ；４０ｋ；１００Ｋ 改变系的统开环增益，观察相应的阶跃响应Ｃ（t ），测量并记录性能指标Ｍp ，tp ，和ts ，及系统的稳定住。

并将测量值和计算值（实验前必须按公式计算出）进行比较。

（２）典型三阶系统的性能
四、当二阶系统Ｒ=２０Ｋ；４０ｋ；１００Ｋ时，填写下表
五、对实验中的三阶系统采用劳斯判据确定系统稳定、临界稳定和不稳定时的R 值，根据实验中的实际数据填写下表。

实验名称：控制系统的频率特性
一、测系统的方块图及原理
图 3-1
系统（或环节）的频率特性G （j ω）是一个复变量可以表示成以角频率ω为参数的幅值和相角：
)(/)()(ωωωj G j G j G =
本实验〔用频率特性测试仪测量系统或环节的频率特性。

图所示系统的开环频率特性为：
将频率特性测试仪内信号发生器产生的超低频正弦信号的频率从低到高变
化，并施加于被测系统的输入端[r （t ）]。

然后分别测量相应的反馈信号［b （t ）］和误差信号[e(t)]的对数幅值和相位。

频率特性测试仪测试数据经相关器运算后在显示器中显示。

分别计算出各个频率下的开环对数幅值和相位，在半对数座标纸上作出实验曲线：开环对数幅频曲线和相频曲线．
根据实验开环对数用幅频曲线画出开环对数幅频曲线的渐近线，再根据渐近线的斜率和转角频确定频率特性（或传递函数）。

所确定的频率特性（或传递
)
()
(/|)()(|)()(2)(1ωωωωωωωj E j B j E j B j H j G j G =
函数）的正确性可以由测量的相频曲线来检验，对最小相位系统而言，实际测量所得的相频曲线必须与由确定的频率特性（或传递函数）所画出的理论相频曲线在一定程度上相符。

如果测量所得的相位在高频（相当转角频率）时不等于一900×(q-p）[式中p和q分别表示传递函数分母和分子的阶次]，那么，频率特性（或传递函数）必定是一个非最小相位系统的频率特性。

三、被测系统的模拟电路图
注意：所测点一ｃ（ｔ）、－ｅ（ｔ）由于倒相器的作用，输出均为负值，若要其正的输出点，可分别在一ｃ（ｔ）、，（ｔ）之后串接一组1/１的比例环节，比例环节的输出即为ｃ（ｔ）、ｅ（ｔ）的正输出。

四、实验内容及步骤
在此实验中，我们利用ＡCS系统中的Ｕ１０DAC单元将提供频率和幅值均可调的基准正弦信号源作为被测对象的输人信号。

而ＡCS系统中测量单元的ＣＨ1通道用来观测被测环节的输出，选择不同角频及幅值的正弦信号源作为对象的输人，可测得相应环节的输出，并在ＰＣ机屏幕上显示，我们可以根据所测得的数据正确描述对象的幅频和相频特性图。

五、实验数据的测量与记录
实验名称：系统校正
图 4-1未校正前系统的方块图
则有闭环传函数：
⎪⎩
⎪
⎨⎧====⇒⎩⎨⎧==⇒++=)
/1(204%
60%158.032.640240)(2s Kv s t S S S W n 静态误差系数σςω
一、原系统及校正前的模拟电路图（图4-2）
图 4-2 未校正系统的模拟电路图
四、串联校正装置设计要求
使系统满足性能指标：⎪⎩
⎪
⎨⎧≥≤≤)/1(201%25%s Kv s t s σ
五、实验内容及步骤
准备：将“信号源单元”（U1SG ）的ST 插针和+5V 的插针用“短路块”短接。

（1）测量未校正系统的性能指标
（2）理论设计串联校正单元，在Matlab 的Simulink 环境下进行仿真，使各项 参数达到性能要求。

（3）设计校正单元的模拟电路，实测校正后系统的性能指标
六、 写出串联校正单元的设计过程，并画出校正后的系统结构框图及相关的性
能指标
（1）根据系统的动态性能的要求，设计一个超前校正装置其传递函数为：
（2）校正后系统Kv=20，Mp=0.25，ts<=1s ，校正后系统方块图如下：
（3）由图可知，系统的开环传递函数为
（4）与二阶系统的标准形式的开环传递函数相比，得
八、画出校正后系统的模拟电路图和实际响应曲线
校正后的系统模拟电路图。