自控实验2：典型环节的电路控制
自控原理实验报告
自动控制原理实验报告目录2.2典型环节模拟电路及其数学模型1. 实验目的2. 实验原理3. 实验内容4. 实验步骤5. 实验数据记录3.1典型二阶系统模拟电路及其动态性能分析1. 实验目的2. 实验原理3. 实验内容4. 实验步骤5. 实验数据纪录3.4三阶控制系统的稳定性分析1. 实验目的2. 实验原理3. 实验内容4. 实验步骤5. 实验数据记录3.5基于Matlab告诫控制系统的时域响应动态性能分析1. 实验目的2. 实验内容3. 实验数据纪录4.1基于Matlab控制系统的根轨迹及其性能分析1. 实验目的2. 实验原理3. 实验内容4. 实验步骤5. 实验数据记录5.4 基于MATLAB控制系统的博德图及其频域分析1. 实验目的2. 实验原理3. 实验内容4. 实验步骤5. 实验数据记录2.2典型环节模拟电路及其数学模型1.实验目的1）掌握典型环节模拟电路的构成，学习运用模拟电子组件构造控制系统。
2）观察和安装个典型环节的单位节阶跃响应曲线，掌握它们各自特性。
3）掌握各典型环节的特性参数的测量方法，并根据阶跃响应曲线建立传递函数。
2.实验原理本实验通过实验测试法建立控制系统的实验模型。
实验测试法是人为地给系统施加某种测试信号，记录基本输出响应，并用适当的数学模型区逼近。
常用的实验测试法有三种：时域测试法，频域测试法和统计相关测试法。
通过控制系统的时域测试，可以测量系统的静态特性和动态特性指标。
静态特性是指系统稳态是的输入与输出的关系，用静态特性参数来表征，如增益和稳态误差。
动态性能指标是表征系统输入一定控制信号，输出量随时间变化的响应，常用的动态性能指标有超调量、调节时间、上升时间、峰值时间和振荡次数等。
静态特性可以采用逐点测量法，及给新一个输入量，新颖测量被控对象的一个稳态输出量，利用一组数据绘出静态特性曲线求出其斜率，就可以确定被测对象的增益。
动态特性可以采用阶跃响应或脉冲响应测试法，给定被测对象施加阶跃输入信号或脉冲信号，利用示波器或记录仪测量被测对象的输出响应，如为使测量尽可能的得到理想的数学模型，应注意以下几点：1）被测对象应处于实际经常使用的负荷情况，并且在较为稳定的状态下进行测试。
自控实验报告-典型环节
自动控制原理实验报告课程名称 自动控制原理实验 成绩评定 实验项目名称 典型环节 指导教师实验项目编号 0806105701 实验项目类型 设计 实验地点学院 电气工程学院 系 专业 电气工程及其自动化 实验时间 2020年 5 月 18 日 下午 一、实验目的1．熟悉Matlab/simulink 各典型模块；2．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、实验环境Matlab/simulink 仿真平台 三、实验报告要求1．画出各环节的模块连接图，并注明参数。
2．写出各典型环节的传递函数。
3．根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。
四、实验内容及分析1．观测三阶系统的 ()(0.11)(0.51)KW s S S S =++开环增益K 为不同数值时的阶跃响应曲线(１) 0<K <12; (２) K ＝12;(３) K >12。
（1）K=1K=5K=10（2）K=12（3）K=15K=50K=100分析图象曲线可知：0<k<12时 ，系统是稳定系统，随着开环增益K 的增大，系统调节时间增大，超调量增大K=12,系统是临界稳定系统k>12,系统发散不稳定，随着开环增益K 的增大，系统震荡越明显2．比例积分(PI)环节1()I W s K T S=+设U i (S )为一单位阶跃信号，记录PI 的输出 （１） 若比例系数K =2、积分时间常数T I =0.1S ； （２）若比例系数K =1.1、积分时间常数T I =1S 。
（1）（2）由图像曲线可得：时间常数越小，积分时间越小，响应过程的快速性也越好。
四、实验小结由实验一得，随着开环增益K的增大，此三阶系统的动态稳定性变差，由实验二可知，比例环节的时间常数越小，积分时间越小，响应过程的快速性也越好。
典型环节的电路模拟实验
典型环节的电路模拟实验一、实验目的1．熟悉并掌握YTZKJ-2型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验装置的结构组成及使用方法。
2．通过实验进一步了解熟悉各典型环节的模拟电路及其特性。
3．测量各典型环节的阶跃响应曲线，了解相关参数的变化对其动态特性的影响。
二、实验设备1．YTZKJ-2型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验装置 2．双踪慢扫描示波器1台(可选) 三、实验内容1．设计并构建各典型环节的模拟电路；2．测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数的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、惯性环节等按一定的关系连接而成。
熟悉这些惯性环节对阶跃输入的响应，对分析线性系统将是十分有益的。
1．比例（P ）环节比例环节的传递函数与方框图分别为K )s (u )s (u )s (G i o ==其模拟电路（后级为反相器）和单位阶跃响应曲线分别如图1-1所示。
其中K=12R R ,这里取 R 1=100K ，R 2=200K ，R 0=200K 。
通过改变电路中R1、R2的阻值，可改变放大系数。
图1-1 比例环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线 2．积分(I)环节积分环节的传递函数为 Ts1(s)u (s)u G(s)i o ==图1-2积分环节的方框图对应的方框图如图1-2所示。
它的模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-3所示图1-3积分环节的模拟电路图和单位阶跃响应曲线其中 T=RC ，这里取 C=10uF,R=100K,R 0=200K 。
通过改变R 、C 的值可改变响应曲线的上升斜率。
3．比例积分(PI)环节积分环节的传递函数与方框图分别为)CSR 1(1R R CSR 1R R CSR 1CS R ui(s)uo(s)G(s)21211212+=+=+==其模拟电路和单位阶跃响应分别如图1-4所示. 其中12R R K =，T=R 1C ，这里取C=10uF, R 1=100K ，R 2=100K ，R 0=200K 。
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。
自控实验报告实验二
自控实验报告实验二一、实验目的本次自控实验的目的在于深入理解和掌握控制系统的性能指标以及相关参数对系统性能的影响。
通过实验操作和数据分析，提高我们对自控原理的实际应用能力，培养解决实际问题的思维和方法。
二、实验设备本次实验所使用的设备主要包括：计算机一台、自控实验箱一套、示波器一台、信号发生器一台以及相关的连接导线若干。
三、实验原理在本次实验中，我们主要研究的是典型的控制系统，如一阶系统和二阶系统。
一阶系统的传递函数通常表示为 G(s) ＝ K ／（Ts ＋ 1)，其中 K 为增益，T 为时间常数。
二阶系统的传递函数则可以表示为 G(s) ＝ωn² ／（s²＋2ζωn s ＋ωn²)，其中ωn 为无阻尼自然频率，ζ 为阻尼比。
通过改变系统的参数，如增益、时间常数、阻尼比等，观察系统的输出响应，从而分析系统的稳定性、快速性和准确性等性能指标。
四、实验内容与步骤1、一阶系统的阶跃响应实验按照实验电路图连接好实验设备。
设置不同的时间常数 T 和增益 K，通过信号发生器输入阶跃信号。
使用示波器观察并记录系统的输出响应。
2、二阶系统的阶跃响应实验同样按照电路图连接好设备。
改变阻尼比ζ 和无阻尼自然频率ωn，输入阶跃信号。
用示波器记录输出响应。
五、实验数据记录与分析1、一阶系统当时间常数 T ＝ 1s，增益 K ＝ 1 时，系统的输出响应呈现出一定的上升时间和稳态误差。
随着时间的推移，输出逐渐稳定在一个固定值。
当 T 增大为 2s，K 不变时，上升时间明显变长，系统的响应速度变慢，但稳态误差基本不变。
2、二阶系统当阻尼比ζ ＝ 05，无阻尼自然频率ωn ＝ 1rad/s 时，系统的输出响应呈现出较为平稳的过渡过程，没有明显的超调。
当ζ 减小为 02，ωn 不变时，系统出现了较大的超调，调整时间也相应变长。
通过对实验数据的分析，我们可以得出以下结论：对于一阶系统，时间常数 T 越大，系统的响应速度越慢；增益 K 主要影响系统的稳态误差。
作业-典型环节的电路模拟实验-自动控制原理-深圳大学
深圳大学实验报告课程名称：自动控制原理实验项目名称：典型环节的电路模拟实验学院：机电专业：自动化指导教师：报告人：学号：班级：实验时间：实验报告提交时间：教务部制实验一典型环节的电路模拟实验一、实验目的1.学习构成典型线性环节的模拟电路。
2.研究阻、容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。
3.学习典型线性环节阶跃响应的测量方法，并学会由阶跃响应曲线计算典型环节的传递函数。
4.二、实验内容1.完成比例环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
2.完成积分环节的电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
3.完成比例积分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
4.完成比例微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
5.完成惯性环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
6.完成比例积分微分环节电路模拟实验，并研究参数变化对其阶跃特性的影响。
7.三、实验仪器1.ZY17AutoC12BB自动控制原理实验箱。
2.双踪低频慢扫示波器。
3.数字万用表。
4.四、实验原理1.比例环节下载后图可变大图1.1.2图1.1.1`比例环节的阶跃响应图比例环节的传递函数为：()()K s U s U I O =。
比例环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.1.1、图1.1.2和图1.1.3所示。
其中012R R R K +=，试验参数取R 2=200K ，R 1=100K ，R 0=100K ，R=10K 或100K 。
2. 积分环节积分环节的传递函数为：()()TSs U s U I O 1=。
积分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.2.1、图 1.2.2和图1.2.3所示。
其中()110C R R T +=，试验参数取R 0=100K 可调，R 1=100K ，C 1=1uF ，R=10K 或100K 。
图1.2.2图1.2.1` 积分环节的阶跃响应图图1.1.33. 比例积分环节比例积分环节的传递函数为：()()TSK s U s U I O 1+=比例积分环节的方块图、阶跃响应及模拟电路图分别如图1.3.1、图1.3.2和图1.3.3所示。
《自动控制原理》实验指导书2
G(S)H(S)= （2-15）
式中R的单位为KΩ，比较式（2-14）和（2-15）得
T0=1，T1=0.1
T2=0.51，K=510/R(2-16)
系统的特征方程为1+G(S)H(S)=0，由式（2-14）可得到
S(T1S+1)(T2S+1)+K=0
展开得到
T1T2 +(T1+T2) +S+K=0(2-17)
2．CAE98；
3．万用表。
=
其中： =
无阻尼自然频率和阻尼比：
，
1．选定R，C，Rf值，使 ，ξ=0.2；
2．用CAE98的正弦波作为系统的输入信号，即x(t)=XSin t，稳态时其响应为y(t)=Ysin( t+φ)；
3．改变输入信号的频率，使角频率 分别等于（或接近等于）0.2，0.4，0.6，0.8，0.9，1.0，1.2，1.4，1.6，2.0，3.0rad/s，稳态时，记录屏幕显示的正弦输入x(t)=XSint和正弦输出响应y(t)=Ysin( t+φ)。记录曲线序号依次记作 ；
2、零极点对控制系统性能的影响
已知传递函数为 ,1) 分别求加入附加零点分别为-2,-1,-0.4时,系统的单位阶跃响应;2) 分别求加入附加极点分别为-1.5,-0.6,-0.4时,系统的单位阶跃响应.
3、稳态误差
已知3个系统的开环传递函数分别为 , , ,请分别计算这3个系统对单位阶跃和单位斜坡信号的响应并计算稳态误差.
二、实验要求：
1、观测不同参数下二阶系统的阶跃响应并测出性能指标：超调量MP，峰值时间tp,调节时间ts。
2、观测增益对典型三阶系统稳定性的影响。
控制理论实验报告典型环节的电路模拟
实验报告课程名称：控制理论（乙）指导老师：成绩：__________________实验名称：典型环节的电路模拟实验类型：________________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、心得一、实验目的1．熟悉THBDC-2型控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-2”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．THBDC-2型控制理论·计算机控制技术实验平台；2．PC机一台(含“THBDC-2”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Z1和Z2表示由R、C构成的复数阻抗。
1．积分（I）环节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1-1所示。
图1-12．比例微分(PD)环节比例微分环节的传递函数与方框图分别为：)1()1()(112CSRRRTSKsG+=+=其中CRTRRK D112,/==设U i(S)为一单位阶跃信号，图1-2示出了比例系数(K)为2、微分系数为T D时PD的输出响应曲线。
图1-23．惯性环节惯性环节的传递函数与方框图分别为：1)()()(+==TSKSUSUsGiO当U i(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且放大系数(K)为1、时间常数为T时响应曲线如图1-3所示。
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实验报告
课程名称：自动控制原理
实验名称：二阶系统的瞬态响应
院（系）：能源与环境学院专业：热能与动力工程姓名：谭强学号：03009224
实验时间：2011 年11 月9日
评定成绩：审阅教师：
一、实验目的
1. 通过实验了解参数ζ(阻尼比)、n ω(阻尼自然频率)的变化对二阶系统动态性能的影响；
2. 掌握二阶系统动态性能的测试方法。
二、实验内容、原理
1. 二阶系统的瞬态响应
用二阶常微分方程描述的系统，称为二阶系统，其标准形式的闭环传递函数为
2
2
2
2)()(n
n n S S S R S C ωζωω++= (2-1) 闭环特征方程：022
2=++n n S ωζω
其解 12
2,1-±-=ζωζωn n S ，
针对不同的ζ值，特征根会出现下列三种情况：
1）0<ζ<1（欠阻尼），22,11ζωζω-±-=n n j S
此时，系统的单位阶跃响应呈振荡衰减形式，其曲线如图2-1的(a)所示。
它的数学表达式为：
式中2
1ζωω-=n d ，ζ
ζβ21
1-=-tg。
2）1=ζ（临界阻尼）n S ω-=2,1
此时，系统的单位阶跃响应是一条单调上升的指数曲线，如图2-1中的(b)所示。
3）1>ζ（过阻尼），122,1-±-=ζωζωn n S
此时系统有二个相异实根，它的单位阶跃响应曲线如图2-1的(c)所示。
(a) 欠阻
尼(0<ζ<1) (b)临界阻尼(1=ζ) (c)过阻尼(1>ζ)
图2-1
二阶系统的动态响应曲线
)
t (Sin e 111)t (C
d t 2
n βωζζω+--=-
虽然当ζ=1或ζ>1时，系统的阶跃响应无超调产生，但这种响应的动态过程太缓慢，故控制工程上常采用欠阻尼的二阶系统，一般取ζ=0.6~0.7，此时系统的动态响应过程不仅快速，而且超调量也小。
2. 二阶系统的典型结构
典型的二阶系统结构方框图和模拟电路图如2-2、如2-3所示。
图2-2 二阶系统的方框图
图2-3 二阶系统的模拟电路图（电路参考单元为：U 7、U 9、U 11、U 6）
图2-3中最后一个单元为反相器。
由图2-4可得其开环传递函数为：
)1S T (S K
)s (G 1+=
，其中：21T k K =， R
R k X 1= (C R T X 1=，RC T 2=)
其闭环传递函数为： 1
12
1
T K S T 1S T K )S (W +
+=
与式2-1相比较，可得
RC 1T T k 211n ==
ω，X
112R 2R
T k T 21=
=ξ 三、实验步骤
根据图2-3，选择实验台上的通用电路单元设计并组建模拟电路。
1.
n ω值一定时，图2-3中取C=1uF ，R=100K(此时10=n ω)，Rx 为可调电阻。
系统输入一
单位阶跃信号，在下列几种情况下，用“THBDC-1”软件观测并记录不同ξ值时的实验曲线。
1.1取R X =200K 时，ζ=0.25，系统处于欠阻尼状态，其超调量为45%左右； 1.2取R X =100K 时，ζ=0.5，系统处于欠阻尼状态，其超调量为16.3%左右； 1.3取R X =51K 时，ζ=1，系统处于临界阻尼状态；
2. ξ值一定时，图2-3中取R=100K ，R X =250K(此时ζ=0.2)。
系统输入一单位阶跃信号，在下列几种情况下，用“THBDC-1”示波器观测并记录不同n ω值时的实验曲线，注意时间变化。
2.1若取C=10uF 时，1=n ω，记录阶跃响应，并测响应时间和超调量。
窗口长度最大。
2.2若取C=0.1uF （将U 7、U 9电路单元改为U 10、U 13）时，100=n ω，记录阶跃响应，并测响应时间和超调量。
30S 和0.3S
四、实验报告要求
1. 画出二阶系统线性定常系统的实验电路，并写出闭环传递函数，表明电路中的各参数；
2. 根据测得系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益K 和时间常数T 对系统的动态性能的影响。
1)
n ω值一定时，图2-3中取C=1uF ，R=100K(此时10=n ω)，Rx 为可调电阻。
1.1取R X =200K 时，ζ=0.25，系统处于欠阻尼状态，其超调量为45%左右
1.2取R X=100K时，ζ=0.5，系统处于欠阻尼状态，其超调量为16.3%左右；
1.3取R X=51K时，ζ=1，系统处于临界阻尼状态；
（2）ξ值一定时，图2-3中取R=100K ，R X =250K(此时ζ=0.2)。
2.1若取C=10uF 时，1=n ω，记录阶跃响应，并测响应时间和超调量。
2.2若取C=0.1uF （将U 7、U 9电路单元改为U 10、U 13）时，100=n ω，
五、实验思考题
1. 如果阶跃输入信号的幅值过大，会在实验中产生什么后果？
答：若阶跃输入信号幅值过大，会使输出阶跃响应曲线的稳态值过大，如果系统有较大的超调量，则阶跃响应的幅值可能超出范围，不能测得完整的响应曲线，实验测出的各种数据都会发生变化，使其精度降低，增大实验的误差，同时会使系统动态特性的非线性因素增大，使线性系统变成非线性系统；也有可能导致实验的失败，最后实验不能趋于稳定，实验结果出错，所以实验过程中，要选择合适的阶跃输入信号幅值。
2. 在电路模拟系统中，如何实现负反馈和单位负反馈？
答：把输出的一部分（负值）连接回输入端来实现负反馈。
3. 为什么本实验中二阶系统对阶跃输入信号的稳态误差为零？
答：实验中二阶系统G(S)=k/(s(TS+1)) ,Kp=limG(S)*H(S)= ∞，则ess=1/(1+Kp)0
即稳态误差为零。