自动控制原理实验讲义
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实验讲义
河南大学物理与电子学院
测控工程系2011 年10 月
目录
实验一典型环节的时域响应........................... ......2 实验二典型系统的时域响应和稳定性分析. (12)
实验三线性系统的根轨迹分析 (17)
实验四线性系统的频率响应分析..................... . (20)
实验五线性系统的校正 (26)
实验六典型非线性环节 (28)
实验七模拟PID 闭环温度控制系统的设计和实现 (33)
实验八数字PID 闭环温度控制系统的设计和实现 (37)
实验九数字PID 直流电机闭环调速控制系统设计 (41)
说明：实验一至六为基础验证性实验，选做5 个；实验七、八、九为综合性、设计性实验，包括基于51 单片机的数字PID 控制，选做1 个。
实验一典型环节的时域响应
一、实验目的
1．掌握各典型环节模拟电路的构成方法，掌握TD－ACC 设备的使用方法。
2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。
3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。
二、实验设备
PC 机一台，TD-ACC 系列教学实验系统一套。
三、实验原理及内容
下面列出了各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了解。
1．比例环节（P）
(1) 方框图：
Ui(S)
K
Uo(S)
(2) 传递函数：
Uo(S)
K
Ui(S)
图1－1
(3) 阶跃响应：Uo(t) = K ( t≥0 ) 其中K = R1 / R0
(4) 模拟电路图：
比例环节
R1反相器
R
10K
Ui R0 _信号输入端R
_
10K
Uo
输出测量端
R0=200K ； R1=100K 或 200K
(5) 理想与实际阶跃响应对照曲线
① 取R0 = 200K；R1 = 100K。
图1－2
理想阶跃响应曲线 Uo实测阶跃响应曲线
Uo
1 1/2Ui(t)
Uo(t)
1
1/2
Ui(t)
Uo(t)
0 t 0 t
② 取R0 = 200K；R1 = 200K。
理想阶跃响应曲线 Uo实测阶跃响应曲线
Uo
1 Ui(t)
Uo(t)
1
Ui(t)
Uo(t)
0 t 0 t
2．积分环节（I）
(1) 方框图：
Ui(S)
(2) 传递函数：
Uo(S)
=
1 Ui(S)
TS
图1－3
(3) 阶跃响应：
(4) 模拟电路图：
Uo(t) =
1
t
T
( t≥0 ) 其中T = R0C
Ui R0 信号输入端
积分环节
C
_R
10K
反相器
R
10K
_Uo 输
出测量端
R0=200K ；C=1uF 或 2uF
图1－4
(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照 ① 取 R0 = 200K ；C = 1uF 。
理想阶跃响应曲线 无穷
② 取 R0 = 200K ；C = 2uF 。
实测阶跃响应曲线
理想阶跃响应曲线
实测阶跃响应曲线 Uo
无穷 1
Uo(t)
Ui(t)
Uo 10V Uo(t) 1
Ui(t)
0 0.4s
t
0 0.4s
t
3．比例积分环节（PI ） (1) 方框图：
K
Ui(S)
1 TS
+
+
+ Uo(S)
(2) 传递函
数：
Uo(S) Ui(S)
= K + 1 TS
图 1－5
(3) 阶跃响应： Uo(t) = K + 1 t
T
(4) 模拟电路图：见图 1.1－6
( t ≥0 ) 其中 K = R 1/R 0
；T = R 0C
Uo
Uo
比例积分环节
反相器
Ui R0
信号输入端
R1 C
_
R 10K
R 10K _
Uo 输出测量端
R0=R1=200K ；C=1uF 或 2uF
图 1－6
(5) 理想与实际阶跃响应曲线对照
① 取 R0 = R1 = 200K ；C = 1uF 。
理想阶跃响应曲线 实测阶跃响应曲线
U o
U o (t )
2 U o U o (t ) 2
10V
1
U i (t )
1
U i (t )
0 0.2s
t
0 0.2s
t
② 取 R0=R1=200K ；C=2uF 。 理想阶跃响应曲线
实测阶跃响应曲线
U o
无穷
U o (t )
2 1
U i (t )
0 0.4s
t
4．惯性环节（T ）
(1) 方框图：
Ui(S)
(2) 传递函数：
Uo(S)
Ui(S)
= K 。 TS + 1
图 1－7
(3) 模拟电路图：见图 1.1－8
U o 0
V