2022年自动控制原理课程实验指导书 .pdf

《2022年自动控制原理课程实验指导书 .pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年自动控制原理课程实验指导书 .pdf（28页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、自动控制原理实验指导书（第 3 版）郑普亮嵇启春陈登峰编写西安建筑科技大学信控学院信息技术实验中心2011 年 9 月名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页，共 28 页 - - - - - - - - - 1 目录1 课程简介、实验项目及学时安排 . 1 1.1 课程简介 . 1 1.2 实验项目及学时安排 . 1 2 实验仪器仪表设备简介 . 2 2.1 自动控制原理实验箱 . 2 2.2 其它实验设备 . 2 3 自动控制原理课程实验 . 3 3.1 实验 1

2、自动控制系统典型环节的模拟. 3 3.2 实验 2 二阶系统的模拟及动态分析,以及高阶系统的稳定性分析. 8 3.3 实验 3 元部件及系统频率特性的测试. 13 3.4 实验 4 自动控制系统的校正 . 21 3.5 实验 5 典型非线性环节及非线性系统模拟、非线性系统分析. 23 名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页，共 28 页 - - - - - - - - - 1 1 课程简介、实验项目及学时安排1.1 课程简介自动控制原理是控制类专业一门重要的专业基础课

3、，属于技术学科。它研究的主要对象是自动控制系统；研究的中心问题是自动控制的共同规律；其基本内容是数学模型、系统分析和系统设计，它是自动化技术的基础理论。它具有很强的理论性、系统性和抽象性，而且有很强的应用背景。它与其它学科如数学、物理、电路、电子学、电力电子学、电机及拖动、计算机等联系非常紧密。它既是一门技术学科，更重要的是具有普适性的方法论。学生仅进行理论学习有一定的难度，开设实验课使学生对自动控制和系统具有感性的认知，加深对控制原理的理解；通过实验初步掌握自动控制系统的构成和一般调试的方法和基本技能，培养学生运用理论进行系统分析、系统设计的思想方法和解决问题的能力，强化理论联系实际，促进和

4、巩固课程理论的学习。1.2 实验项目及学时安排自动控制原理实验课是以认识和熟悉自动控制系统的构成和模拟验证所学理论为基础，在此基础上开展自行设计系统、确定实验方案和实验线路，进行自主实验，学习系统分析和系统设计的思维方法，培养研究系统的能力。所以安排了验证性、设计性和综合性不同属性的实验项目。序号实验项目学时实 验 性 质验证综合设计1 自动控制系统典型环节的模拟2 2 二阶系统的模拟及动态分析, 以及高阶系统的稳定性分析2 3 自动控制系统频率特性的测试2 4 自动控制系统的设计与校正2 5 典型非线性环节的模拟及系统的分析2 注：实验项目根据实验教学安排选取。名师资料总结 - - -精品资

5、料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页，共 28 页 - - - - - - - - - 2 2 实验仪器仪表设备简介2.1 自动控制原理实验箱自控 / 计控原理实验机由以下七个模块组成：1.自动控制原理实验模块2.计算机控制原理实验模块3.信号源模块4.控制对象模块5.虚拟示波器模块6.控制对象输入显示模块7.CPU控制模块各模块相互交联关系框图如图2.1 所示： RS232接口图 2.1 各模块相互交联关系框图2.2 其它实验设备微型计算机Aspire T135、数字万用表。信号源自动控制原理

6、实验模块计算机控制原理实验模块虚拟示波器控制对象模块控制对象输出显示模块CPU 控制模块上位机名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 4 页，共 28 页 - - - - - - - - - 3 3自动控制原理课程实验3.1 实验 1 自动控制系统典型环节的模拟一、实验目的1.熟悉典型环节的数学模型与元部件物理性质的关系；2.了解典型环节的模拟方法；3.深入理解各典型环节阶跃响应的特点，掌握各典型环节的静动态特性。二、实验原理、内容及步骤自动控制系统是由许多元部件有机组合构成

7、的，但具有相同数学模型（如传递函数）的元部件称为环节，而具有代表性的环节称为典型环节。因此实际的自动控制系统就是由许多典型环节组成的。用直流运算放大器引入深度负反馈组成的单元模拟典型环节，研究其阶跃响应，对深刻理解各典型环节的物理属性和特性本质及其在系统中所起的作用是至关重要的。典型环节的方块图及传递函数如表3.1.1所示。表 3.1.1典型环节的方块图及传递函数典型环节方框图传递函数比例（P）K(S)U(S)U(S)GiO惯性环节（T）TS1K(S)U(S)U(S)GiO积分（ I）TS1(S)U(S)U(S)GiO比例微分（PD）)TS1(K(S)U(S)U(S)GiO延迟环节Se(S)O

8、U(S)iUSiOeUUG(S)(S)(S)振荡环节(S)iU12122TSST(S)OU121(S)(S)(S)22TSSTUUGiO名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页，共 28 页 - - - - - - - - - 4 另外，比例积分（PI）和比例积分微分（PID ）也是自控系统中的常用的典型环节，其方框图和传递函数如表3.1.2 所示。表 3.1.2 其它常用典型环节比例积分（PI）)TS11(K(S)U(S)U(S)GiO比例积分微分（PID）STKST

9、KK(S)U(S)U(S)GdpippiO实验内容 ：1.在实验箱上模拟各种典型环节；2.观测各典型环节的阶跃响应及其特征；3.改变环节的参数，观测阶跃响应的变化。实验步骤：1.将函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT） ，作为系统的信号输入（ Ui） ；该信号为零输出时，将自动对模拟电路锁零。将“S ST”跳针用短路套短接，并调节信号周期和幅度满足实验要求。2.按照图 3.1.1 图 3.1.6 ，安置短路套、联线，构造各典型环节的模拟电路。图 3.1.1 典型比例环节电路图图 3.1.2典型惯性环节电路图名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - -

10、- - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页，共 28 页 - - - - - - - - - 5 图 3.1.3典型比例微分环节电路图图 3.1.4典型积分环节电路图图 3.1.5典型比例积分环节电路图图 3.1.6典型比例积分微分环节电路图3.观测各典型环节的阶跃响应：将环节输入端（Ui）与函数发生器（B5）所产生的周期性矩形波信号（OUT ）相连，环节的输出端（Uo）接至示波器，示波器选择X1档，用示波器观测环节的输出响应曲线uo(t) ，并做好记录；4.按照表 3.1.2-3.1.5，改变环节的参数，观测响应曲线的变化，并做好记录。三、实

11、验仪器设备及实验注意事项1.实验设备：模拟实验箱、计算机、数字万用表等。2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格；3.实验开始前先检查仪器设备是否完好，并仔细观察熟悉实验箱面板布置；4.接好线后首先组内相互检查无误后，再经指导教师确认无误后方可合闸送电进名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页，共 28 页 - - - - - - - - - 6 行实验；5.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象），应立即切断电源，并报告指导教师，仔细查找原因，

12、问题解决后，方可继续进行实验；6.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。四、实验报告要求1.绘制各典型环节的模拟线路图；2.绘制各典型环节的阶跃响应曲线，并分析环节参数变化时阶跃响应曲线的变化；3.完成各环节对应表格；表 3.1.3 比例环节实验结果R0 R1 输入 Ui 比例系数K 计算值测量值200K 100K 4V 200K 4V 50K 100K 2V 200K 1V 表 3.1.4 惯性环节实验结果R0 R1 C 输入 Ui 比例系数K 惯性常数 T 计算值测量值计算值测量值200K 200K 14V 250K 100K 12V 200K 1V 表 3.

13、1.5 比例微分实验结果R0 C 输入 Ui 微分常数 TD计算值测量值360K 50.5V 2180K 52表 3.1.6 积分环节实验结果R0 C 输入 Ui 积分常数Ti 计算值测量值200K 11V 2100K 12名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页，共 28 页 - - - - - - - - - 7 表 3.1.7 比例积分环节实验结果表 3.1.7 比例积分微分环节实验结果4.实验中存在的问题及其处理方法；5.收获和体会。五、预习要求及思考题预习要求

14、1.直流运算放大器的工作原理；2.完成表 3.1.2-表 3.1.5 中理论计算部分；3.根据理论计算，绘制不同参数下各典型环节阶跃响应曲线；思考题1.理论分析各典型环节阶跃响应曲线及其随参数变化的趋势。2.积分环节和比例环节的输出当前值有何不同？为什么？3.积分环节的积分作用强弱决定于什么？为什么？4.微分环节具有什么特点？存在什么问题？R0 R1 C 输入 Ui 比例系数K 积分常数Ti 计算值测量值计算值测量值200K 200K 11V 2100K 12R0 C1 C2 输入 Ui 微分常数TD积分常数Ti 计算值测量值计算值测量值100K 110.3V 22200K 1122名师资料总

15、结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页，共 28 页 - - - - - - - - - 8 3.2 实验 2 二阶系统的模拟及动态分析, 以及高阶系统的稳定性分析一、实验目的1.熟悉自动控制系统模拟的思想方法和原则；2.深入理解二阶系统阶跃响应与系统参数的关系，掌握二阶系统的性能指标与系统参数的关系；3.正确理解高阶系统的稳定性与系统结构参数的关系及临界增益的意义。二、实验原理、内容及步骤二阶系统在自然界是大量存在的，特别是高阶系统依据主导极点的思想可简化为二阶系统；二阶系统

16、的阶跃响应及性能指标与参数之间有确定的数学关系。所以分析研究二阶系统具有普遍的意义。通过实验熟悉用计算机模拟系统的方法和原理、深入理解二阶系统阶跃响应的特点及性能指标与参数之间的关系，进一步了解改善系统性能的方法和措施。系统稳定是系统工作的首要条件，因此，研究系统的稳定性一直是自动控制的重要课题。所以在模拟机上分析研究高阶系统的稳定性具有理论和实际的双重意义。图 3.2.1 是典型二阶系统原理方块图。1TSKTS1)( SR)( SE)( SB)( SC图 3.2.1 典型二阶系统原理方块图型二阶系统的开环传递函数：)1()(TSSTKSGi（3-2-1）型二阶系统的闭环传递函数标准式：. 2

17、222)(1)()(nnnSSSGSGs（3-2-2）自然频率（无阻尼振荡频率）：TTKin阻尼比：KTTi21（3-2-3）有二阶闭环系统模拟电路如图3.2.2 所示，积分环节（A2A ）和惯性环节（A3）构成。图中A1 的作用相当于图3.2.1 中的综合点，A6 完成被测信号的反相，使其与输入信号在示波器显示上保持同相。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页，共 28 页 - - - - - - - - - 9 图 3.2.2典型二阶闭环系统模拟电路该系统在A3

18、 单元中改变输入电阻R 来调整增益K。三阶及三阶以上的系统，称为高阶系统。本次实验中，以三阶系统为例，分析高阶系统的稳定性。典型三阶系统的方块图见图3.2.3。图 3.2.3 典型三阶系统的方块图典型三阶系统的开环传递函数：) 1)(1()(2121STSTTiSKKSG（3-2-4）闭环传递函数（单位反馈）：212121) 1)(1()(1)()(KKSTSTTiSKKSGSGS（3-2-5）有三阶系统模拟电路如图3.2.4 所示。它由积分环节 （A2A ） 、惯性环节（A3 和 A5A ）构成。图 3.2.4 典型三阶系统模拟电路图该系统在A5A 单元中改变输入电阻R 来调整增益K。实验内

19、容名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页，共 28 页 - - - - - - - - - 10 1.在实验箱上搭建模拟二阶系统；2.观测二阶系统阶跃响应及特点；3.改变系统的参数，观测系统响应的变化，并找出最佳参数；4.研究改善系统动态性能的方法和措施。5.在实验箱上搭建模拟三阶系统；6.观测三阶系统阶跃响应随系统参数（如开环增益、时间常数等）变化时稳定性的变化；7.观测三阶系统的临界增益kc。实验步骤1 二阶系统动态性能指标的测试按图 3.2.2 接线，根据预习

20、报告中确定的三个R 值，分别观测系统的阶跃响应C（t） ，测量并记录tr、tp、ts 和，观察系统稳定性的变化。2 三阶系统的稳定性分析按图 3.2.4 接线，根据预习报告中确定的三个R 值， 分别观测系统阶跃响应C （t） ：测量并记录数据和波形。三、实验仪器设备及注意事项1.实验设备：模拟实验箱、计算机、数字万用表等；2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格；3.实验开始前先检查仪器设备是否完好，并仔细观察熟悉实验箱面板布置；4.接好线后首先组内相互检查无误后，再经指导教师确认无误后方可合闸送电进行实验；5.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象），应立即切断电源，

21、并报告指导教师，仔细查找原因，问题解决后，方可继续进行实验；6.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。四、实验报告要求1.绘制二阶系统的模拟线路图；2.完成下面的表格表 3.2.1二阶系统在三种情况（欠阻尼，临界阻尼，过阻尼）下的阶跃响应参数参数项目R KK (1/S) n(1/S) )(tpC)(C(%) tp(S) ts(S) 测量值计算值测量值计算值测量值计算值名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页，共 28 页 - - - -

22、- - - - - 11 01 （过阻尼）表 3.2.2二阶系统在确定，n变化时，系统的阶跃响应波形C（t）及参数参数项目R KC2K (1/S) n(1/S) 输出波形C(t) (%) tp(S) ts(S) 测量值计算值测量值计算值测量值计算值=0.707 20 140 23.绘制二阶系统在不同参数下的阶跃响应曲线，并与实验曲线进行比较，计算最佳阻尼比对应的R 值；4.理论和实验对照分析改善系统性能的方法；5.绘制三阶系统的模拟线路图；6.理论和实验对照分析高阶系统参数与稳定性的关系；7.理论和实验对照分析高阶系统临界增益kc 的意义。8.完成下面的表格表 3.2.3 三阶系统R值和系统的

23、阶跃响应曲线R(K) K 输出波形稳定性稳定理论临界稳定实际名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页，共 28 页 - - - - - - - - - 12 不稳定9.实验中存在的问题及其如何处理；10.收获和体会。五、预习要求及思考题预习要求1.掌握用直流运算放大器引入深度负反馈组成的典型环节模拟系统的方法和原则；2.根据二阶系统的传递函数，按照表 3.2.1 对阻尼比的要求，确定三个可变电阻R的值，并完成表3.2.1 的理论计算部分；3.根据三阶系统的开环传递函数

24、，计算闭环传递函数，并根据Routh 判据，求得使系统处于临界状态的可变电阻的值，并计算对应的临界增益。确定使系统处于稳定和不稳定状态的电阻值，完成表3.2.2 的理论计算部分。思考题1.系统产生超调的原因是什么？2.二阶系统最佳阻尼比是如何得到的？3.实际二阶系统的参数K 和 T 与系统的性能指标的关系如何？4.高阶系统的稳定性与系统的哪些参数有关？5.改善系统稳定性的途径有哪些？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页，共 28 页 - - - - - - - -

25、 - 13 3.3 实验 3 元部件及系统频率特性的测试一、实验目的1.正确理解频率特性的概念和意义；2.掌握频率特性的测试原理及方法；3.掌握用频率法求系统数学模型的思想方法。二、实验原理、内容及步骤实验原理频域分析法是应用频率特性研究线性系统的一种经典方法。它以控制系统的频率特性作为数学模型，以波德图或其他图表作为分析工具，来研究和分析控制系统的动态性能与稳态性能等性能。实验中提供了两种测试方法：直接测量和间接测量。直接测量法用来直接测量对象的输出频率特性，适用于时域响应曲线收敛的对象（如： 惯性环节）。该方法在时域曲线窗口将信号源和被测系统的响应曲线显示出来，直接测量对象输出与信号源的相

26、位差及幅值衰减情况，就可得到对象的频率特性。间接测量法用来测量闭环系统的开环特性，因为有些现行系统的开环时域响应曲线发散， 幅值不易测量， 可将其构成闭环负反馈稳定系统后，通过测量信号源、反馈信号、误差信号的关系，从而推导出对象的开环频率特性。本实验将正弦信号作为信号源，其信号频率从0.1Hz 到 100Hz可连续可调。将该信号施加于被测系统的输入端，然后分别测量被测系统的输出信号、信号源、误差反馈信号的幅值和延迟时间，计算测量点的对数幅频和相频数据，并绘制对数幅频和对数相频曲线。最后根据曲线，建立系统的数学模型。（1）惯性环节惯性环节的频率特性为：TjjG11)(（3-3-1）对数幅频特性表

27、达式为：2211lg20)(TL（3-3-2）对数相频特性表达式为：Tarctan)(（3-3-3）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页，共 28 页 - - - - - - - - - 14 实部和虚部表达式为：2222111)(TTjTjG（3-3-4）惯性环节的时域响应曲线收敛，所以可采用直接测量法，对不同频率点的输出信号、信号源的幅值和延迟进行测量。实验原理图如图3.3.1所示。图 3.3.1 惯性环节的频率特性测试电路（2）二阶闭环系统频率特性被测系统的

28、方块图见图3.3.2。图 3.3.2 被测系统方块图图 3.3.3 所示被测系统的闭环传递函数：(S)(S)(S)1(S)(S)(S)(S)(S)2121HGGGGRC（3-3-5）以角频率为参数的闭环系统对数幅频特性和相频特性为：)(lg20)(jL)()(j（3-3-6）以角频率为参数的闭环系统实频特性和虚频特性为：)(cos()j()j(Re()Re(（3-3-7）)(sin()j()j(Im()Im(（3-3-8）本实验以二阶闭环系统模拟电路为例，该系统由积分环节 （A2 单元）和惯性环节（A3单元）构成，令积分时间常数为Ti，惯性时间常数为T，开环增益为K，可得：二阶闭环系统的频率特

29、性为：KTjTjKji)1()(（3-3-9）名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 16 页，共 28 页 - - - - - - - - - 15 对数幅频特性表达式为：2222)(lg20lg20)(iiTTTKKL（3-3-10）对数相频特性表达式为：TTKTii2arctan)(（3-3-11）以式（3-3-10）和（3-3-11）可绘出该闭环系统的对数幅频特性曲线和相频特性曲线。实部和虚部表达式为：222222222)()()()(iiiiiiTTTKTKjTTT

30、KTTKKj（3-3-12）实频特性22222)()()Re(iiiTTTKTTKK（3-3-13）虚频特性：2222)()Im(iiiTTTKTK（3-3-14）以式（ 3-3-13）和（ 3-3-14）可绘出闭环系统的幅相特性曲线。自然频率：TiTKn阻尼比：KTTi21谐振频率：221nr谐振峰值：2121lg20)(rL二阶闭环系统频率特性测试电路如图3.3.3，其中惯性环节（A3 单元）的可变电阻R 使用元件库中可变电阻器。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1

31、7 页，共 28 页 - - - - - - - - - 16 图 3.3.3 二阶闭环系统频率特性测试电路（3）二阶开环系统频率特性。型系统含有一个积分环节，由于积分环节的开环时域响应曲线不收敛，稳态幅值无法测出，所以采用间接测量的方法，将其构成闭环，根据闭环时的反馈及误差的相互关系，得出二阶系统的开环频率特性。计算欠阻尼型二阶开环系统中的幅值穿越频率c、相位裕度 ：幅值穿越频率：24241nc（3-3-16）相位裕度：424122arctan)(180c（3-3-17）值越小， (%)越大，振荡越厉害；值越大， (%)小，调节时间ts 越长，因此为了在型二阶闭环系统的稳定性和调节时间取得均

32、衡，通常取：3070（3-3-17）实验内容观测惯性环节、二阶闭环系统和二阶开环系统的频率特性，了解不同结构参数对频率特性的影响。实验步骤（注：不能短路B5 单元的“ S ST”跳针）1.将正弦信号输出SIN 作为被测系统的输入。2.安置短路块、 连线，分别按照图3.3.1 、 图 3.3.3 所示，构造模拟电路， 图 3.3.3中的可变电阻R使用元件库中可变电阻。3.运行、观察、记录：用示波器观察系统各环节波形，避免系统进入非线性状态。根据表3-1 和表 3-2 给出的频率点，测量惯性环节输入正弦信号和输出信号名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - -

33、- - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 18 页，共 28 页 - - - - - - - - - 17 的幅值，以及输出信号的相位延迟。根据表3-3 和表 3-4 给出的频率点，测量输入正弦信号、输出信号的幅值，以及输出信号对输入正弦信号的相位延迟。根据表3-5 和表 3-6 给出的频率点，测量反馈信号及误差信号的幅值，以及反馈信号对误差信号的的相位延迟。4.计算和绘图：根据测量结果，分别绘制惯性环节的对数幅频特性曲线和对数相频曲线； 二阶系统开环和闭环的对数幅频特性和对数相频特性。观察二阶闭环对数幅频、相频曲线和幅相曲线，并读取谐振频率，谐振峰值Mr

34、。观察二阶开环对数幅频、相频和幅相曲线，并读取穿越频率c和相位裕度 。三、实验仪器设备及注意事项1.实验设备：模拟实验箱、双线示波器、数字计算机、数字万用表等2.实验前必须做好预习，并做出必要的计算和记录用的表格；3.实验开始前先检查仪器设备是否完好，并仔细观察熟悉实验箱面板布置；4.接好线后首先组内相互检查无误后，再经指导教师确认无误后方可合闸送电进行实验；5.实验中如发现异常（如冒烟、异味、冒火等非正常现象），应立即切断电源，并报告指导教师，仔细查找原因，问题解决后，方可继续进行实验；6.实验完毕应先关掉电源，将所用仪器设备恢复原貌，并清理卫生后方可离开。四、实验报告要求1.理论阐述用频率

35、特性求系统数学模型的原理和方法；2.完成以下表格：表 3.3.1 惯性环节频率特性（T=0.05S）频点（ Hz）项目0.5 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 输入信号幅值输出信号幅值相位差L表 3.3.2 惯性环节频率特性（T=0.1S）频点（ Hz）项目0.5 1 2 4 6 8 10 12 14 16 18 r名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 19 页，共 28 页 - - - - - - - - - 18 输入信号幅值输出信号幅值相位差L表 3.

36、3.3 二阶闭环系统频率特性一（惯性常数T=0.1S， 积分常数Ti=1S ， 开环增益K=25）频点（ Hz）项目0.5 0.7 0.9 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.4 3.6 3.8 输入信号幅值输出信号幅值相位差L谐振频率（ rad）计算值谐振峰值（ dB）计算值测量值测量值表 3.3.4 二阶闭环系统频率特性二（惯性常数T=0.2S， 积分常数Ti=1S ， 开环增益K=25）频点（ Hz）项目0.5 0.7 0.9 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.4 3.6 3.8 输入信号幅值输出信号幅值相位差L谐振频率（ rad）计算值谐振峰值（ dB

37、）计算值测量值测量值表 3.3.5 二阶开环系统频率特性一（惯性常数T=0.1S， 积分常数Ti=1S ， 开环增益K=25）频点（ Hz）项目0.5 0.7 0.9 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.4 3.6 3.8 -E(t) -B（t）幅值相位差名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 20 页，共 28 页 - - - - - - - - - 19 L穿越频率 c 计算值相位裕度 计算值测量值测量值表 3.3.6 二阶开环系统频率特性二（惯性常数T=

38、0.2S， 积分常数Ti=1S ， 开环增益K=25）频点（ Hz）项目0.5 0.7 0.9 1.2 1.6 2.0 2.4 2.8 3.2 3.4 3.6 3.8 -E(t) -B（t） 幅值相位差L穿越频率 c 计算值相位裕度 计算值测量值测量值3.绘制实验原理图；4.比较谐振频率和谐振峰值的理论计算值与实际测量值之间的误差，并分析原因；5.用频率特性求系统数学模型时应注意哪些问题？6.实验中存在的问题及如何处理；7.收获及体会。五、预习要求及思考题预习要求1.深入理解频率特性的意义；2.进一步掌握频率特性的两种（解析、图形）表示方法；3.熟悉用频率法建立系统（或元部件）数学模型的方法和

39、步骤；4.绘制用频率特性求系统模型的实验接线图；5.熟悉由系统的频率特性图确定系统传递函数；6.完成表 3.3.1表 3.3.6 的理论计算部分。图3.3.3 和图 3.3.4 中可变电阻选4 千欧姆，对应的开环增益为25，惯性环节的电容分别取1 微法和 2 微法，对应的时间常数为 0.1 和 0.2。图 3.3.1 和图 3.3.2 惯性环节的电容值分别取1 微法和 2 微法，对应时间常数为 0.05 和 0.1。7.实验中应注意哪些问题？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - -

40、 第 21 页，共 28 页 - - - - - - - - - 20 思考题1.解释系统（或元部件）频率特性的含义；2.实频特性、虚频特性、幅频特性、相频特性的意义和求法；3.如何由实验做出的对数频率特性曲线求其传递函数？应注意哪些问题？4.谐振频率和谐振峰值的意义及求法；5.系统在什么条件下会出现谐振峰？它对系统有什么影响？名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 22 页，共 28 页 - - - - - - - - - 21 3.4 实验 4 自动控制系统的校正一、实验

41、目的自动控制系统的校正是自动控制系统设计的核心之一，它是在基本部分确定以后组成的系统（通常称为固有部分或不可变部分）不能满足性能要求的情况下，人为加入一些校正装置 （如 P、I 、PI、PD 、PID 控制器），利用校正装置的特性改变固有部分的特性，使系统满足要求的性能指标。所以说系统校正的结果如何是系统设计的关键。该实验是在系统固有部分（即系统的传递函数）已知的条件下，并提出要求的性能指标，由学生自己进行系统的校正（分析系统、确定校正装置、系统模拟实验、观测性能指标等）。 通过实验训练学生运用所学理论解决实际问题的能力，培养学生理论联系实际、独立科研的思想方法和动手的能力。二、实验原理、内容

42、及步骤在系统的固有部分已确定、要求的性能指标给出的条件下，自行设计校正装置，用校正装置的特性改善固有部分的特性，最终使系统满足要求的性能指标。已知一系统的固有部分如图3.4.1所示：图 3.4.1 系统固有部分模拟电路图要求校正后系统满足下列性能指标： 25 ts1 s Kv20 s-1 试从理论和实际两方面校正系统。实验内容、实验的步骤由学生拟出。三、实验仪器设备及注意事项所用仪器设备及注意事项由学生自行确定。四、实验报告要求1.理论分析系统校正前的性能，确定加入的校正装置；2.理论分析系统校正后的性能；3.绘制校正前后系统的模拟线路图及实验曲线；名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 -

43、 - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 23 页，共 28 页 - - - - - - - - - 22 4.分析校正前后系统的实验曲线，据观测的数据计算其性能指标；并完成表 3.4.1 表 3.4.1 系统校正性能参数ts （秒）tp（秒）理论值测量值理论值测量值理论值测量值校正前校正后5.实验中存在的问题及其如何处理；6.收获和体会。五、预习要求及思考题预习要求1.进一步熟悉系统模拟的方法和原则；2.熟悉常用电校正装置的特性及对系统的影响；3.熟悉校正系统的方法与步骤；4.理论计算给出系统的性能，根据要求的性能确定

44、加入校正装置的类型；5.理论计算已校正系统的性能，确定校正装置的参数；6.绘制校正前后系统的模拟线路图；7.确定实验所用的仪器设备及实验应注意的事项；做出实验所需的数据、曲线等的记录表格。思考题1.什么叫系统的校正？系统校正的方式有那些？2.P、I 控制器的控制规律是什么？两者的区别是什么？3.PI 控制器的控制规律是什么？它对系统的性能有什么影响？4.PID 控制器的控制规律是什么？它还存在什么问题？5.要使系统的稳态误差为零，可以选择哪些控制器？要使系统的动态性能改善，应选择哪些控制器？要使系统的稳态、动态性能都得到改善，应选择哪些控制器？6.校正系统时选择校正装置的原则什么？应注意哪些问

45、题？7.频率法和时域法校正的优缺点比较。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 24 页，共 28 页 - - - - - - - - - 23 3.5 实验 5 典型非线性环节及非线性系统模拟、非线性系统分析一、实验目的1.了解非线性系统的模拟方法；2.掌握用相轨迹分析非线性系统的方法，能根据相轨迹的形状和位置分析系统的瞬态响应和稳态误差。二、实验原理、内容及步骤在实际控制系统中，几乎都不可避免的带有某种程度的非线性，在系统中只要有一个非线性环节，就称为非线性控制系统。在实

46、际控制系统中，除了存在着不可避免的非线性因素外，有时为了改善系统的性能或简化系统的结构，还要人为的在系统中插入非线性部件，构成非线性系统。例如采用继电器控制执行电机，使电机始终工作于最大电压下，充分发挥其调节能力，可以获得时间最优控制系统；利用变增益控制器，可以大大改善控制系统的性能。线性控制系统的稳定性只取决于系统的结构和参数，而与外作用和初始条件无关；但是，非线性控制系统的稳定性与输入及初始条件有着密切的关系。对于非线性控制系统，建立数学模型是很困难的，并且多数非线性微分方程无法直接求得解析解，因此通常都用相平面法或描述函数法进行分析。相平面法是一种时域分析法。它是求解一、二阶常微分方程的

47、一种几何表示法。这种方法的实质是将系统的运动过程形象的转化为相平面上的一个点的移动，通过研究这个点的移动的轨迹，就能获得系统运动规律的全部信息。即用时间 t 作为参变量， 用)(tx和)(tx的关系曲线来表示。实验内容1.继电型非线性控制系统继电型非线性控制系统模拟电路见图3.5.1所示，图 3.5.1 继电型非线性控制系统模拟电路实验步骤名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 25 页，共 28 页 - - - - - - - - - 24 1.将信号发生器（B1）中的阶跃

48、输出0/+5V 作为系统的信号输入r(t)。2.安置短路套、联线，构造模拟电路：3.虚拟示波器（B3）的联接：观察时要用虚拟示波器中的X-Y 选项。4.运行、观察、记录：2.带速度负反馈的继电型非线性控制系统带速度负反馈的继电型非线性控制系统的模拟电路见图3.5.2 。图 3.5.2 带速度负反馈的继电型非线性控制系统模拟电路实验步骤1.用信号发生器（B1）的阶跃信号输出和幅度控制电位器构造输入信号（Ui） ： B1 单元中电位器的左边K3 开关拨下（ GND ） ，右边 K4 开关拨下（ 0/+5V 阶跃）；2.安置短路套、联线，构造模拟电路；3.虚拟示波器（B3）的联接：观察时要用虚拟示波

49、器中的X-Y 选项，电压量程应选为 -5V+5V；4.运行、观察、记录。3.饱和型非线性控制系统饱和型非线性控制系统模拟电路见图3.5.3所示。图 3.5.3 饱和型非线性控制系统模拟电路实验步骤1.用信号发生器（B1）的阶跃信号输出和幅度控制电位器构造输入信号名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 26 页，共 28 页 - - - - - - - - - 25 （Ui） ： B1 单元中电位器的左边K3 开关拨下（ GND ） ，右边 K4 开关拨下（ 0/+5V 阶跃）

50、；2.安置短路套、联线, 构造模拟电路；3.虚拟示波器（B3）的联接：观察时要用虚拟示波器中的X-Y 选项，电压量程应选为 -5V+5V；4.运行、观察、记录。4.间隙型非线性控制系统间隙型非线性控制系统模拟电路如图3.5.4所示，图 3.5.4 间隙型非线性控制系统模拟电路实验步骤1.将信号发生器（B1）中的阶跃输出0/+5V 作为系统的信号输入r(t)。2.B1 单元中电位器的左边K3 开关拨下（ GND ） ，右边 K4 开关拨下（ 0/+5V 阶跃）。3.安置短路套、联线，构造模拟电路：4.虚拟示波器（B3）的联接：观察时要用虚拟示波器中的X-Y 选项。5.运行、观察、记录：三、实验仪