自动控制原理实验典型环节的时域响应

课程名称：

实验项目：

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本科实验报告

自动控制原理 典型环节的时域特性 电机馆自控实验室 学号：

2012 年 5 月 15 日

一、实验目的和要求：

学会利用自动控制实验箱对控制系统进行典型环节时域分析。

二、实验内容和原理：

一）典型环节

1．典型环节的方框图及传递函数

2．典型环节的模拟电路图及输出响应

三、主要仪器设备：

TDN-AC/ACS+型控制系统实验箱一套、安装Windows 98系统和ACS2002应用软件的计算机一台。

四、操作方法与实验步骤：

五、实验数据记录和处理：

（1）惯性图：

（2）积分图：

（3）微分图：

六、实验结果与分析：

由给定的参数值，通过示波器，显示出了上述几幅图，此为本次实验的结论图，但是由于实验具有误差，与理论值存在稍微的差别。

七、讨论、心得：

通过实验，让我对自动控制原理这门课又加深了了解，实验存

电子科技大学中山学院学生实验报告

学院：机电工程学院 专业：电气工程及其自动化 课程名称：自动控制原理实验 班级： 姓名： 学号： 组别： 实验名称：典型环节的时域响应 实验时间： 成绩： 教师签名： 批改时间： 一、实验目的 1．熟悉并掌握TD-ACC+(或TD-ACS)设备的使用方法及各典型环节模拟电路的构成方法。 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。对比差异分析原因。 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（或TD-ACS）实验系统一套 三、实验原理及内容 以运算放大器为核心，由其不同的输入R-C网络和反馈R-C网络构成控制系统的各种典型环节，用数字存储示波器测量各环节的阶跃响应曲线。下面为各环节模拟电路图。 1.比例环节(P)传递函数：Uo(s)/Ui(s)=K 2.积分环节(I)传递函数：Uo(s)/Ui(s)=1/TS 3.比例积分环节(PI) 传递函数：Uo(s)/Ui(s)=K+1/TS 电子科技大学中山学院学生

实验报告

时域抽样与频域抽样

一、实验目的

加深理解连续时间信号离散过程中的数学概念和物理概念，掌握时域抽样定理的基本内容。掌握有抽样序列抽样原序列信号的基本原理与实现方法，理解其工程概念。加深理解频域离散化过程中的数学概念和物理概念，掌握频域抽样定理的基本内容。

二、实验原理

离散系统在处理信号时，信号必须是离散序列。因此，再利用计算机等离散系统分析处理连续信号时必须对信号进行离散化处理。是与抽样定理给出了连续信号抽样过程中不失真的约束条件：对于基带信号，信号的抽样频率大于等于2倍的信号最高频率。信号的重建是信号抽样的逆过程。 非周期信号的离散信号的频谱是连续谱。 1、信号的时域抽样与重建， 2、信号的频域抽样

三、实验内容

1、为了观察连续信号时域抽样时抽样频率对抽样过程的影响，在【0,1】区间上以50hz的抽样频率对以下三个信号进行抽样，试画出抽样后的序列波形，并分析产生不同波形的原因，提出改进措施。

（1） x1(t)=cos(2pi*10t) （2） x2(t)=cos(2pi*50t)

（3）

x3(t)=cos(2pi*100t)

(1)t0=0:0.001:0.1; x0=cos(2*pi*10*t0); plot(t0,x

自动控制原理实验分析报告

姓名： 学号： 班级：

一、典型一阶系统的模拟实验： 1. 比例环节（P) 阶跃相应曲线。 传递函数：G(S)=-R2/R1=K 说明：K为比例系数

（1）R1=100KΩ，R2=100KΩ；特征参数实际值：K=-1.

（2）（2）R1=100KΩ，R2=200KΩ；即K=-2.

〖分析〗：经软件仿真，比例环节中的输出为常数比例增益K；比例环节的特性参数也为K，表征比例环节的输出量能够无失真、无滞后地按比例复现输入量。 2、惯性环节（T) 阶跃相应曲线及其分析。 传递函数：G(S)=-K/(TS+l) K=R2/R1 , T=R2C 说明：特征参数为比例增益K和惯性时间常数T。

（1）、R2=R1=100KΩ , C=1μF；特征参数实际值：K=-1，T=0.1。

（2）、R2=R1=100KΩ , C=0.1μF；特征参数实际值：K=-1，T=0.01。

〖分析〗：惯性环节的阶跃相应是非周期的指数函数，当t=T时，输出量为0.632K，当t=3～4T时，输出量才接近稳态值。比例增益K表征环节输出的放大能力，惯性时间常数T表征环节惯性

自动控制原理实验分析报告

姓名： 学号： 班级：

一、典型一阶系统的模拟实验： 1. 比例环节（P) 阶跃相应曲线。 传递函数：G(S)=-R2/R1=K 说明：K为比例系数

（1）R1=100KΩ，R2=100KΩ；特征参数实际值：K=-1.

（2）（2）R1=100KΩ，R2=200KΩ；即K=-2.

〖分析〗：经软件仿真，比例环节中的输出为常数比例增益K；比例环节的特性参数也为K，表征比例环节的输出量能够无失真、无滞后地按比例复现输入量。 2、惯性环节（T) 阶跃相应曲线及其分析。 传递函数：G(S)=-K/(TS+l) K=R2/R1 , T=R2C 说明：特征参数为比例增益K和惯性时间常数T。

（1）、R2=R1=100KΩ , C=1μF；特征参数实际值：K=-1，T=0.1。

（2）、R2=R1=100KΩ , C=0.1μF；特征参数实际值：K=-1，T=0.01。

〖分析〗：惯性环节的阶跃相应是非周期的指数函数，当t=T时，输出量为0.632K，当t=3～4T时，输出量才接近稳态值。比例增益K表征环节输出的放大能力，惯性时间常数T表征环节惯性

验证性实验

实验一典型环节的电路模拟与软件仿真研究

一、实验目的

1．通过实验熟悉并掌握实验装置和上位机软件的使用方法。

2．通过实验熟悉各种典型环节的传递函数及其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。

二、实验内容

1．设计各种典型环节的模拟电路。

2．完成各种典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。

3．利用上位机界面上的软件仿真功能，完成各典型环节阶跃特性的软件仿真研究，并与电路模拟测试的结果作比较。

三、实验步骤

1．熟悉实验箱，利用实验箱上的模拟电路单元，参考本实验附录设计并连接各种典型环节（包括比例、积分、比例积分、比例微分、比例积分微分以及惯性环节）的模拟电路。注意实验前必须先将实验箱断电，再接线。接线时要注意不同环节、不同测试信号对运放锁零的要求。在输入阶跃信号时，除比例环节运放可不锁零（G可接-15V）也可锁零外，其余环节都需要考虑运放锁零。

2．利用实验设备完成各典型环节模拟电路的阶跃特性测试，并研究参数变化对典型环节阶跃特性的影响。

在熟悉上位机界面操作的基础上，充分利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能。为了利用上位机提供的虚拟示波器与信号发生器功能，接线方式将不同于上述无上位机

实验1. 控制系统模型的建立

1.1. 实验目的

1、掌握利用MATLAB建立控制系统模型的方法。 2、掌握系统的各种模型表述及相互之间的转换关系。 3、学习和掌握系统模型连接的等效变换。

1.2. 实验原理

1.2.1. 系统模型的MATLAB描述

系统的模型描述了系统的输入、输出变量以及内部各变量之间的关系，表征一个系统的模型有很多种，如微分方程、传递函数模型、状态空间模型等。这里主要介绍系统传递函数（TF）模型、零极点增益（ZPK）模型和状态空间（SS）模型的MATLAB描述方法。

1）传递函数（TF）模型

传递函数是描述线性定常系统输入-输出关系的一种最常用的数学模型，其表达式一般为

在MATLAB中，直接使用分子分母多项式的行向量表示系统，即

调用tf函数可以建立传递函数TF对象模型，调用格式如下：

tfdata函数可以从TF对象模型中提取分子分母多项式，调用格式如下：

1

2）零极点增益（ZPK）模型 传递函数因式分解后可以写成

式中， 称为传递函数的零点， 称为传递函数的极点， 称为传递系数（系统增益）。即：

调用zpk函数可以创建ZPK对象模型，调用格式如下：

同样，MATLAB提供了zpkdata命令用来提取系统的零极点

实验二 二阶系统的瞬态响应

一、实验目的

1. 通过实验了解参数 (阻尼比)、 n(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、实验设备

同实验一。

三、实验内容

1. 观测二阶系统的阻尼比分别在0< <1， =1和 >1三种情况下的单位阶跃响应曲线；

2. 调节二阶系统的开环增益K，使系统的阻尼比 1，测量此时系统的超调量 p、

调节时间ts(Δ= ±0.05)；

四、实验原理

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 nC(S) (2-1) 2R(S)S 2 nS n2

2闭环特征方程：S2 2 n n 0

其解 S1,2 n n 1，

针对不同的 值，特征根会出现下列三种情况：

1）0< <1（欠阻尼），S1,2 n j n 22

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：

C (t) 1 1

2e ntSin( dt )

2 1式中 d n ， tg 2

。

2） 1（临界阻尼）S1,2 n

《 自动控制原理 》典型考试试题

（时间120分钟）

院/系 专业 姓名 学号

第二章：主要是化简系统结构图求系统的传递函数，可以用化简，也可以用梅逊公

式来求

一、（共15分）已知系统的结构图如图所示。请写出系统在输入r(t)和扰动n(t)同时作用下的输出C(s)的表达式。

G4N(s)+G2R(s)-+G1+C(s)-H1G3

二 、（共15分）已知系统的结构图如图所示。

试求传递函数

C(s)C(s)，。 R(s)N(s)

***三、（共15分）已知系统的结构图如图所示。

试确定系统的闭环传递函数C(s)/R(s)。

《 自动控制理论 》试卷 第 1 页 共 7 页

R(s)-+G1+G2+C(s)- 四、（共15分）系统结构图如图所示，求X(s)的表达式

N(s)R(s)-G1(s)G2(s)G3(s)

C(s)-G4(s)G5(s)G6(s)X(s)

***五、（共15分）已知系统的结构图如图所示。

试确定系统的闭环传递函数C(s)/R(s)和C(s)/D(s)。

R(s)-+G1+D(s)G2+C(s)-G3G4

C(s

实验一 控制系统典型环节的模拟

一、 实验目的

1．熟悉超低频扫描示波器的使用方法

2．掌握用运放组成控制系统典型环节的电子模拟电路 3．测量典型环节的阶跃响应曲线

4．通过本实验了解典型环节中参数的变化对输出动态性能的影响

二、 实验仪器

1．控制理论电子模拟实验箱一台

2．超低频慢扫描示波器一台 3．万用表一只

三、 实验原理

以运算放大器为核心元件，由其不同的输入R-C网络和反馈R-C网络构成控制系统的

各种典型环节 。

四、 实验内容

1．画出比例、惯性、积分、微分和振荡环节的电子模拟电路图。 2．观察并记录下列典型环节的阶跃响应波形。 1) G1(s) 1 和G2(s) 2 2） G1(s)

11 和G2(s) S0.5S

3） G1(s) 2 S 和G2(s) 1 2S 4） G1(s) 5） G(s)

11

和G2(s) S 10.5S 1

1S2 2S 1

五、 实验报告要求

1．画出五种典型环节的实验电路图，并注明参数。

2．测量并记录各种典型环节的单位阶跃响应，并注明时间坐标轴。 3．分析实验结果，写出心得体会。

六、 实验思考题

1．用运放模拟典型环节是是时，其传递函数是在哪两个假设条件下近似导出的？ 2．积分环