自动控制原理典型环节的模拟研究实验报告

课程名称：

实验项目：

实验地点：

专业班级：

学生姓名：指导教师：

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

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

《自控控制原理》实验报告

《自动控制原理》

实验报告

姓名：

学号： 班级： 11电气1班 专业： 电气工程及其自动化 学院： 电气与信息工程学院

2013年12月

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《自控控制原理》实验报告

目 录

实验一、典型环节的模拟研究 实验二、二阶系统的阶跃响应分析 实验三、线性系统的稳态误差分析 实验四、线性系统的频率响应分析

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《自控控制原理》实验报告

实验一 典型环节的模拟研究

1.1 实验目的

1、熟悉并掌握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曲线和实际阶跃响应曲

信 控 学 院 上 机 实 验

实 验 报 告

课程 自动控制原理 实验日期 年 月 日

专业班级 测控1201班 姓名 XXXX 学号 XXXXX同组人

实验名称系统的能控性与能观测性分析及状态反馈极点配置

批阅教师签字

一、实验目的

1、学习掌握MATLAB控制工具箱中的基本命令的操作方法； 2、加深理解能观测性、能控性等观念；

3、掌握状态反馈系统的极点配置方法，研究不同配置对系统

动态特性的影响。

二、实验内容

1、学习掌握MATLAB控制工具箱中的基本命令的操作方法，特别是数学模型的描述。（自选控制对象模型，应用以下命令，并写出结果） 1） step, damp, pzmap, rlocus, rlocfind, bode, margin,

nyquist；

2） tf2ss, ss2tf, tf2zp, zp2ss； 3） ss2ss, jordan, canon, eig。 2、能控性、能观测性分析

（a）了解以下命令的功能；自选对象模型，进行运算，并写出结果。

自动控制原理 实验报告

学院： 电子信息工程学院 班级：

自动化1305

肖书文 13212163

组员：

龚成贵 13212005

张丹 13212168

2015年1月3日

实验一典型环节及其阶跃响应

一、 实验目的

1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器

1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台

三、实验原理

1．模拟实验的基本原理：

①控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。

②再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

③若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影

1

响。

四、实验内容

构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

1. 比例环节的模拟电路及其传递函数。

G(s)?R2R12. 惯性环节的模拟电路及其传递函数。 G(s)??KTs?1(K?R2

R,T?R2C)13. 积分环节的模拟电路及传递函数。

自动控制原理 实验报告

学院： 电子信息工程学院 班级：

自动化1305

肖书文 13212163

组员：

龚成贵 13212005

张丹 13212168

2015年1月3日

实验一典型环节及其阶跃响应

一、 实验目的

1. 掌握控制模拟实验的基本原理和一般方法。 2. 掌握控制系统时域性能指标的测量方法。

二、实验仪器

1．自动控制系统实验箱一台 2．计算机一台

三、实验原理

1．模拟实验的基本原理：

①控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟系统。

②再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到系统的动态响应曲线及性能指标。

③若改变系统的参数，还可进一步分析研究参数对系统性能的影

1

响。

四、实验内容

构成下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

1. 比例环节的模拟电路及其传递函数。

G(s)?R2R12. 惯性环节的模拟电路及其传递函数。 G(s)??KTs?1(K?R2

R,T?R2C)13. 积分环节的模拟电路及传递函数。

3.2 线性控制系统的频域分析实验报告

3.2.1 一阶惯性环节的频率特性曲线

一．实验要求

了解和掌握对数幅频曲线和相频曲线（波德图）、幅相曲线（奈奎斯特图）的构造及绘制方法。

二．实验内容及步骤

本实验用于观察和分析一阶惯性环节的频率特性曲线。

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。

本实验将数/模转换器（B2）单元作为信号发生器，实验开始后，将按‘频率特性扫描点设置’表规定的频率值，按序自动产生多种频率信号，OUT2输出施加于被测系统的输入端r(t)，然后分别测量被测系统的输出信号的闭环对数幅值和相位，数据经相关运算后在虚拟示波器中显示。

惯性环节的频率特性测试电路见图3-2-1。

图3-2-1 惯性环节的频率特性测试电路

实验步骤：

（1）将数/模转换器（B2）输出OUT2作为被测系统的输入。

（2）构造模拟电路：按图3-2-1安置短路套及测孔联线，表如下。 （a）安置短路套 （b）测孔联线

1 信号输入 B2（OUT2）→A3（H1） 模块号 跨

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

实验一：典型电路环节的电路模拟与软件仿真研究

一、 实验目的

熟悉各环节的传递函数与其特性，掌握电路模拟和软件仿真研究方法。 二、 实验内容

1. 设计个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. 在上位机界面上，填入各个环节的实际传递函数参数，完成典型环节阶跃特性的软件特性仿真研究，并与

电路模拟研究的结果作比较。

三、 实验过程及分析

1． 比例环节的阶跃响应

比例环节的传递函数为：

实验现象：

U0(s)

K=R2/R1（实验时K=2） Ui(s)

说明：黄色为输出信号，绿色为输入。可知传递函数=K=2 改变两电阻的比值，增益变化

2． 积分环节的阶跃响应

典型积分环节模拟电路如图所示，积分环节的传递函数为：理想传递函数曲线如图：

U0(s)1

Ui(s)TS

实验现象：

说明：实验数据是在C=1uF时取得。可知传递函数曲线是一条以1/T为斜率的曲线。当C=2uF时，周期变大，斜率下降。

3． 比例积分环节的阶跃响应

U0(s)1

K

Ui(s)TS

理想传递函数曲线：

实验现象：

实验说明：实验数据在C=1uF下取得，此时的K=1.所以实验图像是一条起点在（0,1），斜率为1/T的直线。后面由于超过软件表示的最