自控实验指导书 根轨迹

实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真

一、实验目的

1．熟悉THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-1”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-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台；

2．PC机一台(含“THBDC-1”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．比例（P）环节

比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。 图1-1 它的传递函数与方框图分别为：

U(S)G(S)?O?KUi(S)

当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K

实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真

一、实验目的

1．熟悉THBDC-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台及“THBDC-1”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-1型 控制理论·计算机控制技术实验平台；

2．PC机一台(含“THBDC-1”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．比例（P）环节

比例环节的特点是输出不失真、不延迟、成比例地复现输出信号的变化。 图1-1 它的传递函数与方框图分别为：

U(S)G(S)?O?KUi(S)

当Ui(S)输入端输入一个单位阶跃信号，且比例系数为K

实验五 线性系统的频域响应分析

1. 实验目的

(1)掌握BODE图的绘制方法和由BODE图确定系统开环传递函数方法。

(2)掌握利用BODE图分析系统性能和校正的方法。 2. 实验原理和内容

(1) 根据下列方框图作出BODE图。

? 开环传递函数：G(s)?10.1s(0.1s?1)

? 闭环传递函数： W(s)?G1?G?100s2?10s?100（?n?10??0.5）

? 系统的BODE图

1

(2) 利用BODE图进行超前串联校正设计的验证。 给出单位负反馈系统的对象传递函数为：

1G0(s)?K0

s(0.1s?1)(0.001s?1)选择校正器的传递函数为：Gc(s)?验证：

? 若在斜坡信号作用下，要求稳态误差ess?0.001. K0=? ? 在BODE图上求出校正前后的稳定余量。并验证系统校正后

的相角余量在：40????50? 。 ? 画出系统校正后的阶跃响应曲线并求出其性能指标。 (3)BODE图的滞后校正设计的验证

给出单位负反馈系统的对象传递函数为：

1G0(s)?K0

s(0.1s?1)(0.001s?1)要求对系统进行滞后串联校正，验证：

2

0.01796s?1

0.001796s?1

? 取K0=30s-1，在

目录

一．自动控制理论实验指导

1．概述........................................................1 2．实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真研究.....................5 3．实验二 典型系统动态性能和稳定性分析.......................12 4．实验三 典型环节（或系统）的频率特性测量...................16 5．实验四 线性系统串联校正...................................21 6．实验五 典型非线性环节的静态特性...........................26 7．实验六 非线性系统相平面法.................................31 8．实验七 非线性系统描述函数法...............................37 9．实验八 极点配置全状态反馈控制.............................42 10．实验九 采样控制系统动态性能和稳定性分析的混合仿真研究....49 11．实验十 采样控制系统串联校正的混

第二部分 控制理论

实验一 典型环节的电路模拟与软件仿真

一、实验目的

1．熟悉并掌握THBCC-1型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台的结构组成及上位机软件的使用方法。

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，并掌握典型环节的软件仿真研究。 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．THBCC-1型 信号与系统·控制理论及计算机控制技术实验平台 2．PC机1台(含上位机软件) 37针通信线1根 3．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；

3．在上位机界面上，填入各典型环节数学模型的实际参数，据此完成它们对阶跃响应的软件仿真，并与模拟电路测试的结果相比较。

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。

在附录中介绍了典型环节的传递函数、理论上的阶跃响应曲线和环节的模拟电路图，以供参考。

五、实验步骤

1.熟悉实验台，利用实验台上的模拟电路单元，构建所设计 (可参

《自动控制原理》实验指导书

目 录

实验一 典型环节的模拟研究 （验证型） （1） 实验二 动态系统的时域分析（设计型） （8） 实验三实验四实验五附 录 动态系统的数值模拟（验证型） 动态系统的频率特性研究（综合型） 动态系统的校正研究 （设计型） XMN—2学习机使用方法简介 14）16）17）19） （ （ （ （

实验一 典型环节的模拟研究

一、实验目的:

1、了解并掌握XMN-2型《自动控制原理》学习机的使用方法，掌握典型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。

2、熟悉各种典型线性环节的阶跃响应曲线。 3、了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、实验设备

1． XMN-2型机。 2． CAE98。 3． 万用表。 三、实验内容： 本实验是利用运算放大器的基本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小等），设置不同的反馈网络来模拟各种典型环节。 1、比例（P）环节：其方块图如图1-1A所示。 Ui(S)KUo(S)其传递函数为： 比例环节的模拟电路如图1-1B所示, R1100K10

山东大学 自动控制理论课件

第五章 根 轨 迹 法反馈控制系统的全部性质, 反馈控制系统的全部性质,取决于系统的闭 环传递函数。闭环传递函数的分子一般是s 环传递函数。闭环传递函数的分子一般是 的低 阶多项式，闭环零点容易求得。对高阶系统， 阶多项式，闭环零点容易求得。对高阶系统，用 解析法求闭环极点是比较困难的。 解析法求闭环极点是比较困难的。 1948年 W.R.Evans提出了 1948年，W.R.Evans提出了直接由开环传递函 提出了直接由开环传递函 数确定系统闭环特征根的图解法-根轨迹法。 数确定系统闭环特征根的图解法-根轨迹法。利 用这一方法可以分析系统的性能， 用这一方法可以分析系统的性能，确定系统应有 的结构和参数。 的结构和参数。 根轨迹法的基础是系统的传递函数， 根轨迹法的基础是系统的传递函数，这一 方法仅使用于线性系统。 方法仅使用于线性系统。

山东大学 自动控制理论课件

§5-1 根轨迹的基本概念一.根轨迹(The Root Locus) 根轨迹是开环系统某一参数由零变化到无穷大时， 是开环系统某一参数由零变化到无穷大时， 闭环系统特征方程式的根在s平面上变化的轨迹。 闭环系统特征方程式的根在s平面上变化的轨迹。

山东大学 自动控制理论课件

第五章 根 轨 迹 法反馈控制系统的全部性质, 反馈控制系统的全部性质,取决于系统的闭 环传递函数。闭环传递函数的分子一般是s 环传递函数。闭环传递函数的分子一般是 的低 阶多项式，闭环零点容易求得。对高阶系统， 阶多项式，闭环零点容易求得。对高阶系统，用 解析法求闭环极点是比较困难的。 解析法求闭环极点是比较困难的。 1948年 W.R.Evans提出了 1948年，W.R.Evans提出了直接由开环传递函 提出了直接由开环传递函 数确定系统闭环特征根的图解法-根轨迹法。 数确定系统闭环特征根的图解法-根轨迹法。利 用这一方法可以分析系统的性能， 用这一方法可以分析系统的性能，确定系统应有 的结构和参数。 的结构和参数。 根轨迹法的基础是系统的传递函数， 根轨迹法的基础是系统的传递函数，这一 方法仅使用于线性系统。 方法仅使用于线性系统。

山东大学 自动控制理论课件

§5-1 根轨迹的基本概念一.根轨迹(The Root Locus) 根轨迹是开环系统某一参数由零变化到无穷大时， 是开环系统某一参数由零变化到无穷大时， 闭环系统特征方程式的根在s平面上变化的轨迹。 闭环系统特征方程式的根在s平面上变化的轨迹。

赣南师范学院物电院实验报告

专业 班号 组别 01 指导教师 姓名 同组者 （个人）

实验名称 实验四 根轨迹法分析 实验日期 第 4 次实验

一、 实验目的

1． 熟悉MATLAB 用于控制系统中的一些基本编程语句和格式。 2． 利用MATLAB 语句绘制系统的根轨迹。 3． 掌握用根轨迹分析系统性能的图解方法。 4． 掌握系统参数变化对特征根位置的影响。 二、 实验内容

1． 请绘制下面系统的根轨迹曲线。

G?s?=G?s?=G?s?=

K 22s(s?2s?2)(s?6s?13)K(s?12)

(s?1)(s2?12s?100)(s?10)K(0.05s?1) 2s(0.0714s?1)(0.012s?0.1s?1)同时得出在单位阶跃负反馈下使得闭环系统稳定的K 值的范围。

2． 在系统设计工具rltool 界面中，通过添加零点和极点方法，试凑出上述系统，

并观

察增加极、零点对系统的影响。

三、 实验结果及分析

1． 请绘制下面系统的根轨迹曲线。

(1)G(s)?

k

s(s^2?2s?2)(s^2?6s?13)

结论：

selected_point = 0.0415 + 2.2112i k =

85.

第一部分 THLZD-2型电力系统综合自动化实验平台

简介

概述

THLZD-2型电力系统综合自动化实验平台是一套集多种功能于一体的综合型实验装置，展示了现代电能发出和输送全过程的工作原理。这套实验装置由THLZD-2电力系统综合自动化实验台（简称“实验台”）、THLZD-2电力系统综合自动化控制柜（简称“控制柜”）、无穷大系统和发电机组和三相可调负载箱等组成。 一、THLZD-2型电力系统综合自动化实验台

实验台包括以下单元：

1．输电线路单元：采用双回路输电线路，每回输电线路分两段，并设置有中间开关站，可以构成四种不同的联络阻抗。输电线路的具体结构如下图所示：

图1-3 单机－无穷大系统电力网络结构图

输电线路分“可控线路”和“不可控线路”，在线路XL4上可设置故障，该线路为“可控线路”，其他线路不能设置故障，为“不可控线路”。

⑴“不可控线路”的操作

操作“不可控线路”上的断路器的“合闸”或“分闸”按钮，可投入或切除线路。按下“合闸”按钮，红色按钮指示灯亮，表示线路接通；按下“分闸”按钮，绿色按钮指示灯亮，表示线路断开。

⑵“可控线路”的操作

在“可控线路”上预设有短路点，并在该线路上装有“微机线路保护装置”，可实现过流保护，并具