自控原理實驗課件

自動控制原理實驗

（自動化/電氣工程及其自動化專業(yè)）

河北大學電子信息工程學院目

錄

實驗一典型環(huán)節(jié)和典型系統(tǒng)的構(gòu)成及其響應實驗二二階系統(tǒng)階躍響應特性實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差實驗四控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性實驗五控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正實驗六典型非線性環(huán)節(jié)實驗一典型環(huán)節(jié)和典型系統(tǒng)

的構(gòu)成及其響應

一、實驗目的和要求

1、熟悉各典型環(huán)節(jié)的模擬電路的組成及其工作原理，熟練推導各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；

2、觀察典型環(huán)節(jié)階躍響應曲線，定性了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)特征的影響；

3、觀察不同階數(shù)線性系統(tǒng)對階躍輸入信號的瞬態(tài)響應，了解參數(shù)變化對它的影響。二、實驗內(nèi)容及步驟

1、將各運算放大器接成比例狀態(tài)，接通電源，調(diào)節(jié)各放大器零點（輸入端接地；萬用表電壓檔接在輸出端，調(diào)節(jié)調(diào)零電位器使輸出電壓為零）。

2、斷開模擬裝置電源，按實驗線路接線，注意：不用的運算放大器仍接成比例狀態(tài)，切勿斷開放大器的反饋電阻，輸出禁止接地。

3、接通電源，用示波器觀察各條件下的輸入和輸出波形，并作好記錄。

（一）典型環(huán)節(jié)的階躍響應

1、比例環(huán)節(jié)

調(diào)節(jié)W使其分別為0K,50K,150K,250K,輸入端加階躍信號，用示波器同時觀察輸入和輸出波形，畫圖如下(標明數(shù)值,并注意極性)，寫出傳遞函數(shù)G(S)表達式。

2、積分環(huán)節(jié)

其中T=RC=100C

取C=1μF和0.1μF兩種情況，觀察T不同時的輸入和輸出波形，寫出傳遞函數(shù)G(S)表達式。3、慣性環(huán)節(jié)

K=R2/R1=（50+W）/100，T=R2C=（50+W）C

參數(shù)取值分別如下，觀察K和T不同時的輸入和輸出波形，寫出傳遞函數(shù)G(S)表達式。取W=50K,C=1μF，用輸出達到穩(wěn)態(tài)值63.2%的方法測量慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)，用達到穩(wěn)態(tài)值95%的方法測量調(diào)節(jié)時間，并與理論值比較。

4、比例微分環(huán)節(jié)

參數(shù)取值分別如下，觀察不同時的輸入和輸出波形，寫出傳遞函數(shù)G(S)表達式。5、比例積分環(huán)節(jié)

參數(shù)取值分別如下，觀察不同時的輸入和輸出波形，寫出傳遞函數(shù)G(S)表達式。（二）典型系統(tǒng)的階躍響應典型二階系統(tǒng)

典型二階系統(tǒng)實驗線路圖

典型三階系統(tǒng)

系數(shù)器α和電容C2（或Cx）取不同值下的輸出波形（圖中2=133K，3=330K）參數(shù)取值分別如下表所示，觀察不同時的輸入和輸出波形，寫出傳遞函數(shù)G(S)表達式。三、實驗報告

1、畫出各環(huán)節(jié)及系統(tǒng)的模擬電路圖，推導出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)；

2、分析記錄的波形及數(shù)據(jù)，將各環(huán)節(jié)和系統(tǒng)的理想階躍響應曲線與實驗響應曲線加以比較，總結(jié)分析。四、思考題

1、積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的主要區(qū)別是什么？什么條件下的慣性環(huán)節(jié)可視為積分環(huán)節(jié)？

2、慣性環(huán)節(jié)在什么條件下可視為比例環(huán)節(jié)？

3、為什么典型二階系統(tǒng)實驗中加入比例環(huán)節(jié)？三階系統(tǒng)是否要加？

4、二階系統(tǒng)在什么情況下不穩(wěn)定，怎樣構(gòu)成振蕩環(huán)節(jié)？實驗二二階系統(tǒng)階躍響應特性

一、實驗目的和要求

1、研究二階系統(tǒng)的兩個重要參數(shù),ξ（阻尼比）和Wn（無阻尼自然頻率）對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響。

2、通過對二階系統(tǒng)階躍響應的測定，分析ξ、Wn與超調(diào)量Mp、調(diào)節(jié)時間ts的關(guān)系。

二、實驗內(nèi)容及步驟

搭建二階閉環(huán)系統(tǒng)，分別通過改變電阻比值和積分器的積分時間常數(shù)改變系統(tǒng)的阻尼比（ξ）和無阻尼自然頻率（Wn），研究參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)特性（超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間ts

）的影響。

1、接線圖

2、方塊圖三、實驗報告要求

1、畫出二階系統(tǒng)模擬電路圖；

2、計算實驗中幾種情況的ts和σp值，并與觀測值比較；

3、分析ξ、Wn與超調(diào)量Mp、調(diào)節(jié)時間ts的關(guān)系，對實驗中的現(xiàn)象正確描述與分析。

實驗三控制系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差一、實驗目的和要求

掌握不同型系統(tǒng)在不同輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差，驗證理論上的結(jié)論。

二、實驗線路

0型系統(tǒng)

I型系統(tǒng)

II型系統(tǒng)

校正網(wǎng)絡三、實驗內(nèi)容及步驟

1、觀察三種系統(tǒng)在三種不同典型輸入時的靜態(tài)誤差，記錄a點波形。

2、改變0型系統(tǒng)的放大系數(shù)，觀察S1點靜態(tài)誤差有何變化。四、實驗報告

1、按實驗表格畫出實驗波形及數(shù)據(jù)。

2、將實驗結(jié)果與理論值比較，分析產(chǎn)生誤差的原因，討論實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象。

實驗四控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性

一、實驗目的和要求

1、觀察系統(tǒng)的穩(wěn)定和不穩(wěn)定現(xiàn)象，驗證理論穩(wěn)定判據(jù)的正確性。

2、研究系統(tǒng)的開環(huán)增益對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響

3、研究系統(tǒng)的時間常數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。

二、實驗內(nèi)容及實驗步驟

1、搭建三階系統(tǒng)（輸入接地），分別改變電容器C和電位器W的值為如下幾種情況。觀察改動系統(tǒng)的開環(huán)增益K和時間常數(shù)T，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。

（1）、W=0,C=1μf,觀察系統(tǒng)輸出波形。

（2）、C=1μf,W由零逐漸增大，在逐漸減至零，觀察系統(tǒng)輸出波形（系統(tǒng)穩(wěn)定、不穩(wěn)定狀態(tài)）。

（3）、在步驟2中使系統(tǒng)不穩(wěn)定，即取W=0，改變電容C由1μf至0.1μf,觀察系統(tǒng)輸出波形的變化。2、逐步調(diào)節(jié)電位器W的值，測量系統(tǒng)的臨界k值。

三、實驗報告

1、畫出結(jié)構(gòu)圖推導傳遞函數(shù)；

2、對記錄的波形和數(shù)據(jù)進行分析，計算系統(tǒng)臨界k值與實驗值比較。

3、畫出系統(tǒng)在下列3種情況下的BODE圖及Nyquist圖，判定系統(tǒng)穩(wěn)定性。分析說明是否與實驗結(jié)果一致。1）W=0,C=1μf2）W=500K,C=1μf3）W=0,C=0.1μf實驗五控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正

一、實驗目的和要求

1、了解超前、滯后，超前—滯后串聯(lián)校正裝置的工作原理；

2、校正環(huán)節(jié)對系統(tǒng)穩(wěn)定性及動靜態(tài)品質(zhì)的影響；

3、學習利用BODE圖對給定動態(tài)特性不良系統(tǒng)設計校正裝置，通過實驗驗正設計的正確性。二、實驗內(nèi)容

由學生參照以下要求自行設計實驗電路和實驗步驟。能夠根據(jù)給定的性能指標，設計串聯(lián)校正裝置，通過實驗驗正該校正裝置的正確性。觀察PD、PI、PID三種校正方式的作用。

1、已知系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)

加任何校正，觀察系統(tǒng)的運動狀態(tài)。如果接近等幅振蕩，記下振蕩的頻率。

不加校正時的模擬電路圖

2、要求Kv=1001/s，1/s設計一PD裝置，這里給出一個參考的PD校正：

觀察PD校正加入后的階躍響應，記下Mp和ts。

3、要求Kv=1001/s，1/s，設計一個PI裝置。這里給出一個參考的PI校正：觀察PI校正加入后的階躍響應，記下Mp和ts。。

4、要求Kv=1001/秒，1/s，設計一個PID裝置。這里給出一個參考的PID校正：

觀察PID校正加入后的階躍響應，記下Mp和ts。

三、實驗報告1、說明設計校正裝置的基本思路及過程，結(jié)構(gòu)及參數(shù)的選擇依據(jù)。

2、對比校正前后系統(tǒng)的穩(wěn)定性能的改變，比較階躍響應中的兩個主要指標σp和ts的變化。

3、繪制校正前后系統(tǒng)的BODE圖，分析說明校正環(huán)節(jié)的作用。

4、敘述超前、滯后，超前—滯后串聯(lián)校正裝置各自的主要作用。

實驗六

典型非線性環(huán)節(jié)

一、實驗目的

1、了解常用典型非線性環(huán)節(jié)對控制系統(tǒng)的影響。

2、加深對具體實際控制工程中，各典型環(huán)節(jié)輸入輸出的真實關(guān)系的研究。

二、實驗內(nèi)容及實驗步驟

（一）典型非線性環(huán)節(jié)

飽和特性環(huán)節(jié)

飽和特性的模擬電路圖

飽和特性特性圖其中，，2、死區(qū)特性環(huán)節(jié)

死區(qū)特性的模擬電路圖和特性圖其中