自动控制原理实验

专业

班级

姓名

学号

实验时间：20xx.10—20xx.11

一、

实验目的和要求：

通过自动控制原理实验牢固地掌握《自动控制原理》课的基本分析方法和实验测试手段。能应用运算放大器建立各种控制系统的数学模型，掌握系统校正的常用方法，掌握系统性能指标同系统结构和参数之间的基本关系。通过大量实验，提高动手、动脑、理论结合实际的能力，提高从事数据采集与调试的能力，为构建系统打下坚实的基础。

二、 实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明

自动控制实验系统 一套

计算机 （已安装虚拟测量软件---LABACT） 一台

椎体连接线 18根

典型环节实验

（一）、实验目的：

1、 了解相似性原理的基本概念。

2、 掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。

3、 掌握各类典型环节的输入和输出时域关系及相应传递函数的表达形式，熟悉各典型环节的参数（K、T）。

4、 学会时域法测量典型环节参数的方法。

（二）、实验内容：

1、用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和比例积分微分环节。

2、在阶跃输入信号作用下，记录各环节的输出波形，写出输入输出之间的时域数学关系。

3、在运算放大器上实现各环节的参数变化。

（三）、实验要求：

1、 仔细阅读自动控制实验装置布局图和计算机虚拟测量软件的使用说明书。

2、 做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传递函数的表达式，并计算各典型环节的时域输出响应和相应参数（K、T）。

3、分别画出各典型环节的理论波形。

5、 输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。

（四）、实验原理

实验原理及实验设计：

1． 比例环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：

传递函数：

比例系数：

时域输出响应：

2． 惯性环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：

传递函数：

比例系数：

时常数：

时域输出响应：

3．积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：

传递函数：

时常数：

时域输出响应：

4．比例积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：

传递函数：

比例系数：

时常数：

时域输出响应：

5．比例微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：

传递函数：

比例系数：

时常数：

时域输出响应：

6．比例积分微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：

传递函数：

比例系数：

时常数：

时域输出响应：

(五)、实验方法与步骤

1、 根据原理图构造实验电路。

2、 测量输入和输出波形图。

3、 将所测得的数据填入实验数据表中。

(六)、讨论与思考

1、 写出各典型环节的微分方程（建立数学模型）。

2、 根据所描述的各典型环节的微分方程，你能否用电学、力学、热力学和机械学等学科中的知识设计出相应的系统？请举例说明，并画出原理图。

3、 利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因

(七)、记录实验数据和实测波形：

（八）、各典型环节的阶跃响应曲线：

（九）、讨论与思考

1、写出各典型环节的微分方程（建立数学模型）。

2、根据所描述的各典型环节的微分方程，你能否用电学、力学、热力学和机械学等学科中的知识设计出相应的系统？请举例说明，并画出原理图。

3、利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

实验二 二阶系统的性能研究

（一）、实验目的：

通过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。

（二）、实验内容：

1、二阶系统的时域动态性能研究；

（三）、实验要求：

1、做好预习，根据实验原理图所示相应参数，写出系统的开环，闭环传递函数。计算、n、tr、ts、tp、%、等理论值，并绘制单位阶跃信号下的输出响应理论波形。

2、自己设计实验参数。

（四）、实验原理：

实验原理及实验设计：

预习内容：(1) 二阶系统时域实验参数计算：

（五）、实验方法与步骤

1、根据原理图构造实验电路。

2、测量时域响应波形和数据。

3、将所测得的数据填入实验数据表中。

（六）、记录实验数据：

（七）、记录实验实测波形：

（八）、思考题：

1、 在本实验中，系统能否出现不稳定的情况，此时电阻值R的取值范围？

2、 在系统不稳定的情况，你能否通过改变其它元器件参数，使系统变得稳定？改哪些参数？如何改？请分别列出，并加以分析。

3、 利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

实验三 系统时域分析实验

（一）、实验目的：

1、 深入掌握二阶系统的性能指标同系统闭环极点位置的关系。

2、 掌握高阶系统性能指标的估算方法及开环零、极点同闭环零、极点的关系。

3、能运用根轨迹分析法由开环零极点的位置确定闭环零极点的位置。

（二）、实验内容：

1、运用根轨迹法对控制系统进行分析；明确闭环零、极点的分布和系统阶跃响应的定性关系。

（三）、实验要求：

1、做好预习，根据原理图所示相应参数，计算理论值并绘制根轨图，用试探法确定主导极点的大致位置。

2、用Routh稳定判据，求出系统稳定、临界稳定和不稳定时的K值范围和R的取值。

3、画出输入输出的理论波形(单位阶跃信号作用下)。

（四）、实验原理：

1、根轨迹：当K由0→∞变化时，闭环特征根在S平面上移动的轨迹城根轨迹，不仅直观的表示了K 变化时间闭环特征根的变化，还给出了参数时闭环特征根在S平面上分布的影响。可判定系统的稳定性，确定系统的品质。

稳定性：根轨迹若越过虚轴进入s右半平面，与虚轴交点的k即为临界增益。

稳态性能：根据坐标原点的根数，确定系统的型别，同时可以确定对应的静态误差系数。

预习内容：(1) 三阶系统时域实验参数计算和根轨迹图：

（五）、实验方法与步骤

1、根据原理图构造实验电路。

2、测量时域响应波形和相应参数。

3、将所测得的数据填入实验数据表中。

（六）、记录实验数据：

（七）、记录实验实测波形：

（八）、思考题：

1、系统的性能指标不理想时，如何改变系统零、极点的位置使系统性能指标得到改善？在实际中是否可以无限制地改变系统零、极点的位置？请说明理由。

2、在本实验中，系统不稳定的情况下，不增加零点，而是通过改变其它零、极点的位置，能否使系统稳定？如果可以，如何改变？如果不能，为什么？

3、利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

4、利用MATLAB绘制根轨迹图。

实验四 二阶系统的性能频域研究

（一）、实验目的：

1、通过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。

2、掌握系统频率特性测试方法。

3、研究二阶系统频率特性与系统动态性能之间的关系。

（二）、实验内容：

二阶系统的频域动态性能研究；

（三）、实验要求：

1、自己设计实验参数。

2、根据原理图所示相应参数，计算理论值MP 、ωp、ωB等理论值，并绘制幅频、相频和幅相特性图.

（四）、实验原理：

实验原理及实验设计：

预习内容：(1)、二阶系统的频域实验参数计算：

（五）、实验方法与步骤

1、根据原理图构造实验电路。

2、测量频域伯德图和奈奎斯特图。

3、将所测得的数据填入实验数据表中。

（六）、记录实验数据：

（七）、记录实验实测图形：

（八）、思考题：

1、 通过实验你有何心得体会，发现了什么问题，有何改进意见？

2、 利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。

3、 利用MATLAB绘制波德图。

校正实验

（一）、实验目的：

1、掌握系统校正的两种基本方法的原理。

2、深入理解开环零、极点对闭环系统性能的影响关系。

3、加深理解串联校正（微分、积分、复合校正）和并联校正的特点，学会正确选择校正装置。

（二）、实验内容：

1、对与一个不稳定系统，分别储存加入导前网络、滞后网络、滞后-导前网络进行校正，然后比较其优劣性。

（三）、实验要求：

1、做好预习，根据原理图所示相应参数，写出原系统及校正后开环传递函数。

2、分析讨论三种串联校正网络使用场合和优缺点。

（四）、实验原理：

1、 导前网络 ：

2、 滞后网络： 

3、滞后-导前网络：

其中：  

 

（五）、实验方法与步骤：

1、 根据原理图构造实验电路

（六）、讨论与思考

1、 比较相角超前校正网络与相角滞后校正网络（从目的、效果、优点、缺点、适用场合、不适用场合等几方面进行比较）？

2、 自行设计用作校正控制器的实用放大电路（PD、 PI 、PID）。

（七）、记录实验数据：

 

第二篇：自动控制原理实验报告(三)

东南大学

实 验 报 告

课程名称： 自动控制实验

实验名称： 闭环电压控制系统的研究

院 （系）： 仪科 专 业：

姓 名： ** 学 号： **

实 验 室： 实验组别：

同组人员： ** 实验时间：20** 年 11 月 12 日

评定成绩： 审阅教师：

一、 实验目的

1) 通过实例展示，认识自动控制系统的组成、功能及自动控制原理课程所要解决的问题。

2) 会正确实现闭环负反馈。

3) 通过开、闭环实验数据说明闭环控制效果。

二、 预习与回答

1) 在实际控制系统调试时，如何正确实现负反馈闭环？

答：将被控输出量反向传递到系统的输入端并与给定输入信号比较（相减），根据所得的偏差信号来实现对被控量的控制，使得输出量与给定量之间的偏差尽可能小。

2) 你认为表格中加1KΩ载后，开环的电压值与闭环的电压值，哪个更接近2V？

答：在适当的Kp值下，闭环电压值更接近于2V。

3) 学自动控制原理课程，在控制系统设计中主要设计哪一部份？

答：主要设计控制算法部分。

三、 实验原理

1) 利用各种实际物理装置（如电子装置、机械装置、化工装置等）数学上的“相似性”，将各种实际物理装置经过简化、并抽象成数学形式。我们在设计控制系统时，不必研究每一种实际装置，而用几种“等价”的数学形式来表达、研究和设计。又由于人本身的自然属性，人对纯数学而言，不能直接感受它的自然物理属性，这给我们分析和设计带来了困难。所以，我们又用替代、模拟、仿真的形式把纯数学形式再变成“模拟实物”来研究。这样，就可以“秀才不出门，遍知天下事”。实际上，在后面的课程里，不同专业的学生将面对不同的实际物理装置，而“模拟实物”的实验方式可以举一反三，我们就是用下列“模拟实物”——电路，也有实际物理装置——电机，替代各种实际物理装置。

2) 自动控制的根本是闭环，尽管有的系统不能直接感受到它的闭环形式，如步进电机控制，专家系统等，从大局看，还是闭环。闭环控制可以带来想象不到的好处，两个演示实例说明这一点。本实验就是用开环和闭环在负载扰动下的实验数据，说明闭环控制效果。自动控制系统性能的优劣，其原因之一就是取决调节器的结构和算法的设计（本课程主要用串联校正、极点配置），本实验为了简洁，采用单闭环、比例算法K。通过实验证明：不同的统K，对系性能产生不同的影响。说明正确设计调节器算法的重要性。

3) 为了使实验有代表性，本实验采用三阶（高阶）系统。这样，当调节器K值过大时，控制系统会产生典型的现象——振荡。本实验可以认为是真实的电压控制系统。

四、 实验设备

THBDC-1实验平台

五、 实验线路图

六、 实验步骤

1) 如图接线，将线路接成开环形式，即比较器端100KΩ电阻接地。将调节器47KΩ电位器（接上面两个孔）左旋到底归零，再右旋1圈。经仔细检查后上电。

2) 调电位器输入RP2，用实验仪上的数字电压表检测，确保输出电压为2V。 注意：极性开关向下，阶跃按键取按下状态。

3) 按开环表格改变47KΩ圈数，并每次要调输入电位器RP2，在确保空载2V的条件下，再加上1KΩ的电阻扰动负载，测此不同Kp时带负载电压表读数，填表。

4) 正确判断并实现反馈！（课堂选择性提问）再闭环，即加法跳线接输出点，要调给定输入电位器RP2，使空载输出电压为2V。

5) 按闭环表格改变47KΩ圈数，并每次要调电位器RP2，在确保空载2V的条件下，加上1KΩ的电阻扰动负载，测各次电压表读数，填表。要注意8圈时数字表的现象。并用理论证明。

6) 将第二个比例环节换成积分：取R=100K；C=10μF，在2V时加载，测输出电压值。

7) 表格：

换成积分电路后，测得输出电压为2.00V。

七、 报告要求

1) 用文字叙说正确实现闭环负反馈的方法。

答：根据输入量与输出量的变化量的正负进行加或减的比较。

2) 说明实验步骤（1）至（6）的意义。

步骤（1）中将比较器端100KΩ电阻接地，是为了实现开环控制。电位器左旋到底，再右旋一圈，是为了调节第二个比例放大器的放大倍数。

步骤（2）使空载时输出电压为2V，并将2V作为输出基准电压。

步骤（3）是在开环控制的条件下，测量空载输出为2V时，加负载时的电压输出值。与闭环控制条件下的测量值进行比较，说明开环与闭环控制的差异。同时也为了说明在开环控制的条件下，Kp变化对输出量没有影响。

步骤（4）正确实现负反馈，确保在闭环条件下的基准电压为2V。

步骤（5）是在闭环控制的条件下，测量空载输出为2V时，加负载时的电压输出值，与开环控制进行比较。同时也为了说明在闭环控制的条件下，Kp变化对输出量的影响

步骤（6）是为了说明将第二个比例环节换成积分环节，使输出更稳定。

3) 画出本实验自动控制系统的各个组成部分，并指出对应元件。

答：

  

输入 比较器 调节器

对象

输入电压值的设定是通过调节电位器输入ＲＰ２。

比较器是由第一个加法放大器构成。放大器是由第二个比例放大器构成。被控对象是由三个运放组成的三阶系统构成的。输出量是统统数字电压表测量而得到的。

4) 本实验最重要的器件是哪个？意义是什么？

答：47KΩ的滑动变阻器。

其作用是：调节Kp的值，以便于观察开环和闭环控制时，在不同Kp的条件下，加负载时输出电压值。

5) 用稳定判据说明实验步骤（6）电压表读数的原因。

答： 比例环节换成积分器后，闭环传递函数为

G（s）= -kp/(9.588*10^-4)s^3+0.03784s^2+0.3455s+1+kp=0

劳斯表 s^4 9.588*10^-4

s^3 0.03784

s^2 （a3a2-a4a1)/a3=316.6

s^1 （b1a1-b2a3）/b1=945

s^0 kp

kp＞0,系统稳定。

6) 比较表格中的实验数据，说明开环与闭环控制效果。

答：开环下，加相同的阻值的负载，在不同增益KP情况下获得相同的输出电压，该电压较空载输出电压有明显偏差，而实现了闭环控制后，加相同阻值的负载，随着增益KP有限度的增大，输出电压越接近空载时输出电压，这正是我们想要的效果。

7) 用表格数据说明开环增益与稳态误差的关系。

答：从数据中可以看出，当开环增益没有超过19.2时，开环增益越大，稳态误差越小。根据测量数据和稳态误差与开环增益的关系

八、 实验总结

由本次试验我了解控制系统的一般组成，体会到了负反馈可以提高输出的正确性，提高系统的稳定性。