1、自动控制原理实验报告课程编号： ME3121023专业 自动化班级 姓名 学号 实验时间： 2014 年 12 月2一、 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 根实验一 线性典型环节实验（一）
2、 、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
3、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：G(s)=U o(s)/Ui(s)=10/3比例系数：K=10/33时域输出响应：Uo(t)=10/3 2 惯性环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：G(s)=U o(s)/Ui(s)=1/(0.1s+1)比例系数：k=1时常数：T=RC=0.1时域输出响应：U o(t)=(1-3积分环节： Ui-Uo
4、的时域响应理论波形：传递函数：G(s)=U o(s)/Ui(s)=1/0.1s时常数：T=0.1时域输出响应：U o(t)=10t4比例积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：45传递函数：G(s)=U o(s)/Ui(s)= s10比例系数：k=5时常数：T=1/k=0.2时域输出响应：U o(t)=(1+10t)5比例微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：G(s)=U o(s)/Ui(s)= 1.62s+28.8比例系数：k=3.6时常数：T=0.05时域输出响应：U o(t)= 28.8+1.62 (t)6比例积分微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：传递函数：G(s
5、)=U o(s)/Ui(s)= s901.2比例系数：k=26时常数：T=0.01时域输出响应：U0(t)=(90t+9) +0.1 )(t（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） 。比例环节: ()()ytKrt惯性环节: ()dTytrtt积分环节: y(t)=k2、 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。机械位移系统,物体在外力 F(t)作用下产生位移 y(
6、t)，写出运动方程.m +f +ky(t)=F(t) 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。原因：实验箱中电阻值和电容值得与标准值存在误差、外界电磁的干扰和信息传输时间的延迟滞后,都使得理论值与实测数据与波形存在误差。（七） 、记录实验数据：名称 参数 理论值 实测值R =100kR1=50kK = R/R1=2K=Uo / Ui=1.99比例环节 R =100kR1=100k K = R/R1 =1 K=Uo / Ui =1.0035C=1F T=R*C =0.1s T=0.107s惯性环节R=R1=100kC=2F T=R*C =0.2s T
7、=0.203s7（八） 、实测波形：比例环节C=1uF T=R1*C =0.1s T=0.107s积分环节R1=100K C=2 uF T=R1*C =0.2s T=0.214sC=1uF T=R1*C =0.2s T=0.203s比例积分环节R=R1=200KC=2uF T=R1*C =0.4s T=0.396s比例微分环节 R3=100kK=6T=0.06s比例积分微分环节C1=1uFC2=1uFTi=0.2Td=0.06s89惯性环节积分环节10比例积分11比例微分比例积分微分12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） 、
8、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、t r、t s、t p、%、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： 传递函数：G(s)=U o(s)/Ui(s)= /(0.1R +RS+ )超调量上升时间 tr= 或 tr=峰值时间 tp=调整时间 ts=13（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）
9、、记录实验数据：输入电阻R参数70k 40k 20k 10k 5k增益 K 1.43 2.5 5 10 20自然频率 n（计算值)3.78 5 7.07 10 14.14阻尼比 （计算值)1 过阻尼=1.32临界阻尼=1欠阻尼=0.707欠阻尼=0.5欠阻尼=0.356计算值 4.3% 16.3% 30.2%超调量%测量值 5.1% 17.8% 31.97%计算值 1.25s 0.700s 0.471s 0.242s 0.146s上升时间tr测量值 1.327s 0.685s 0.471s 0.246s 0.150s计算值 0.630s 0.36s 0.238s峰值时间tP测量值 0.631s
10、 0.364s 0.235s计算值 0.600s 0.600s 0.600s调节时间tS测量值 1.894s 0.995s 0.599s 0.551s 0.589s（七） 、记录实验实测波形：1、R=70k 时上升时间14调节时间2、R=40k 时上升时间15调节时间3、R=20k 时超调量 +峰值时间上升时间调整时间164、R=10k 时超调量上升时间峰值时间17调整时间5、R=5k 时超调量+峰值时间18上升时间调节时间19（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？答：此次实验中不可能出现不稳定的情况，因为闭环传递函数的极点一直在s 左半平面
11、，满足劳斯判据。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。答：增加比例微分控制环节和速度反馈控制环节，减少原系统的震荡性和参数的改变。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。答：matlab 仿真得到的数据与实测数据与波形相比较大致相同，但是存在误差；可能是因为实验中电子线路元件的值有误差。,仪器的不精确，以及人为读数选点上的一点误差。20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
12、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
13、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： 710()(2)GSRS选取 R=340K 的根轨迹图2122（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：稳定（衰减振荡） 临界稳定（等幅振荡） 不稳定（发散振荡反馈电容C2反馈电容C3 R=350k
14、 R=40.5k R=38.5k1u%=19%tr=1.605stp=2.333sts=3.532sR=40.5k R=38.5k1u2u %=34.5%tr=1.798stp=3.039sts=6.935sR=43.5k R=38.5k1u%=24%tr=1.605stp=2.440sts=5.030sR=71.5k R=38.5k2u2u %=39.8%tr=1.884stp=3.146sts=10.082sR=84.5k R=38.5k23（七） 、记录实验实测波形：241、C 2=1u,C3=1u,R=350K 系统稳定时超调量和上升时间峰值时间调整时间252、C 2=1u,C3=2u, R=350K 系统稳定时超调量和上升时间峰值时间26调整时间3、C 2=2u,C3=1u, R=350K 系统稳定时超调量和上升时间27峰值时间调整时间284、C 2=2u,C3=2u, R=350K 系统稳定时超调量和上升时间峰值时间29调整时间5、C 2=1u,C3=1u, R=40.5K 系统临界稳定时306、C 2=1u,C3=2u, R=40.5K 发散振荡，与 5 作比较C2=1u,C3=2u, R=43.5K 系统临界稳定时
