自動控制原理實驗報告(自動化專業(yè)電子版)

1、自動控制原理實驗報告課程編號： ME3121023專業(yè)班級姓名學號實驗時間： 實驗目的和要求：通過自動控制原理實驗牢固地掌握自動控制原理課的基本分析方法和實驗測試手段。能應用運算放大器建立各種控制系統(tǒng)的數學模型，掌握系統(tǒng)校正的常用方法，掌握系統(tǒng)性能指標同系統(tǒng)結構和參數之間的基本關系。通過大量實驗，提高動手、動腦、理論結合實際的能力，提高從事數據采集與調試的能力，為構建系統(tǒng)打下堅實的基礎。一、 實驗儀器、設備（軟、硬件）及儀器使用說明自動控制實驗系統(tǒng) 一套 計算機 （已安裝虛擬測量軟件-LABACT） 一臺 椎體連接線 18根實驗一 線性典型環(huán)節(jié)實驗（一）、實驗目的：1、 了解相似性原理的基本概

2、念。2、 掌握用運算放大器構成各種常用的典型環(huán)節(jié)的方法。3、 掌握各類典型環(huán)節(jié)的輸入和輸出時域關系及相應傳遞函數的表達形式，熟悉各典型環(huán)節(jié)的參數（K、T）。4、 學會時域法測量典型環(huán)節(jié)參數的方法。（二）、實驗內容：1、用運算放大器構成比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)和比例積分微分環(huán)節(jié)。2、在階躍輸入信號作用下，記錄各環(huán)節(jié)的輸出波形，寫出輸入輸出之間的時域數學關系。3、在運算放大器上實現各環(huán)節(jié)的參數變化。（三）、實驗要求：1、 仔細閱讀自動控制實驗裝置布局圖和計算機虛擬測量軟件的使用說明書。2、 做好預習，根據實驗內容中的原理圖及相應參數，寫出其傳遞函數的表達式，并計算各

3、典型環(huán)節(jié)的時域輸出響應和相應參數（K、T）。3、分別畫出各典型環(huán)節(jié)的理論波形。5、 輸入階躍信號，測量各典型環(huán)節(jié)的輸入和輸出波形及相關參數。（四）、實驗原理：實驗原理及實驗設計：1 比例環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應理論波形：傳遞函數：比例系數：時域輸出響應：2 慣性環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應理論波形：傳遞函數：比例系數：時常數：時域輸出響應：3積分環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應理論波形：傳遞函數：時常數：時域輸出響應：4比例積分環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應理論波形：傳遞函數：比例系數：時常數：時域輸出響應：5比例微分環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應理論波形：傳遞函數：比例系數：時常數：時域輸出響應

4、：6比例積分微分環(huán)節(jié)： Ui-Uo的時域響應理論波形：傳遞函數：比例系數：時常數：時域輸出響應：（五）、實驗方法與步驟1、 根據原理圖構造實驗電路。2、 測量輸入和輸出波形圖。3、 將所測得的數據填入實驗數據表中。（六）、討論與思考 1、 寫出各典型環(huán)節(jié)的微分方程（建立數學模型）。2、 根據所描述的各典型環(huán)節(jié)的微分方程，你能否用電學、力學、熱力學和機械學等學科中的知識設計出相應的系統(tǒng)？請舉例說明，并畫出原理圖。3、 利用MATLAB仿真，與實驗中實測數據和波形相比較，分析其誤差及產生的原因。（七）、記錄實驗數據：名稱參數理論值實測值比例環(huán)節(jié)R =R1=K = R/R1 =K=Uo / Ui =

5、R =R1=K = R/R1 =K=Uo / Ui =R =R1=K = R/R1 =K=Uo / Ui =慣性環(huán)節(jié)R=R1=100kC=T=R*C =T=C=T=R*C =T=C=T=R*C =T=積分環(huán)節(jié)R1=100KC=T=R1*C =T=C=T=R1*C =T=C=T=R1*C =T=比例積分環(huán)節(jié)R=R1=200KC=T=R1*C =T=C=T=R1*C =T=比例微分環(huán)節(jié)R3=K=T=比例積分微分環(huán)節(jié)C1=C2=Ti=Td=（八）、實測波形：實驗二 二階系統(tǒng)的性能研究（一）、實驗目的：通過實驗加深理解二階系統(tǒng)的性能指標同系統(tǒng)參數的關系。（二）、實驗內容：1、二階系統(tǒng)的時域動態(tài)性能研究

6、；（三）、實驗要求：1、做好預習，根據實驗原理圖所示相應參數，寫出系統(tǒng)的開環(huán)，閉環(huán)傳遞函數。計算x、wn、tr、ts、tp、s%、等理論值，并繪制單位階躍信號下的輸出響應理論波形。 2、自己設計實驗參數。（四）、實驗原理：實驗原理及實驗設計：預習內容：(1) 二階系統(tǒng)時域實驗參數計算： （五）、實驗方法與步驟1、根據原理圖構造實驗電路。2、測量時域響應波形和數據。3、將所測得的數據填入實驗數據表中。（六）、記錄實驗數據： 輸入電阻R參數40K增益K25自然頻率n（計算值)5阻尼比（計算值)>1過阻尼=臨界阻尼=1欠阻尼=欠阻尼=0.5欠阻尼=超調量s%計算值測量值上升時間tr計算值測量值

7、峰值時間tP計算值測量值調節(jié)時間tS計算值測量值（七）、記錄實驗實測波形：（八）、思考與討論： 將實驗結果與理論知識作對比，并進行討論。實驗三 系統(tǒng)時域分析實驗（一）、實驗目的：1、 深入掌握二階系統(tǒng)的性能指標同系統(tǒng)閉環(huán)極點位置的關系。2、 掌握高階系統(tǒng)性能指標的估算方法及開環(huán)零、極點同閉環(huán)零、極點的關系。3、能運用根軌跡分析法由開環(huán)零極點的位置確定閉環(huán)零極點的位置。（二）、實驗內容：1、運用根軌跡法對控制系統(tǒng)進行分析；明確閉環(huán)零、極點的分布和系統(tǒng)階躍響應的定性關系。（三）、實驗要求：1、做好預習，根據原理圖所示相應參數，計算理論值并繪制根軌圖，用試探法確定主導極點的大致位置。2、用Routh

8、穩(wěn)定判據，求出系統(tǒng)穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和不穩(wěn)定時的K值范圍和R的取值。 3、畫出輸入輸出的理論波形(單位階躍信號作用下)。（四）、實驗原理：1、根軌跡：當K由0變化時，閉環(huán)特征根在S平面上移動的軌跡城根軌跡，不僅直觀的表示了K 變化時間閉環(huán)特征根的變化，還給出了參數時閉環(huán)特征根在S平面上分布的影響?？膳卸ㄏ到y(tǒng)的穩(wěn)定性，確定系統(tǒng)的品質。穩(wěn)定性：根軌跡若越過虛軸進入s右半平面，與虛軸交點的k即為臨界增益。穩(wěn)態(tài)性能：根據坐標原點的根數，確定系統(tǒng)的型別，同時可以確定對應的靜態(tài)誤差系數。預習內容：(1) 三階系統(tǒng)時域實驗參數計算和根軌跡圖： （五）、實驗方法與步驟1、根據原理圖構造實驗電路。2、測量時域響應波

9、形和相應參數。3、將所測得的數據填入實驗數據表中。（六）、記錄實驗數據：反饋電容C2反饋電容C3穩(wěn)定（衰減振蕩）（超調量不大于25%）臨界穩(wěn)定（等幅振蕩）不穩(wěn)定（發(fā)散振蕩1u1u2u2u1u2u（七）、記錄實驗實測波形：（八）、思考與討論： 將實驗結果與理論知識作對比，并進行討論。實驗四 二階系統(tǒng)的性能頻域研究（一）、實驗目的：1、通過實驗加深理解二階系統(tǒng)的性能指標同系統(tǒng)參數的關系。2、掌握系統(tǒng)頻率特性測試方法。3、研究二階系統(tǒng)頻率特性與系統(tǒng)動態(tài)性能之間的關系。（二）、實驗內容：二階系統(tǒng)的頻域動態(tài)性能研究；（三）、實驗要求：1、自己設計實驗參數。2、根據原理圖所示相應參數，計算理論值MP 、p

10、、B等理論值，并繪制幅頻、相頻和幅相特性圖.（四）、實驗原理：實驗原理及實驗設計：預習內容：(1)、二階系統(tǒng)的頻域實驗參數計算：（五）、實驗方法與步驟1、根據原理圖構造實驗電路。2、測量頻域伯德圖和奈奎斯特圖。3、將所測得的數據填入實驗數據表中。（六）、記錄實驗數據： 輸入電阻R參數40K增益K25自然頻率n（計算值)5阻尼比（計算值)>1過阻尼=臨界阻尼=1欠阻尼=欠阻尼=0.5欠阻尼=諧振峰值MP計算值測量值諧振頻率p計算值測量值截止頻率c計算值測量值（七）、記錄實驗實測圖形：（八）、思考與討論： 將實驗結果與理論知識作對比，并進行討論。實驗五 校正實驗（一）、實驗目的：1、掌握系統(tǒng)

11、校正的兩種基本方法的原理。2、深入理解開環(huán)零、極點對閉環(huán)系統(tǒng)性能的影響關系。3、加深理解串聯(lián)校正（微分、積分、復合校正）和并聯(lián)校正的特點，學會正確選擇校正裝置。（二）、實驗內容：1、對與一個不穩(wěn)定系統(tǒng)，分別儲存加入導前網絡、滯后網絡、滯后-導前網絡進行校正，然后比較其優(yōu)劣性。（三）、實驗要求：1、做好預習，根據原理圖所示相應參數，寫出原系統(tǒng)及校正后開環(huán)傳遞函數。2、分析討論三種串聯(lián)校正網絡使用場合和優(yōu)缺點。（四）、實驗原理：1、 導前網絡 ： 2、 滯后網絡：3、滯后-導前網絡：其中： （五）、實驗方法與步驟：1、 根據原理圖構造實驗電路（六）、討論與思考1、 比較相角超前校正網絡與相角滯后校

12、正網絡（從目的、效果、優(yōu)點、缺點、適用場合、不適用場合等幾方面進行比較）？2、 自行設計用作校正控制器的實用放大電路（PD、 PI 、PID）。（七）、記錄實驗數據：系統(tǒng)參數系統(tǒng)響應測量值電阻(K)Uo (tp)Uo ()s%trtstp未加校正R=100KR=25R=臨界振蕩加導前網絡臨界振蕩時的阻值：R=R=25加滯后網絡臨界振蕩時的阻值：R=R=25加滯后導前網絡臨界振蕩時的阻值：R=R=25（八）、記錄實驗波形：實驗六 非線性典型環(huán)節(jié)實驗（一）、實驗目的：1、了解相似性原理的基本概念。2、掌握用運算放大器構成各種常用的典型環(huán)節(jié)的方法。3、掌握各類典型環(huán)節(jié)的輸入和輸出時域關系。4、學會時

13、域法測量典型環(huán)節(jié)參數的方法。（二）、實驗內容：1、用運算放大器構成飽和、繼電器、死區(qū)、空回（可選做）非線性典型環(huán)節(jié)。2、輸入在 + 5 - 5伏之間可連續(xù)變化的電壓信號，測量各典型環(huán)節(jié)的輸入和輸出波形及相關參數。（三）、實驗要求：1、做好預習，根據實驗內容中的原理圖及相應參數，寫出其數學表達式，并計算相關參數。2、分別畫出各典型環(huán)節(jié)的理論波形。（四）、實驗原理：實驗原理及實驗設計：1、繼電器特性 Ui-Uo的時域響應理論波形：輸出Uo2、飽和特性 Ui-Uo的時域響應理論波形：比例系數（斜率）： 輸出Uo3、死區(qū)特性 Ui-Uo的時域響應理論波形：死區(qū)值： 輸出Uo4、空回（磁滯回線）特性 U

14、i-Uo的時域響應理論波形：輸出Uo（六）、記錄實驗數據：名稱參數理論值實測值飽和特性R =R1=M=K = R/R1 =M=M=繼電器特性R1=M=M=死區(qū)特性R1=R2=10K K=Rf / Ro =(R2/50)*12(V)=0.4 R2(V)=空回特性R1=R2=10K=(R2/50)*12(V)=0.4R2(V)tg=(Ci/Cf )*(Rf /Ro )=tg=（七）、記錄實驗波形：（八）、思考與討論： 將實驗結果與理論知識作對比，并進行討論。實驗七 非線性系統(tǒng)實驗（一）、實驗目的：1、熟悉非線性系統(tǒng)的分析方法(相平面法)。2、了解控制系統(tǒng)存在非線性環(huán)節(jié)對系統(tǒng)性能的影響。（二）、實驗

15、內容：用相平面法分析繼電型非線性系統(tǒng)的階躍響應和穩(wěn)態(tài)誤差。（三）、實驗要求：1、做好預習，根據實驗內容中的原理圖及結構圖的相應參數計算在階躍信號作用下誤差e(t)的相軌跡。2、畫出相平面圖及在不同階躍信號輸入下的相軌跡和輸出波形。（四）、實驗原理非線性系統(tǒng)的相平面分析法是狀態(tài)空間分析法在二維空間特殊情況下的應用。它是一種不用求解方程，而用圖解法給出X1 = e, X2 =的相平面圖。由相平面圖就能清楚地知道系統(tǒng)的動態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)程度。（五）、實驗方法與步驟1、根據原理圖構造實驗電路。2、測量時域響應波形和相應參數。3、將所測得的數據填入實驗數據表中。（六）、記錄實驗數據：輸入電壓值（V）4V3V

16、2V1V超調量Mp（從有信號到無信號）超調量Mp（從無信號到有信號）（七）、記錄實測波形：實驗八 狀態(tài)反饋（極點配置實驗）（一）、實驗目的：掌握狀態(tài)全反饋改善系統(tǒng)性能的原理和狀態(tài)觀測器的模擬實現方法。（二）、實驗內容： 用全狀態(tài)反饋實現二階系統(tǒng)極點的任意配置，并用電路模擬實驗和軟件仿真予以實現。（三）、實驗要求：1、做好預習，清楚利用系統(tǒng)內部狀態(tài)反饋來改造系統(tǒng)極點分布的原理。2、根據實驗內容中的原理圖及結構圖的相應參數，分析受控系統(tǒng)的可控性，同時寫出其狀態(tài)方程和輸出方程。3、計算閉環(huán)極點位置，并繪制根軌跡圖。（四）、實驗原理 由于控制系統(tǒng)的動態(tài)性能主要取決于它的閉環(huán)極點在S平面上的位置，因而人

17、們常把對系統(tǒng)動態(tài)性能的要求轉化為一組希望的閉環(huán)極點。一個單輸入單輸出的N階系統(tǒng)，如果僅靠系統(tǒng)的輸出量進行反饋，顯然不能使系統(tǒng)的n個極點位于所希望的位置?；谝粋€N階系統(tǒng)有N個狀態(tài)變量，如果把它們作為系統(tǒng)的反饋信號，則在滿足一定的條件下就能實現對系統(tǒng)極點的任意配置，這個條件是系統(tǒng)能控。理論證明，通過狀態(tài)反饋的系統(tǒng)，其動態(tài)性能一定要優(yōu)于只有輸出反饋的系統(tǒng)。（五）、實驗方法與步驟：1、根據原理圖構造實驗電路。 2、測量時域響應波形和相應參數。3、將所測得的數據填入實驗數據表中。（六）、記錄實驗數據：系統(tǒng)Uo (tp)Uo ()s%trtstp極點配置前極點配置后極點配置前極點配置后階躍響應曲線極點配置前極點配置后（七）、記錄實驗波形：（八）、思考與討論： 將實驗結果與理論知識作對比，并進行討論。實驗九 采樣系統(tǒng)分析實驗（一）、實驗目的： 掌握采樣控制系統(tǒng)實驗研究方法，深入理解系統(tǒng)參數、采樣周期同系統(tǒng)性能之間的 關系，掌握采樣脈沖寬度同系統(tǒng)輸出波形的關系。（二）、實驗內容： 1、構建一個二階采樣系統(tǒng)模型，觀察采樣周期同系統(tǒng)性能間的關系 2、采樣脈沖寬度對系統(tǒng)性能的影響。（三）、實驗要求：1、做好預習，清楚掌握采樣控制系統(tǒng)實驗研究方法，掌握采樣脈沖寬度同系統(tǒng)輸出波形的關系。（四）、實