自控实验指导书

实验一典型环节的时域响应

一、实验目的
1、掌握典型环节模拟电路的构成方法、传函及输出时域函数的表达式。2、掌握各典型环节的特征参数的测量方法。

3、熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。

二、实验设备
Pc机一台，TD-ACC+教学实验系统一套三、实验原理及内容
1、比例环节
1）结构框图

图1-1 比例环节的结构框图2）传递函数

C	(	S	)	?	K
R	(	S	)

3）阶跃响应

C

( t

)

?

K

( ?

0 )

其中

K ?

R 1/ R

0

4）模拟电路

图1-2 比例环节的模拟电路图

注：图中运算放大器的正相输入端已经对地接了100k电阻。不需再接。

1

2、积分环节
1）结构框图

图1-3 积分环节的结构框图

2）传递函数

C	(	S	)	?	1
R	(	S	)		TS

3）阶跃响应

C

(

)

?

1

t

( ?

0 )

其中

T

?

R

C

T

0

4）模拟电路

图1-4 积分的模拟电路图

3、比例积分环节
1）结构框图

图1-5 比例积分环节的结构框图

2

3）阶跃响应

4）模拟电路

图1-6 比例积分环节的模拟电路图4、惯性环节

1）结构框图

图1-7 惯性环节的结构框图2）传递函数

C(S)	1
R(S) =	TS + 1

3）阶跃响应

C

( t

)

?

K

( 1

?

e

?

t

/T

)

其中

K ?

R 1/ R

0

；

T

?

R 1

C

4）模拟电路

图1-8 惯性环节的模拟电路图

3

四、实验步骤

1、按图1-2比例环节的模拟电路图将线接好。检查无误后开启设备电源。

2、将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”。将信号形式开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端输出的方波幅值小于5V，周期为10s左右。

3、将方波信号加至比例环节的输入端R（t），用示波器的“CH1”和“CH2”
表笔分别监测模拟电路的输入R（t）端和输出C(t)端。记录实验波形及结果。

4、用同样的方法分别得出积分环节、比例积分环节、惯性环节对阶跃信号

的实际响应曲线。

5、再将各环节实验参数改为如下：
比例环节：

R 0?

200

k

，

R 1?

200

k

。

积分环节：

R

0?

200

k

，

C

?

2 u

；

比例积分：

R 0?

100

k

，

R 1?

200

k

，

C

?

2 u

；

惯性环节：

R

0

?

R 1

?

200

k

；

C

?

2 u

。

6、重复步骤3。

五、实验报告要求

1、将各环节的阶跃响应曲线画在实验报告上，标明输入信号的幅值、输出

响应曲线的时间和幅值。分析参数变化对响应曲线的影响。

2、理论计算比例放大倍数K、积分时间常数T、惯性时间常数T的值与实 际测量值进行验证。

六、思考题

1、由运算放大器组成的各种环节的传递函数是在什么条件下推导出的？

2、实验电路中串联的后一个运放的作用？若没有则其传递函数有什么差

别？

3、惯性环节在什么条件下可以近似为比例环节？而在什么条件下可以近似

为积分环节？

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实验二典型系统的时域响应和稳定性分析

2、研究二阶对象的三种阻尼比下的响应曲线及系统的稳定性；3、熟悉Routh判据，用Routh判据对三阶系统进行稳定性分析。

二、 实验设备
Pc机一台，TD-ACC+教学实验系统一套三、 实验原理及内容
1、典型二阶系统
1）结构框图

图2-1典型的二阶系统的结构框图2）模拟电路图

图2-2 典型二阶系统的模拟电路图

3）理论分析

5

4）实验内容
先算出临界阻尼、欠阻尼、过阻尼时电阻R的理论值，再将理论值应用于模拟电路中，观察二阶系统的动态性能及稳定性，与理论分析值比较。

在此实验中（图2-2）：

2、典型的三阶系统稳定性分析
1）结构框图

图2-3典型的三阶系统的结构框图

2）模拟电路图

图2-4 典型三阶系统的模拟电路图

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3）理论分析

系统的开环传递函数为：

4）实验内容

实验前由Routh判据得Routh行列式为：

S3 1 20

S212 20K

S1 （20-5K/3） 0

S0 20 K 0

为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有：

系统稳定	系统临界稳定	系统不稳定
(衰减震荡)	(等幅振荡)	(发散振荡)

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四、 实验步骤

1、按图2-2典型二阶系统的模拟电路图将线接好。检查后开启设备电源。

2、将信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”。将信号形

式开关设在“方波”档，分别调节调幅和调频电位器，使得“OUT”端

输出的方波幅值为1V，周期为10s左右。

3、典型二阶系统瞬态响应

1）按模拟电路图2-2接线，将步骤1中的方波信号接至输入端。

2）取R?10k，用示波器观察二阶系统响应曲线C（t），测量并记录性能

指标?p%、tp、ts。

3）分别按R?20k、R?40k、R?100k；改变系统开环增益，观察二阶

系统响应曲线C（t），测量并记录性能指标?p%、tp、ts及系统的稳定

性。并将测量值和理论计算值进行比较。

4、典型三阶系统的稳定性

1）按图2-4接好线，将步骤1中的方波信号接至输入端，

2）改变R值，观察系统响应曲线，使之系统稳定(衰减震荡)、系统临界稳

定(等幅振荡)、系统不稳定(发散振荡)。分别记录与之对应的电阻R值。

并将测量值和理论计算值进行比较。

五、实验报告要求

1、对于二阶振荡系统，从阶跃响应曲线上分别求出不同阻尼比?时的动态

性能指标?p%、tp及ts等，与相对应阻尼比?的动态性能指标?p%、

tp及ts等理论计算值进行比较。

2、分析系统稳定条件，确定系统临界稳定时的电阻R的值，与实验数据进

行比较；记录系统稳定、临界稳定、不稳定时的输出曲线。

六、思考题

1、在图2—2、图2—4电路中再串联1:1的反向器，系统是否会稳定？

2、在图2—4电路中，改变增益是否会出现不稳定现象？

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实验三采用PI的串联校正

一、实验目的：
1、了解和观测校正装置对系统稳定性及瞬态特性的影响。2、验证频率法校正是否满足性能要求。

二、实验要求：
1、观测未校正系统的稳定性及瞬态响应。

2、观测校正后系统的稳定性极瞬态响应。

三、实验仪器设备
一套1、TDN-AC/ACS教学实验系统
2、万用表 一块四、实验原理、内容及步骤
1、原系统的原理方块图
未校正系统的方框图如图3—1所示

图3—1未校正系统的方框图
要求设计PI串联校正装置，校正时使期望特性开环传递函数为典型II型并使系统满足下列指标：

M

p

?

25 %

，

t s

?

0 . 84

S

校正网络的传递函数为：

G	(	s	)	?	R 1	CS		?	1
c					R 0		CS

校正后的方块图如图3—2所示

图3—2 校正后的方块图

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2、系统校正前后的模拟电路图

图3—3系统校正前的模拟电路图

图3—4系统校正后的模拟电路图

3、实验内容及步骤
1）测量未校正系统的性能指标。

准备：将模拟电路输入端R(t)与信号源单元（U1 SG）的输出端OUT端相 连接；模拟电路的输出端C(t)接至示波器。

步骤：按图3—3接线；加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp 和调节时间Ts，记录曲线及参数。

2) 测量校正系统的性能指标
准备：设计校正装置参数

R1=

C =

R2 =

R3=

步骤：按图3—4接线，加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp和调节时间Ts，看是否达到期望值，若未达到，请仔细检查接线、参数值并适当调节参数值。记录达标的校正装置的实测曲线及参数。

五、实验报告要求
1、未校正系统性能分析；
2、校正后系统分析；
3、实验观测记录；
4、实验结果分析。

六、思考题
1、是推导典型II型开环放大倍数Ka与中频宽ω1、ω2的关系。2、在本实验的典型II型系统校正外，还有没有其它校正方式？

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实验四具有微分负反馈的校正

一、实验目的：
1、按给定性能指标，对固有模拟对象运用并联校正对数频率特性的近似 作图法，进行反馈校正。

2、用实验验证理论计算结果。

3、熟悉期望开环传递函数为典型Ｉ型的参数计算及微分反馈校正调节 器的实现.。

二、实验要求：
1、观测未校正系统的稳定性及瞬态响应。

2、观测校正后系统的稳定性极瞬态响应。

三、实验仪器设备
1、TDN-AC/ACS教学实验系统 一套 2、万用表 一块四、实验内容、步骤及原理
1、原系统的原理方块图
已知未校正系统的方框图如图4—1所示

图4—1未校正系统的方框图
要求设计具有微分校正装置，校正时使期望特性开环传递函数为典型I型，并使系统满足下列指标：
放大倍数： K?v 19

闭环后阻尼系数： ??0.707

超调量：Mp?4. 3 %

调节时间： Ts?0. 3 s

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校正网络的传递函数为：

G	?			R 1	C
c		R	2	CS		?	1

校正后的方块图如图4—2所示

图4—2校正后的方块图2、系统校正前后的模拟电路图

图4—3系统校正前的模拟电路图

图4—4系统校正后的模拟电路图3、实验内容及步骤
1）、测量未校正系统的性能指标。

准备：将模拟电路输入端R(t)与信号源单元（U1 SG）的输出端OUT端相 连接；模拟电路的输出端C(t)接至示波器。

步骤：按图4—3接线；加入阶跃电压，观察阶跃响应曲线，并测出超调量Mp 和调节时间Ts，记录曲线及参数。

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2）测量校正系统的性能指标
准备：设计校正装置参数

根据给定性能指标，设期望开环传递函数为

G	(	s	)	?		19
					S	( TS	?	1 )

因为：闭环特征方程为：

由于微分反馈通道的Bode图是期望特性Bode图的倒数，所以微分反馈通道的放大倍数为期望特性的放大倍数的倒数，即1/19。而微分反馈通道传递函数的时间常数取期望特性时间常数T的二倍，为80。因此，反馈通道的传递函数为：