控制工程基础实验测控.docx

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控制工程基础实验测控

实验一典型环节阶跃响应

一、实验目的

1.掌握控制系统模拟实验的基本原理和方法；

2.掌握典型环节阶跃响应曲线的测量和分析方法。

二、实验仪器

1.XK-KL1型自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

三、实验原理

控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟各种典型环节，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟各种典型环节，然后可按给定的系统电路图将其连接，以获得相应的模拟系统；再将输入信号加到模拟系统的输入端，利用计算机测量系统的输出，便可获得系统的响应曲线及性能指标，若改变系统参数，可进一步分析研究参数对系统性能的影响。

四、实验内容

构建下述典型一阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

1.比例环节的模拟电路及其传递函数如图1-1。

G（S）=R2/R1

2.惯性环节的模拟电路及其传递函数如图1-2。

G（S）=K/TS+1

K=R2/R1，T=R2C

3.积分环节的模拟电路及传递函数如图1-3。

G（S）=1/TS

T=RC

4.微分环节的模拟电路及传递函数如图1-4。

G（S）=RCS

5.比例+微分环节的模拟电路及传递函数如图1-5（未标明的C=0.01uf）。

G（S）=K（TS+1）

K=R2/R1，T=R2C

6.比例+积分环节的模拟电路及传递函数如图1-6。

G（S）=K（1+1/TS）

K=R2/R1，T=R2C

五、实验步骤

1.启动计算机，在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。

2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

比例环节

3.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-1）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

4.在实验课题下拉菜单中选择实验一[典型环节及其阶跃响应]。

5.鼠标单击实验课题弹出实验课题参数窗口。

在参数设置窗口中设置相应的实验参数后鼠标单击确认等待屏幕的显示区显示实验结果。

6.观测计算机屏幕显示出的响应曲线及数据。

7.记录波形及数据（由实验报告确定）。

惯性环节

8.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-2）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

9.实验步骤同4～7

积分环节

10.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-3）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

11.实验步骤同4～7

微分环节

12.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-4）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

13.实验步骤同4～7

比例+积分环节

14.连接被测量典型环节的模拟电路（图1-6）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

15.实验步骤同4～7

六、分析与讨论

1.构建各典型环节模拟实验电路，测量各典型环节阶跃响应曲线。

2.描述各典型环节阶跃响应曲线的成因及含义。

3.解释环节增益K和时间常数T对典型环节阶跃响应的影响。

实验二二阶系统阶跃响应

一、实验目的

1.学习二阶系统阶跃响应曲线的实测方法；

2.研究二阶系统的特征参数，阻尼比和无阻尼自然频率n对系统动态性能的影响。

二、实验仪器

1.XK-KL1型自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

三、实验原理

控制系统模拟实验采用复合网络法来模拟二阶控制系统，即利用运算放大器不同的输入网络和反馈网络模拟二阶控制系统，然后按照给定系统的结构图将这些模拟环节连接起来，便得到了相应的模拟二阶系统。

再将输入信号加到模拟系统的输入端，并利用计算机等测量仪器，测量系统的输出，便可得到二阶系统的动态响应曲线及性能指标。

若改变系统的阻尼比和无阻尼自然频率n，还可进一步分析研究上述参数对系统性能的影响。

四、实验内容

典型二阶系统的闭环传递函数为

2n

（S）=

（1）

s2＋2ns＋2n

其中和n对系统的动态品质有决定的影响。

构建图2-1典型二阶系统的模拟电路，并测量其阶跃响应：

图2-1二阶系统模拟电路图

电路的结构图如图2-2：

图2-2二阶系统结构图

系统闭环传递函数为

（2）

式中T=RC，K=R2/R1。

比较

（1）、

（2）二式，可得

n=1/T=1/RC

=K/2=R2/2R1（3）

由（3）式可知，改变比值R2/R1，可以改变二阶系统的阻尼比。

改变RC值可以改变无阻尼自然频率n。

今取R1=200K，R2=100K和200K，可得实验所需的阻尼比。

电阻R取100K，电容C分别取1f和0.1f,可得两个无阻尼自然频率n。

五、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。

3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

4.在实验课题下拉菜单中选择实验二[二阶系统阶跃响应],鼠标单击该选项弹出实验课题参数窗口。

5.取n=10rad/s,即令R=100K，C=1f；分别取=0.5、1、2，即取R1=100K，R2分别等于100K、200K、400K。

输入阶跃信号，测量不同的时系统的阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间ts的数值和响应动态曲线，并与理论值比较。

6.取=0.5。

即电阻R2取R1=R2=100K；n=100rad/s,即取R=100K，改变电路中的电容C=0.1f（注意：

二个电容值同时改变）。

输入阶跃信号测量系统阶跃响应，并由显示的波形记录最大超调量Mp和调节时间ts。

7.取R=100K；改变电路中的电容C=1f,R1=100K,调节电阻R2=50K。

输入阶跃信号测量系统阶跃响应，记录响应曲线，特别要记录tp和Mp的数值。

8.测量二阶系统的阶跃响应并记入表中：

实验结果

参数

Mp

tp（ms）

ts（ms）

阶跃响应曲线

R=100K

C=1μf

ωn=10rad/s

R1=100K

R2=0K

ζ=0

R1=100K

R2=50K

ζ=0.25

R1=100K

R2=100K

ζ=0.5

R1=50K

R2=200K

ζ=1

R1=100K

C1=C2=0.1μf

ωn=100ra.d/s

R1=100K

R2=100K

ζ=0.5

R1=50K

R2=200K

ζ=1

六、分析与讨论

1.画出二阶系统的阶跃响应曲线，讨论二阶系统性能指标与ζ，ωn的关系。

2.把不同和n条件下测量的Mp、tp和ts值列表，根据测量结果得出相应结论。

实验三频率特性分析

一、实验目的

1．加深了解系统及元件频率特性的物理概念；

2．掌握系统及元件频率特性的测量方法；

3.掌握波特图和奈氏图的测量方法。

二、实验仪器

1.XK-KL1型自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

三、实验原理

1.频率特性又称频率响应，它是系统（或元件）对不同频率正弦输入信号的响应特性。

设线性系统的输入为一频率为ω的正弦信号，在稳态时，系统的输出具有和系统的输入同频率的正弦函数，但其振幅和相位一般均不同于输入量，且随着输入信号频率的变化而变化。

若输入信号U1（t）=U1sint,则在稳态时，其输出信号为：

U2（t）=U2sin（t+φ）。

改变输入信号角频率值，便可测得二组U2/U1和φ随变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。

2.频率特性分析是应用频率特性研究控制系统的一种方法，有以下特点：

时域分析法研究系统的动态特性和稳态误差最为直观和准确,但是,用解析方法求解高阶系统的时域响应往往十分困难，频域分析法是在频域内应用图解分析法评价系统性能的一种工程方法。

频域分析法不仅适用于线性系统分析研究，还可以推广应用于非线性系统。

四、实验内容

1.模拟电路图及系统结构图分别如图3-1和图3-2。

图3-1系统模拟电路

图3-2系统结构图

2．系统传递函数取R3=500k，则系统传递函数为

U2（S）500

G（S）==

U1（S）S2+10S+500

若输入信号U1（t）=U1sint,则在稳态时，其输出信号为

U2（t）=U2sin（t+φ）

改变输入信号角频率值，便可测得二组U2/U1和φ随变化的数值，这个变化规律就是系统的幅频特性和相频特性。

五、实验步骤

1.连接被测量典型环节的模拟电路。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

2.启动计算机，在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。

3.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

测频率图

4．选中[实验课题→系统频率特性测量→手动方式]菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。

参数设置完成后点确认等待观察波形，如图3－3所示。

图3-3手动方式测量频率图

测波特图

5.在测量波特图的过程中首先应选择[实验课题→系统频率特性测量→自动方式→数据采集]采集信息。

如图3－4所示

图3－4数据采集

6.待数据采样结束后点击[实验课题→系统频率特性测量→自动方式→波特图观测]即可以在显示区内显示出所测量的波特图。

测奈氏图

7.在测量波特图的过程中首先应选择[实验课题→系统频率特性测量→自动方式→数据采集]采集信息。

8.待数据采样结束后点击[实验课题→系统频率特性测量→自动方式→奈氏图观测]即可以在显示区内显示出所测量的奈氏图。

9.按下表所列频率，测量各点频率特性的实测值并填入下表：

F（Hz）

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

5.0

ω（rad/s）

T（s）

L（ω）

φ（ω）

测量数据的说明：

F信号源的频率；

ω=2πF信号源的角频率；

T输出信号时间，可换算成相位差；

L（ω）输出的幅值随ω变化的函数；

φ（ω）输出的相位随ω变化的函数。

六、分析与讨论

1.画出被测系统的结构和模拟电路图。

2.画出被测系统的开环L（ω）曲线与φ（ω）曲线。

3.讨论波特图和奈氏图的原理及应用。

实验四系统的校正

一、实验目的

1.加深理解串联校正装置对系统动态性能的校正作用。

2.对给定系统进行串联校正设计，并通过模拟实验检验设计的正确性。

二、实验仪器

1.XK-KL1型自动控制系统实验箱一台

2.计算机一台

三、实验原理

系统的固有部分除增益可调外，其余结构和参数一般不能任意改变。

为了使控制系统能满足性能指标所提出的各项要求，一般先调整系统的增益值。

但是，大多数实际情况中，只调整增益不能使系统的性能得到充分改变，以满足给定的性能指标。

因此，需要对系统进行再设计，通过改变系统结构，或在系统中加进附加装置或元件，以改变系统的总体性能，使之满足要求。

这种再设计称为系统的校正。

四、实验内容

1．串联超前校正

（1）系统模拟电路图如图4-1，图中开关S断开对应未校情况，接通对应超前校正。

图4-1超前校正电路图

（2）系统结构图如图4-2

图4-2超前校正系统结构图

图中Gc1（s）=2

2（0.055s+1）

Gc2（s）=

0.005s+1

2．串联滞后校正

（1）模拟电路图如图4-3，开关s断开对应未校状态，接通对应滞后校正。

图4-3滞后校正模拟电路图

（2）系统结构图示如图4-4

图4-4滞后系统结构图

图中Gc1（s）=10

10（s+1）

Gc2（s）=

11s+1

3．串联超前—滞后校正

（1）

模拟电路图如图4-5，双刀开关断开对应未校状态，接通对应超前—滞后校正。

图4-5超前—滞后校正模拟电路图

（2）系统结构图示如图4-6。

图4-6超前—滞后校正系统结构图

图中Gc1（s）=6

6（1.2s+1）（0.15s+1）

Gc2（s）=

（6s+1）（0.05s+1）

五、实验步骤

1.启动计算机，在桌面双击图标[自动控制实验系统]运行软件。

2.测试计算机与实验箱的通信是否正常,通信正常继续。

如通信不正常查找原因使通信正常后才可以继续进行实验。

超前校正：

3.连接被测量典型环节的模拟电路（图4-1）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

4.开关s放在断开位置。

5.选中[实验课题→连续系统串联校正→超前校正]菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。

系统加入阶跃信号。

参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量Mp和调节时间ts。

6.开关s接通，重复步骤5,将两次所测的波形进行比较。

并将测量结果记入下表中：

超前校正系统

指标

校正前

校正后

阶跃响应曲线

Mp

Tp（秒）

Ts（秒）

滞后校正：

7.连接被测量典型环节的模拟电路（图4-3）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

8.开关s放在断开位置。

9.选中[实验课题→连续系统串联校正→滞后校正]菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。

系统加入阶跃信号。

参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量Mp和调节时间ts。

10.开关s接通，重复步骤9,将两次所测的波形进行比较。

并将测量结果记入下表中：

滞后校正系统

指标

校正前

校正后

阶跃响应曲线

Mp

Tp（秒）

Ts（秒）

超前--滞后校正

11.连接被测量典型环节的模拟电路（图4-5）。

电路的输入U1接A/D、D/A卡的DA1输出，电路的输出U2接A/D、D/A卡的AD1输入。

检查无误后接通电源。

12.开关s放在断开位置。

13.选中[实验课题→连续系统串联校正→超前滞后校正]菜单项,鼠标单击将弹出参数设置窗口。

系统加入阶跃信号。

参数设置完成后鼠标单击确认测量系统阶跃响应，并记录超调量Mp和调节时间ts。

14.开关s接通，重复步骤13,将两次所测的波形进行比较。

并将测量结果记入下表中：

超前-滞后系统

指标

校正前

校正后

阶跃响应曲线

Mp

Tp（秒）

Ts（秒）

六、分析与讨论

1.画出校正前后系统的阶跃响应曲线。

2.比较校正前后系统的阶跃响应曲线及性能指标，说明校正装置的作用。