《自动控制原理》实验指导书(3)

1． 按1.1.3节中所列举的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”短接。由于每个运放

单元均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关分别设在“方波”档和“500ms～12s”档，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． 将2中的方波信号加至环节的输入端Ui，用示波器的“CH1”和“CH2”表笔分

别监测模拟电路的输入Ui端和输出U0端，观测输出端的实际响应曲线U0(t)，记录实验波形及结果。 4． 改变几组参数，重新观测结果。

5． 用同样的方法分别搭接积分环节、比例积分环节、比例微分环节、惯性环节和比

例积分微分环节的模拟电路图。观测这些环节对阶跃信号的实际响应曲线，分别记录实验波形及结果。

六. 实验报告内容与要求

1． 画出各模拟电路图；

2． 写出各模拟电路图的传递函数；

3． 分别画出理想阶跃响应曲线和实测阶跃响应曲线。

七. 思考

1． 分析各模拟电路中的元件参数对阶跃响应的影响。 2． 实验中模拟电路出现的故障，如何排除。

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实验二 典型系统的时域响应和稳定性分析

一．实验目的

1． 研究二阶系统的特征参量 (ξ、ωn) 对过渡过程的影响。 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．实验内容

1． 典型的二阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图1.2-1所示。

R(S)+_E(S)1T0 SK1T 1 S+1C(S) 图1.2-1

(2) 对应的模拟电路图：如图1.2-2所示。

1uF20K200K2uFRr(t) 20K_500K__输入20K-C(t)输出10K10K_C (t)输出测量端 图1.2-2

(3) 理论分析

T0K1；开环增益K?K1T。 ?0T0S(T1S?1)S(T1S?1)K1系统开环传递函数为：G(S)?(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，

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观察二阶系统的动态性能及稳定性，应与理论分析基本吻合。在此实验中(图1.2-2)，

T0?1s， T1?0.2s，K1?200R ?K?200R

系统闭环传递函数为：W(S)?

其中自然振荡角频率：?n?

2． 典型的三阶系统稳定性分析 (1) 结构框图：如图1.2-3所示。

R(S)+_E(S)1T0 SK1T 1 S+1K2T 2 S+1C(S)2?nK ?2S2?2??nS??nS2?5S?KK10?10T1R；阻??52?n?10R。 40

图1.2-3

(2) 模拟电路图：如图1.2-4所示。

100K1uF500K20K2uF1uFRr(t) 20K_500K_100K__输入10K20K10K_C(t)输出测量端 图1.2-4

(3) 理论分析

系统的开环传函为:G(S)H(S)?R(其中K?500R)，

S(0.1S?1)(0.5S?1)500 系统的特征方程为:1?G(S)H(S)?0?S3?12S2?20S?20K?0。

(4) 实验内容

实验前由Routh判断得Routh行列式为：

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S 1 20 S 12 20K S (-5K/3)+20 0 S 20K 0

0 12

3

?5?K?20?0为了保证系统稳定，第一列各值应为正数，所以有 ? ?3?20K?0?

得： 0 < K < 12 ? R > 41.7KΩ 系统稳定 K = 12 ? R = 41.7KΩ 系统临界稳定 K > 12 ? R < 41.7KΩ 系统不稳定

三．实验设备及仪器

1．PC机一台；

+

2．TD-ACC实验系统一套； 3．万用表。

四．注意事项

1．参考实验一。

2．在做实验前一定要进行对象整定 ，否则将会导致理论值和实际测量值相差较大。

五. 实验方法与步骤

1． 信号源单元的“ST”端插针与“S”端插针用“短路块”短接。由于每个运放单元

均设置了锁零场效应管，所以运放具有锁零功能。将开关分别设在“方波”档和“500ms～12s”档，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。

2． 典型二阶系统瞬态性能指标的测试

(1) 按模拟电路图1.2-2接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 10K。 (2) 用示波器观察系统响应曲线C(t)，测量并记录超调MP、峰值时间tp和调节时间tS。 (3) 分别按R = 20K；40K；100K；改变系统开环增益，观察响应曲线C(t)，测量并记

录性能指标MP、tp和tS，及系统的稳定性。并将测量值和计算值进行比较 (实验前必须按公式计算出)。将实验结果填入表1.2-1中。表1.2-2中已填入了一组参考测量值，供参照。

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3． 典型三阶系统的性能

(1) 按图1.2-4接线，将1中的方波信号接至输入端，取R = 30K。 (2) 观察系统的响应曲线，并记录波形。

(3) 减小开环增益 (R = 41.7K；100K)，观察响应曲线，并将实验结果填入表1.2-3中。表1.2-4中已填入了一组参考测量值，供参照。

六. 实验报告内容与要求

1．画出模拟电路图，写出对象的传递函数。

2．填写典型二阶系统瞬态性能指标实验测试值（见表1.2-1）。

表1.2-1

参数 项目 R (KΩ) K ωn C C Mp (%) 理 论 值 0<ξ<1 欠阻尼 ξ＝1 临界 阻尼 ξ> 1 过阻尼 测 量 值 tp (s) 理 论 值 测 量 值 ts (s) 理 论 值 测 量 值 响应 情况 ξ (tp) (∞)

3． 填写三阶系统在不同开环增益下的响应情况实验测试值（见表1.2-2）

表1.2-2

R(KΩ) 开环增益K 稳定性

表1.2－4

七. 思考

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