《自动控制原理》实验指导书

自动控制原理实验指导书池州学院机械与电子工程系目录实验一、典型线性环节的模拟...................................................................................1实验二、二阶系统的阶跃响应...................................................................................5实验三、根轨迹实验...................................................................................................7实验四、频率特性实验.............................................................................................10实验五、控制系统设计与校正实验............................................错误!未定义书签。实验六、控制系统设计与校正计算机仿真实验.........................错误!未定义书签。实验七、采样控制系统实验........................................................错误!未定义书签。实验八、典型非线性环节模拟....................................................错误!未定义书签。实验九、非线性控制系统分析....................................................错误!未定义书签。实验十、非线性系统的相平面法................................................错误!未定义书签。1实验一、典型线性环节的模拟一、实验目的：1、学习典型线性环节的模拟方法。2、研究电阻、电容参数对典型线性环节阶跃响应的影响。二、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。三、实验内容：1、比例环节：-KpR(s)C(s)-+c(t)r(t)RiRfRpop1方块图模拟电路图中：ifPRRK分别求取Ri=1M，Rf=510K，（KP=0.5）；Ri=1M，Rf=1M，（KP=1）；Ri=510K，Rf=1M，（KP=2）；时的阶跃响应曲线。2、积分环节：sTi1R(s)C(s)-+c(t)r(t)RiCfRpOp3方块图模拟电路图中：Ti=RiCf分别求取Ri=1M，Cf=1，（Ti=1s）；Ri=1M，Cf=4.7，（Ti=4.7s）；）；2Ri=1M，Cf=10，（Ti=10.0s）；时的阶跃响应曲线。3、比例积分环节：)11(sTKiR(s)C(s)-+c(t)r(t)RiCfRpOp3Rf方块图模拟电路图中：ifPRRK；Ti=RfCf分别求取Ri=Rf=1M，Cf=4.7，（KP=1，Ti=4.7s）；Ri=Rf=1M，Cf=10，（KP=1，Ti=10s）；Ri=2M，Rf=1M，Cf=4.7，（KP=0.5，Ti=4.7s）；时的阶跃响应曲线。4、比例微分环节：11sTsTKfdpR(s)C(s)-+c(t)r(t)RiCRpOp3RfR1R2方块图模拟电路图中：i1fPRRKR；CRRRRRRTffd12f121RR；Tf=R2C分别求取Ri=Rf=R1=R2=1M，C=2，（KP=2，Td=3.0s）；Ri=2M，Rf=R1=R2=1M，Cf=2，（KP=1，Td=3.0s）；Ri=2M，Rf=R1=R2=1M，Cf=4.7，（KP=1，Td=7.05s）；时的阶跃响应曲线。5、比例积分微分环节：3sTsTsTKfdiP111R(s)C(s)-+c(t)r(t)RiCRpOp2RfR1R2Cf方块图模拟电路图中：i1fPRRKR+fCCRi21RR；Ti=(Rf+R1)Cf+(R1+R2)C；CRRCRRCCRRRRRRT21ff1ff2f121d；Tf=R2C求取Ri=4M，Rf=R1=R2=1M，C=Cf=4.7，（KP=1，Ti=18.8s，Td=3.525s）时的阶跃响应曲线。6、一阶惯性环节：1TsKR(s)C(s)-+c(t)r(t)RiRfRpop1Cf方块图模拟电路图中：ifPRRK；T=RfCf分别求取Ri=Rf=1M，Cf=1，（K=1，T=1s）；Ri=Rf=1M，Cf=4.7，（K=1，T=4.7s）；Ri=510K，Rf=1M，Cf=4.7，（K=2，T=4.7s）；时的阶跃响应曲线。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析41、对给定的电路结构和参数计算阶跃响应；2、将实验结果与计算结果对照，对实验的满意度进行分析；3、根据电路参数分析计算系统响应，与实验数据对照分析测试误差原因；4、提高精度的方法和措施（或建议）；5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足e1+e2+e3=e运算关系的实用加法器；2、一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件可视为比例环节？3、如何设置必要的约束条件，使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化？5实验二、二阶系统的阶跃响应一、实验目的：1、学习二阶系统阶跃响应曲线的实验测试方法。2、研究二阶系统的两个重要参数、n对阶跃瞬态响应指标的影响。二、实验设备：1、XMN-2型实验箱；2、LZ2系列函数记录仪；3、万用表。三、实验内容：典型二阶系统方块图R(s)C(s)E(s)-nnss22典型二阶系统方块图其闭环传递函数2222)()()(nnnsssRsCsn——无阻尼自然频率；——阻尼比；T=n1——时间常数模拟电路c(t)-+r(t)RCRpOp1-+RCRpOp2-+100K100KRpOp9+-RRRp100KRf6运算放大器的运算功能：（op1）——积分RCTTs,1；（op2）——积分RCTTs,1；（op9）——反相（-1）；（op6）——反相比例ifRRKK,；RCTn11（rad/s）；ifRRK2121、调整Rf=40K，使K=0.4（=0.2）；取R=1M，C=0.47，使T=0.47秒（n=1/0.47），加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V，记录响应曲线c(t)，记作①。2、保持=0.2不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，取R=1M，C=1.47，使T=1.47秒（n=1/1.47），加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V，记录响应曲线c(t)，记作②。3、保持=0.2不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，取R=1M，C=1.0，使T=1.0秒（n=1/1.0），加入单位阶跃扰动r(t)=1(t)V，记录响应曲线c(t)，记作③。4、保持n=1/1.0不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，调整Rf=80K，使K=0.8秒（=0.4），记录响应曲线c(t)，记作④。5、保持n=1/1.0不变，阶跃扰动r(t)=1(t)V不变，调整Rf=200K，使K=2.0秒（=1.0），记录响应曲线c(t)，记作⑤。四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析1、根据电路的结构和参数计算阶跃响应；2、将实验结果与计算结果对照，对实验的满意度进行分析；3、根据电路参数分析计算系统响应，与实验数据对照分析测试误差原因；4、提高精度的方法和措施（或建议）；5、实验体会。六、思考题1、设计一个能满足e1+e2+e3=e运算关系的实用加法器；2、一阶惯性环节在什么条件下可视为积分环节；在什么条件可视为比例环节？3、如何设置必要的约束条件，使比例微分环节、比例积分微分环节的参数计算工作得以简化？7实验三、根轨迹实验一、实验目的：1、掌握根轨迹的意义；2、掌握控制系统根轨迹的绘制方法。二、实验设备：1、计算机；2、数据采集卡；3、MATLAB软件。三、实验内容：1、预备知识——MATLAB绘制根轨迹命令；建立数学模型参数矩阵：numerator=[b0,b1,b2,……,bm]；denominator=[a0,a1,a2,……,an]；zeropoint=[z1,z2,……,zm]；poles=[p1,p2,……,pn]；k=k；系统传递函数：system=tf(numerator,denominator)=zpk(z,p,k)；绘制开环系统的零极点图：[z,p]=pzmap(system)=pzmap(numerator,denominator)=pzmap(p,z)；绘制闭环根轨迹命令：[r,k]=rlocus(system)=rlocus(numerator,denominator)=rlocus(numerator,denominator,k)；确定给定一组根的根轨迹增益命令：[k,poles]=rlocfind(system)=rlocfind(system,p)=rlocfind(numerator,denominator)；2、根据实际物理系统建立数学模型；设数学模型为2222)(nnnsssG3、改变系统参数绘制系统根轨迹；输入系统参数：w=n=1；b==0.5；建立数学模型：numerator=n；denominator=[1,2**n,1]；G=tf(numerator,denominator)；则G(s)=112ss4、绘制系统根轨迹，输入命令：rlocus(G)5、微分二阶系统的根轨迹输入系统参数：w=n=2；b==0.5；建立数学模型：number=[2，1]；den=[4，5，6]；G=tf(number,den)；8则65412)(2ssssG输入命令：rlocus(G)，制系统根轨迹；6、针对作业题绘制根轨迹7、记录根轨迹图例：绘制单位反馈控制系统65412)(2ssssG的根轨迹。输入命令：a=[2,1];b=[4,5,6];g=tf(a,b);rlocus(g);则绘制出的根轨迹如下图所示。试绘制如下系统的根轨迹。1、)4()(*ssksGH2、)204)(4()(2*ssssksGH3、)5)(2()(2*sssksGH4、22*)2()1()(ssksGH四、实验结果记录上述实验曲线。五、实验结果分析91、根据数学模型和根轨迹绘制规则分析计算概略根轨迹，与计算机绘制的根轨迹对照，分析误差原因；2、对实验结果的满意度进行分析；3、提高精度的方法和措施（或建议）；4、实验体会。六、实验结果分析1、给定物理系统对象，即可建立数学模型；2、只要有系统数学模型，即可绘制系统根轨迹；3、根据系统根轨迹可分析系统的稳定性及系统性能指标。10实验四、频率特性实验一、实验目的：1、学习频率特性的实验方测定法；2、掌握根据频率响应实验结果绘制bode图方法；3、根据实验结果所绘制的Bode图，分析系统的主要动态特性（Mp，ts）。二、实验设备：1、XMN-2型自动控制原理实验箱；2、LZ3系列函数记录仪；3、DX5型超低频信号发生器；4、万用表。三、实验内容：典型二阶系统方块图nnss22R(s)C(s)E(s)-典型二阶系统方块图其闭环传递函数2222)()()(nnnsssRsCsn——无阻尼自然频率；——阻尼比；T=n1——时间常数闭环频率特性2211)()()(nnjjjXjYjGnnj2112其中：Tn1（rad/s）