自动控制原理实验报告(电子版)
自动控制原理实验报告
课程编号：专业 班级 姓名 学号 实验时间：
ME3121023
一、 实验目的和要求：
通过自动控制原理实验牢固地掌握《自动控制原理》课的基本分析方法和实验测试手段。能应用运算放大器建立各种控制系统的数学模型，掌握系统校正的常用方法，掌握系统性能指标同系统结构和参数之间的基本关系。通过大量实验，提高动手、动脑、理论结合实际的能力，提高从事数据采集与调试的能力，为构建系统打下坚实的基础。 二、实验仪器、设备（软、硬件）及仪器使用说明
自动控制实验系统 一套
计算机 （已安装虚拟测量软件---LABACT） 一台 椎体连接线 18根
实验一 线性典型环节实验
（一）、实验目的：
1、 了解相似性原理的基本概念。
2、 掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。
3、 掌握各类典型环节的输入和输出时域关系及相应传递函数的表达形式，熟悉各典型环
节的参数（K、T）。
4、 学会时域法测量典型环节参数的方法。
（二）、实验内容：
1、用运算放大器构成比例环节、惯性环节、积分环节、比例积分环节、比例微分环节和
比例积分微分环节。 2、在阶跃输入信号作用下，记录各环节的输出波形，写出输入输出之间的时域数学关系。 3、在运算放大器上实现各环节的参数变化。
（三）、实验要求：
1、 仔细阅读自动控制实验装置布局图和计算机虚拟测量软件的使用说明书。
2、 做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其传递函数的表达式，并计算
各典型环节的时域输出响应和相应参数（K、T）。 3、分别画出各典型环节的理论波形。
5、输入阶跃信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。 （四）、实验原理：
实验原理及实验设计：
1． 比例环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：
传递函数： 比例系数： 时域输出响应：
2
2． 惯性环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：
传递函数： 比例系数： 时常数： 时域输出响应：
3．积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：
传递函数： 时常数： 时域输出响应：
4．比例积分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：
传递函数： 比例系数：
3
时常数： 时域输出响应：
5．比例微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：
传递函数： 比例系数： 时常数： 时域输出响应：
6．比例积分微分环节： Ui-Uo的时域响应理论波形：
传递函数： 比例系数： 时常数： 时域输出响应：
（五）、实验方法与步骤
1、 根据原理图构造实验电路。
2、 测量输入和输出波形图。
4
3、 将所测得的数据填入实验数据表中。
（六）、讨论与思考
1、 写出各典型环节的微分方程（建立数学模型）。
2、 根据所描述的各典型环节的微分方程，你能否用电学、力学、热力学和机械学等学科
中的知识设计出相应的系统？请举例说明，并画出原理图。
3、 利用MATLAB仿真，与实验中实测数据和波形相比较，分析其误差及产生的原因。
（七）、记录实验数据： 名称 比 例 环 节 R = R1= R = R1= R = R1= 惯性 环节 R=R1=100k C= C= 参数 K = R/R1 = K = R/R1 = K = R/R1 = T=R*C = T=R*C = 理论值 实测值 K=Uo / Ui = K=Uo / Ui = K=Uo / Ui = T= T= C= 积分 环节 R1=100K C= C= T=R*C = T=R1*C = T=R1*C = T= T= T= C= 比例积 分环节 R=R1=200K C= C= R3= C1= C2= T=R1*C = T=R1*C = T=R1*C = K= T= Ti= Td= T= T= T= 比例微 分环节 比例积分 微分环节 （八）、实测波形：
5
实验二 二阶系统的性能研究
（一）、实验目的：
通过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。
（二）、实验内容：
1、二阶系统的时域动态性能研究；
（三）、实验要求：
1、做好预习，根据实验原理图所示相应参数，写出系统的开环，闭环传递函数。计算、
n、tr、ts、tp、%、等理论值，并绘制单位阶跃信号下的输出响应理论波形。
2、自己设计实验参数。
（四）、实验原理：
实验原理及实验设计：
预习内容：(1) 二阶系统时域实验参数计算：
6
（五）、实验方法与步骤
1、根据原理图构造实验电路。
2、测量时域响应波形和数据。
3、将所测得的数据填入实验数据表中。
（六）、记录实验数据： 输入电阻 R 参数 增益K 40K 2.5 自然频率ωn（计算值) 阻尼比ξ （计算值) 超调量计算值 % 测量值 上升 时间 计算值 tr 测量值 峰值 时间 计算值 ξ>1过阻尼 ξ= 5 临界阻尼 ξ=1 欠阻尼 ξ= 欠阻尼 ξ=0.5 欠阻尼 ξ= tP 测量值 调节 时间 计算值 tS 测量值 （七）、记录实验实测波形： 7
实验三 系统时域分析实验
（一）、实验目的：
1、 深入掌握二阶系统的性能指标同系统闭环极点位置的关系。
2、 掌握高阶系统性能指标的估算方法及开环零、极点同闭环零、极点的关系。 3、能运用根轨迹分析法由开环零极点的位置确定闭环零极点的位置。
（二）、实验内容：
1、运用根轨迹法对控制系统进行分析；明确闭环零、极点的分布和系统阶跃响应的定性关系。
（三）、实验要求：
1、做好预习，根据原理图所示相应参数，计算理论值并绘制根轨图，用试探法确定主导
极点的大致位置。
2、用Routh稳定判据，求出系统稳定、临界稳定和不稳定时的K值范围和R的取值。 3、画出输入输出的理论波形(单位阶跃信号作用下)。
（四）、实验原理：
1、根轨迹：当K由0→∞变化时，闭环特征根在S平面上移动的轨迹城根轨迹，不仅直观的表示了K 变化时间闭环特征根的变化，还给出了参数时闭环特征根在S平面上分布的影响。可判定系统的稳定性，确定系统的品质。
稳定性：根轨迹若越过虚轴进入s右半平面，与虚轴交点的k即为临界增益。
稳态性能：根据坐标原点的根数，确定系统的型别，同时可以确定对应的静态误差系数。
预习内容：(1) 三阶系统时域实验参数计算和根轨迹图：
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（五）、实验方法与步骤
1、根据原理图构造实验电路。
2、测量时域响应波形和相应参数。 3、将所测得的数据填入实验数据表中。
（六）、记录实验数据： 稳定（衰减振荡） 临界稳定（等幅振荡） 反馈 电容C2 反馈 电容C3 不稳定（发散振荡 1u 1u 2u 1u 2u 2u （七）、记录实验实测波形： 9
实验四 二阶系统的性能频域研究
（一）、实验目的：
1、通过实验加深理解二阶系统的性能指标同系统参数的关系。
2、掌握系统频率特性测试方法。
3、研究二阶系统频率特性与系统动态性能之间的关系。
（二）、实验内容：
二阶系统的频域动态性能研究；
（三）、实验要求：
1、自己设计实验参数。
2、根据原理图所示相应参数，计算理论值MP 、ωp、ωB等理论值，并绘制幅频、相
频和幅相特性图.
（四）、实验原理：
实验原理及实验设计：
预习内容：(1)、二阶系统的频域实验参数计算：
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（五）、实验方法与步骤
1、根据原理图构造实验电路。
2、测量频域伯德图和奈奎斯特图。 3、将所测得的数据填入实验数据表中。
（六）、记录实验数据： 输入电阻 R 参数 增益K 40K 2.5 自然频率ωn（计算值) 阻尼比ξ （计算值) 谐振 峰值 计算值 MP 测量值 谐振 频率 计算值 ξ>1过阻尼 ξ= 5 临界阻尼 ξ=1 欠阻尼 ξ= 欠阻尼 ξ=0.5 欠阻尼 ξ= ωp 测量值 截止 频率 计算值 ωc
测量值 （七）、记录实验实测图形：
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实验五 校正实验
（一）、实验目的：
1、掌握系统校正的两种基本方法的原理。
2、深入理解开环零、极点对闭环系统性能的影响关系。
3、加深理解串联校正（微分、积分、复合校正）和并联校正的特点，学会正确选择校正
装置。
（二）、实验内容：
1、对与一个不稳定系统，分别储存加入导前网络、滞后网络、滞后-导前网络进行校正，
然后比较其优劣性。
（三）、实验要求：
1、做好预习，根据原理图所示相应参数，写出原系统及校正后开环传递函数。
2、分析讨论三种串联校正网络使用场合和优缺点。
（四）、实验原理：
R2R31R41、 导前网络 ： G(S)R11R4CSR2*R3CSR2R3
R2*R3R2R31CSRR232、 滞后网络：G(S)
R11R3CS
3、滞后-导前网络：G(s)K(1S2)(1S3)
(1ST1)(1ST2)其中：KR2R3R5RRC T1R3C1 T2452
R1R4R6(R2R5)R3 3R5C2
R2R3R5 2
（五）、实验方法与步骤：
1、 根据原理图构造实验电路
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（六）、讨论与思考
1、 比较相角超前校正网络与相角滞后校正网络（从目的、效果、优点、缺点、适用场合、
不适用场合等几方面进行比较）？
2、 自行设计用作校正控制器的实用放大电路（PD、 PI 、PID）。
（七）、记录实验数据： 系统 未 加校正 参数 电阻(K) Uo (tp) R=100K R= R= 加导前网络 加 滞后网络 加 滞后导前 网络 临界振荡时的阻值： R= R= 临界振荡时的阻值： R= R= 临界振荡时的阻值： R= R= Uo (∞) 25 临界振荡 25 25 25 系统响应测量值 % tr ts tp （八）、记录实验波形：
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实验六 非线性典型环节实验
（一）、实验目的：
1、了解相似性原理的基本概念。
2、掌握用运算放大器构成各种常用的典型环节的方法。 3、掌握各类典型环节的输入和输出时域关系。 4、学会时域法测量典型环节参数的方法。
（二）、实验内容：
1、用运算放大器构成饱和、继电器、死区、空回（可选做）非线性典型环节。
2、输入在 + 5 ~ - 5伏之间可连续变化的电压信号，测量各典型环节的输入和输出波形及相关参数。
（三）、实验要求：
1、做好预习，根据实验内容中的原理图及相应参数，写出其数学表达式，并计算相关参
数。 2、、分别画出各典型环节的理论波形。
（四）、实验原理：
实验原理及实验设计：
1、继电器特性 Ui-Uo的时域响应理论波形：
输出Uo
2、饱和特性 Ui-Uo的时域响应理论波形：
比例系数（斜率）： 输出Uo
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3、死区特性 Ui-Uo的时域响应理论波形：
死区值： 输出Uo
4、空回（磁滞回线）特性 Ui-Uo的时域响应理论波形：
输出Uo
（六）、记录实验数据： 名称 饱和 特性 继电器 特性 死区 特性 空回 特性 R = R1= M= R1= 参数 理论值 K = R/R1 = M= M= M= 实测值 M= R1=R2=10K K=Rf / Ro = R1=R2=10K △=(R2/50)*12(V)=0.4 R2(V) △= △=(R2/50)*12(V)=0.4R2(V) tgα=(Ci/Cf )*(Rf /Ro )= △= tgα= （七）、记录实验波形：
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实验七 非线性系统实验
（一）、实验目的：
1、熟悉非线性系统的分析方法(相平面法)。
2、了解控制系统存在非线性环节对系统性能的影响。
（二）、实验内容：
用相平面法分析继电型非线性系统的阶跃响应和稳态误差。
（三）、实验要求：
1、做好预习，根据实验内容中的原理图及结构图的相应参数计算在阶跃信号作用下误差
e(t)的相轨迹。
2、画出相平面图及在不同阶跃信号输入下的相轨迹和输出波形。
（四）、实验原理
非线性系统的相平面分析法是状态空间分析法在二维空间特殊情况下的应用。它是一种不用求解方程，而用图解法给出X1 = e, X2 =知道系统的动态性能和稳态程度。
的相平面图。由相平面图就能清楚地
（五）、实验方法与步骤
1、根据原理图构造实验电路。
2、测量时域响应波形和相应参数。 3、将所测得的数据填入实验数据表中。
（六）、记录实测波形：
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实验八 状态反馈（极点配置实验）
（一）、实验目的：
掌握状态全反馈改善系统性能的原理和状态观测器的模拟实现方法。
（二）、实验内容：
用全状态反馈实现二阶系统极点的任意配置，并用电路模拟实验和软件仿真予以实现。
（三）、实验要求：
1、做好预习，清楚利用系统内部状态反馈来改造系统极点分布的原理。
2、根据实验内容中的原理图及结构图的相应参数，分析受控系统的可控性，同时写出其状态方程和输出方程。
3、计算闭环极点位置，并绘制根轨迹图。
（四）、实验原理
由于控制系统的动态性能主要取决于它的闭环极点在S平面上的位置，因而人们常把对系统动态性能的要求转化为一组希望的闭环极点。一个单输入单输出的N阶系统，如果仅靠系统的输出量进行反馈，显然不能使系统的n个极点位于所希望的位置。基于一个N阶系统有N个状态变量，如果把它们作为系统的反馈信号，则在满足一定的条件下就能实现对系统极点的任意配置，这个条件是系统能控。理论证明，通过状态反馈的系统，其动态性能一定要优于只有输出反馈的系统。
（五）、实验方法与步骤：
1、根据原理图构造实验电路。
2、测量时域响应波形和相应参数。
3、将所测得的数据填入实验数据表中。
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（六）、记录实验数据： 系统 极点配置前 极点配置后 极点配置前 极点配置后 阶 跃 响 应 曲 线 极 点 配 置 前 Uo (tp) Uo (∞) % tr ts tp 极 点 配 置 后 （七）、记录实验波形：
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实验九 采样系统分析实验
（一）、实验目的：
掌握采样控制系统实验研究方法，深入理解系统参数、采样周期同系统性能之间的 关系，掌握采样脉冲宽度同系统输出波形的关系。
（二）、实验内容：
1、构建一个二阶采样系统模型，观察采样周期同系统性能间的关系 2、采样脉冲宽度对系统性能的影响。
（三）、实验要求：
1、做好预习，清楚掌握采样控制系统实验研究方法，掌握采样脉冲宽度同系统输出波形
的关系。
（四）、实验原理
1、 信号的采样保持与采样周期的关系实验
（1）、用示波器同时观察并记录LF398的输入
波形和输出波形。此时输入波形和输出波形一致。 （6）、改变采样周期直至20ms，重复步骤（1）。
此时输入波形和输出波形一致，没有失真。 （7）、继续改变采样周期T > 20ms, 重复步骤
（1）。此时没有输出波形,即系统采样失真,从而验证了香农定理。
2、采样系统的稳定性及瞬态响应实验
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（五）、记录实验数据：
1、信号的采样保持与采样周期的关系实验 采样周期 输入波形 输出波形 2、采样系统的稳定性及瞬态响应实验 r(t)= 采样周期 超调量 超调量 （理论值） （实测值） 输出波形
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