《自动控制基础》课程教学资源（实验指导书）第一章自动控制原理实验.pdf

选择线性系统时域分析/典型环节/惯性环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行。实验停止后，移动虚拟示波器横游标到输出稳态值×0.632处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数T。1.1.1.3积分环节典型积分环节模拟电路如图1-1-3所示。U(S)11传递函数：G(S)：单位阶跃响应：U。(t)=T = R.CTSTiU,(S)手控阶跃Cy2u20KBIOUT1RoA5Ui=1VHI500KU.A920KCH2oCHIOUTOUT HI图1-1-3典型积分环节模拟电路实验内容及步骤构造模拟电路：按图1-1-3安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线模块号跨接座号1信号输入（Ui）BI（OUT1）→A5（H1)1A5S5, S11, S122运放级联A5 (OUT)→A9 (H1)3BI (OUT1)-→B2(CH1)示波器联接（1）运行、观察、记录：4A9(OUT)-→B2(CH2)选择线性系统时域分析/典型环节／积分环节，本实验用手控阶跃信号代替矩形波作为信号输入，实验前应把手控阶跃开关拨下，确认手控阶跃信号幅度默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行，把“手控阶跃开关”多次拨上、拨下，观察相应实验现象。积分环节输入如为0时，输出为平线，输入如不为0时，输出为斜线，斜率等于积分环节时间常数Ti。积分环节模拟电路时间常数T的测量：移动虚拟示波器两根横游标到△V=1V（与输入相等）处，得到与输出曲线的两个交点，再移动虚拟示波器两根纵游标到该两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti为1秒。1.1.1.4比例积分环节典型比例积分环节模拟电路如图1-1-4所示.。手控阶跃R.500K2u20KBI OUT1PΛ45U1VHI500KU.A920KCH2ACHIOUTHIOUT图1-1-4典型比例积分环节模拟电路Uo(S)1R,传递函数：G(S)=单位阶跃响应：K:= K(1+T =R,CTisR.U,(S)1Uo(0)=K a++)实验内容及步骤

选择线性系统时域分析／典型环节／惯性环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行。实验停止后，移动虚拟示波器横游标到输出稳态值×0.632 处，得到与输出曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到输出曲线的交点，量得惯性环节模拟电路时间常数 T。 1.1.1.3 积分环节典型积分环节模拟电路如图 1-1-3 所示。传递函数： T R C U TS U G i i O 0 1 (S) (S) (S)    单位阶跃响应： t Ti 1 U (t) 0  图 1-1-3 典型积分环节模拟电路实验内容及步骤构造模拟电路：按图 1-1-3 安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线模块号跨接座号 1 A5 S5，S11，S12 （1）运行、观察、记录：选择线性系统时域分析／典型环节／积分环节，本实验用手控阶跃信号代替矩形波作为信号输入，实验前应把„手控阶跃开关‟拨下，确认手控阶跃信号幅度默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行，把 “手控阶跃开关”多次拨上、拨下，观察相应实验现象。积分环节输入如为 0 时，输出为平线，输入如不为 0 时，输出为斜线，斜率等于积分环节时间常数 Ti。积分环节模拟电路时间常数 Ti 的测量：移动虚拟示波器两根横游标到 ΔV=1V（与输入相等）处，得到与输出曲线的两个交点，再移动虚拟示波器两根纵游标到该两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数 Ti 为 1 秒。 1.1.1.4 比例积分环节典型比例积分环节模拟电路如图 1-1-4 所示.。图 1-1-4 典型比例积分环节模拟电路传递函数： T R C R R K TiS K U U G i i O 1 0 1 ) 1 (1 (S) (S) (S)      单位阶跃响应：（ t） T 1 UO (t )  K 1 实验内容及步骤 1 信号输入（Ui） B1（OUT1）→A5（H1） 2 运放级联 A5（OUT）→A9（H1） 3 示波器联接 B1（OUT1）→B2（CH1） 4 A9（OUT）→B2（CH2）

（1）构造模拟电路：按图 1-1-4 安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线（2）运行、观察、记录：选择线性系统时域分析／典型环节／比例积分环节，本实验用手控阶跃信号代替矩形波作为信号输入，实验前应把„手控阶跃开关‟拨下，确认手控阶跃信号幅度默认值后，点击《下载》；点击《开始》键后，实验运行，把„手控阶跃开关‟多次拨上、拨下，观察相应实验现象。积分环节输入如为 0 时，输出为平线，输入如不为 0 时，输出为斜线，斜率等于积分环节时间常数 Ti。积分环节模拟电路时间常数 Ti 的测量：移动虚拟示波器两根横游标到 ΔV=1V（与输入相等）处，得到与输出曲线的两个交点，再移动虚拟示波器两根纵游标到该两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数 Ti 为 1 秒。在实验过程中„手控阶跃开关‟拨下时，输出值将会下跳一个比例系数 K×输入值。 1.1.1.5 比例微分环节为了便于观察比例微分的阶跃响应曲线，本实验增加了一个小惯性环节，其模拟电路如图 1-1-5 所示。图 1-1-5 典型比例微分环节模拟电路比例微分环节+惯性环节的传递函数： ) 1 S 1 TS K( U (S) U (S) G(S) i O     微分时间常数： R C R R R R T ( )3 1 2 1 2 D    惯性时间常数：   R3C 0 1 2 R R R K   3 1 2 3 D (R // ) K R R  R  TD  KD τ  0.06S 单位阶跃响应： U0 (t)  KT (t)  K 实验内容及步骤（1）构造模拟电路：按图 1-1-5 安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线（2）运行 1 信号输入（Ui） B1（OUT1）→A5（H1） 2 运放级联 A5（OUT）→A9（H1） 3 示波器联接 B1（OUT1）→B2（CH1） 4 A9（OUT）→B2（CH2）模块号跨接座号 1 A5 S5，S6，S7 模块号跨接座号 1 A4 S4，S6，S7 1 信号输入（Ui） B1（OUT1）→A4（H1） 2 运放级联 A4（OUT）→A8（H1） 3 示波器联接 A8（OUT）→B2（CH2）

、观察、记录：选择线性系统时域分析／典型环节／比例微分环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行。实验停止后：①用示波器量得输出端（Uo）的最高端电压为1.1V，减去稳态输出电压（0.5V），然后乘以0.632，得到△V=1.64V。②移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到△V=1.64V处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得t△t=0.01S。③已知KD=6，则图1-1-5的比例微分环节模拟电路微分时间常数：T，=K×=0.06S注：由于本实验机尽管A/D转换速度很高，但受到串口通讯速度的限制，不能完全地显示比例微分环节的输出，因此，建议用Tek示波器观察。1.1.1.6PID（比例积分微分）环节PID（比例积分微分）环节模拟电路如图1-1-6所示。2_100100KRI左uR2矩形波C2-20FB1OUTIRo.oUi=0.5VHIS4200KΛA4U.一CH2CHD20KOUTHIOUT1图1-1-6PID（比例积分微分）环节模拟电路G(S)-U0=K,+会+K,T,s典型比例积分环节的传递函数：U.(S)TSRR+R,)C2，K,-R+RT, =(-2，T=(R+R)CRoR +R,(R, IR,)+R)Kp=R,惯性时间常数：T=K,X单位阶跃响应：T=R,C2KeU,(t)=K,T,S(t)+K, +T实验内容及步骤（1）构造模拟电路：按图1-1-6安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线模块号跨接座号1信号输入（Ui）B1（OUT1）→A4（HI）1A4S4,S62运放级联A4(OUT)→A8 (H1)（2）运3示波器联接A8 (OUT)→B2 (CH2)行、观察、记录：选择线性系统时域分析/典型环节/比例积分微分环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行。实验停止后：①点击《开始》键后，实验运行。实验停止后，移动虚拟示波器两根横游标使之△V=Kpx输入电压，得到与积分的曲线的两个交点。②再分别移动示波器两根纵游标到积分的曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数Ti，见图1-1-12

、观察、记录：选择线性系统时域分析／典型环节／比例微分环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行。实验停止后： ① 用示波器量得输出端（Uo）的最高端电压为 1.1V，减去稳态输出电压（0.5V），然后乘以 0.632，得到 ΔV=1.64V。 ② 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到 ΔV=1.64V 处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得 τ=Δt=0.01S。 ③ 已知 KD=6，则图 1-1-5 的比例微分环节模拟电路微分时间常数： TD  KD τ  0.06S 注：由于本实验机尽管 A／D 转换速度很高，但受到串口通讯速度的限制，不能完全地显示比例微分环节的输出，因此，建议用 Tek 示波器观察。 1.1.1.6 PID（比例积分微分）环节 PID（比例积分微分）环节模拟电路如图 1-1-6 所示。图 1-1-6 PID（比例积分微分）环节模拟电路典型比例积分环节的传递函数： K T S T S K K U (S) U (S) G(S) P d i P P i O     0 1 2 3 2 1 2 1 1 2 1 2 ( ) , ( ) , R R R R C T R R C K R R R R Td i P        3 1 2 3 D (R // ) K R R  R  惯性时间常数：  R3C2   τ Td KD 单位阶跃响应： t T K U (t ) K T (t ) K p 0  p D  P  实验内容及步骤（1）构造模拟电路：按图 1-1-6 安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线（2）运行、观察、记录：选择线性系统时域分析／典型环节／比例积分微分环节，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行。实验停止后： ① 点击《开始》键后，实验运行。实验停止后，移动虚拟示波器两根横游标使之 ΔV=Kp× 输入电压，得到与积分的曲线的两个交点。 ② 再分别移动示波器两根纵游标到积分的曲线的两个交点，量得积分环节模拟电路时间常数 Ti，见图 1-1-12。模块号跨接座号 1 A4 S4，S6 1 信号输入（Ui） B1（OUT1）→A4（H1） 2 运放级联 A4（OUT）→A8（H1） 3 示波器联接 A8（OUT）→B2（CH2）

③将A4单元的S7短路套套上，点击开始，用示波器观测系统的A8输出端（Uo），实验现象。把最高端电压（1.6V）减去稳态输出电压（0.3V=Kp*Ui)，然后乘以0.632，得到△V=0.82V。④移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到△V=0.82V处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得T=△t=0.01S③已知KD=6，则图1-1-6的比例微分环节模拟电路微分时间常数：T=K，XT=0.06S。注：由于本实验机尽管A／D转换速度很高，但受到串口通讯速度的限制，不能完全地显示比例微分环节的输出，因此，建议用Te示波器观察。1.1.2二阶系统瞬态响应和稳定性二阶闭环系统模拟电路如图1-1-7所示，它由积分环节（A2单元）和惯性环节（A3单元）的构成，其积分时间常数Ti=RI*C1=1秒，惯性时间常数T=R2*C2=0.1秒。矩形波R(t)R2.100K200KUi=2.5VR=4K20KCH3[2aC1,2uR=40KBIOUTIHI200KAA1R1CH4NA10R=70KNA3500KI ΛA2C(t)CH2CHDRH2OUT20KOUTHIOUT200KHOUT'A11可变电阻图1-1-7I型二阶闭环系统模拟电路该电路的开环传递函数为：KKR,_100k其中K=G(S) =RTiS(TS +I)S(0.IS+1)R该电路的闭环传递函数为：0210K)=+250,S++105+10K实验内容及步骤观察图1-1-7的阻尼比E对该系统的过渡过程的影响。改变A3单中输入电阻R来调整系统的开环增益K，从而改变系统的结构参数。（1）构造模拟电路：按图1-1-7安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线模块号跨接座号1信号输入B1 (OUT1) →AI (H1)1A1S4, S82运放级联A1 (OUT)-→A2 (H1)2A2S5, S11, S12负反馈3A3(OUT)-→AI(H2)3A3S8, S11X运放级联A3 (OUT)→A10 (H1)5跨接4K、元件库A11中直读式可变电阻跨40K、70K6接到A2（OUT）和A3（IN）之间示波器联接A10(OUT)→B2(CH2)1CH4由用户自行决定接否（2）运行、观察、记录：分别将（A11）中的直读式可变电阻分别调整为4K、40K、70K，选择线性系统时域分析/二阶系统瞬态响应和稳定性实验，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行

③ 将 A4 单元的 S7 短路套套上，点击开始，用示波器观测系统的 A8 输出端（Uo），实验现象。把最高端电压（1.6V）减去稳态输出电压（0.3V=Kp*Ui），然后乘以 0.632，得到 ΔV=0.82V。 ④ 移动虚拟示波器两根横游标，从最高端开始到 ΔV=0.82V 处为止，得到与微分的指数曲线的交点，再移动虚拟示波器两根纵游标，从阶跃开始到曲线的交点，量得 τ=Δt=0.01S ⑤ 已知 KD=6，则图 1-1-6 的比例微分环节模拟电路微分时间常数： Td  KD τ  0.06S。注：由于本实验机尽管 A／D 转换速度很高，但受到串口通讯速度的限制，不能完全地显示比例微分环节的输出，因此，建议用 Tek 示波器观察。 1.1.2 二阶系统瞬态响应和稳定性二阶闭环系统模拟电路如图 1-1-7 所示，它由积分环节（A2 单元）和惯性环节（A3 单元）的构成，其积分时间常数 Ti=R1*C1=1 秒，惯性时间常数 T=R2*C2=0.1 秒。图 1-1-7 Ⅰ型二阶闭环系统模拟电路该电路的开环传递函数为： R k R R K S S K TiS TS K G S 100 ( 1) (0.1 1) ( ) 2       其中该电路的闭环传递函数为： S S K K S S s n n n 10 10 10 2 ( ) 2 2 2 2           实验内容及步骤观察图 1-1-7 的阻尼比 ξ 对该系统的过渡过程的影响。改变 A3 单中输入电阻 R 来调整系统的开环增益 K，从而改变系统的结构参数。（1）构造模拟电路：按图 1-1-7 安置短路套及插孔连线，表如下。（a）安置短路套（b）插孔连线 CH4 由用户自行决定接否. （2）运行、观察、记录：分别将（A11）中的直读式可变电阻分别调整为 4K、40K、70K，选择线性系统时域分析／二阶系统瞬态响应和稳定性实验，确认信号参数默认值后，点击《下载》、《开始》键后，实验运行。模块号跨接座号 1 A1 S4，S8 2 A2 S5，S11，S12 3 A3 S8，S11 1 信号输入 B1（OUT1）→A1（H1） 2 运放级联 A1（OUT）→A2（H1） 3 负反馈 A3（OUT）→A1（H2） 4 运放级联 A3（OUT）→A10（H1） 5 6 跨接 4K、 40K、70K 元件库 A11 中直读式可变电阻跨接到 A2（OUT）和 A3（IN）之间 7 示波器联接 A10（OUT）→B2（CH2）

《自动控制基础》课程教学资源（实验指导书）第一章 自动控制原理实验

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