自动控制理论实验 第一部分自动控制理论 实验一自动控制系统演示实验 本实验是物理系统实验，不要求学生自己动手实验，而由任课教师向学生操作 演示 一、实验目的 通过几个实际物理控制系统的演示，了解自动控制系统的基本组成及典型元部 件的作用：观察开环控制、闭环控制系统的工作情况：初步了解系统的阶跃响应和 系统的参数变化对系统性能的影响。建立控制系统的一般概念。 二、主要实验设备及仪器 1.电力拖动自动控制系统 1套 2.直线一级倒立摆实验系统 1套 3.过程控制系统 1套 三、实验内容 1.讲解系统的构成和基本工作原理 2.各实际物理控制系统的演示 3.多种物理控制系统的动画及视频演示。 液位计算机控制系统 温度计算机控制系统 立体仓库 水平摆 二级水箱 直线三级倒立摆
自动控制理论实验 1 第一部分 自动控制理论 实验一 自动控制系统演示实验 本实验是物理系统实验，不要求学生自己动手实验，而由任课教师向学生操作 演示。 一、实验目的 通过几个实际物理控制系统的演示，了解自动控制系统的基本组成及典型元部 件的作用；观察开环控制、闭环控制系统的工作情况；初步了解系统的阶跃响应和 系统的参数变化对系统性能的影响。建立控制系统的一般概念。 二、主要实验设备及仪器 1．电力拖动自动控制系统 1 套 2．直线一级倒立摆实验系统 1 套 3．过程控制系统 1 套 三、实验内容 1．讲解系统的构成和基本工作原理 2．各实际物理控制系统的演示 3．多种物理控制系统的动画及视频演示。 液位计算机控制系统 温度计算机控制系统 立体仓库 水平摆 二级水箱 直线三级倒立摆
自动控制理论实验 实验二典型环节的模拟研究 一、实验目的 1.了解并掌握TKKL2型控制理论教学实验系统模拟电路的使用方法，掌握典 型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。 2.熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。 3.了解参数变化对典型环节阶跃响应的影响。 二、主要实验设备及仪器 1.TKKL-2型控制理论实验箱一台 2.DF4313D型10MHz慢扫描双踪示波器一台。 3.万用表一只。 三、实验原理和电路 本实验是利用运算放大器的基本特性（开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小 等)，设置不同的反馈网络米模拟各种环节。 1.比例环节 151 f1M 接示波 图2-1比例环节的模拟电路图 图2-2积分环节的模拟电路图 比例环节的模拟电路图如图2-1所示，其传递函数为： U⑨_R=K, Ui(s)R 当输入为单位阶跃信号，即U,()=1()时，其输出响应为：U。=K，(≥0)。 2.积分环节 11 职分环节的模拟电路图如图22所示，其传递函数为：得RC方 其中T=R,C,当输入为单位阶跃信号，即U,()=1()时，其输出响应为： U0=71,1≥0) 2
自动控制理论实验 2 实验二 典型环节的模拟研究 一、实验目的 1．了解并掌握 TKKL-2 型控制理论教学实验系统模拟电路的使用方法，掌握典 型环节模拟电路的构成方法，培养学生实验技能。 2．熟悉各种典型环节的阶跃响应曲线。 3．了解参数变化对典型环节阶跃响应的影响。 二、主要实验设备及仪器 1．TKKL-2 型控制理论实验箱一台。 2．DF4313D 型 10MHz 慢扫描双踪示波器一台。 3．万用表一只。 三、实验原理和电路 本实验是利用运算放大器的基本特性(开环增益高、输入阻抗大、输出阻抗小 等)，设置不同的反馈网络来模拟各种环节。 1．比例环节 − 15V Ui = −1V 100k f 1M R Uo R0 接示波器 − 15V Ui = −1V 100k C Uo R0 接示波器 图 2-1 比例环节的模拟电路图 图 2-2 积分环节的模拟电路图 比例环节的模拟电路图如图 2-1 所示，其传递函数为： K R R Ui s U s f = = 0 0 ( ) ( ) ， 当输入为单位阶跃信号，即 U (t) 1(t) i = 时，其输出响应为： U0 = K ， (t 0) 。 2．积分环节 积分环节的模拟电路图如图 2-2 所示，其传递函数为： Ui s R C Ts U s 1 1 ( ) ( ) 0 0 = = ， 其中 T = R0C ，当输入为单位阶跃信号，即 U (t) 1(t) i = 时，其输出响应为： t T U t 1 ( ) 0 = ，(t 0)
自动控制理论实验 3.比例积分(P)环节 图23比例积分环节的模拟电路 图24惯性环节的模拟电路 比例积分环节的模拟电路如图23所示：其传递函数为： Uo(s)RCs+1 R3 1 Ui(s)RCs-R RCs 其中， K=R/R T=RC 当输入为单位阶跃信号，即U,)=10)时，其输出响应为：U,0=K+之 4.惯性环节。 惯性环节的模拟电路如图24所示：其传递函数为： Uo(S)R/Ro URC5+干6+，其中， (K=R/Ro T=RC 当输入为单位阶跃信号，即U,)=10)时，其输出响应为U,0=K1一) 四、实验内容及步骤 1.观测比例、积分、比例积分、惯性环节的阶跃响应曲线。 2.步骤： (1)按图2-1接线，在模拟电路中选取不同的电阻或电容参数，通过示波器观 看其单位阶跃响应曲线的变化，并将实验结果纪录于表21中： (2)按各电路图分别接线，重复步骤(1)。 表2-1 环节 单位阶跃响应曲线 环节 单位阶跃响应曲线 比例环节 积分环节 比例积分 惯性环节 坏节
自动控制理论实验 3 3．比例积分(PI)环节 − 15V Ui = −1V 100k C Uo R0 接示波器 R1 − 15V Ui = −1V 100k 1F f 1M R Uo 接示波器 C R0 图 2-3 比例积分环节的模拟电路 图 2-4 惯性环节的模拟电路 比例积分环节的模拟电路如图 2-3 所示：其传递函数为： Ts K R R Cs R R Cs R Cs Ui s U s 1 1 1 ( ) ( ) 0 0 1 0 0 1 = + = + + = ， 其中， = = T R C K R R 0 1 0 当输入为单位阶跃信号，即 U (t) 1(t) i = 时，其输出响应为： t T U t K 1 ( ) 0 = + 4．惯性环节。 惯性环节的模拟电路如图 2-4 所示：其传递函数为： 1 1 / ( ) 0 ( ) 0 + = + = Ts K R CS R R U S U S f f i 其中， = = T R C K R R f f 0 当输入为单位阶跃信号，即 U (t) 1(t) i = 时，其输出响应为 ( ) (1 ) 0 T t U t K e — = — 四、实验内容及步骤 1．观测比例、积分、比例积分、惯性环节的阶跃响应曲线。 2．步骤： （1）按图 2-1 接线，在模拟电路中选取不同的电阻或电容参数，通过示波器观 看其单位阶跃响应曲线的变化，并将实验结果纪录于表 2-1 中； （2）按各电路图分别接线，重复步骤(1)。 表 2-1 环节 单位阶跃响应曲线 环节 单位阶跃响应曲线 比例环节 积分环节 比例积分 环节 惯性环节
自动控制理论实验 五、实验报告要求 1.实验前选定典型环节模拟电路的元件（电阻、电容）参数各两组，推导环节传 递函数参数与模拟电路电阻、电容值的关系，画出理想阶跃响应曲线。 2.实验观测记录. 3.实验结果分析、讨论和建议。 六、思考题 1.运算放大器组成的各环节的传递函数是在什么条件下推导出的？怎样选用运 算放大器？输入电阻、反馈电阻的阻值范围可任意选用吗？ 2.惯性环节分别在什么情况下可近似为比例环节和积分环节？
自动控制理论实验 4 五、实验报告要求 1．实验前选定典型环节模拟电路的元件(电阻、电容)参数各两组，推导环节传 递函数参数与模拟电路电阻、电容值的关系，画出理想阶跃响应曲线。 2．实验观测记录。 3．实验结果分析、讨论和建议。 六、思考题 1．运算放大器组成的各环节的传递函数是在什么条件下推导出的？怎样选用运 算放大器？输入电阻、反馈电阻的阻值范围可任意选用吗？ 2．惯性环节分别在什么情况下可近似为比例环节和积分环节？
自动控制理论实验 实验三一阶、二阶系统的瞬态响应分析(1) 一、实验目的 1.观察一阶系统在单位阶跃输入信号作用下的瞬态响应。 2.根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。 3.熟悉二阶模拟控制系统的组成。 4.研究二阶系统重要参数5对系统动态性能的影响。 二、主要实验设备及仪器 1.TKKL2型控制理论实验箱一台。 2.DF4313D型10MH慢扫描双踪示波器一台。 3.万用表一只。 三、实验线路 1.一阶惯性环节（一阶系统）： 图3-1为一阶系统模拟线路图。 15 :示波器 图31一阶系统模拟实验线路图 其传递函数为： 何万+7其中：K= Uo(s)K ,T=R,C。在输入端加入 R 单位阶跃信号。当t=T时，C()=K1-e)=0.632K。这表示当c()上升到稳 态值的63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数T，根据这个原理，可以测 得一阶系统的时间常数T。 2.二阶振荡环节（二阶系统）： 图32为二阶系统模拟线路图。它的闭环传递函数为：
自动控制理论实验 5 实验三 一阶、二阶系统的瞬态响应分析(1) 一、实验目的 1．观察一阶系统在单位阶跃输入信号作用下的瞬态响应。 2．根据一阶系统的阶跃响应曲线确定一阶系统的时间常数。 3．熟悉二阶模拟控制系统的组成。 4．研究二阶系统重要参数 对系统动态性能的影响。 二、主要实验设备及仪器 1．TKKL-2 型控制理论实验箱一台。 2．DF4313D 型 10MHz 慢扫描双踪示波器一台。 3．万用表一只。 三、实验线路 1．一阶惯性环节（一阶系统）： 图 3-1 为一阶系统模拟线路图。 − 15V U V i = −1 100 k 1F f 1M R Uo 接示波器 图 3-1 一阶系统模拟实验线路图 其传递函数为： ( ) 1 ( ) 0 + = Ts K U s U s i ，其中： R0 R K f = ，T = Rf C 。在输入端加入 单位阶跃信号。当 t = T 时， C(t) K(1 e ) 0.632K 1 = − = − 。这表示当 c(t) 上升到稳 态值的 63.2%时，对应的时间就是一阶系统的时间常数 T ，根据这个原理，可以测 得一阶系统的时间常数 T 。 2．二阶振荡环节（二阶系统）： 图 3-2 为二阶系统模拟线路图。它的闭环传递函数为：