6自动控制原理实验指导书解读

来源：微智科技网

第一章自动控制原理实验 ............................................................................................. 1 实验一典型环节模拟方法及动态特性 ................................................................... 1 实验二实验三实验四实验五实验六实验七实验八第二章第一节第二节

典型二阶系统的动态特性.............................................................................. 4 典型调节规律的模拟电路设计及动态特性测试 .............................. 6 调节系统的稳态误差分析.............................................................................. 8 三阶系统模拟电路设计及动态特性和稳定性分析....................... 11 单回路系统中的PI调节器参数改变对系统稳定性影响 .......... 13 典型非线性环节的模拟方法 ...................................................................... 15 线性系统的相平面分析 ................................................................................. 17 控制理论实验箱及DS3042M（40M）示波器简介 .......................... 19 自动控制理论实验箱的简介 ...................................................................... 19 数字存储示波器简介 ...................................................................................... 20

第一章自动控制原理实验实验一典型环节模拟方法及动态特性

一、实验目的

1、掌握比例、积分、实际微分及惯性环节的模拟方法。

2、通过实验熟悉各种典型环节的传递函数和动态特性。

二、实验设备及器材配置

1、自动控制理论实验系统。 2、数字存储示波器。 3、数字万用表。 4、各种长度联接导线。

三、实验内容

分别模拟比例环节、积分环节、实际微分环节、惯性环节，输入阶跃信号，观察变化情况。 1、比例环节

实验模拟电路见图1-1所示

传递函数：

R2 V0R2K VIR1VI R1 Vo 阶跃输入信号：2V 实验参数：

（1） R1=100K R2=100K （2） R1=100K R2=200K 2、积分环节

实验模拟电路见图1-2所示

100K 图1-1 传递函数：

VO1 ，其中TI=RC VITISVI R C 阶跃输入信号：2V

实验参数：

（1） R=100K C=1µf （2） R=100K C=2µf

Vo 100K 图1-2 3、实际微分环节

实验模拟电路见图1-3所示

VOTSDK VI1TDSRC 其中 TD=R1C K=2

V IR1 传递函数：

阶跃输入信号：2V 实验参数：

（1） R1=100K R2=100K C=1µf （2）R1=100KR2=200K C=1µf 4、惯性环节

实验模拟电路见图1-4所示传递函数：

R2 R1 Vo 100K 图1-3 R2

VOK VITS1VI R1 C Vo R2其中 T=R2C K= R1阶跃输入：2V 100K 实验参数：

（1） R1=100K R2=100K C=1µf （2） R=100K R2=100K C=2µf

图1-4 四、实验步骤

1、熟悉实验设备并在实验设备上分别联接各种典型环节。

2、利用实验设备完成各种典型环节的阶跃特性测试，并研究参数改变对典

型环节阶跃特性的影响。绘出响应曲线。

3、分析实验结果，完成实验报告。

实验二典型二阶系统的动态特性

一、实验目的

1、学习和掌握二阶系统动态性能指标的测试方法 2、了解二阶系统动态指标和阻尼比的关系。

3、研究二阶系统参数改变对系统动态性能和稳定性的影响

二、实验设备及器材配置

1、自动控制理论实验系统。 2、数字存储示波器。 3、数字万用表。 4、各种长度联接导线。

三、实验内容

观测二阶系统的阶跃响应曲线，测出其超调量和调节时间，并研究其参数变化对动态性能和稳定性的影响。

1、典型二阶系统的模拟电路图：

VI 100K 100K 。100K 1µf 100K 1µf R1 。 100K 100K R2

2、典型二阶系统的方块图：

+ - VI 100K Vo

K1 TS11 TiSK Vo

方块图中的具体参数请同学自己算出并填进去 3、实验参数：

R2 510K 100K 100K 100K 100K 200K 100K 330K 100K 510K R1 4、输入信号信号：2V

四、实验步骤：

1、按典型二阶系统的模拟电路图在实验设备上接好线，分别观察各组参数的阶跃响应曲线，并记录响应曲线。

2、计算各组参数的阻尼比、超调量、调整时间和衰减率的值，并填写下表。 3、总结二阶系统动态指标和阻尼比的关系。 4、分析实验结果、完成实验报告。

实验次数 R2 R1 传递函数特征方程阻尼比超调量计算值超调量实际值衰减率计算值衰减率实际值调整时间计算值调整时间实际值

1 510K 100K 2 100K 100K 3 100K 200K 4 100K 330K 5 100K 510K V0（S）/VI（S）=A/（S2+10S+A） S2+10S+A=0 （A=510，100，50，30，20） 0.22 0.5 5

0.707 0.908 1.13 实验三典型调节规律的模拟电路设计及动态特性测试一、实验目的

1、学习和掌握实现P、PI、PD、PID调节规律。

2、了解P、PI、PD、PID调节规律的动态特性及参数变化对动态特性的

影响。

3、学习用模拟电路来实现PID的实现方法。

二、实验设备及器材配置

1、自动控制理论实验系统。 2、数字存储示波器。 3、数字万用表。 4、各种长度联接导线。

三、实验内容

1、P调节器

实验模拟电路见图3-1所示实验参数：

（1） R2 = 100K R1 = 100K （2） R2 = 200K R1 = 100K 2、PI调节器

实验模拟电路见图3-2所示实验参数：

（1） R2 = 200K R1 = 200K

C = 2μF

（2） R2 = 200K R1 = 100K

R2 VI R1 100K 图3-1 Vo C VI R1 100K R2 Vo 图3-2 C = 2μF

3、PD调节器

实验模拟电路见图3-3所示实验参数：（1） R1 = 100K R

R2 R3

= 200K

C R1 100K Vo R3 = 200K C = 1μF （2） R1= 100K R

2= 100K

图3-3 R3= 200K C = 1μF 4、PID调节器

实验模拟电路见图3-4所示实验参数：（1）R1 = 33K R

2R2

= 200K

VI C1 R1 100K 图3-4 Vo R3= 200K

C1= 1μF C2 = 2μF （2）R1= 33K R

2= 100K R3= 200K C1= 1μF C2= 2μF

5、设计一个由理想微分组成的PID调节器，绘出模拟电路图，选取设计参数，求出传递函数。

四、实验步骤

1、分别连接各种调节规律实验模拟电路，输入信号2V。 2、完成各种调节规律的阶跃特性测试，绘出响应曲线。 3、写出各种调节规律的传递函数。 4、分析实验结果，完成实验报告。

实验四调节系统的稳态误差分析

一、实验目的

1、了解系统的稳定误差和输入信号的形式（如阶跃信号、斜坡信号）的关

系。

2、熟悉系统类型（0型、1型）和开环放大倍数K之间的联系。

二、实验设备及器材配置

1、自动控制理论实验系统。 2、数字存储示波器。 3、数字万用表。 4、各种长度联接导线。

三、实验内容

1、0型系统

0型系统的模拟电路见图4-1所示

VI 100K 100K 100K V02

100K V01 100K R 100K 100K C 100K 100K 100K 100K C 100K C 100K 100K 图4-1 100K 0型系统的开环传递函数：

K 3(TS1) 其中 K=

R T=100K×C 注意：电阻、电容的单位

100K 实验参数：

（1） R=100K C=1µf或10µf （2） R=510K C=1µf或10µf 2、1型系统

1型系统的模拟电路图，是把4-1所示的0型系统模拟电路中的3个惯性环节当中的任意一变成积分环节即可。

1型系统的开环传递函数：其中 K=

K 2TIS(TS1)R TI=100K×C T=100K×C

100K 注意：电阻、电容的单位

实验参数：

（1） R=50K C=1µf或10µf （2） R=100K C=1µf或10µf 3、输入信号分两类：（1）阶跃信号。（2）斜坡信号。

四、实验步骤：

1、分别连接0型系统和1型系统实验模拟电路。

2、分析从V01和V02输出的区别。 3、记录实验结果并绘出实验曲线。

4、把稳态误差的计算值和实际值的结果进行比较。 5、分析实验结果，完成实验报告。

提示：阶跃输入的稳态误差值对应0型系统和1型系统分别是1/（1+K）和0。斜坡输入的稳态误差值对应0型系统和1型系统分别是无穷大和1/K。

实验五三阶系统模拟电路设计及动态特性和稳定性分析一、实验目的

1、学习和掌握三阶系统动态性能指标的测试方法

2、研究三阶系统参数改变对系统动态性能和稳定性的影响。 3、根据系统的开环传递函数设计其模拟电路。

二、实验设备及器材配置

1、自动控制理论实验系统。 2、数字存储示波器。 3、数字万用表。 4、各种长度联接导线。

三、实验内容

观察三阶系统的阶跃响应，测出其超调量和调节时间，并研究参数变化对其动态性能和稳定性的影响。

1、三阶系统的模拟电路图：

VI 200K 200K 200K 100K 100K 100K 100K 100K 100K 100K 10µf 100K 100K 1µf RX 100K 510K 1µf Vo 11

2、三阶系统的开环传函数：

S(0.1S1)(0.51S1) 其中K=

510K 注意电阻单位用千欧 RX3、已知一系统的开环传递函数为：

G（S）H（S）=

K 2S(0.1S1)由给出的系统开环传递函数设计出该闭环系统的模拟电路，求出该系统稳定情况下K的取值范围。

三、实验步骤

1、写出系统的特征方程。 2、根据劳斯判据求出：

（1）系统稳定情况下的RX取值范围。（2）系统临界稳定情况下的RX取值范围。（3）系统不稳定情况下的RX取值范围。 3、按照三阶系统的模拟电路及RX的值排好题。 4、分别绘出实验曲线。

5、分析实验结果，完成实验报告。

实验六单回路系统中的PI调节器参数改变对系统稳定性影响一、实验目的

1、以四阶惯性对象为例，由边界稳定条件整定PI调节器的参数，了解整

定过程。

2、在单回路调节系统中，观察δ和Ti变化对调节系统的影响。

二、实验设备及器材配置

1、自动控制理论实验系统。 2、数字存储示波器。 3、数字万用表。 4、各种长度联接导线。

三、实验内容

实验模拟电路图；

共四阶惯性环节 C R100K 100K 2VI 。 R1 100K F 100K 。。。。。。100K 100K 。 1µf 。。。 1µf 。Vo 。 100K 100K 100K

图中F为所加输入（扰动）信号，VI=0为给定值，Vo为被调量。

四、实验步骤

1、先把调节器设为纯比例调节器，其比例带δ1=-

R11=-（即比例调节器KR2 13

放大倍的倒数）。

2、将该闭环系统投入运行，通过调节δ的大小使此系统处于临界稳定状态，求出此时的比例带（称临界比例带δ

K）和临界振荡周TK。

K3、由经验公式确定，衰减率为Φ=0.75时，PI调节器参数为δ=2.2δ

，TI=

TK/1.2，由此确定PI调节器中C、R1、R2的数值（将C取一定值），根据所确定的参数值，将该闭环系统投入运行，测取扰动F=2V时的响应曲线。

3、在上述已整定的基础上，观察δ，TI改变对系统稳定性的影响。（1）将δ减小或增大，TI不变，测取响应曲线。

（2）δ不变，将TI减小或增大，测取响应曲线。 4、分析实验结果，完成实验报告。

实验七典型非线性环节的模拟方法

一、实验目的

1、了解并掌握典型非线性环节的静态特性。 2、了解并掌握典型非线性环节的模拟方法。

二、实验设备及器材配置

1、自动控制理论实验系统。 2、数字存储示波器。 3、数字万用表。 4、各种长度联接导线。

三、实验内容

1、具有继电特性的非线性环节

VI 10K 10K 10K 10K 。。。 10K 。 VO

继电特性的参数由双向稳压管的稳压值与后一级运放放大倍数之积决定。 2、饱和特性的非线性环节

。 VI 10K 。。。 10K 。。 Vo 10K

10K 10K 15

饱和特性的饱和值等于双向稳压管的稳压值与后一级运放放大倍数之积，斜率等于两级放大倍数之积。 4、有死区特性的非线性环节

30K Rf R Vo

R +15V R 1 R0 V － I R2 ＋

30K -15V 斜率为K=

RF 死区 Δ=R0R2×15 30 式中R2的单位为KΩ，且R2=R（实际死区还要考虑二极管的压降值）。 1四、实验步骤：

1、将数字存储示波器工作在X～Y方式。

2、将数字存储示波器的通道1和通道2分别接在VI和VO上。 3、输入信号为正负斜坡信号。

4、利用实验设备，联接继电特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的

特性测试。

5、利用实验设备，联接饱和特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的

特性测试。

6、利用实验设备，联接死区特性的非线性环节的模拟电路，完成该环节的

特性测试。

7、分别绘出其特性曲线。分析实验结果，完成实验报告。

实验八线性系统的相平面分析

一、实验目的

1、观察线性系统不同参数的相轨迹曲线。 2、加深相平面的基本概念的认识。

二、实验设备及器材配置

1、自动控制理论实验系统。 2、数字存储示波器。 3、数字万用表。 4、各种长度联接导线。

三、实验内容

1、线性系统实验模拟电路图：

VI ＋－ X 100K VI 100K 100K 。。。 X 100K 100K R C 。。 Y 100K 。。。 Vo 1µf 100K 100K 2、线性系统方块图：

K TS1Y 1 0.1SVo

3、实验参数：

（1）欠阻尼系统 R=500K C=1µf或10µf （2）过阻尼系统 R=50K C=1µf或10µF

4、输入信号：2V。

四、实验步骤：

1、将数字存储示波器工作在X～Y方式。 2、按照实验模拟电路图接好线。

3、将X和Y分别接在数字存储示波器的1通道和2通道，测取相平面图。 4、改变参数，再次测取相平面图。

5、分析实验结果，完成实验报告。

第二章控制理论实验箱及DS3042M（40M）示波器简介第一节自动控制理论实验箱的简介

一、系统的功能特点

1、支持《自动控制原理》的教学实验。

2、系统含有高阶电路模拟单元，可以根据教学实验需要进行灵活组合，构成各种典型环节与系统。

3、增加选件后，可以构成综合性很强的研究型高级实验系统。二、系统的构成

自动控制理论实验主要由电源部分U1单元，信号源部分U2单元，与PC机进行通讯的数据采集部分U3单元，元器件部分U4单元，非线性部分U5～U7单元，模拟电路部分U8～U16单元组成。

1、电源部分U1单元，包括电源开关、保险丝、±5V、±15V、1.3V～15V可调电源。

2、信号源部分U2单元，可以产生周期方波信号、周期斜坡信号、抛物线信号和正弦信号，频率值可调。

3、U3单元为数据采集与处理模块，通过并行口可以与上位机PC进行通讯。 4、U4单元提供了实验所需的电容、电阻、电位器，另外提供了插接电路供放置自己选定大小的元器件。

5、U5～U7单元分别为典型的非线性环节模拟电路。

6、U8～U16为由运算放大器与电阻、电容等器件组成的模拟电路单元，由场效应管组成的电路用于锁零。三、实验注意事项

1、实验前运算放大器需要调整零点。

2、运算放大器边上的锁零点G接线正确。不需要锁零点（即需要运算放大器

工作）时，请把G与－15V相连，锁零主要用于对电容充电后需要放电的场合，一般不需要锁零。

3、在设计和联接被控对象或系统的模拟电路时，要特别注意，实验箱上的运算放大器都是反相输入的，因此对于整个系统以及反馈的正负引出点是否正确都需要仔细考虑，必要时接入反相器。 4、把实际运算放大器看成是理想运算放大器。

第二节数字存储示波器简介

一、

DS3042M（40M）数字存储示波器的简介

DS3042M（40M）数字存储示波器向用户提供简单而功能明晰的前面板，以进行所有的基本操作。各通道的表的标度和位置旋钮提供了直观的操作，完全符合传统仪器的使用习惯，使用者不必花大量的时间去学习和熟悉示波器的操作，即可熟练使用。为加速调整，便于测量，使用者可直接按【AUTO】键，立即获得适合的波形显现和档位设置。强大的触发和分析能力使其易于捕获和分析波形。单色液晶显示、和数算功能，便于使用者更快更清晰地观察和分析信号问题。

1、双通道，每通道带宽40M。

2、每通道16K的深度存储器。赋予更大的数据吞吐能力。 3、高清晰单色液晶显示系统，320×240分辨率。 4、单次采样100MSa/s,等效水平分辨率100ps。 5、自动波形、状态设置【AUTO】。 6、波形、设置存储和再现。

7、精细的UltraZoom功能，轻易兼顾波形细节与概貌。 8、自动测量多种波形参数。 9、自动光标跟踪测量功能。 10、自动校准。

11、多重波形数算功能。 12、边沿、视频触发功能。 13、中/英文菜单显示。

二、 DS3042M（40M）数字存储示波器常用功能的简要说明

操

电源开关单显示窗口作菜菜 1 单 2 操 3 作 4 键 5 CH1 CH2 MATH REF CH1 通道1 POSITION POSITION LEVEL DS 3042M MEASURE ACQUIRE STORAGE AUTO CURSOR DISPLAY UTILITY RUN/STOP 1 OFF 2 MENU MENU 1 SCALE 50% FORCE 1 CH2 通道2 2 EXTTRIG

DS3042M（40M）数字存储示波器前面板示意图

1、打开电源开关。仪器执行所有自检项目，并确认通过自检。

2、【AUTO】键为自动设置键，自动设定仪器各项控制值，以产生适宜观察的输入信号显示。按此键示波器自动设定下列功能项目。功能设定显示方式 Y—T 采样方式等效采样获取方式普通

垂直耦合根据信号调整到交流或直流

垂直“V/div” 调节至适当档位垂直档位调节粗调

带宽关闭（即满带宽）信号反相关闭水平位置居中

水平“S/div” 调节到适当档位触发类型边沿

触发信源自动检测到有信号输入的通道触发耦合直流触发电平中点设定触发方式自动

3、【RUN/STOP】键为运行/停止键，它是运行和停止波形采样。当处于运行状态时按此键即可进入停止状态，再按此键又进入运行状态。注意：在停止的状态下，对于波形垂直档位和水平时基可以在一定的范围内调整，相当于对信号进行水平或垂直方向上的扩展。

4、按【MENU1】键可以选择示波器的工作方式：根据操作菜单，按菜单操作键【2】可以选择示波器的工作方式为Y～T方式或X～Y方式。工作在Y～T方式下，Y轴（即垂直轴）显示电压量，X轴（水平轴）显示时间量；工作X～Y方式下，X轴（即水平轴）显示输入通道1电压量，Y轴（即垂直）显示输入通道2电压量。

注意：示波器在Y～T方式下可以应用任意采样速率获得波形。示波器在X～Y方式下只适用于通道1和通道2，一般情况下将采样率适当降低，可以得到较好显示效果的李沙育图形。

5、选择和关闭信号输入通道：按【CH1】或【CH2】键可以分别选择信号输入通道1（即CH1通道）或通道2（即CH2通道），系统显示CH1通道或CH2通道的操作菜单。其功能见下面说明：

功能菜单设定说明

耦合交流阻挡输入信号的直流成分。直流通过输入信号的交流和直流成分。

接地断开输入信号。

带宽打开带宽至20MHZ，以减少显示噪音。关闭满带宽。

档位调节粗调粗调按1-2-5进制设定垂直灵敏度。

微调在粗调设置范围内进一步细分，以改善分辨率。

探头 1X 根据探头衰减因数选取其中一个值，以保持垂

10X 尺读数准确。

100X 1000X

反相打开打开波形反向功能。关闭波形正常显示。

根据操作菜单，按菜单操作键【1】可以选择其耦合方式（交流、直流、接地），从自动控制原理课实验的内容来说一定要选择直流；按菜单操作键【2】可以选择其带宽（关闭、打开）；按菜单操作键【3】可以选择其档位调节的设置（粗调、微调），一般情况下设置为粗调；按菜单操作键【4】可以选择其输入探头的率减系数（1X、10X、100、1000X），一般情况下设置为10X；按菜单操作键【5】可以选择其波形相位，反相（关闭、打开）。按【CH2】键可以选择信号输入通道2。其它设置选择同上。若希望关闭一个通道，首先，此通道必须在当前处于选中状态，然后按【OFF】键即可将其关闭。

6、【SCALE1】为垂直（即Y轴）档位调节旋钮，它是调节电压量程的，注意只有在示波器处于运行状态时，该选钮才能在全量程范围内进行调整。从

自动控制原理课实验的内容来说一般选取范围是在每格500mV～2V之间。

7、【SCALE2】为水平（即X轴）档位调节旋钮，它是调节时间量程的，注意只有在示波器处于运行状态时，该选钮才能在全量程范围内进行调整。从自动控制原理课实验的内容来说一般选取范围是在每格500ms～5s之间。 8、【STORAGE】为存储设置键，按下此键可以弹出存储设置操作菜单，根据操作菜单，按菜单操作键【1】可以选择波形存储或设置存储，要想存储波形一定要选择波形存储；按菜单操作键【3】可以选择波形位置（NO.1、NO.2、NO.3、NO.3、NO.4、NO.5），本示波器支持5组波形的存储；按菜单操作键【4】可以从指定的波形存储位置调出先前保存的波形；按菜单操作键【5】可以保存当前的波形到指定的存储位置。

9、【ACQUIRE】为采样设置键，按下此键可以弹出采样设置操作菜单，根据操作菜单，按菜单操作键【1】可以选择采样方式（实时采样、等效采样）；按菜单操作键【2】可以选择采样触发方式（关闭、打开）；按菜单操作键【3】可以选择余辉时间（10ms、25ms、50ms、… 、500ms），通过设置余辉时间可以调整波形显示持续的时间，以获得好的显示效果；按菜单操作键【4】就可以选择获取方式（普通、平均、峰值检测）；按菜单操作键【5】就可以设置平均采样次数（2、4、8、… 、128），只有在打开平均采样方式的前提下，才能显示此项菜单。

10、【DISPLAY】为显示设置键，按下此键可以弹出显示设置操作菜单或屏幕设置操作菜单，按菜单操作键【1】就可以选择显示设置或屏幕设置操作菜单。（1）当选择显示设置时。按菜单操作键【3】可以选择显示类型（点、矢量），点就是直接显示采样点，矢量就是采样点之间通过连线的方式显示；按菜单操作键【4】就可以选择波形保持（关闭、无限），关闭就是关闭波形保持功能，无限就是记录点一直保持，直到波形保持功能被关闭；按菜单操作键【5】就可以选择网格（打开、关闭）。（2）当选择屏幕设置

时。按菜单操作键【3】可以选择屏幕风格（传统、现代），传统就是设置屏幕背景为黑色，现代就是屏幕背景为白色；按菜单操作键【4】可以增加屏幕显示对比度；按菜单操作键【5】可以减少屏幕显示对比度。

自动控制原理实验指导书自控实验室

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