自動控制原理实验讲义.doc

实验讲义 河南大学 物理与电子学院测控工程系 2011 年 10 月  目 录 实验一 典型环节的时域响应 ……………………… ……2 实验二 典型系统的时域响应和稳定性分析…………….…12 实验三 线性系统的根轨迹分析…………….…………..…..17 实验四 线性系统的频率响应分析…… …………… ..…..20 实验五 线性系统的校正…………………………..….….….26 实验六 典型非线性环节…………………………….………28 实验七 模拟 PID 闭环温度控制系统的设计和实现...……..33 实验八 数字 PID 闭环温度控制系统的设计和实现….……37 实验九 数字 PID 直流电机闭环调速控制系统设计……..…41 说明：实验一至六为基础验证性实验，选做 5 个；实验七、八、 九为综合性、设计性实验，包括基于 51 单片机的数字 PID 控制， 选做 1 个。 实验一 典型环节的时域响应 一、 实验目的 1．掌握各典型环节模拟电路的构成方法，掌握 TD－ACC 设备的使用方法。 2．熟悉各种典型环节的理想阶跃响应曲线和实际阶跃响应曲线。 3．了解参数变化对典型环节动态特性的影响。 二、 实验设备 PC 机一台，TD-ACC 系列教学实验系统一套。 三、 实验原理及内容 下面列出了各典型环节的方框图、传递函数、模拟电路图、阶跃响应，实验前应熟悉了 解。 1．比例环节 （P） (1) 方框图： Ui(S) K Uo(S)   (2) 传递函数：  Uo(S) ??K Ui(S) 图 1－1  (3) 阶跃响应： Uo(t) = K ( t≥0 ) 其中 K = R1 / R0 (4) 模拟电路图：  比例环节 R1 反相器 R 10K  Ui R0 _ 信号输入端 R _ 10K  Uo 输出测量端  R0=200K ； R1=100K 或 200K  (5) 理想与实际阶跃响应对照曲线 ① 取 R0 = 200K；R1 = 100K。 图 1－2 理想阶跃响应曲线 Uo 实测阶跃响应曲线 Uo 1 1/2 Ui(t) Uo(t) 1 1/2 Ui(t) Uo(t)  0 t 0 t ② 取 R0 = 200K；R1 = 200K。 理想阶跃响应曲线 Uo 实测阶跃响应曲线 Uo 1 Ui(t) Uo(t) 1 Ui(t) Uo(t)  0 t 0 t 2．积分环节（I） (1) 方框图： Ui(S)  (2) 传递函数：  Uo(S) ???1 Ui(S) TS 图 1－3   (3) 阶跃响应： (4) 模拟电路图： Uo(t) ??1 t T  ( t≥0 ) 其中 T = R0C  Ui R0 信号输入端  积分环节 C _  R 10K 反相器 R 10K _  Uo 输出测量端  R0=200K ；C=1uF 或 2uF 图 1－4 (5) 理想与实际阶跃响应曲线对照 ① 取 R0 = 200K；C = 1uF。 理想阶跃响应曲线 无穷 ② 取 R0 = 200K；C = 2uF。  实测阶跃响应曲线  理想阶跃响应曲线 实测阶跃响应曲线 Uo 无穷 1  Uo(t) Ui(t)  Uo 10V Uo(t) 1 Ui(t)  0 0.4s t 0 0.4s t  3．比例积分环节（PI） (1) 方框图： K  Ui(S) 1 TS + + + Uo(S)   (2) 传递函数：  Uo(S) Ui(S)  ??K ???1 TS 图 1－5  (3) 阶跃响应： Uo(t) ??K ??1 t T (4) 模拟电路图：见图 1.1－6  ( t≥0 ) 其中 K = R1/R0  ；T = R0C 比例积分环节 反相器  Ui R0 信号输入端 R1 C _  R 10K R 10K _  Uo 输出测量端  R0=R1=200K ；C=1uF 或 2uF 图 1－6 (5) 理想与实际阶跃响应曲线对照 ① 取 R0 = R1 = 200K；C = 1uF。 理想阶跃响应曲线 实测阶跃响应曲线 Uo Uo(t) 2 Uo Uo(t) 2  10V 1 Ui(t) 1 Ui(