實驗一典型環節及其階躍響應
一、實驗目的
1. 掌握控制模擬實驗的基本原理和一般方法。
2. 掌握控制系統時域效能指標的測量方法。
二、實驗儀器
1． el-at-iii 型自動控制系統實驗箱一台
2． 計算機一台
三、實驗原理
1．模擬實驗的基本原理：
控制系統模擬實驗採用復合網路法來模擬各種典型環節，即利用運算放大器不同的輸
入網路和反饋網路模擬各種典型環節，然後按照給定系統的結構圖將這些模擬環節連線起
來，便得到了相應的模擬系統。再將輸入訊號加到模擬系統的輸入端，並利用計算機等測
量儀器，測量系統的輸出，便可得到系統的動態響應曲線及效能指標。若改變系統的引數，
還可進一步分析研究引數對系統效能的影響。
四、實驗內容
構成下述典型一階系統的模擬電路，並測量其階躍響應：
1. 比例環節的模擬電路及其傳遞函式 。
g（s）= r2/r1
2. 慣性環節的模擬電路及其傳遞函式 。
g（s）= k/ts+1
k=r2/r1，t=r2c
3. 積分環節的模擬電路及傳遞函式 。
g（s）=1/ts
t=rc
4. 微分環節的模擬電路及傳遞函式 。
g（s）= rcs
被測量典型環節的模擬電路。電路的輸入u1 接da1，電路的輸出u2 接ad1。
檢查無誤後接通電源。
4.在實驗專案的下拉列表中選擇實驗一[一、典型環節及其階躍響應] 。
5.滑鼠單擊按鈕，彈出實驗課題引數設定對話方塊。在引數設定對話方塊中設定
相應的實驗引數後滑鼠單擊確認等待螢幕的顯示區顯示實驗結果
6.觀測計算機螢幕顯示出的響應曲線及資料。
7.記錄波形及資料（由實驗報告確定）。
六、實驗報告
1、比例環節：g(s)=-r2/r1
r2=5k r1=10k
2、慣性環節：
r1=100k r2=200k c=1uf
其中有k=r2/r1=2，t=r2*ｃ=0.2，則有
g（s）= 10/s+1
3、積分環節
r0=200k c=1uf
g（s）=1/ts
t=rc=200000*1uf=0.2
所以有g(s)=5/s
4、微分環節
r0=300k c=1uf
5、比例微分環節：
r1=100k r2=200k c=1uf
實驗二二階系統階躍響應
一、實驗目的
1．研究二階系統的特徵引數，阻尼比ζ和無阻尼自然頻率ωn 對系統動態效能的影響。定
量分析 ζ 和ωn 與最大超調量mp 和調節時間ts 之間的關係。
2．學會根據系統階躍響應曲線確定傳遞函式。
二、實驗儀器
1．el-at-iii 型自動控制系統實驗箱一台
2．計算機一台
三、實驗原理
控制系統模擬實驗利用運算放大器不同的輸入網路和反饋網路模擬各種典型環節，然
後按照給定系統的結構圖將這些模擬環節連線起來，便得到了相應的模擬系統。再將輸入
訊號加到模擬系統的輸入端，並利用計算機等測量儀器，測量系統的輸出，便可得到系統
的動態響應曲線及效能指標。若改變系統的引數，還可進一步分析研究引數對系統效能的
影響。四、實驗內容
典型二階系統的閉環傳遞函式為ω2n
（s）= （1）
s2＋2ζωns＋ω2
n其中 ζ 和ωn 對系統的動態品質有決定的影響。構成圖2-1 典型二階系統的模擬電路，
並測量其階躍響應：
圖2-1 二階系統模擬電路圖
根據二階系統的模擬電路圖，畫出二階系統結構圖並寫出系統閉環傳遞函式。把不同ζ
和ωn 條件下測量的mp 和ts 值列表，根據測量結果得出相應結論。.畫出系統響應曲線，
再由ts 和mp 計算出傳遞函式，並與由模擬電路計算的傳遞函式相比較。
自控理論實驗指導書
五、實驗步驟
1.取ωn=10rad/s, 即令r=100kω，c=1μf；分別取ζ=0、0.25、0.5、1、2，即取r1=100kω，
r2 分別等於0、50kω、100kω、200kω、400kω。輸入階躍訊號，測量不同的ζ時繫
統的階躍響應，並由顯示的波形記錄最大超調量mp 和調節時間ts 的數值和響應動態
曲線，並與理論值比較。
2.取ζ=0.5。即電阻r2 取r1=r2=100kω；ωn=100rad/s, 即取r=100kω，改變電路中的電
容c=0.1μf(注意：二個電容值同時改變)。輸入階躍訊號測量系統階躍響應，並由顯
示的波形記錄最大超調量σp 和調節時間ts。
六、實驗報告。
二階階躍響應
ζ=0.5，r1=100k，r2=100k
這是有x1=320，及ts=320ms，由於mp=120mv這樣計算得到ζ=0.56,wn2=140
ζ=0，r2=0，
ζ=0.25，r2=50k，
又這時有ζ=0.25的時候有tp=320ms計算可以得到這時的wn=11.33
ζ=1，r2=200k，
這個時候沒有超調量
ζ=1，r2=400k
沒有超調量
ζ=0.5，r1=100k，r2=100k， c=0.1uf
這裡有tp=32約減少了10倍，有wn=118
實驗三連續系統串聯校正
一、實驗目的
1. 加深理解串聯校正裝置對系統動態效能的校正作用。
2. 對給定系統進行串聯校正設計，並通過模擬實驗檢驗設計的正確性。
二、實驗儀器
1．el-at-iii 型自動控制系統實驗箱一台
2．計算機一台
三、實驗內容
1．串聯超前校正
（1）系統模擬電路圖如圖3-1，圖中開關s 斷開對應未校情況，接通對應超前校正。
圖3-1 超前校正電路圖
（2）系統結構圖如圖3-2
圖3-2 超前校正系統結構圖
圖中 gc1（s）=2
2（0.055s+1）
gc2（s）=
0.005s+1
2．串聯滯後校正
（1） 模擬電路圖如圖3-3，開關s 斷開對應未校狀態，接通對應滯後校正。
自控理論實驗指導書
圖3-3 滯後校正模擬電路圖
（2）系統結構圖示如圖3-4
圖3-4 滯後系統結構圖
圖中 gc1(s）=5
5（s+1）
gc2（s）=
6s+1
3．串聯超前—滯後校正
（1） 模擬電路圖如圖5-5，雙刀開關斷開對應未校狀態，接通對應超前—滯後校正。
圖3-5 超前—滯後校正模擬電路圖
自控理論實驗指導書
（2） 系統結構圖示如圖3-6。
圖3-6 超前—滯後校正系統結構圖
圖中 gc1（s）=6
6（1.2s+1）（0.15s+1）
gc2（s）=
（6s+1）（0.05s+1）
四、 實驗步驟
超前校正：
1． 連線被測量典型環節的模擬電路(圖 5-1)，開關s 放在斷開位置。
2． 系統加入階躍訊號，測量系統階躍響應，並記錄超調量σp 和調節時間ts。
3． 開關 s 接通，重複步驟2，並將兩次所測的波形進行比較。
滯後校正：
4． 連線被測量典型環節的模擬電路(圖 5-3)，開關s 放在斷開位置。系統加入階
躍訊號。測量系統階躍響應，並記錄超調量σp 和調節時間ts。
5．開關s 接通，重複步驟2，並將兩次所測的波形進行比較
超前--滯後校正
6. 接被測量典型環節的模擬電路(圖5-5)。雙刀開關放在斷開位置。系統加入階
躍訊號。測量系統階躍響應，並記錄超調量σp 和調節時間ts
7．雙刀開關接通，重複步驟2，並將兩次所測的波形進行比較。
串聯超前校正
gc1（s）=2校正前
gc2（s）=2（0.055s+1）/（005s+1）校正後
相角裕度為-126有wc=15.1rad
超前校正網路可以有效地改善系統的平穩度和穩定性，平且對快速性也有有利的影響
滯後校正
gc1(s）=5校正前
gc2（s）=5（s+1）/（ 6s+1）校正後
相角裕度約為-124度，wc=14rad
滯後校正提高了系統的低頻響應的增益，減小系統的穩定誤差，同時遲後校正裝置的低頻濾波器的特性。
串聯超前—滯後校正
gc1（s）=6校正前
gc2（s）= 6（1.2s+1）（0.15s+1）/（6s+1）（0.05s+1）校正後
有相角裕度在-124度wc=14.1rad
串聯滯後校正同時對系統的穩態和暫態響應都有影響，既有串聯響應的優點，也有滯後響應的優點。
自動控制原理實驗報告
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