1、自动控制理论实验教学大纲课程名称：自动控制理论 课程编号：课程性质：非独立设课 面向专业：自动化使用教材：自编 课程学分：考核方法：成绩是考核学习效果的重要手段，实验成绩按学生的实验态度，独立动手能力和实验报告综合评定，以 20%的比例计入本门课程的总成绩。实验课总成绩由平时成绩（20%） 、实验理论考试成绩（40%） 、实验操作考试成绩（40%）三部分组成，满分为 100 分。实验理论考试内容包含实验原理、实验操作方法、实验现象解析、实验结果评价、实验方案设计等。考试题型以填空、判断、选择、问答为主，同时可结合课程特点设计其他题型。实验操作考试根据课程特点设计若干个考试内容，由学生抽签定题。
2、平时成绩考核满分为 20 分，平时成绩 = 平时各次实验得分总和实验次数（20 分） 。每次实验得分计算办法为：实验报告满分 10 分（其中未交实验报告或不合格者 0 分，合格 6 分，良好 8 分，优秀 10 分） ；实验操作满分 10 分（其中旷课或不合格者 0 分，合格6 分，良好 8 分，优秀 10 分） 。撰写人：任鸟飞 审核人：胡皓课程简介：自动控制理论是电气工程及其自动化专业最主要的专业基础必修课。通过本课程的各个教学环节的实践，要求学生能熟练利用模拟电路搭建需要的控制系统、熟练使用虚拟示波器测试系统的各项性能指标，并能根据性能指标的变化分析参数对系统的影响。实验过程中要求学生熟
3、悉自动控制理论中相关的知识点，可以在教师预设的实验前提下自己设计实验方案，完成实验任务。教学大纲要求总学时 80，其中理论教学 68 学时、实验 12 学时，实验个数 6 个。实验项目一览表实验类型及计划学时序号 实验项目名称演示 验证 综合 设计开设学期开出要求1 典型环节的电路模拟 4 必做2 二阶系统的瞬态响应 4 必做3 高阶系统的瞬态响应和稳定性分析 4 选做4 线性定常系统的稳态误差 4 选做5 典型环节和系统频率特性的测量 4 必做6 线性定常系统的串联校正 4 必做7 典型非线性环节的静态特性 4 必做8 非线性系统的描述函数法 4 选做9 采样控制系统的分析 4 选做10 采
4、样控制系统的动态校正 4 选做合 计实验一 典型环节的电路模拟一、实验类型：综合性实验二、实验目的：1. 熟悉 THBCC-1 型实验平台及“THBCC-1”软件的使用；2. 熟悉各典型环节的阶跃响应特性及其电路模拟；3. 测量各典型环节的阶跃响应曲线，并了解参数变化对其动态特性的影响。三、实验内容与要求：1. 设计并组建各典型环节的模拟电路；2. 测量各典型环节的阶跃响应，并研究参数变化对其输出响应的影响；3. 画出各典型环节的实验电路图，并注明参数。4. 写出各典型环节的传递函数。5. 根据测得的典型环节单位阶跃响应曲线，分析参数变化对动态特性的影响。四、仪器设备：1. THBCC-1 型
5、 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：给环节加阶跃信号前，注意按下“锁零按钮”对电容上的电荷清零，保证系统为零初始条件。实验二 二阶系统的瞬态响应一、实验类型：综合性实验二、实验目的：1. 通过实验了解参数 (阻尼比)、 的变化对二阶系统动态性能的影响；n2. 掌握二阶系统动态性能的测试方法。三、实验内容与要求：1. 观测二阶系统的阻尼比分别在 01 三种情况下的单位阶跃响应曲线；2. 为一定时，观测系统在不同 时的响应曲线。n3. 画出二阶系统
6、线性定常系统的实验电路，并写出闭环传递函数，表明电路中的各参数；4. 根据测得系统的单位阶跃响应曲线，分析开环增益 K 和时间常数 T 对系统的动态性能的影响。四、仪器设备：1. THBCC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：实验三 高阶系统的瞬态响应和稳定性分析一、实验类型：综合性实验二、实验目的：1. 通过实验，进一步理解线性系统的稳定性仅取决于系统本身的结构和参数、与外作用及初始条件均无关的特性；2. 研究系统的开环增益 K 或其
7、它参数的变化对闭环系统稳定性的影响。三、实验内容与要求：1. 观测三阶系统的开环增益 K 为不同数值时的阶跃响应曲线。2. 画出三阶系统线性定常系统的实验电路，并写出其闭环传递函数，表明电路中的各参数。3. 根据测得的系统单位阶跃响应曲线，分析开环增益对系统动态特性及稳定性的影响。四、仪器设备：1. THBCC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：1. 给系统加阶跃信号前，注意按下“锁零按钮”对电容上的电荷清零，保证系统为零初始条件。2.
8、 在对系统整体联调前，先对每一个环节进行阶跃信号测试，保证该环节输出正常。实验四 线性定常系统的稳态误差一、实验类型：综合性实验二、实验目的：1. 通过本实验，理解系统的跟踪误差与其结构、参数与输入信号的形式、幅值大小之间的关系；2. 研究系统的开环增益 K 对稳态误差的影响。三、实验内容与要求：1. 观测 0 型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；2. 观测 I 型二阶系统的单位阶跃响应和单位斜坡响应，并实测它们的稳态误差；3. 观测 II 型二阶系统的单位斜坡响应和单位抛物坡，并实测它们的稳态误差。4. 画出 0 型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单
9、位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。5. 画出型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位阶跃和单位斜坡信号输入时的稳态误差。6. 画出型二阶系统的方框图和模拟电路图，并由实验测得系统在单位斜坡和单位抛物线函数作用下的稳态误差。7. 观察由改变输入阶跃信号的幅值，斜坡信号的速度，对二阶系统稳态误差的影响。并分析其产生的原因。四、仪器设备：1. THBCC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：1. 给系统加阶跃信号前，注意按下“
10、锁零按钮”对电容上的电荷清零，保证系统为零初始条件。2. 在对系统整体联调前，先对每一个环节进行阶跃信号测试，保证该环节输出正常。实验五 典型环节和系统频率特性的测量一、实验类型：设计性实验二、实验目的：1. 了解典型环节和系统的频率特性曲线的测试方法；2. 掌握根据频率特性曲线求取传递函数的方法。三、实验内容与要求：1. 惯性环节的频率特性测试；2. 二阶系统频率特性测试；3. 由实验测得的频率特性曲线，求取相应的传递函数。4. 写出被测环节和系统的传递函数，并画出相应的模拟电路图；5. 把实验测得的数据和理论计算数据列表，绘出它们的 Bode 图，并分析实测的 Bode 图产生误差的原因；
11、6. 用上位机实验时，根据由实验测得二阶系统闭环幅频特性曲线，据此写出该系统的传递函数，并把计算所得的谐振峰值和谐振频率与实验结果相比较；7. 绘出被测环节和系统的幅频特性。四、仪器设备：1. THBCC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：1、给系统加阶跃信号前，注意按下“锁零按钮”对电容上的电荷清零，保证系统为零初始条件。2、借助于 Matlab 绘制半对数坐标系下的频率特性曲线。实验六 线性定常系统的串联校正一、实验类型：设计性实验
12、二、实验目的：1. 通过实验，理解所加校正装置的结构、特性和对系统性能的影响；2. 掌握串联校正几种常用的设计方法和对系统的实时调试技术。三、实验内容与要求：1. 观测未加校正装置时系统的动、静态性能；2. 按动态性能的要求，分别用时域法或频域法（期望特性）设计串联校正装置；3. 观测引入校正装置后系统的动、静态性能，并予以实时调试，使之动、静态性能均满足设计要求；4. 利用上位机软件，分别对校正前和校正后的系统进行仿真，并与上述模拟系统实验的结果相比较。5. 根据对系统性能的要求，设计系统的串联校正装置，并画出它的电路图；6. 根据实验结果，画出校正前系统的阶跃响应曲线及相应的动态性能指标；
13、7. 观测引入校正装置后系统的阶跃响应曲线，并将由实验测得的性能指标与理论计算值作比较；8. 实时调整校正装置的相关参数，使系统的动、静态性能均满足设计要求，并分析相应参数的改变对系统性能的影响。四、仪器设备：1. THBCC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：1. 给系统加阶跃信号前，注意按下“锁零按钮”对电容上的电荷清零，保证系统为零初始条件。2. 在对系统整体联调前，先对每一个环节进行阶跃信号测试，保证该环节输出正常。实验七 典型
14、非线性环节的静态特性一、实验类型：验证性实验二、实验目的：1. 了解典型非线性环节输出输入的静态特性及其相关的特征参数；2. 掌握典型非线性环节用模拟电路实现的方法。三、实验内容与要求：1. 继电器型非线性环节静特性的电路模拟；2. 饱和型非线性环节静特性的电路模拟；3. 具有死区特性非线性环节静特性的电路模拟；4. 具有间隙特性非线性环节静特性的电路模拟。5. 画出各典型非线性环节的模拟电路图，并选择好相应的参数；6. 根据实验，绘制相应非线性环节的实际静态特性，并与理想情况下的静态特性相比较，分析电路参数对特性曲线的影响。四、仪器设备：1. THBCC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控
15、制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：实验面板上的非线性单元中，有些期间只是绘制了图形符号在图中，并没有在电路中实际接入，注意用导线连接相应单元。实验八 非线性系统的描述函数法一、实验类型：综合性实验二、实验目的：1. 进一步熟悉非线性控制系统的电路模拟方法；2. 掌握用描述函数法分析非线性控制系统；3通过实验进一步了解非线性系统产生自持振荡的条件和非线性参数对系统性能的影响。三、实验内容与要求：1. 用描述函数法分析继电器型非线性三阶系统的稳定性，并由实验测量自持振荡的振幅
16、和频率；2. 用描述函数法分析饱和型非线性三阶系统的稳定性，并由实验测量自持振荡的振幅和频率；3. 掌握饱和型非线性系统消除自持振荡的方法。4. 观测继电型非线性系统的自持振荡，将由实验测量自振荡的幅值与频率与理论计算值相比较，并分析两者产生差异的原因。5. 调节系统的开环增益 K，使饱和非线性系统产生自持振荡，由实验测量其幅值与频率，并与理论计算值相比较。四、仪器设备：1. THBCC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：各非线性环节在
17、接入线性系统前，注意检查其输入输出特性并记录相应参数。实验九 采样控制系统的分析一、实验类型：验证性实验二、实验目的：1. 熟悉用 LF398 组成的采样控制系统；2. 通过本实验进一步理解香农定理和零阶保持器 ZOH 的原理及其实现方法；3. 观察系统在阶跃作用下的稳态误差。研究开环增益 K 和采样周期 T 的变化对系统动态性能的影响。三、实验内容与要求：1. 利用实验平台设计一个对象为二阶环节的模拟电路，并与采样电路组成一个数-模混合系统。2. 分别改变系统的开环增益 K 和采样周期 TS，研究它们对系统动态性能及稳态精度的影响。3. 画出系统相应的模拟电路图；4. 研究采样周期 T 的变
18、化对系统性能的影响。四、仪器设备：1. THBCC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：用虚拟示波器中的信号发生器可提供一路周期信号。实验十 采样控制系统的动态校正一、实验类型：设计性实验二、实验目的：1. 通过实验进一步理解采样定理的基本理论；2. 掌握采样控制系统校正装置的设计和调试方法；3. 通过实验进一步认识到采样控制系统与线性连续定常系统的本质区别和采样周期 T 对系统性能的影响。三、实验内容与要求：1. 利用本实验平台构造一个
19、被控对象为二阶环节的模拟电路；2. 在满足 KV的要求下，观测系统的单位阶跃响应曲线，据此确定超调量值；p3. 在满足 KV的要求且采样时间 T=0.1s 时，观测该系统加入校正环节(见“实验六”连续系统的校正环节)后的单位阶跃响应曲线并求其 值。p4、画出未校正系统相应的模拟电路图；5、设计并绘制加校正环节后系统的采样控制电路图；6、研究加校正环节后系统的动态性能，并画出校正后系统的阶跃响应曲线；7、研究采样周期 T 的变化对系统性能的响应。四、仪器设备：1. THBCC-1 型 信号与系统控制理论及计算机控制技术实验平台；2. PC 机一台(含“THBCC-1”软件)、USB 数据采集卡、37 针通信线 1 根、16 芯数据排线、USB 接口线； 五、注意事项：1. 给系统加阶跃信号前，注意按下“锁零按钮”对电容上的电荷清零，保证系统为零初始条件。2. 用虚拟示波器中的信号发生器可提供一路周期信号。制 定 人：任鸟飞审 核 人：胡 皓负 责 人：胡 皓制定日期：2016 年 9 月
