北京交通大學(xué)自控實驗報告.docx

自動控制原理實驗報告姓 名： XXX 學(xué) 號： 專 業(yè)： 班 級： 實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)一、實驗?zāi)康?. 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(tǒng)時域性能指標(biāo)的測量方法。二、實驗儀器1 EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 計算機(jī)一臺三、實驗原理1模擬實驗的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實驗采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計算機(jī)等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。 四、實驗內(nèi)容構(gòu)成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應(yīng)：1. 比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-1。 G（S）= -R2/R12. 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)如圖1-2。 G（S）= - K/TS+1 K=R2/R1，T=R2C3. 積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-3。 G（S）=1/TS T=RC 4. 微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-4。G（S）= - RCS5. 比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1-5（未標(biāo)明的C=0.01uf）。 G（S）= -K（TS+1） K=R2/R1，T=R1C 五、實驗步驟 1.啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動控制實驗系統(tǒng) 運行軟件。2.測試計算機(jī)與實驗箱的通信是否正常,通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。3.連接各個被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接DA1，電路的輸出U2接AD1。檢查無誤后接通電源。4.在實驗項目的下拉列表中選擇實驗一一、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng) 。5.鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果6.觀測計算機(jī)屏幕顯示出的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。7.記錄波形及數(shù)據(jù)（由實驗報告確定）。六、實驗結(jié)果及分析1.比例環(huán)節(jié)模擬電路對應(yīng)的響應(yīng)曲線如下：G（S）= -R2/R1=-2響應(yīng)曲線與計算結(jié)果相符合。2. 慣性環(huán)節(jié)模擬電路對應(yīng)的響應(yīng)曲線如下：K=R2/R1，T=R2C， G（S）= - K/TS+1 =-10/(s+2) ， 響應(yīng)曲線與計算結(jié)果相符合。3. 積分環(huán)節(jié)模擬電路對應(yīng)的響應(yīng)曲線如下： T=RC ，G（S）=1/TS=10/s響應(yīng)曲線與計算結(jié)果相符合。4. 微分環(huán)節(jié)模擬電路對應(yīng)的響應(yīng)曲線如下： G（S）= - RCS=0.1s響應(yīng)曲線與計算結(jié)果相符合。5. 比例微分環(huán)節(jié)模擬電路對應(yīng)的響應(yīng)曲線如下: K=R2/R1，T=R1C , G（S）= -K（TS+1）=10/(s+10) 響應(yīng)曲線與計算結(jié)果相符合。 實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)一、實驗?zāi)康?1研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比z和無阻尼自然頻率wn對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。定量分析 z 和wn與最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間tS之間的關(guān)系。 2學(xué)會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。二、實驗儀器1EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺 2計算機(jī)一臺三、實驗原理控制系統(tǒng)模擬實驗利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計算機(jī)等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。四、實驗內(nèi)容 典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 w2n j（S）= （1） s22zwnsw2n其中 z 和wn對系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)有決定的影響。構(gòu)成圖2-1典型二階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應(yīng)：圖2-1 二階系統(tǒng)模擬電路圖根據(jù)二階系統(tǒng)的模擬電路圖，畫出二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖并寫出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。把不同z和wn條件下測量的Mp和ts值列表，根據(jù)測量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。.畫出系統(tǒng)響應(yīng)曲線，再由ts和Mp計算出傳遞函數(shù)，并與由模擬電路計算的傳遞函數(shù)相比較。五、實驗步驟1.取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分別取z=0、0.25、0.5、1、2，即取R1=100KW，R2分別等于0、50KW、100KW、200KW、400KW。輸入階躍信號，測量不同的z時系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間Ts的數(shù)值和響應(yīng)動態(tài)曲線，并與理論值比較。2.取z=0.5。即電阻R2取R1=R2=100KW；wn=100rad/s, 即取R=100KW，改變電路中的電容C=0.1mf(注意：二個電容值同時改變)。輸入階躍信號測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間Ts。六、實驗結(jié)果及分析1.實驗截圖 (c=1uf)R2=0 w2n j（S）= 得， j（S）=100/( s2100 ) 由 s22zwnsw2nR2=50K w2n j（S）= 得， j（S）=100/( s25s+100 ) 由 s22zwnsw2nR2=100K w2n j（S）= 得， j（S）=100/( s210s+100 ) 由 s22zwnsw2nR2=200K w2n j（S）= 得， j（S）=100/( s220s+100 ) 由 s22zwnsw2nR2=400K w2n j（S）= 得， j（S）=100/( s240s+100 ) 由 s22zwnsw2n（R1=R2=100K,c=0.1uf） w2n由 j（S）= 得， j（S）=10000/( s2100s+10000 ) s22zwnsw2n2 不同和n 條件下測量的Mp 和ts 值R1R2CnMP（mv）TS(ms)100K01f010rad/s-無窮大100K50K1f0.2510rad/s461（46.1%）1203100K100K1f0.510rad/s181（18.1%）646100K200K1f110rad/s0473100K400K1f210rad/s01270100K100K0.1f0.5100rad/s167（16.7%）67由表可知，當(dāng)為0時系統(tǒng)處于臨界阻尼狀態(tài)，等幅振蕩。當(dāng)在（0，1）之間時系統(tǒng)處于欠阻尼狀態(tài)，當(dāng)大于0時系統(tǒng)處于過阻尼狀態(tài)，超調(diào)量為0.相同阻尼比的情況下，通過改變n，可以減小系統(tǒng)的響應(yīng)時間并減少超調(diào)量。3.實際值與理論值的比較（小寫為理論值）nMPTS(ms)mpts(ms)010rad/s-無窮大-無窮大0.2510rad/s461（46.1%）120351.5%12000.510rad/s181（18.1%）64616.3%800110rad/s04730-210rad/s012700-0.5100rad/s167（16.7%）6716.3%80又上表可以看出實驗值與理論值基本相同。實驗三 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實驗?zāi)康?. 加深理解串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能的校正作用。2. 對給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計，并通過模擬實驗檢驗設(shè)計的正確性。二、實驗儀器1EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2計算機(jī)一臺三、實驗內(nèi)容 1串聯(lián)超前校正（1）系統(tǒng)模擬電路圖如圖3-1，圖中開關(guān)S斷開對應(yīng)未校情況，接通對應(yīng)超前校正。圖3-1 超前校正電路圖 （2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2圖3-2 超前校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1（s）=2 2（0.055s+1） Gc2（s）= 0.005s+1 2串聯(lián)滯后校正（1） 模擬電路圖如圖3-3，開關(guān)s斷開對應(yīng)未校狀態(tài)，接通對應(yīng)滯后校正。圖3-3 滯后校正模擬電路圖（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖3-4 圖3-4 滯后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1(s）=5 5（s+1） Gc2（s）= 6s+1 3串聯(lián)超前滯后校正（1） 模擬電路圖如圖5-5，雙刀開關(guān)斷開對應(yīng)未校狀態(tài)，接通對應(yīng)超前滯后校正。 圖3-5 超前滯后校正模擬電路圖（2） 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖3-6。圖3-6超前滯后校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1（s）=6 6（1.2s+1）（0.15s+1） Gc2（s）= （6s+1）（0.05s+1）一、 實驗步驟超前校正：1 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-1)，開關(guān)s放在斷開位置。2 系統(tǒng)加入階躍信號，測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。3 開關(guān)s接通，重復(fù)步驟2，并將兩次所測的波形進(jìn)行比較。滯后校正：4 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-3)，開關(guān)s放在斷開位置。系統(tǒng)加入階躍信號。測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts。5開關(guān)s接通，重復(fù)步驟2，并將兩次所測的波形進(jìn)行比較超前-滯后校正 6. 接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖5-5)。雙刀開關(guān)放在斷開位置。系統(tǒng)加入階躍信號。測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量sp和調(diào)節(jié)時間ts7雙刀開關(guān)接通，重復(fù)步驟2，并將兩次所測的波形進(jìn)行比較。五、實驗結(jié)果及分析3.1串聯(lián)超前校正開關(guān)斷開時間353 1672 1240 559開關(guān)閉合校正前系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G=40/（0.2s*s+s）,校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G=（2.2s+40）/(0.01s*s*s+0.25s*s+s)波特圖如下通過波特圖和系統(tǒng)階躍響應(yīng)可以看出超前校正增大系統(tǒng)的相角裕度，改善了系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性。3.2串聯(lián)滯后校正未加校正5278 685校正后 1112 307紫開關(guān)斷開開關(guān)閉合校正前系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G=50/（0.005s*s*s+0.5s*s+s） 校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G=（50s+50）/(0.03s*s*s*s+3.005s*s*s+6.5s*s+s)波特圖如下通過波特圖和系統(tǒng)階躍響應(yīng)可以看出滯后校正通過對快速性的限制換取了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。3. 超前-滯后校正未調(diào)節(jié)1533 671調(diào)節(jié) 684 293開關(guān)斷開開關(guān)閉合校正前系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G=60/（0.001s*s*s+0.11s*s+s）,校正后系統(tǒng)傳遞函數(shù)為G=60（1.2s+1）(0.15s+1)/( 0.001s*s*s+0.11s*s+s）(0.3s*s+6.05s+1)波特圖如下通過波特圖和系統(tǒng)階躍響應(yīng)可以看出滯后-超前校正能夠綜合超前和滯后校正的優(yōu)點，全面提高系統(tǒng)的控制性能。實驗心