武大電氣自控實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、20162017 學(xué)年第一學(xué)期自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告年級(jí)：大三 班號(hào)：1407姓名：陳繼業(yè) 學(xué)號(hào)：2014302540205成績(jī): 教師：楊玲君實(shí)驗(yàn)設(shè)備及編號(hào)：A10實(shí)驗(yàn)同組人名單：陳繼業(yè)，劉金來(lái) 實(shí)驗(yàn)地點(diǎn)：電氣工程學(xué)院自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)室 實(shí)驗(yàn)時(shí)間： 2016 年 10 月 實(shí)驗(yàn)一 典型環(huán)節(jié)的電路模擬1. 比例（p）環(huán)節(jié)根據(jù)比例環(huán)節(jié)的方框圖，電路圖，用CT01實(shí)驗(yàn)?zāi)K組建相應(yīng)的模擬電路。電路圖為：圖中后一個(gè)單元為反相器，其中R0=200k。參數(shù)設(shè)置：若比例系數(shù) K=1 時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=100k；若比例系數(shù) K=2 時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=200k。比例

2、系數(shù)K=1時(shí)：比例系數(shù)K=2時(shí)：當(dāng)ui為一單位階躍信號(hào)時(shí)，用上位機(jī)軟件觀測(cè)并記錄相應(yīng)K值時(shí)的實(shí)驗(yàn)曲線(xiàn)，并與理論值進(jìn)行比較。另外R2還可使用可變電位器，以實(shí)現(xiàn)比例系數(shù)為任意的設(shè)定值。比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：Gs=K隨著K的增大，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的比例越來(lái)越大，在圖像上表現(xiàn)為輸入信號(hào)幅值越來(lái)越大。2. 積分（I）環(huán)節(jié)根據(jù)積分環(huán)節(jié)的電路圖，用CT01實(shí)驗(yàn)?zāi)K組建相應(yīng)的模擬電路。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中 R0=200k。 若積分時(shí)間常數(shù) T=1s 時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=100k，C=10uF(T=RC=100k×10uF=1s)；若積分時(shí)間常數(shù) T=0.1s 時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟=1

3、00k，C=1uF(T=RC=100k×1uF=0.1s)。積分時(shí)間常數(shù)T=1s時(shí)：積分時(shí)間常數(shù)T=0.1s時(shí)：積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 隨著T的增加，系統(tǒng)輸出到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越長(zhǎng)。當(dāng)積分環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)T變小時(shí)，積分作用更加強(qiáng)烈，達(dá)到穩(wěn)定值所需要的時(shí)間更短，在波形圖中表現(xiàn)為斜率更大。3. 比例積分（PI）環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分環(huán)節(jié)的電路圖，用CT01實(shí)驗(yàn)?zāi)K組建相應(yīng)的模擬電路。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中 R0=200k。 若取比例系數(shù) K=1、積分時(shí)間常數(shù) T=1s 時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k， C=10uF(K=R2/R1=1，T=R2C=100k×10

4、uF=1s)；若取比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=0.1s時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K=R2/R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)。注：通過(guò)改變 R2、R1、C 的值可改變比例積分環(huán)節(jié)的放大系數(shù) K 和積分時(shí)間常數(shù) T。比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=1s時(shí)：比例系數(shù)K=1、積分時(shí)間常數(shù)T=0.1s時(shí)：比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為： 比例系數(shù)K的變化，不會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性；隨著積分常數(shù)T的增加，系統(tǒng)輸出到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越長(zhǎng)。而積分常數(shù)越小，說(shuō)明積分的作用越強(qiáng)烈，在圖上表現(xiàn)為斜率更大。4. 比例微分（PD）環(huán)節(jié)根據(jù)比例微分環(huán)節(jié)的電路圖，

5、用CT01實(shí)驗(yàn)?zāi)K組建相應(yīng)的模擬電路。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中 R0=200k。 若比例系數(shù) K=1、微分時(shí)間常數(shù) T=0.1s 時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=100k，C=1uF(K=R2/R1=1，T=R1C=100k×1uF=0.1s)； 若比例系數(shù) K=1、微分時(shí)間常數(shù) T=1s 時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K=R2/R1=1，T=R1C=100k×10uF=1s)。比例系數(shù)K=1、微分時(shí)間常數(shù)T=0.1s時(shí)：比例系數(shù)K=1、微分時(shí)間常數(shù)T=1s時(shí)：比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：G(S)=隨著T的增加，系統(tǒng)輸出到達(dá)穩(wěn)

6、態(tài)所需時(shí)間越長(zhǎng)。微分時(shí)間常數(shù)越小，微分作用越強(qiáng)烈，圖中表現(xiàn)為，當(dāng)輸入有了一個(gè)響應(yīng)后，更快地達(dá)到穩(wěn)定值。由于兩次測(cè)試的比例系數(shù)K相等，最后達(dá)到的穩(wěn)定值相同，但由于微分常數(shù)不相等，動(dòng)態(tài)特性不同，微分時(shí)間常數(shù)小的先達(dá)到穩(wěn)定值。5. 比例積分微分（PID）環(huán)節(jié)根據(jù)比例積分微分環(huán)節(jié)的電路圖，用CT01實(shí)驗(yàn)?zāi)K組建相應(yīng)的模擬電路。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中 R0=200k。 若比例系數(shù) K=2、積分時(shí)間常數(shù)TI=0.1s、微分時(shí)間常數(shù) TD=0.1s 時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=1uF (K=(R1C1+ R2C2)/ R1C2=2，TI=R1C2=100k&

7、#215;1uF=0.1s，TD=R2C1=100k×1uF=0.1s)； 若比例系數(shù) K=1.1、積分時(shí)間常數(shù) TI=1s、微分時(shí)間常數(shù) TD =0.1s 時(shí)，電路中的參數(shù)?。篟1=100k，R2=100k，C1=1uF、C2=10uF (K=(R1C1+ R2C2)/ R1C2=1.1，TI=R1C2=100k×10uF=1s，TD=R2C1=100k×1uF=0.1s)。比例系數(shù)K=2、積分時(shí)間常數(shù)TI=0.1s、微分時(shí)間常數(shù)TD=0.1s時(shí)：比例系數(shù)K=1.1、積分時(shí)間常數(shù)TI=1s、微分時(shí)間常數(shù)TD=0.1s時(shí)：比例積分微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：比例系數(shù)K的

8、變化，不會(huì)影響系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性，隨著K的增加，輸出開(kāi)始幅值是輸入信號(hào)的K倍；隨著的增加，系統(tǒng)輸出到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越長(zhǎng)。積分常數(shù)越小，說(shuō)明積分的作用越強(qiáng)烈，在圖上表現(xiàn)為斜率更大；微分時(shí)間常數(shù)越小，微分作用越強(qiáng)烈，圖中表現(xiàn)為，當(dāng)輸入有了一個(gè)響應(yīng)后，更快地達(dá)到穩(wěn)定值。6. 慣性環(huán)節(jié)根據(jù)慣性環(huán)節(jié)的電路圖，用CT01實(shí)驗(yàn)?zāi)K組建相應(yīng)的模擬電路。圖中后一個(gè)單元為反相器，其中 R0=200k。 若比例系數(shù) K=1、時(shí)間常數(shù) T=1s 時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C=10uF(K= R2/R1=1，T=R2C=100k×10uF=1s)； 若比例系數(shù) K=1、時(shí)間常數(shù) T=0.

9、1s 時(shí)，電路中的參數(shù)取：R1=100k，R2=100k，C=1uF(K= R2/R1=1，T=R2C=100k×1uF=0.1s)； 通過(guò)改變 R2、R1、C 的值可改變慣性環(huán)節(jié)的放大系數(shù) K 和時(shí)間常數(shù) T。比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=1s時(shí)：比例系數(shù)K=1、時(shí)間常數(shù)T=0.1s時(shí)：慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：隨著T的增加，系統(tǒng)輸出到達(dá)穩(wěn)態(tài)所需時(shí)間越長(zhǎng)。慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)越大代表慣性越大。實(shí)驗(yàn)思考題：1.  用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí)，其傳遞函數(shù)是在什么假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的？ 答：1）假定運(yùn)放具有理想特性，即滿(mǎn)足“虛短”“虛斷”特性。2）運(yùn)放的靜態(tài)量為零，輸入量、輸出量和

10、反饋量都可以用瞬時(shí)值表示其動(dòng)態(tài)變化。2.  積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差別是什么？在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)？而又在什么條件下，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)？ 答：慣性環(huán)節(jié)的特點(diǎn)是，當(dāng)輸入x(t)作階躍變化時(shí)，輸出y(t)不能立刻達(dá)到穩(wěn)態(tài)值，瞬態(tài)輸出以指數(shù)規(guī)律變化。而積分環(huán)節(jié)，當(dāng)輸入為單位階躍信號(hào)時(shí)，輸出為輸入對(duì)時(shí)間的積分，輸出y(t)隨時(shí)間呈直線(xiàn)增長(zhǎng)。 當(dāng)t趨于無(wú)窮大時(shí)，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為積分環(huán)節(jié)，當(dāng)t趨于0時(shí)，慣性環(huán)節(jié)可以近似地視為比例環(huán)節(jié)。3. 在積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)中，如何根據(jù)單位階躍響應(yīng)曲線(xiàn)的波形，確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)？

11、 答：在積分環(huán)節(jié)中，縱坐標(biāo)K對(duì)應(yīng)的橫坐標(biāo)就是時(shí)間常數(shù)T；在慣性環(huán)節(jié)中，在起始點(diǎn)作該店的切線(xiàn)，與y=K相交的點(diǎn)的橫坐標(biāo)就是時(shí)間常數(shù)T。4. 為什么實(shí)驗(yàn)中實(shí)際曲線(xiàn)與理論曲線(xiàn)有一定誤差？答：因?yàn)檫x擇的電子元器件，輸入輸出曲線(xiàn),不可能像理論那樣的線(xiàn)性， 在實(shí)驗(yàn)中，運(yùn)放并不是理想的，假設(shè)的2個(gè)條件是到處傳遞函數(shù)的前提。再加上元器件都有溫度特性曲線(xiàn).器件參數(shù)都有誤差。5. 為什么PD實(shí)驗(yàn)在穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)曲線(xiàn)有小范圍的振蕩？ 答：PD環(huán)節(jié)中存在微分環(huán)節(jié)，而微分環(huán)節(jié)對(duì)偏差敏感。因?yàn)檩斎氲男盘?hào)有噪聲，并不是平直光滑的，所以，經(jīng)過(guò)微分后，使得偏差放大，出現(xiàn)小范圍振蕩。實(shí)驗(yàn)二 二階系統(tǒng)的瞬

12、態(tài)響應(yīng)二階系統(tǒng)電路圖：閉環(huán)傳遞函數(shù)為：1. 值一定，即取圖中C=1uF，R=100k（此時(shí)n=10，值改變：（1）=0.2時(shí)（=250K）：（2）=0.707時(shí)（=70.7K）：（3）=1時(shí)（=50K）：（4） =2時(shí)（=25K）：2. 值一定，即取圖中R=100k，=250K（此時(shí)=0.2），值改變：（1）=1時(shí)（C=10uF）：（2）=10時(shí)（C=1uF）：分析：值一定（=10），隨著增大，上升時(shí)間增大，超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時(shí)間變短，峰值 時(shí)間變大；值一定（=0.2），隨著n增大， 自然頻率變大，阻尼比變大。K的變化使得閉環(huán)極點(diǎn)位置發(fā)生變化，K增大極點(diǎn)垂直遠(yuǎn)離實(shí)軸，超調(diào)量p

13、增大，調(diào)節(jié)時(shí)間ts與極點(diǎn)實(shí)部相關(guān)，因此不變，峰值時(shí)間tp與虛部成反比，因此減小。而實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知K值的增大使得穩(wěn)態(tài)誤差減小。由此可以知道，系統(tǒng)開(kāi)環(huán)放大系數(shù)對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)態(tài)性能都產(chǎn)生影響。思考題：1. 如果階躍輸入信號(hào)的幅值過(guò)大，會(huì)在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生什么后果？答：階躍信號(hào)幅值的大小選擇應(yīng)適當(dāng)考慮。過(guò)大會(huì)使系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的非線(xiàn)性因素增大，使線(xiàn)性系統(tǒng)變成非線(xiàn)性系統(tǒng)；過(guò)小也會(huì)使系統(tǒng)信噪比降低并且輸出響應(yīng)曲線(xiàn)不可能清楚顯示或記錄下來(lái)。2. 在電路模擬系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋和單位負(fù)反饋？答：將運(yùn)算放大器輸出端引回反相輸入端就是負(fù)反 饋,單位負(fù)反饋就是要比例系數(shù)為一的負(fù)反饋。3. 為什么本實(shí)驗(yàn)中二階系

14、統(tǒng)對(duì)階躍輸入信號(hào)的穩(wěn)態(tài)誤差為零？ 答：因?yàn)槎A欠阻尼系統(tǒng)，單位階躍響應(yīng)表達(dá)中，當(dāng)t趨向于無(wú)窮時(shí)，它值趨向于1，即穩(wěn)態(tài)誤差為0實(shí)驗(yàn)五 典型環(huán)節(jié)和系統(tǒng)頻率特性的測(cè)量1. 慣性環(huán)節(jié)電路圖為：參數(shù)為：C=0.1uF，=200K,=200K,=200K傳遞函數(shù)為：G（S）=幅頻特性：相頻特性：奈奎斯特曲線(xiàn)：2. 二階系統(tǒng)電路圖為：參數(shù)設(shè)置：可調(diào)，這里取43K（>1）,10K（0<<0.707）兩個(gè)典型值。傳遞函數(shù)為：當(dāng)=43K時(shí)：幅頻特性：相頻特性：奈奎斯特曲線(xiàn)：當(dāng)=43k時(shí)：幅頻特性：相頻特性：奈奎斯特曲線(xiàn)：思考題：1. 用示波器測(cè)試相頻特性時(shí),若把信號(hào)發(fā)生器的正弦信號(hào)送入

15、Y軸,被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)送至X軸,則根據(jù)橢圓光點(diǎn)的轉(zhuǎn)動(dòng)方向,如何確定相位的超前和滯后?答：如果輸入和輸出信號(hào)交換輸入的話(huà)，那么判斷超前和滯后的方法也要反過(guò)來(lái)，即順時(shí)針時(shí)為滯后，逆時(shí)針時(shí)為超前.2. 根據(jù)上位機(jī)測(cè)得的Bode圖的幅頻特性，就能確定系統(tǒng)（或環(huán)節(jié)）的相頻特性，試問(wèn)這在什么系統(tǒng)時(shí)才能實(shí)現(xiàn)？答：最小相位系統(tǒng)。實(shí)驗(yàn)六 線(xiàn)性定常系統(tǒng)的串聯(lián)校正1.零極點(diǎn)對(duì)消法（時(shí)域法）進(jìn)行串聯(lián)校正（1）校正前模擬電路圖：階躍響應(yīng)曲線(xiàn)：（2） 校正后模擬電路圖：參數(shù)設(shè)置：其中R2=R4200K,R1 =400K（實(shí)際取390K）,R3 10K,C=4.7uF階躍響應(yīng)曲線(xiàn)：分析可知：校正后超調(diào)量減小，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求

16、。2.期望特性校正法（1）校正前模擬電路圖：階躍響應(yīng)曲線(xiàn)：（3） 校正后模擬電路圖：注：80K電阻在實(shí)際電路中阻值可取82K。階躍響應(yīng)曲線(xiàn)：分析可知：校正后超調(diào)量符合要求，減小，滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。思考題：1 加入超前校正裝置后，為什么系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)變快？答：加入超前校正環(huán)節(jié)，利用其相位超前特性來(lái)增大系統(tǒng)的相位裕度，改變系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性,使系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)變快。2什么是超前校正裝置和滯后校正裝置，它們各利用校正裝置的什么特性對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行校正？答：利用超前網(wǎng)絡(luò)或PD控制器進(jìn)行串聯(lián)校正的裝置是超前校正裝置。利用滯后網(wǎng)絡(luò)或PI控制器進(jìn)行串聯(lián)校正的裝置是滯后校正裝置。超前校正的目的是改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，實(shí)現(xiàn)

17、在系統(tǒng)靜態(tài)性能不受損的前提下，提高系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。通過(guò)加入超前校正環(huán)節(jié)，利用其相位超前特性來(lái)增大系統(tǒng)的相位裕度，改變系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)頻率特性。一般使校正環(huán)節(jié)的最大相位超前角出現(xiàn)在系統(tǒng)新的穿越頻率點(diǎn)。滯后校正通過(guò)加入滯后校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)增益有較大幅度增加，同時(shí)又使校正后的系統(tǒng)動(dòng)態(tài)指標(biāo)保持原系統(tǒng)的良好狀態(tài)。它利用滯后校正環(huán)節(jié)的低通濾波特性，在不影響校正后系統(tǒng)低頻特性的情況下，使校正后系統(tǒng)中高頻段增益降低，從而使其穿越頻率前移，達(dá)到增加系統(tǒng)相位裕度的目的。3實(shí)驗(yàn)時(shí)所獲得的性能指標(biāo)為何與設(shè)計(jì)時(shí)確定的性能指標(biāo)有偏差？答：由于實(shí)驗(yàn)的各種元件參數(shù)的誤差以及一些不確定性引起的偶然誤差引起了實(shí)驗(yàn)性能的偏差。 實(shí)

18、驗(yàn)七 單閉環(huán)直流調(diào)速系統(tǒng)直流電機(jī)控制系統(tǒng)的方框圖為：分別改變P、I、D參數(shù)時(shí)得到的直流電機(jī)轉(zhuǎn)速變化曲線(xiàn)如下:（1）只改變P時(shí)：P、I、D為2、3、0時(shí)：P、I、D為5、3、0時(shí)：P、I、D為25、3、0時(shí)：（2）只改變I時(shí)：P、I、D為5、5、0時(shí)：P、I、D為5、10、0時(shí)：P、I、D為5、15、0時(shí)：P、I、D為5、23、0時(shí)：（3）只改變D時(shí)：P、I、D為5、3、3時(shí)：P、I、D為5、3、13時(shí)：P、I、D為5、3、23時(shí)：PID參數(shù)記錄表1.K變化，Ti、Td不變KTiTdn()(r/s)ess()(r/s)nmax(r/s)超調(diào)量(%)Ts(s)Tr(s)23024.88060.11

19、9430.30321.7924.134.86524.83650.163528.659515.3920.784.62524.88910.110927.801811.712.084.61分析：當(dāng)K增大時(shí)，超調(diào)量、調(diào)節(jié)時(shí)間都相應(yīng)減少2. Ti變化， K、Td不變KTiTdn()(r/s)ess()(r/s)nmax(r/s)超調(diào)量(%)Ts(s)Tr(s)55024.84760.152428.745915.6918.744.91524.71450.285527.286710.421.825.152324.76770.232324.85190.3412.586.65分析：當(dāng)Ti增大時(shí)，超調(diào)量減少3. Td變化，Ti、K不變KTiTdn()(r/s)ess()(r/s)nmax(r/s)超調(diào)量(%)Ts(s)Tr(s)53324.81370.186335.083341.3931.548.451324.83530.164728.704715.5842.118.712324.88910.110935.091540.9932.0313.12分析：當(dāng)Td增大時(shí)，超調(diào)量減少后又增大PID控制器參數(shù)對(duì)系統(tǒng)性能的影響分析 1、比例系數(shù)Kp對(duì)系統(tǒng)性能的影響 （1）對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能