《自動(dòng)控制理論》唐嵐學(xué)時(shí)

1、自動(dòng)控制理論實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)適用專業(yè):電氣、測(cè)控、信息課程代碼：8402510總學(xué)時(shí):總學(xué)分：編寫(xiě)單位:電氣信息學(xué)院編寫(xiě)人：審核人：審批人：批準(zhǔn)時(shí)間：年月日目錄實(shí)驗(yàn)一 實(shí)驗(yàn)代碼1）典型系統(tǒng)地瞬態(tài)響應(yīng) 2實(shí)驗(yàn)二 實(shí)驗(yàn)代碼2）線性系統(tǒng)地頻率響應(yīng)分析 5實(shí)驗(yàn)一典型系統(tǒng)地瞬態(tài)響應(yīng)、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睾腿蝿?wù)1、通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，定性和定量地分析二階系統(tǒng)地兩個(gè)參數(shù)T和Z對(duì)二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能地影響2、通過(guò)模擬實(shí)驗(yàn)，定性和定量地分析系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益K對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性地影響.二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1、觀察二階系統(tǒng)地階躍響應(yīng)，分析二階系統(tǒng)地兩個(gè)參數(shù) T和Z對(duì)二階系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能地影響三、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料TDN-AC/ACS教案實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)、導(dǎo)線四、實(shí)驗(yàn)原理

2、1 典型地二階系統(tǒng)穩(wěn)定性分析(1結(jié)構(gòu)框圖：如圖1-1所示.圖1-1(2對(duì)應(yīng)地模擬電路圖：如圖1-2所示. 其中R取 10 K Q,50 K Q,160 K Q,200 K Q)圖1-2(3理論分析系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為:G(S)二S(7S + 1)開(kāi)環(huán)增益K = %(4實(shí)驗(yàn)內(nèi)容先算出臨界阻尼、欠阻尼、過(guò)阻尼時(shí)電阻R地理論值,再將理論值應(yīng)用于模擬電路中，觀察二階系統(tǒng)地動(dòng)態(tài)性能及穩(wěn)定性，應(yīng)與理論分析基本吻合在此實(shí)驗(yàn)中(圖1-2,系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為:T、= 0.2.$， KxS2 + 5S + K其中自然振蕩角頻率:Pt10阻尼比:五、主要技術(shù)重點(diǎn)、難點(diǎn)1、 用示波器觀察系統(tǒng)階躍響應(yīng)C(t時(shí),超調(diào)量(T

3、 p% ,峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts地測(cè)量2、 從系統(tǒng)階躍響應(yīng) C(t波形分析系統(tǒng)穩(wěn)定性六、實(shí)驗(yàn)步驟1. 典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能指標(biāo)地測(cè)試(1按模擬電路圖1-2接線,將階躍信號(hào)接至輸入端，取R = 10K.(2用示波器觀察系統(tǒng)響應(yīng)曲線 C(t,測(cè)量并記錄超調(diào)叫、峰值時(shí)間tp和調(diào)節(jié)時(shí)間ts.(3分別按R = 50K ; 160K; 200K;改變系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益，觀察響應(yīng)曲線 C(t,測(cè)量并記錄性能指標(biāo) 叫、tp和ts，及系統(tǒng)地穩(wěn)定性并將測(cè)量值和計(jì)算值(實(shí)驗(yàn)前必須按公式計(jì)算出進(jìn)行比較將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入表1-1中七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求''參項(xiàng)目RKQKl/sCO n l/szC(t p>C(

4、x >T P%tpt s階躍響應(yīng)曲線計(jì) 算 值測(cè) 量 值計(jì) 算 值測(cè) 量 值計(jì) 算 值測(cè) 量 值0<Z <1欠阻 尼1050其中Mp ets 二丄 c（t ） = y 畑八、實(shí)驗(yàn)注意事項(xiàng)1、作實(shí)驗(yàn)前要預(yù)習(xí).2、 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容較多，作實(shí)驗(yàn)時(shí)注意抓緊時(shí)間九、思考題1、在實(shí)驗(yàn)線路中如何確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋？如果反饋回路中有偶數(shù)個(gè)運(yùn)算放大器，則構(gòu)成什么反饋？2、有那些措施能增加系統(tǒng)地穩(wěn)定度？它們對(duì)系統(tǒng)地性能有什么影響？實(shí)驗(yàn)二線性系統(tǒng)地頻率響應(yīng)分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康睾腿蝿?wù)1 掌握波特圖地繪制方法及由波特圖來(lái)確定系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳函2 掌握實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量系統(tǒng)地波特圖二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1 、繪制波特圖及由波特圖來(lái)確定

5、系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳函2 、實(shí)驗(yàn)方法測(cè)量系統(tǒng)地波特圖三、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備及材料+PC機(jī)一臺(tái)，TD-ACC系列教案實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)一套四、實(shí)驗(yàn)原理1 頻率特性當(dāng)輸入正弦信號(hào)時(shí)，線性系統(tǒng)地穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有隨頻率(3由0變至8 而變化地特性頻率響應(yīng)法地基本思想是：盡管控制系統(tǒng)地輸入信號(hào)不是正弦函數(shù)，而是其它形式地周期函數(shù)或非周期函數(shù)，但是,實(shí)際上地周期信號(hào)，都能滿足狄利克萊條件，可以用富氏級(jí)數(shù)展開(kāi)為各種諧波分量；而非周期信號(hào)也可 以使用富氏積分表示為連續(xù)地頻譜函數(shù)因此,根據(jù)控制系統(tǒng)對(duì)正弦輸入信號(hào)地響應(yīng)，可推算出系統(tǒng)在任意周期信號(hào)或非周期信號(hào)作用下地運(yùn)動(dòng)情況2 .線性系統(tǒng)地頻率特性系統(tǒng)地正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有和正弦輸入信號(hào)地幅值比

6、）3 j和相位差）3 j/隨角頻率（3由0變到8 變化地特性而幅值比）3 j和相位差）3 j/恰好是函數(shù)）3 j地模和幅角所以只要把系統(tǒng) 地傳遞函數(shù)）S,令3 jS =,即可得到）3 j.我們把）3 j稱為系統(tǒng)地頻率特性或頻率傳遞函數(shù)當(dāng)3由0到8變化時(shí),）3 j隨頻率3地變化特性成為幅頻特性,）3 j/隨頻率3地變化特性稱為相頻特性.幅頻特性和相頻特性結(jié)合在一起時(shí)稱為頻率特性3 頻率特性地表達(dá)式（1對(duì)數(shù)頻率特性：又稱波特圖，它包括對(duì)數(shù)幅頻和對(duì)數(shù)相頻兩條曲線，是頻率響應(yīng)法中廣泛使用地一組曲線這兩組曲線連同它們地坐標(biāo)組成了對(duì)數(shù)坐標(biāo)圖對(duì)數(shù)頻率特性圖地優(yōu)點(diǎn)： 它把各串聯(lián)環(huán)節(jié)幅值地乘除化為加減運(yùn)算，簡(jiǎn)化

7、了開(kāi)環(huán)頻率特性地計(jì)算與作圖 利用漸近直線來(lái)繪制近似地對(duì)數(shù)幅頻特性曲線，而且對(duì)數(shù)相頻特性曲線具有奇對(duì)稱于轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)地性質(zhì)，這些可使作圖大為簡(jiǎn)化 通過(guò)對(duì)數(shù)地表達(dá)式，可以在一張圖上既能繪制出頻率特性地中、高頻率特性，又能清晰地畫(huà)出其低頻特性（2極坐標(biāo)圖（或稱為奈奎斯特圖（3對(duì)數(shù)幅相圖（或稱為尼柯?tīng)査箞D本次實(shí)驗(yàn)中，采用對(duì)數(shù)頻率特性圖來(lái)進(jìn)行頻域響應(yīng)地分析研究實(shí)驗(yàn)中提供了兩種實(shí)驗(yàn)測(cè)試方法：直接測(cè)量和間接測(cè)量直接頻率特性地測(cè)量用來(lái)直接測(cè)量對(duì)象地輸出頻率特性，適用于時(shí)域響應(yīng)曲線收斂地對(duì)象如：慣性環(huán)節(jié)）該方法在時(shí)域曲線窗口將信號(hào)源和被測(cè)系統(tǒng)地響應(yīng)曲線顯示出來(lái)，直接測(cè)量對(duì)象輸出與信號(hào)源地相位差及幅值衰減情況，就可

8、得到對(duì)象地頻率特性間接頻率特性地測(cè)量用來(lái)測(cè)量閉環(huán)系統(tǒng)地開(kāi)環(huán)特性，因?yàn)橛行┚€性系統(tǒng)地開(kāi)環(huán)時(shí)域響應(yīng)曲線發(fā)散，幅值不易測(cè)量，可將其構(gòu)成閉環(huán)負(fù)反饋穩(wěn)定系統(tǒng)后，通過(guò)測(cè)量信號(hào)源、反饋信號(hào)、誤差信號(hào)地關(guān)系，從而推導(dǎo)出對(duì)象地開(kāi)環(huán)頻率特性4 舉例說(shuō)明間接和直接頻率特性測(cè)量方法地使用（1間接頻率特性測(cè)量方法 對(duì)象為積分環(huán)節(jié)：1/0-1S因?yàn)榉e分環(huán)節(jié)地開(kāi)環(huán)時(shí)域響應(yīng)曲線不收斂，穩(wěn)態(tài)幅值無(wú)法測(cè)出，我們采用間接測(cè)量方法，將其構(gòu)成閉環(huán)，根據(jù)閉環(huán)時(shí)地反饋及誤差地相互關(guān)系，得出積分環(huán)節(jié)地頻率特性 將積分環(huán)節(jié)構(gòu)成單位負(fù)反饋，模擬電路構(gòu)成如圖2-1 所示楓井拜節(jié)圖2-1 理論依據(jù)圖3.1-1所示地開(kāi)環(huán)頻率特性為:米用對(duì)數(shù)幅頻特性和

9、相頻特性表示,則上式表示為:201g|G(jw)| = 201gE(jw)=201g|5(jw)| - 201g|E(7w)|ZG(/w) = Z 孕Q- ZE(押)其中G(jw為積分環(huán)節(jié)，所以只要將反饋信號(hào)、誤差信號(hào)地幅值及相位按上式計(jì)算出來(lái)即可得積分 環(huán)節(jié)地波特圖 測(cè)量方式：實(shí)驗(yàn)中采用間接方式 ,只須用兩路表筆CH和CH2來(lái)測(cè)量圖2-1中地反饋測(cè)量點(diǎn)和誤差 測(cè)量點(diǎn)，通過(guò)移動(dòng)游標(biāo),確定兩路信號(hào)和輸入信號(hào)之間地相位和幅值關(guān)系，即可間接得出積分環(huán)節(jié)地波特圖(2直接頻率特性測(cè)量方法只要環(huán)節(jié)地時(shí)域響應(yīng)曲線收斂就不用構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)而采用直接測(cè)量法直接測(cè)量輸入、輸出信號(hào)地 幅值和相位關(guān)系，就可得出環(huán)節(jié)地頻

10、率特性O(shè)AS + 實(shí)驗(yàn)對(duì)象：選擇一階慣性其傳函為 結(jié)構(gòu)框圖：如圖所示UiLUo(S)、0.1S-F1圖2-2 模擬電路圖圖2-3 測(cè)量方式：實(shí)驗(yàn)中選擇直接測(cè)量方式，用CH1路表筆測(cè)輸出測(cè)量端，通過(guò)移動(dòng)游標(biāo),測(cè)得輸出與信號(hào)源地幅值和相位關(guān)系，直接得出一階慣性環(huán)節(jié)地頻率特性五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及實(shí)驗(yàn)步驟，畫(huà)出對(duì)象波特圖一、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 本次實(shí)驗(yàn)利用教案實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)提供地頻率特性測(cè)試虛擬儀器進(jìn)行測(cè)試1.實(shí)驗(yàn)對(duì)象地結(jié)構(gòu)框圖圖2-42 .模擬電路圖圖2-5開(kāi)環(huán)傳函為:G( S)= 0.15(0.15 + 1)100G)- 10(rai/ &),阻尼比 g= 0.5閉環(huán)傳函:得轉(zhuǎn)折頻率二、實(shí)驗(yàn)步驟.將信此次實(shí)驗(yàn)，

11、采用直接測(cè)量方法測(cè)量對(duì)象地閉環(huán)波特圖及間接測(cè)量方法測(cè)量對(duì)象地開(kāi)環(huán)波特圖 號(hào)源單元地“ ST'插針?lè)謩e與“ S”插針和“ +5V'插針斷開(kāi)，運(yùn)放地鎖零控制端“ ST'此時(shí)接至示波器 單元地“ SL”插針處，鎖零端受“ SL”來(lái)控制.實(shí)驗(yàn)過(guò)程中“ SL”信號(hào)由虛擬儀器自動(dòng)給出1 實(shí)驗(yàn)接線：按模擬電路圖 2-5接線，檢查無(wú)誤后方可開(kāi)啟設(shè)備電源2.直接測(cè)量方法(測(cè)對(duì)象地閉環(huán)波特圖按鈕，在彈出地窗口中根據(jù)需 ,每組參數(shù)應(yīng)選擇合適地波形(1將示波器單元地“ SIN ”接至圖2-5中地信號(hào)輸入端，“ CH1'路表筆插至圖2-5中地4#運(yùn)放地 輸出端(2打開(kāi)集成軟件中地頻率特性

12、測(cè)量界面，彈出時(shí)域窗口，點(diǎn)擊要設(shè)置好幾組正弦波信號(hào)地角頻率和幅值，選擇測(cè)量方式為“直接”測(cè)量比例系數(shù),具體如下圖所示：電壓值C1- 3)V角頰辛 5- 1-lODO) tacVs100辰懐比例(才梧:泯垮比翔;|0, 10n3浪|屢方式.言探*1構(gòu)成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)一組參數(shù)下地測(cè)量結(jié)果 點(diǎn)擊極坐標(biāo)圖按鈕 Cc，可以得到對(duì)象地閉環(huán)極坐標(biāo)圖.(5根據(jù)所測(cè)圖形可適當(dāng)修改正弦波信號(hào)地角頻率和幅值重新測(cè)量，達(dá)到滿意地效果.3 .間接測(cè)量方法：(測(cè)對(duì)象地開(kāi)環(huán)波特圖將示波器地“ CH1'接至3 #運(yùn)放地輸出端，“CH2接至1 #運(yùn)放地輸出端.按直接測(cè)量地參數(shù) 將參數(shù)設(shè)置好，將測(cè)量

13、方式改為間接測(cè)量.此時(shí)相位差是指反饋信號(hào)和誤差信號(hào)地相位差，應(yīng)將兩根游標(biāo)放在反饋和誤差信號(hào)上.測(cè)得對(duì)象地開(kāi)環(huán)波特圖.測(cè)得對(duì)象地開(kāi)環(huán)極坐標(biāo)圖.4.注意：(1測(cè)量過(guò)程中要去除運(yùn)放本身地反相地作用，即保持兩路測(cè)量點(diǎn)地相位關(guān)系與運(yùn)放無(wú)關(guān)，所以在測(cè)量過(guò)程中可能要適當(dāng)加入反相器，濾除由運(yùn)放所導(dǎo)致地相位問(wèn)題.(2測(cè)量過(guò)程中，可能會(huì)因?yàn)樗鶞y(cè)信號(hào)幅值衰減太大，信號(hào)很難讀出，須放大，若放大地比例系數(shù)不合適，會(huì)導(dǎo)致測(cè)量誤差較大.所以要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整誤差或反饋比例系數(shù).六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求1、采用直接測(cè)量法測(cè)得二階閉環(huán)系統(tǒng)地波特圖為：2、采用直接測(cè)量法測(cè)得二階閉環(huán)系統(tǒng)地極坐標(biāo)圖為:3、采用間接測(cè)量法測(cè)得二階開(kāi)環(huán)系統(tǒng)地波特圖為：底十寺比例矛靶列表;12Ei12切 , 5D11012200. so