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1、實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.掌握控制模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理和一般方法。2.掌握控制系統(tǒng)時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器1.自動(dòng)控制原理掛箱(DSC022.PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理1.模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理:控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端,并利用計(jì)算機(jī)等測(cè)量?jī)x器,測(cè)量系統(tǒng)的輸出,便可得到系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)系統(tǒng)性能的影響。2.時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法:超調(diào)
2、量%:1啟動(dòng)計(jì)算機(jī),在桌面雙擊圖標(biāo)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行軟件。2測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。3連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4在實(shí)驗(yàn)課題下拉菜單中選擇實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)。5鼠標(biāo)單擊實(shí)驗(yàn)課題彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6利用軟件上的游標(biāo)測(cè)量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值,帶入下式算出超調(diào)量:T P 與TS: 利用軟件的游標(biāo)測(cè)量水平方向上從零到
3、達(dá)最大值與從零到達(dá)95%穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間值,便可得到TP 與TS。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容構(gòu)成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路,并測(cè)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+1K=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/TST=RC4.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+1K=R2/R1,T=R2C6.比例+積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)如圖1
4、-6。G(S=-K(1+1/TSK=R2/R1,T=R2C五、實(shí)驗(yàn)步驟1.啟動(dòng)計(jì)算機(jī),在桌面雙擊圖標(biāo)自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)運(yùn)行軟件。2.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的通信是否正常,通信正常后繼續(xù)以下實(shí)驗(yàn)。(每次改變線路后,需重新測(cè)試比例環(huán)節(jié)3.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-1。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4.在實(shí)驗(yàn)課題下拉菜單中選擇實(shí)驗(yàn)一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)。5.鼠標(biāo)單擊實(shí)驗(yàn)課題彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6.觀測(cè)計(jì)算機(jī)屏幕顯示出的響應(yīng)曲線。7.記
5、錄波形及數(shù)據(jù)(由實(shí)驗(yàn)報(bào)告確定。慣性環(huán)節(jié)8.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-2。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。9.實(shí)驗(yàn)步驟同47積分環(huán)節(jié)10.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-3。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。11.實(shí)驗(yàn)步驟同47微分環(huán)節(jié)12.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-4。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。13.實(shí)驗(yàn)步驟同47比例+積分
6、環(huán)節(jié)14.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖1-6。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A 卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。15.實(shí)驗(yàn)步驟同4716.測(cè)量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線,并記入于表1-1。六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.由階躍響應(yīng)曲線計(jì)算出慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù),并與由電路計(jì)算的結(jié)果相比較。2.將實(shí)驗(yàn)中測(cè)得的曲線、數(shù)據(jù)及理論計(jì)算值,整理列表。七、預(yù)習(xí)要求1.閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分,掌握時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。2.分析典型一階系統(tǒng)的模擬電路和基本原理。表1-1 實(shí)驗(yàn)二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.研究二階系統(tǒng)的特征參數(shù),阻尼比和無阻尼自然頻率n對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。定量分析和
7、n 與最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時(shí)間tS之間的關(guān)系。2.進(jìn)一步學(xué)習(xí)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)的使用方法3.學(xué)會(huì)根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)儀器1.自動(dòng)控制原理掛箱(DSC022.PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)原理1.模擬實(shí)驗(yàn)的基本原理:控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)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(yùn)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(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端,并利用計(jì)算機(jī)等測(cè)量?jī)x器,測(cè)量系統(tǒng)的輸出,便可得到系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)系統(tǒng)性能的影響。3.域性能指標(biāo)的測(cè)量方法:超調(diào)量
8、%:1啟動(dòng)計(jì)算機(jī),在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。2測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。3連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4在實(shí)驗(yàn)課題下拉菜單中選擇實(shí)驗(yàn)二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng) 。5鼠標(biāo)單擊實(shí)驗(yàn)課題彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)窗口。在參數(shù)設(shè)置窗口中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。6 利用軟件上的游標(biāo)測(cè)量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值,帶入下式算出超調(diào)量: T P 與T S :利用軟件的游標(biāo)測(cè)量水平方向上
9、從零到達(dá)最大值與從零到達(dá)95%穩(wěn)態(tài)值所需的時(shí)間值,便可得到T P 與T S 。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為(2222nn ns s S += (1 其中 和n 對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)品質(zhì)有決定的影響。電路的結(jié)構(gòu)圖如圖2-2:(222/1/11/2TS T K S T S U S U s +-= (2圖2-1 二階系統(tǒng)模擬電路圖圖2-2 二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖式中 T=RC,K=R2/R1。比較(1、(2二式,可得=1/T=1/RCn=K/2=R2/2R1 (3 由(3式可知,改變比值R2/R1,可以改變二階系統(tǒng)的阻尼比。改變RC值可。以改變無阻尼自然頻率n取R1=200K,R2=100K和200K,
10、可得實(shí)驗(yàn)所需的阻尼比。電阻R取100K,。電容C分別取1f和0.1f,可得兩個(gè)無阻尼自然頻率n五、實(shí)驗(yàn)步驟1.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2.啟動(dòng)計(jì)算機(jī),在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。3.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。4.在實(shí)驗(yàn)課題下拉菜單中選擇實(shí)驗(yàn)二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng), 鼠標(biāo)單擊該選項(xiàng)彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)窗口。5.取=10rad/s, 即令R=100K,C=1f;分別取=0.5、1、2,即取R1=100
11、K,nR2分別等于100K、200K、400K。輸入階躍信號(hào),測(cè)量不同的時(shí)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(shí)間Ts的數(shù)值和響應(yīng)動(dòng)態(tài)曲線,并與理論值比較。=100rad/s, 即取R=100K,改變6.取=0.5。即電阻R2取R1=R2=100K;n電路中的電容C=0.1f(注意:二個(gè)電容值同時(shí)改變。輸入階躍信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng),并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量p和調(diào)節(jié)時(shí)間Tn。7.取R=100K;改變電路中的電容C=1f,R1=100K,調(diào)節(jié)電阻R2=50K。輸入階躍信號(hào)測(cè)量系統(tǒng)階躍響應(yīng),記錄響應(yīng)曲線,特別要記錄Tp和p的數(shù)值。8.測(cè)量二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)并記入表中:表2-1
12、六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖,討論典型二階系統(tǒng)性能指標(biāo)與,n的關(guān)系。條件下測(cè)量的Mp和ts值列表,根據(jù)測(cè)量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。2.把不同和n3.畫出系統(tǒng)響應(yīng)曲線,再由ts和Mp計(jì)算出傳遞函數(shù),并與由模擬電路計(jì)算的傳遞函數(shù)相比較。七、預(yù)習(xí)要求1. 閱讀實(shí)驗(yàn)原理部分,掌握時(shí)域性能指標(biāo)的測(cè)量方法。2. 按實(shí)驗(yàn)中二階系統(tǒng)的給定參數(shù),計(jì)算出不同、n下的性能指標(biāo)的理論值。實(shí)驗(yàn)三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?.觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2.研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)儀器1.自動(dòng)控制原理掛箱(DSC022.PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容系統(tǒng)模擬電路圖如圖3-1 圖3-1 系統(tǒng)模擬
13、電路圖其開環(huán)傳遞函數(shù)為:G(s=10K/s(0.1s+1(Ts+1式中 K1=R3/R2, R2=100K,R3=0100K;T=RC,R=100K,C=1f或C=0.1f 兩種情況。四、實(shí)驗(yàn)步驟1.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1接A/D、D/A卡的DA1輸出,電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。2.啟動(dòng)計(jì)算機(jī),在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。3.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。4.在實(shí)驗(yàn)課題下拉菜單中選擇實(shí)驗(yàn)三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析, 鼠標(biāo)單擊該選項(xiàng)彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)窗口。
14、其中設(shè)置輸入信源電壓U1=1V,點(diǎn)擊確認(rèn)觀察波形。5.取R3的值為50K,100K,200K,此時(shí)相應(yīng)的K=5,10,20。觀察不同R3值時(shí)顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形(既U2的波形,找到系統(tǒng)輸出產(chǎn)生增幅振蕩時(shí)相應(yīng)的R3及K值。再把電阻R3由大至小變化,即R3=200k,100k,50k,觀察不同R3值時(shí)顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形, 找出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩變化的R3及K 值,并觀察U2的輸出波形。6.在步驟5條件下,使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài),即工作在等幅振蕩情況。改變電路中的電容C由1f變成0.1f,重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟4觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。7.將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入下表中:表3-1 五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告1.畫出步驟5的模擬電路圖。
15、2.畫出系統(tǒng)增幅或減幅振的波形圖。3.計(jì)算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù),并與步驟5中測(cè)得的臨界放大系數(shù)相比較。六、預(yù)習(xí)要求1.分析實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)電路,掌握其工作原理。2.理論計(jì)算系統(tǒng)產(chǎn)生等幅振蕩、增幅振蕩、減幅振蕩的條件。實(shí)驗(yàn)五連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?. 加深理解串聯(lián)校正裝置對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的校正作用。2. 對(duì)給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計(jì),并通過模擬實(shí)驗(yàn)檢驗(yàn)設(shè)計(jì)的正確性。二、實(shí)驗(yàn)儀器1自動(dòng)控制原理掛箱(DSC022.PC計(jì)算機(jī)一臺(tái)三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1.串聯(lián)超前校正(1系統(tǒng)模擬電路圖如圖5-1,圖中開關(guān)S斷開對(duì)應(yīng)未校情況,接通對(duì)應(yīng)超前校正。 圖5-1 超前校正電路圖(2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-2 圖5-2 超前校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)
16、圖圖中 Gc1(s=2 2.串聯(lián)滯后校正(1模擬電路如圖5-3,開關(guān)s斷開對(duì)應(yīng)未校狀態(tài),接通對(duì)應(yīng)滯后校正。 圖5-3 滯后校正模擬電路圖(2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖5-4所示 圖5-4 滯后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中 Gc1(s=10 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(duì)應(yīng)未校狀態(tài),接通對(duì)應(yīng)超前滯后校正。 (2系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖5-6。 圖5-6 超前滯后校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖5-5 超前滯后校正模擬電路圖自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 圖中 Gc1(s=6 四、實(shí)驗(yàn)步驟 1.啟動(dòng)計(jì)算機(jī),在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。 2.測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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
17、使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。 超前校正 3.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖 5-1。電路的輸入 U1 接 A/D、D/A 卡 的 DA1 輸出,電路的輸出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 輸入。檢查無誤后接通電源。 4.開關(guān) s 放在斷開位置。 5.選中 實(shí)驗(yàn)課題 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正超前校正 菜單項(xiàng), 鼠標(biāo)單擊將 彈出參數(shù)設(shè)置窗口。系統(tǒng)加入階躍信號(hào)。參數(shù)設(shè)置完成后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)測(cè)量系統(tǒng) 階躍響應(yīng),并記錄超調(diào)量sp 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts。 表 51 超前校正系統(tǒng)前后波形圖及參數(shù)對(duì)比 超前校正系統(tǒng) 指標(biāo) 校正前 校正后 階躍響應(yīng)曲線 % Tp(s Ts(s 6.開關(guān) s 接通,重復(fù)步驟 5,
18、將兩次所測(cè)的波形進(jìn)行比較。并將測(cè)量結(jié)果記入 下表 5-1 中: 滯后校正 7.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖 5-3。電路的輸入 U1 接 A/D、D/A 卡 的 DA1 輸出,電路的輸出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 輸入。檢查無誤后接通電源。 8.開關(guān) s 放在斷開位置。 9.選中 實(shí)驗(yàn)課題 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正滯后校正 菜單項(xiàng),鼠標(biāo)單擊將 15 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書 彈出參數(shù)設(shè)置窗口。系統(tǒng)加入階躍信號(hào)。參數(shù)設(shè)置完成后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)測(cè)量系統(tǒng) 階躍響應(yīng),并記錄超調(diào)量sp 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts。 10.開關(guān) s 接通,重復(fù)步驟 9,將兩次所測(cè)的波形進(jìn)行比較。并將測(cè)量結(jié)果錄 入表 5-2 中
19、: 表 52 滯后校正系統(tǒng)前后波形圖及參數(shù)對(duì)比 滯后校正系統(tǒng) 指標(biāo) 校正前 校正后 階躍響應(yīng)曲線 % Tp(s Ts(s 超前-滯后校正 11.連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路(圖 5-5。電路的輸入 U1 接 A/D、D/A 卡 的 DA1 輸出,電路的輸出 U2 接 A/D、D/A 卡的 AD1 輸入。檢查無誤后接通電源。 12.開關(guān) s 放在斷開位置。 13.選中 實(shí)驗(yàn)課題 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正超前滯后校正 菜單項(xiàng),鼠標(biāo)單 擊將彈出參數(shù)設(shè)置窗口。系統(tǒng)加入階躍信號(hào)。參數(shù)設(shè)置完成后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)測(cè)量 系統(tǒng)階躍響應(yīng),并記錄超調(diào)量sp 和調(diào)節(jié)時(shí)間 ts。 14.開關(guān) s 接通,重復(fù)步驟 13,將兩次所測(cè)的
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