自動控制原理實驗報告(3)

1、自動控制原理實驗報告實驗一、典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)一.實驗?zāi)康?. 熟悉并掌握TD-ACC+( TD-ACS設(shè)備的使用方法及各典型環(huán)節(jié)模擬控制 電路的構(gòu) 成方法。2. 熟悉各種典型環(huán)節(jié)的理想階躍曲線和實際階躍響應(yīng)曲線。對比差異、分 析原 因。3. 了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。二實驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+ ( TD-ACS實驗系統(tǒng)一套三.實驗內(nèi)容1比例環(huán)節(jié)hi D.會巒 Mbtjc(w) tJ 図 B 0 3 丨 線性著統(tǒng)的時域分忻1tu第1孫線性著統(tǒng)的附域分忻Uo(11 .K 3” 匡XM 2W； iU取 RH1=2X)K; C=2ul .實測貽氏袒圾6Mil CWV) VZlW

2、) MMK6) 2 GJ i lE71 1 +竺上h V J JTM WK 1 it*! BEttPiWTnLdwtf5.比例微分環(huán)節(jié). A5LkMS W A .0R . MEMHMKWruJIWMML ： f. uus * x)uumVS t)心“ 阿 H.aoo rn ”z 卜 ft jj?Ul S UJ-a線竹系統(tǒng)的時域分折W6.比例積分微分環(huán)節(jié)（円D）11CC ：n xXS杲厝f 口動拎制| | ?=! IMil 工92K2(W) MMK四、實驗感想在本次實驗后，我了解了典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)方面的知識，并且通過實踐，實現(xiàn)了時域響應(yīng)相關(guān)的操 作，感受到了實驗成功的喜悅。實驗二、線性系統(tǒng)的矯

3、正一、目的要求1掌握系統(tǒng)校正的方法，重點了解串聯(lián)校正。2 根據(jù)期望的時域性能指標(biāo)推導(dǎo)岀二階系統(tǒng)的串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)二、儀器設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+或TD-ACS）教學(xué)實驗系統(tǒng)一套。三、原理簡述所謂校正就是指使系統(tǒng)特性發(fā)生接方式可分為饋回路之內(nèi)采用測點之后和1. 原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及性能指標(biāo)1對應(yīng)的模擬電路圖2. 期望校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)3. 串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的理論推導(dǎo)四、實驗現(xiàn)象分析校正前:(T1-T2468.8 msvi-v2 =-i. 035V- - - 1:1 1 1 Lrl t H vlL )1 H 11 1rl I i 11 IT12 1T 2s廠CHI削格CH2;知格校正后：(

4、TI-TZ 二 468 8 msV1-V21 二 1435Y11 1I I I彳 iT 2s廠CHI; 2v/格CH2:站格校正前：V1-V2 = 1. 035 v h111 * 1 * X1bi xi i it:61 11 11 VIt 1 tl I_nr1 ItCH1劉格CH2; 2v/格校正后:LluoCH2: 2/格六、實驗心得次實驗讓我進一步熟悉了 TD-ACC實驗系統(tǒng)的使用，進一步學(xué)習(xí)了虛擬儀 器，更加 深入地學(xué)習(xí)了自動控制原理，更加牢固地掌握了相關(guān)理論知識，激發(fā)了我理論學(xué)習(xí)的興 趣實驗三、線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析一、實驗?zāi)康? 掌握波特圖的繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳函。2

5、掌握實驗方法測量系統(tǒng)的波特圖。二、實驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC系列教學(xué)實驗系統(tǒng)一套。三、實驗原理及內(nèi)容(-)實驗原理1 頻率特性當(dāng)輸入正弦信號時，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有隨頻率(3由0變至 )而變化 的特 性。頻率響應(yīng)法的基本思想是：盡管控制系統(tǒng)的輸入信號不是正弦函數(shù)，而 是其它形式 的周期函數(shù)或非周期函數(shù)，但是，實際上的周期信號，都能滿足狄利克萊條件，可以用 富氏級數(shù)展開為各種諧波分量；而非周期信號也可以使用富氏積分表示為連續(xù)的頻譜函 數(shù)。因此，根據(jù)控制系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)，可推算出系統(tǒng)在任意周期信號或非周期 信號作川卜的運動情況。2 線性系統(tǒng)的頻率特性系統(tǒng)的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有和正弦輸入

6、信號的幅值比(j 3)和相位差/(j3)隨角頻率(3由0變到X)變化的特性。而幅值比(j 3)和相位差/(j3 )恰好是函數(shù)(j 3)的模和幅角。所以只要把系統(tǒng)的傳遞函數(shù)( S),令S二j 3,即可得到(j 3)o我們把(j 3)稱為系統(tǒng)的頻率特性或頻率傳遞函數(shù)。當(dāng)3由0至心變化時， (j 3)隨頻率3的變化特性成為幅頻特性，/(j 3)隨頻率3的變化特性稱為相頻特性。幅頻特性和相頻特性結(jié)合在一起時稱為頻率特 性。3 頻率特性的表達式(1) 對數(shù)頻率特性：又稱波特圖，它包括對數(shù)幅頻和對數(shù)相頻兩條曲線，是頻率響應(yīng)法中廣泛使用的一組曲線。這兩組曲線連同它們的坐標(biāo)組成了對數(shù)坐標(biāo) 圖。對數(shù)頻率特性圖的

7、優(yōu)點： 它把各串聯(lián)環(huán)節(jié)幅值的乘除化為加減運算，簡化了開環(huán)頻率特性的計算與作圖。 利用漸近直線來繪制近似的對數(shù)幅頻特性曲線，而且對數(shù)相頻特性曲線具有奇 對稱于轉(zhuǎn)折頻率點的性質(zhì)，這些可使作圖大為簡化。 通過對數(shù)的表達式，可以在一張圖上既能繪制出頻率特性的中、高頻率特性，又 能清晰地畫出其低頻特性。(2) 極坐標(biāo)圖(或稱為奈奎斯特圖)(3) 對數(shù)幅相圖(或稱為尼柯爾斯圖)本次實驗中，采用對數(shù)頻率特性圖來進行頻域響應(yīng)的分析研究。實驗中提供了兩種實驗測試方法：直接測量和間接測量。直接頻率特性的測量：用來直接測量對象的輸出頻率特性，適用于時域響應(yīng)曲線收 斂的對象(如：慣性環(huán)節(jié))。該方法在時域曲線窗口將信號

8、源和被測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線顯示出來，直接測量對象輸出與信號源的相位差及幅值衰減情況，就可得到對象的頻率特性。間接頻率特性的測量：用來測量閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)特性，因為有些線性系統(tǒng)的開環(huán)時 域響應(yīng)曲線發(fā)散，幅值不易測量，可將其構(gòu)成閉環(huán)負反饋穩(wěn)定系統(tǒng)后，通過測量信號 源、反饋信號、誤差信號的關(guān)系，從而推導(dǎo)出對象的開環(huán)頻率特性。4 舉例說明間接和直接頻率特性測量方法的使用。(1) 間接頻率特性測量方法 對象為積分環(huán)節(jié)：1/0. 1S由于積分環(huán)節(jié)的開環(huán)時域響應(yīng)曲線不收斂，穩(wěn)態(tài)幅值無法測出，我們采用間接測量 方法，將其構(gòu)成閉環(huán)，根據(jù)閉環(huán)時的反饋及誤差的相互關(guān)系，得出積分環(huán)節(jié)的頻率特 性。 將積分環(huán)節(jié)構(gòu)成單位負反饋

9、，模擬電路構(gòu)成如圖 3. 1-1所示。 理論依據(jù)圖3. 1-1所示的開環(huán)頻率特性為：Gj也)E (代)EH E (N)采用對數(shù)幅頻特性和相頻特性表示，則上式表示為：201gG (j 豹 b = 201gB J = 201g B (2 卜 201g E (淳 E (j 國)其中G (jw)為積分環(huán)節(jié)，所以只要將反饋信號、誤差信號的幅值及相位按上式計 算出來即可得積分環(huán)節(jié)的波特圖。 測量方式：實驗中采用間接方式，只須用兩路表筆CH1和CH2來測量圖3. 1-1中的反饋測量點和誤差測量點，通過移動游標(biāo)，確定兩路信號和輸入信號之間的相位和幅 值關(guān)系，即可間接得出積分環(huán)節(jié)的波特圖。(2) 直接頻率特性測

10、量方法只要環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)曲線收斂就不用構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)而采用直接測量法直接 測量輸 入、輸出信號的幅值和相位關(guān)系，就可得出環(huán)節(jié)的頻率特性。G S 0. 1S+1 實驗對象：選擇一階慣性其傳函為: 結(jié)構(gòu)框圖：如圖所示1圖 模擬電路圖圏n 測量方式：實驗中選擇直接測量方式，川CH1路表筆測輸出測量端，通過移動游 標(biāo)，測得輸出與信號源的幅值和相位關(guān)系，直接得岀一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性。（二）實驗內(nèi)容本次實驗利用教學(xué)實驗系統(tǒng)提供的頻率特性測試虛擬儀器進行測試，畫出對象波特圖。1 實驗對象的結(jié)構(gòu)框圖圖勻*10. 15DIXIS+I2 模擬電路圖開環(huán)傳函為:J1GS ro. iso. is i閹IM閉環(huán)傳函:s

11、-0 IS2 0. IS TS2 10S 10得轉(zhuǎn)折頻率-=10 rad s,阻尼比 =0.5四、實驗步驟此次實驗，采用直接測量方法測量對象的閉環(huán)波特圖及間接測量方法測量對象的開環(huán)波特圖。將信號源單元的“ ST插針分別與“ S”插針和“ +5V”插針斷 開， 運放的鎖零控制端“ST此時接至示波器單元的“SL”插針處，鎖零端受“SL”來控制。 實驗過程中“ SL”信號由虛擬儀器自動給岀。1 實驗接線：按模擬電路圖3. 1-5接線，檢查無誤后方可開啟設(shè)備電源。2 直接測量方法(測對象的閉環(huán)波特圖)(1)將示波器單元的“ SIN”接至圖3. 1-5中的信號輸入端，“CH1路表筆插至圖3. 1-5 中

12、的4 #運放的輸出端。(2)打開集成軟件中的頻率特性測量界面，彈岀時域窗口，點擊日按鈕，在彈出的窗口 中根據(jù)需要設(shè)置好幾組正弦波信號的角頻率和幅值，選擇測量方式為“直接”測量，每 組參數(shù)應(yīng)選擇合適的波形比例系數(shù)，具體如下圖所示:說康也區(qū)僵仆 YF常憫乍燉 I 1 0U11 ) T STIIQO渥筌tMR注扁|o7ToJ4HL 7 式，”電 ijfS11Eh !2Or牛EI10(1- M時m wI1 3CL 1011 1(3) 確認設(shè)置的各項參數(shù)后，點擊按鈕，發(fā)送一組參數(shù)，待測試完畢，顯示時域波形，此時需要用戶自行移動游標(biāo)，將兩路游標(biāo)同時放置在兩路信號的相鄰 的波峰 (波谷)處，或零點處，來確定

13、兩路信號的相位移。兩路信號的幅值系統(tǒng)將自動讀出。重 復(fù)操作(3),直到所有參數(shù)測量完畢。(4) 待所有參數(shù)測量完畢后，點擊I人1按鈕，彈出波特圖窗口，觀察所測得的波特圖，該 圖由若干點構(gòu)成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個點對應(yīng)一組參數(shù)下的測量結(jié)果。(5) 根據(jù)所測圖形可適當(dāng)修改正弦波信號的角頻率和幅值重新測量，達到滿意的效果。3間接測量方法：(測對象的開環(huán)波特圖)將示波器的“ CH1接至3 #運放的輸出端，“CH2接至1 #運放的輸出端。按直接測量的參數(shù)將參數(shù)設(shè)置好，將測量方式改為間接測量。此時相位差是指反饋信號和誤差信號的相位差，應(yīng)將兩根游標(biāo)放在反饋和誤差信號上。測得對象的開環(huán)波特圖如下:4.

14、注意:(1) 測量過程中要去除運放本身的反相的作用，即保持兩路測量點的相位關(guān)系與運放無關(guān)，所以在測量過程中可能要適當(dāng)加入反相器，濾除由運放所導(dǎo)致的相位問題。(2) 測量過程中，可能會由于所測信號幅值衰減太大，信號很難讀出，須放大，若放大的 比例系數(shù)不合適，會導(dǎo)致測量誤差較大。所以要適當(dāng)?shù)卣{(diào)整誤差或反饋 比例系數(shù)。五、實驗結(jié)果分析1、直接測量:Pte=O 5Di lm=O. EDd =45. D2、間接測量:Pte=O. 5Di lm=O. EDd =45. D七、實驗心得通過本次實驗，我掌握了波特圖的繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，掌 握了實驗方法測量系統(tǒng)的波特圖。本次實驗讓我進一步

15、熟悉了TD-ACC+實驗系統(tǒng)的使用，進一步學(xué)習(xí)了虛擬儀器，更加深入地學(xué)習(xí)了自動控制原理有關(guān) 波特圖這 部分的知識，更加牢固地掌握了相關(guān)理論知識，激發(fā)了我理論學(xué)習(xí)的興趣。實驗四離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析1. 實驗?zāi)康? 掌握香農(nóng)定理，了解信號的釆樣保持與采樣周期的關(guān)系。2掌握釆樣周期對釆樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響。2. 實驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+或TD-ACS教學(xué)實驗系統(tǒng)一套。3. 1實驗原理及內(nèi)容本實驗采用“采樣-保持器” LF398芯片，它具有將連續(xù)信號離散后以零階保持器輸 出信號的功能。其管腳連接圖如5. 1-1所示，采樣周期T等于輸入至LF398第8腳（PU）的脈沖信號周期，此脈沖由多諧振器（

16、由MC1555和阻容元件構(gòu)成）發(fā)生的方波經(jīng) 單穩(wěn)電路（由MC14538和阻容元件構(gòu)成）產(chǎn)生，改變多諧振蕩器的周期，即改變采樣周 期。圖LF398連接圖圖5. 1-2是LF398采樣一保持器功能的原理方塊圖X(S)l-efSJ1S圖5LF398功能圖1 信號的采樣保持：電路如圖5. 1-3所示。采+保持單用圖5丄3采樣保持電路連續(xù)信號x (t)經(jīng)采樣器采樣后變?yōu)殡x散信號x* (t),香農(nóng)(Shannon)采樣定理指岀，離散信號x*(t)可以完滿地復(fù)原為連續(xù)信號條件為：(5 1-1)式中噸為采樣角頻率，且見吟，門為采樣周期)，g為連續(xù)佶號x (t)的幅頻謂x (ju) |的上限頻率。式(5 1-1

17、)也可表示為T 200ms時，沒有輸出波形，即系統(tǒng)采樣失真，從而驗證了香農(nóng)定理。3 閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)實驗步驟(1)按圖5. 1-5接線。檢查無誤后開啟設(shè)備電源。 取“S端的方波信號周期T = 20mso(3)階躍信號的產(chǎn)生：產(chǎn)生IV的階躍信號。 加階躍信號至r (t),按動階躍按鈕，觀察并記錄系統(tǒng)的輸岀波形c (t),測量超調(diào)量Mpo(5) 調(diào)節(jié)信號源單元的“ S信號頻率使周期為50ms即采樣周期T二50ms系統(tǒng)加入階躍信號，觀察并記錄系統(tǒng)輸出波形，測量超調(diào)量Mpo(6) 調(diào)節(jié)采樣周期使T = 120ms,觀察并記錄系統(tǒng)輸出波形。3. 3實驗結(jié)果T=20ms1、fTM2 117.2 msIV1-V2 -S176vV1-V2 二 11 1tJ -，/n / /VVVv f /V7rVVrT 500ms/格CH1伽格T=50msIV1-V21 = 5. 176T 40ms/格CHI 10v 格CH2- 10v/格T=120msT1-T21 = 9. 4 msV1-V21 = 5. 176T=200ms1-V3 = 5. 176 v14T1-T21 1G6 67 Hz|V1-V2| 5.176 v -B Q1I 1 1 1A 1 d A Amil