自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告

1、自動(dòng)控制原理及其應(yīng)用實(shí)驗(yàn)報(bào)告學(xué) 院： 理 學(xué) 院班 級(jí)： 電科1301姓 名： 管亮學(xué) 號(hào)： 2015年 12 月 實(shí)驗(yàn)一 控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握控制系統(tǒng)中各典型環(huán)節(jié)的電路模擬及其參數(shù)的測(cè)定方法。2測(cè)量典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對(duì)環(huán)節(jié)輸出性能的影響。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1對(duì)表一所示各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的模擬電路(參見表二)表一：典型環(huán)節(jié)的方塊圖及傳遞函數(shù)典型環(huán)節(jié)名稱方 塊 圖傳遞函數(shù)比例（P）積分（I）比例積分（PI）表二：典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖各典型環(huán)節(jié)名稱模擬電路圖比例（P）積分（I）比例積分（PI）2測(cè)試各典型環(huán)節(jié)在單位階躍信號(hào)作用下的輸出響應(yīng)。3改變各典

2、型環(huán)節(jié)的相關(guān)參數(shù)，觀測(cè)對(duì)輸出響應(yīng)的影響。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟（一）說明部分1、當(dāng)信號(hào)發(fā)生器單元U1的ST端與+5V端用“短路塊”短接時(shí)，通用單元中的場(chǎng)效應(yīng)管處于開路狀態(tài)，這時(shí)通用單元運(yùn)放處于工作狀態(tài)。當(dāng)信號(hào)發(fā)生器單元U1的ST端與S端用“短路塊”短接時(shí)，通用單元中的場(chǎng)效應(yīng)管處于短路狀態(tài)，可以使電容器放電，讓電容器兩端的初始電壓為0V。 2、交直流數(shù)字電壓表: U16單元的交直流數(shù)字電壓表相當(dāng)于兩只表，紅色琴鍵開關(guān)彈起時(shí)，做直流數(shù)字電壓表用，當(dāng)紅色琴鍵開關(guān)按下時(shí),做交流數(shù)字毫伏表用。測(cè)量范圍020V，分200mV、2V、20V三檔，由互鎖開關(guān)切換。 3、階躍信號(hào)的產(chǎn)生：電路可采用圖1-1所示電路連

3、接，它由“階躍信號(hào)單元”（U3）及“給定單元”（U4）組成。具體線路形成：在U3單元中，將H1與+5V端用1號(hào)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接，H2端用1號(hào)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線接至U4單元的X端；在U4單元中，將Z端和GND端用1號(hào)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線連接，最后由插座的Y端引出輸出信號(hào)。實(shí)驗(yàn)中需要階躍信號(hào)時(shí)，按照?qǐng)D1-1連線，按下U3單元的按鍵SP不放開，調(diào)節(jié)U4單元W41電位器，同時(shí)用U16單元的直流數(shù)字電壓表檢測(cè)U4單元Y端輸出電壓的大小(U4單元Y端接至交直流數(shù)字電壓表的左邊的接線柱, 交直流數(shù)字電壓表的右邊的接線柱接通用單元的GND端)，直到輸出1V單位階躍信號(hào)時(shí)放開。注：以后實(shí)驗(yàn)中再用到ST短路帽放置位置、階躍信號(hào)產(chǎn)生時(shí)，操作

4、方法參上。（二）觀測(cè)比例、積分、比例積分、比例微分和慣性環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)曲線。1.1 比例環(huán)節(jié)電路實(shí)驗(yàn)步驟： 準(zhǔn)備：U1單元的ST端與+5V端用“短路塊”短接，輸入信號(hào)Ui采用階躍信號(hào)產(chǎn)生電路。按表二中的比例典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好，各器件的參數(shù)可參考表三。 將模擬電路輸入端(Ui)與階躍信號(hào)的輸出端Y相連接，接至示波器的CH1通道；模擬電路的輸出端(Uo)接至示波器CH2通道。 打開軟件，在菜單欄選擇：“窗口調(diào)試”，按下實(shí)驗(yàn)箱上復(fù)位鍵，待調(diào)試窗口中出現(xiàn)“WELCOME TO YOU”后。在菜單欄選擇：“窗口示波器”，如下圖所示窗口。本實(shí)驗(yàn)中選用普通示波器，按下U3單元按鈕(或松開按鈕)

5、SP時(shí)，用示波器觀測(cè)輸出端的實(shí)際響應(yīng)曲線Uo(t)，且將結(jié)果記下。改變比例參數(shù)，重新觀測(cè)結(jié)果。 同理按照上面的步驟得比例、積分、比例積分的實(shí)際響應(yīng)曲線，它們的理想曲線和實(shí)際響應(yīng)曲線參見表三。比例環(huán)節(jié)電路短路塊短接ST端與+5V端時(shí)圖短路塊短接ST端與S端時(shí)圖1.2 積分環(huán)節(jié)電路 準(zhǔn)備：U1單元的ST端與+5V端用“短路塊”短接，輸入信號(hào)Ui采用階躍信號(hào)產(chǎn)生電路。按表二中的比例典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好，各器件的參數(shù)可參考表三。 實(shí)驗(yàn)步驟參照比例環(huán)節(jié)的、。將結(jié)果記下，改變積分參數(shù)，重新觀測(cè)結(jié)果。注意：實(shí)驗(yàn)中重復(fù)采集波形前，可將U1單元的ST端與S端用“短路塊”先短接一下,使通用單元中的場(chǎng)效應(yīng)管

6、處于短路狀態(tài),輸出曲線先歸零后,再將U1單元的ST端與+5V端用“短路塊”短接,正常開始實(shí)驗(yàn)。積分環(huán)節(jié)電路 短路塊短接ST端與+5V端時(shí)圖短路塊短接ST端與S端時(shí)圖1.3比例積分環(huán)節(jié)電路 準(zhǔn)備：U1單元的ST端與+5V端用“短路塊”短接，輸入信號(hào)Ui采用階躍信號(hào)產(chǎn)生電路。按表二中的比例積分典型環(huán)節(jié)、比例微分典型環(huán)節(jié)、慣性典型環(huán)節(jié)的模擬電路圖將線接好，各器件的參數(shù)可參考表三。 實(shí)驗(yàn)步驟同積分環(huán)節(jié)電路。比例積分環(huán)節(jié)電路 短路塊短接ST端與+5V端時(shí)圖短路塊短接ST端與S端時(shí)圖實(shí)驗(yàn)二 線性定常系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性分析一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?通過二階、三階系統(tǒng)的模擬電路實(shí)驗(yàn)，掌握線性定常系統(tǒng)動(dòng)、靜態(tài)性能的一般

7、測(cè)試方法。2研究二階、三階系統(tǒng)的參數(shù)與其動(dòng)、靜態(tài)性能間的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)原理1二階系統(tǒng)圖2-1為二階系統(tǒng)的方塊圖。由圖可知，系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)G(S)=，式中K=相應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為 二階系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)的標(biāo)準(zhǔn)形式為= 比較式、得：n= =圖中=1s，T1=0.1s圖2-1表一列出了有關(guān)二階系統(tǒng)在三種情況(欠阻尼，臨界阻尼、過阻尼)下具體參數(shù)的表達(dá)式，以便計(jì)算理論值。圖2-2為圖2-1的模擬電路，其中=1s，T1=0.1s，K1分別為10、5、2.5、1，即當(dāng)電路中的電阻R值分別為10K、20K、40K、100K時(shí)系統(tǒng)相應(yīng)的阻尼比為0.5、1、1.58，它們的單位階躍響應(yīng)曲線為表二所示。表一：一

8、種情況各參數(shù)01=11KK=K1/=K1nn=C(tp)C(tp)=1+e/C()1Mp%Mp= e/tp(s)tp=ts(s)ts=表二：二階系統(tǒng)不同值時(shí)的單位階躍響應(yīng)R值單位階躍響應(yīng)曲線10K0.520K40K1100K158模擬電路圖：G(S)= K1=100K/R = n=三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容1通過對(duì)二階系統(tǒng)開環(huán)增益的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)分別呈現(xiàn)為欠阻尼01(R=10K，K=10),臨界阻尼=1(R=40K，K=2.5)和過阻尼1(R=100K，K=1)三種狀態(tài)，并用示波器記錄它們的階躍響應(yīng)曲線。2通過對(duì)二階系統(tǒng)開環(huán)增益K的調(diào)節(jié)，使系統(tǒng)的阻尼比=0.707(R=20K，K=5)，觀測(cè)此時(shí)系統(tǒng)在階躍信號(hào)

9、作用下的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)：超調(diào)量Mp，上升時(shí)間tp和調(diào)整時(shí)間ts。3研究三階系統(tǒng)的開環(huán)增益K或一個(gè)慢性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)T的變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的影響。4由實(shí)驗(yàn)確定三階系統(tǒng)臨界K值，并與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。四、實(shí)驗(yàn)步驟準(zhǔn)備工作：將“信號(hào)發(fā)生器單元”U1的ST端和+5V端用“短路塊”短接，并使運(yùn)放反饋網(wǎng)絡(luò)上的場(chǎng)效應(yīng)管3DJ6夾斷。本試驗(yàn)中選用普通示波器。1二階系統(tǒng)瞬態(tài)性能的測(cè)試按圖2-2接線，圖中的輸入信號(hào)r(t)參照實(shí)驗(yàn)一中階躍信號(hào)的產(chǎn)生方法。使圖中R分別等于100K、40K、10K時(shí)，用示波器分別觀測(cè)系統(tǒng)階躍的輸出響應(yīng)波形，響應(yīng)曲線參見表一、二。R=10K時(shí)圖R=40K時(shí)圖R=100K時(shí)圖調(diào)節(jié)R，使R

10、=20K(此時(shí)=0.707)，然后用示波器觀測(cè)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并由曲線測(cè)出超調(diào)量Mp，上升時(shí)間tp和調(diào)整時(shí)間ts。并將測(cè)量值與理論計(jì)算值進(jìn)行比較，參數(shù)取值及響應(yīng)曲線參見表一、二。五、實(shí)驗(yàn)思考題1為什么圖2-1所示的二階系統(tǒng)不論K增至多大，該系統(tǒng)總是穩(wěn)定的？答：其自身有保護(hù)程序，隨著只得增大，自身會(huì)做調(diào)整2通過改變?nèi)A系統(tǒng)的開環(huán)增益K和第一個(gè)慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù)，討論得出它們的變化對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能產(chǎn)生什么影響？答：增加K可以增加超調(diào)量，增加時(shí)間常數(shù)可以增加系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間實(shí)驗(yàn)四 控制系統(tǒng)的頻率特性1被測(cè)系統(tǒng)的方塊圖及原理：圖41圖41 被測(cè)系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)(或環(huán)節(jié))的頻率特性G(j)是一個(gè)復(fù)變量，

11、可以表示成以角頻率為參數(shù)的幅值和相角。G(j)=|G(j)| G(j) （41）本實(shí)驗(yàn)應(yīng)用頻率特性測(cè)試儀測(cè)量系統(tǒng)或環(huán)節(jié)的頻率特性。圖41所示系統(tǒng)的開環(huán)頻率特性為：G1(j) G2(j)H(j)= （42）采用對(duì)數(shù)幅頻特性和相頻特性表示，則式(42)表示為：20lg|G1(j) G2(j)H(j)|=20lg| =20lg|B(j)| 20lg|E(j)| （43）G1(j) G2(j)H(j)=/= / B(j)/E(j) （44）將頻率特性測(cè)試儀內(nèi)信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生的超低頻正弦信號(hào)的頻率從低到高變化，并施加于被測(cè)系統(tǒng)的輸入端r(t)，然后分別測(cè)量相應(yīng)的反饋信號(hào)b(t)和誤差信號(hào)e(t)的對(duì)數(shù)幅值

12、和相位。頻率特性測(cè)試儀測(cè)試數(shù)據(jù)經(jīng)相關(guān)器件運(yùn)算后在顯示器中顯示。根據(jù)式(43)和式(44)分別計(jì)算出各個(gè)頻率下的開環(huán)對(duì)數(shù)幅值和相位，在半對(duì)數(shù)坐標(biāo)紙上作出實(shí)驗(yàn)曲線：開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻曲線和相頻曲線。根據(jù)實(shí)驗(yàn)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻曲線畫出開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻曲線的漸近線，再根據(jù)漸近線的斜率和轉(zhuǎn)角頻確定頻率特性(或傳遞函數(shù))。所確定的頻率特性(或傳遞函數(shù))的正確性可以由測(cè)量的相頻曲線來檢驗(yàn)，對(duì)最小相位系統(tǒng)而言，實(shí)際測(cè)量所得的相頻曲線必須與由確定的頻率特性(或傳遞函數(shù))所畫出的理論相頻曲線在一定程度上相符。如果測(cè)量所得的相位在高頻(相對(duì)于轉(zhuǎn)角頻率)時(shí)不等于90°(qp)式中p和q分別表示傳遞函數(shù)分子和分母的階次，那么

13、，頻率特性(或傳遞函數(shù))必定是一個(gè)非最小相位系統(tǒng)的頻率特性。2被測(cè)系統(tǒng)的模擬電路圖：見圖42圖42 被測(cè)系統(tǒng)注意：所測(cè)點(diǎn)-c(t)、-e(t)由于反相器的作用，輸出均為負(fù)值，若要測(cè)其正的輸出點(diǎn)，可分別在-c(t)、-e(t)之后串接一組1/1的比例環(huán)節(jié)，比例環(huán)節(jié)的輸出即為c(t)、e(t)的正輸出。3實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟本實(shí)驗(yàn)中請(qǐng)使用頻率特性分析示波器，如下圖所示。在此實(shí)驗(yàn)中，我們利用TKKL-4型系統(tǒng)中的U15的 D/A轉(zhuǎn)換單元將提供頻率和幅值均可調(diào)的基準(zhǔn)正弦信號(hào)源，作為被測(cè)對(duì)象的輸入信號(hào)，而TKKL-4型系統(tǒng)中測(cè)量單元的CH1通道用來觀測(cè)被測(cè)環(huán)節(jié)的輸出，選擇不同角頻率及幅值的正弦信號(hào)源作為對(duì)象的

14、輸入，可測(cè)得相應(yīng)的環(huán)節(jié)輸出，并在PC機(jī)屏幕上顯示，我們可以根據(jù)所測(cè)得的數(shù)據(jù)正確描述對(duì)象的幅頻和相頻特性圖。具體實(shí)驗(yàn)步驟如下：(1)將U15的D/A轉(zhuǎn)換單元的OUT端接到對(duì)象的輸入端。(2)將測(cè)量單元的CH1(必須撥為乘1檔)接至對(duì)象的輸出端。(3)將U1信號(hào)發(fā)生器單元的ST和S端斷開，用1號(hào)實(shí)驗(yàn)導(dǎo)線將ST端接至CPU單元中的PB10。(由于在每次測(cè)量前，應(yīng)對(duì)對(duì)象進(jìn)行一次回零操作，ST即為對(duì)象鎖零控制端，在這里，我們用8255的PB10口對(duì)ST進(jìn)行程序控制)(4)按菜單欄中“修改參數(shù)”圖標(biāo)，如下圖中所示，輸入相應(yīng)的角頻率，并輸入合適的幅值，按“確定”鍵后，輸入的角頻率開始閃爍，直至測(cè)量完畢時(shí)停止

15、，屏幕即顯示所測(cè)對(duì)象的輸出及信號(hào)源，移動(dòng)游標(biāo)，可得到相應(yīng)的幅值和相位。(5)如需重新測(cè)試，則按菜單欄的“開始”鍵，系統(tǒng)會(huì)清除當(dāng)前的測(cè)試結(jié)果，并輸入新的角頻率，準(zhǔn)備開始進(jìn)行下次測(cè)試。(6)根據(jù)測(cè)量在不同頻率和幅值的信號(hào)源作用下系統(tǒng)誤差e(t)及反饋c(t)的幅值、相對(duì)于信號(hào)源的相角差，用戶可自行計(jì)算并畫出閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)幅頻和相頻曲線。4實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理及被測(cè)系統(tǒng)的開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻曲線和相頻曲線輸入U(xiǎn)i(t)的角頻率(rad/s)誤差信號(hào)e(t)反饋信號(hào)b(t)開環(huán)特性幅值(v)對(duì)數(shù)幅值20lg相位(°)幅值(v)對(duì)數(shù)幅值20lg相位(°)對(duì)數(shù)幅值L相位(°)0.10.1-2000.6-4.44710.2-13.9-690.6-4.445100.8-1.9-360.1-20761001.00320.3-10.51803001.00360.3-10.5188實(shí)驗(yàn)中，由于傳遞函數(shù)是經(jīng)拉氏變換推導(dǎo)出的，而拉氏變換是一種線性積分運(yùn)算，因此它適用于線性定常系統(tǒng)，所以必須用示波器觀察系統(tǒng)各環(huán)節(jié)波形，避免系統(tǒng)進(jìn)