自動控制原理實驗

1、自動控制原理實驗教程實驗一 控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的模擬一、實驗?zāi)康?(1)學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)的模擬方法。 (2)研究阻、容參數(shù)對典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的影響。 (3)熟悉超低頻掃描示波器的使用方法。 (4)掌握用運放組成控制系統(tǒng)典型環(huán)節(jié)的電子電路。 (5)測量典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。 (6)通過實驗了解典型環(huán)節(jié)中參數(shù)的變化對輸出動態(tài)性能的影響。 二、實驗設(shè)備1 ACS教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺。2 示波器一臺。3 萬用表一塊。三、實驗線路及原理 以運算放大器為核心元件，由其不同的R-C輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)組成的各種典型環(huán)節(jié)，如圖1-1所示。圖中Z1和Z2為復(fù)數(shù)阻抗，它們都是由R、C構(gòu)成。 基于圖中A點的電位為虛地，略去流

2、入運放的電流，則由圖1-1得： (1) 圖1-1 運放的反饋連接 由上式可求得由下列模擬電路組成典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)及其單位階躍響應(yīng)。 (1)比例環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié)的模擬電路如圖1-2所示： 圖1-2 比例環(huán)節(jié) （2）慣性環(huán)節(jié) 圖1-3、慣性環(huán)節(jié) (3)積分環(huán)節(jié) 式中積分常數(shù)T=RC圖1-4積分環(huán)節(jié) (4)比例微分環(huán)節(jié)（PD），其接線圖如圖及階躍響應(yīng)如圖1-5所示。 圖1-5 比例微分環(huán)節(jié) (5)比例積分環(huán)節(jié)，其接線圖單位階躍響應(yīng)如圖1-6所示。圖1-6 比例積分環(huán)節(jié) （6）振蕩環(huán)節(jié)，其接線圖單位階躍響應(yīng)1-7、圖1-8所示。 1-7 振蕩環(huán)節(jié)原理圖 1-8 振蕩環(huán)節(jié)接線圖比例環(huán)節(jié) G1(S)=1和

3、G2(S)=2 積分環(huán)節(jié) G1(S)=1/SG2(S)=1/（0.5S） 比例微分環(huán)節(jié) G1(S)=2+S和G2(S)=1+2S 慣性環(huán)節(jié) G1(S)=1/(S+1)和G2(S)=1/(0.5S+1) 比例積分環(huán)節(jié)（PI）G（S）=1+1/S和G（S）=2（1+1/2S）振蕩環(huán)節(jié)(選做) 五、實驗報告 (1)畫出六種典型環(huán)節(jié)的實驗電路圖，并注明相應(yīng)的參數(shù)。 (2)畫出各典型環(huán)節(jié)的單位階躍響應(yīng)波形，并分析參數(shù)對響應(yīng)曲線的影響。 (3)寫出實驗的心得與體會。 實驗二 二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)分析1、 實驗?zāi)康?. 觀察在不同參數(shù)下二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并測出超調(diào)量、峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間ts。2. 研

4、究增益K對二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的影響。2、 實驗設(shè)備1. ACS教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺2. 示波器一臺3、 實驗原理R(S）KC(S） 圖2-1 二階系統(tǒng)方框圖它的閉環(huán)傳遞函數(shù)為：由上式求得 若令 則顯然只要改變K值，就能同時改變n和的值，可以得到過阻尼、臨界阻尼和欠阻尼三種情況下的階躍響應(yīng)曲線。4、 實驗內(nèi)容1.按開環(huán)傳遞函數(shù)函數(shù)的要求，設(shè)計相應(yīng)的實驗線路圖。令r(t)=1V,在示波器上觀察不同K（K=10,5,2,0.5）下的瞬態(tài)響應(yīng)曲線，并由圖求得相應(yīng)的超調(diào)量、峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間ts。2.調(diào)節(jié)K值，使該二階系統(tǒng)的阻尼比,觀察并記錄階躍響應(yīng)波形。五、實驗報告1.畫出二階系統(tǒng)在不同K值下的4條瞬態(tài)

5、曲線，并注明時間軸。2.實驗前按圖3-1所示的二階系統(tǒng)，計算K=0.625，K=1，K=0.312三種情況下的n和的值。據(jù)此，求得相應(yīng)的動態(tài)性能指標：超調(diào)量、峰值時間tp和調(diào)節(jié)時間ts。并與實驗結(jié)果作一比較。3.寫出本實驗的心得體會。六、實驗思考題1.如果階躍輸入信號的幅值過大，會在試驗中產(chǎn)生什么后果？2.在電子模擬系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)負反饋和單位反饋？實驗三 頻率特性的測試 一、實驗?zāi)康?(1)掌握用李沙育圖形法，測量二階系統(tǒng)的頻率特性。 (2)根據(jù)二階系統(tǒng)的對數(shù)幅頻特性，確定系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型。 (3)了解二階系統(tǒng)的頻域指標與時域指標的對應(yīng)關(guān)系。二、實驗設(shè)備 （1）ACS教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺。（2）示

6、波器一臺。（3）萬用表一塊。三、實驗原理和內(nèi)容 對于穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)或環(huán)節(jié)，當(dāng)其輸入端加入一正弦信號X(t)=XmSint，它的穩(wěn)態(tài)輸出是一與輸入信號同頻率的正弦信號，但其幅值和相位將隨著輸入信號頻率的變化而變化。即輸出信號為 Y（t）=YmSin（t+）=m|G（j）|Sin（t+） 其中 |G（j）|= m /Xm ，()=argG（j） 只要改變輸入信號x（t）的頻率，就可測得輸出信號與輸入信號的幅值比|G（j）|和它們的相位差（）=argG（j）。 不斷改變x（t）的頻率，就可測得被測環(huán)節(jié)（系統(tǒng)）的幅頻特性|（j）|和相頻特性（）。 本實驗采用李沙育圖形法，圖3-1為測試的方框圖。

7、圖3-1測試方框圖 在表（1）中列出了超前與滯后時相位的計算公式和光點的轉(zhuǎn)向。 表（1） 表中2Y0為橢圓與Y軸交點之間的長度，2X0為橢圓與X軸交點之間距離，Xm和Ym分別為X（t）和Y（t）的幅值。 圖3-2 相頻特性測試的接線圖 當(dāng)掃頻電源輸出一個正弦信號，則在示波器的屏幕上呈現(xiàn)一個李沙育圖形-橢圓。據(jù)此，可測得在該輸入信號頻率下的相位值: 不斷改變掃頻電源輸出信號的頻率，就可得到一系列相應(yīng)的相位值，列表記下不同值時的Y0和Ym。 相頻特性的測試 (rad/s)13571030F (Hz)0.1590.4770.7961.1151.59240777Y0 Ym 測量時，輸入信號的頻率要取得

8、均勻。幅頻特性的測試按圖3-4接線，測量時示波器的X軸停止掃描，在示波器（或萬用表的交流電壓檔）上分別讀出輸入和輸出信號的雙倍幅值，即2Xm=2Y1m，2Ym=2Y2m，就可求得對應(yīng)的幅頻值|G（j）|=2Y2m/（2Y1m），列標記下2Y2m/(2Y1m), 和的值。 圖3-3 幅頻特性的接線圖 12幅頻特性的測試 2Y1m 2Y2m 2Y2m/2Y1m 20lg2Y1m/(2Y2m) （1） 根據(jù)圖34所示的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，給出相應(yīng)的模擬電路，求出該系統(tǒng)對數(shù)幅頻特性漸近線的轉(zhuǎn)折頻率、諧振頻率、峰值頻率和帶寬頻率。K=1 圖34 頻率特性測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖（2） 確定輸入正弦信號的頻率范圍和測試點。

9、 通常取低于轉(zhuǎn)換頻率10倍左右的頻率，作為開始測試的最低頻率，取高于轉(zhuǎn)換頻率10倍左右的頻率作為終止頻率，在峰值頻率和轉(zhuǎn)折頻率附近，應(yīng)多測幾個點。（3） 作系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，測量系統(tǒng)的動態(tài)性能指標。（4） 用示波器頻域測量方法測量系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。四、實驗報告要求 (選作)（1） 給出被測系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖和模擬電路。（2） 根據(jù)實驗數(shù)據(jù)，作出對數(shù)幅頻特性和對數(shù)相頻特性曲線。實驗四 控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正研究一、實驗?zāi)康膽?yīng)用頻率法校正，對給定系統(tǒng)進行串聯(lián)校正設(shè)計，并在模擬機上加以實現(xiàn)，驗證設(shè)計的正確性。二、實驗設(shè)備（1）ACS教學(xué)實驗系統(tǒng)一臺。（2）示波器一臺。（3）萬用表一塊。3、 實驗原理 但系統(tǒng)的開環(huán)增益滿足其穩(wěn)態(tài)性能的要求后，它的動態(tài)性能一般不理想，甚至發(fā)生不穩(wěn)定，為此需在系統(tǒng)中串聯(lián)一校正裝置，即使系統(tǒng)的開環(huán)增益不變，又使系統(tǒng)的動態(tài)性能滿足要求。常有的方法有頻率法和工程設(shè)計法。本實驗要求用工程設(shè)計法對系統(tǒng)進行校正。二階系統(tǒng)的標準開環(huán)傳遞函數(shù)為：如果=,則上式稱為二階系統(tǒng)工程設(shè)計開環(huán)傳遞函數(shù)的標準形式。理論證明，此時系統(tǒng)對階躍響應(yīng)的超調(diào)量只有4.3%。調(diào)整時間為8T(=±5%)