自控原理實驗指導(dǎo)書G1

1、 實驗一 典型環(huán)節(jié)的模擬研究 實驗學(xué)時：2 實驗類型：驗證 實驗要求：選修一、實驗?zāi)康模骸W(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)的模擬電路的構(gòu)成方法及參數(shù)測試方法。、熟悉各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線。、了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。、學(xué)習(xí)超低頻示波器和超低頻信號發(fā)生器的使用方法。二、實驗儀器：、電子模擬裝置臺自制、超低頻雙蹤示波器臺型號DF4313D、函數(shù)信號發(fā)生器 臺型號JY8112D三、實驗原理和電路：本實驗是利用運算放大器的基本特性（開環(huán)增益高、輸入阻抗大、輸出阻抗小等），設(shè)置不同的反饋網(wǎng)絡(luò)來模擬各種典型環(huán)節(jié)。典型環(huán)節(jié)方塊圖及其模擬電路如下：、 比例（）環(huán)節(jié) 微分方程c(t)kr(t) 傳遞函數(shù) 模擬電路如

2、圖1-1所示: R151K R0270K R251K、510K 由于輸入信號r(t)是從運算放大器的反相端輸入，所以輸出信號在相位上正好相反，傳遞函數(shù)中出現(xiàn)負(fù)號。有時為了觀測方便，也可以在輸出端串一個反相器如圖1-2所示。 圖1-2從輸入端加入階躍信號，觀測不同的比例系數(shù)時的輸出波形，并作記錄。 (繪制曲線時，應(yīng)將輸入、輸出信號繪制于同一坐標(biāo)系中，以下記錄波形時都這樣處理)。、積分(I)環(huán)節(jié) 微分方程 傳遞函數(shù) 模擬電路如圖1-3所示: 其中:T=R1C 改變電阻R1或電容C的大小, 可以得到不同的積分時間常數(shù)T。輸入階躍信號，觀測T=0.5秒、5秒時的輸出波形, 并作記錄。、慣性(T)環(huán)節(jié)(

3、一階系統(tǒng)) 微分方程 傳遞函數(shù) 模擬電路如圖1-4所示: 其中: T=R2 C 從輸入端加入階躍信號(或方波信號)。保持k=1不變, 分別觀測T=0.5秒、5秒時的輸出波形, 并作記錄。保持T=R2C=0.5秒不變, 分別觀測K=1, 10時的輸出波形, 并作記錄。波形記錄應(yīng)比較準(zhǔn)確，特別是時間刻度的測定。、比例積分(PI)環(huán)節(jié)傳遞函數(shù) 模擬電路如圖1-5所示:其中: T=R1 C 、比例微分(PD)環(huán)節(jié) 傳遞函數(shù) 模擬電路如圖1-6所示: 其中: 四、實驗步驟、檢查電源是否接好。、 按模擬線路圖接線, 仔細(xì)檢查, 確認(rèn)接線無誤后方能接通電源開始進(jìn)行測試。附實驗記錄表格(供參考)環(huán) 節(jié)P （R

4、2=510K）I （R1=510K）R1=R1=C=C=階躍響應(yīng)波形理想實測環(huán) 節(jié)T （R2=510K）PIPDC=1ufR1=R2= R1=R1=R1=C=C=階躍響應(yīng)波形理想實測 注:模擬裝置、超低頻信號發(fā)生器及示波器的使用方法請參考附錄1-1,1-2,1-3。五、實驗報告：寫出實驗報告一份，至少包括下述各項內(nèi)容。、應(yīng)有本實驗的原理方塊圖，實際接線圖及相應(yīng)的文字說明。、將實驗所得數(shù)據(jù)、曲線整理成便于閱讀、對比的一覽表。、寫出實驗后的收獲、心得體會和對實驗的意見建議。實驗二： 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)分析實驗學(xué)時：2 實驗類型：設(shè)計 實驗要求：必修 一、實驗?zāi)康模?、學(xué)會用電子模擬裝置(以集成運算放

5、大器為主體)構(gòu)成一個閉環(huán)模擬二階系統(tǒng)的方法。2、掌握測試二階系統(tǒng)時域性能指標(biāo)的方法。3、通過實驗進(jìn)一步加深對二階系統(tǒng)特性的認(rèn)識和理解以及系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)特性的影響。4、掌握各種儀器的使用。二、實驗儀器： 1、電子模擬裝置 1臺 自制 2、超低頻雙蹤示波器 1臺 型號 DF4313D 3、超低頻信號發(fā)生器 1臺 型號 JY8112D4、萬用表 1只 型號 DT-8 3 0三、實驗原理： 二階系統(tǒng)的原理方框圖如圖2-1所示 圖2-1 二階系統(tǒng)原理方塊圖 (0<<1)一個二階系統(tǒng)外加一個階躍輸入時，即有一個輸出響應(yīng)，它表征了該系統(tǒng)的控制特性。當(dāng)系統(tǒng)的參數(shù)變化時，其控制特性也隨之變化。決定一

6、個二階系統(tǒng)特性的主要參數(shù)有二個，一個是阻尼比，另一個是無阻尼自振頻率n 。當(dāng)這兩個參數(shù)變化時,二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)的諸特征量(如最大超調(diào)量p，調(diào)節(jié)時間ts等)都將隨之變化。當(dāng)系統(tǒng)的其它參數(shù)固定不變時，可以通過改變系統(tǒng)的放大倍數(shù)來選取所需的和n值。（建議慣性時間T=0.5S）系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 其中和n的表達(dá)式分別為： 對應(yīng)于不同的阻尼比時的二階系統(tǒng)單位階躍響應(yīng)曲線（理論曲線）如圖2-2所示: 圖2-2 二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線四、實驗要求：本實驗所用的閉環(huán)模擬二階系統(tǒng)實驗電路是在電子模擬裝置上用運算放大器分別組成一個積分環(huán)節(jié)，一個慣性環(huán)節(jié)，然后串聯(lián)構(gòu)成閉合回路而成，其原理結(jié)構(gòu)如圖2-1所示，

7、注意，實際的實驗電路不是原理方塊圖的簡單組合。二階系統(tǒng)的實驗電路圖由學(xué)生實驗前設(shè)計。構(gòu)成系統(tǒng)諸環(huán)節(jié)的放大倍數(shù)Ki（ i=1、2、）中至少有一個應(yīng)是可調(diào)的，以便在實驗時選取不同的阻尼比值。五、實驗內(nèi)容與方法：、 用超低頻雙蹤示波器同時觀察并大致描繪二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線與理論曲線作比較；、 在超低頻雙蹤示波器上分別記下對應(yīng)于不同值時表征系統(tǒng)階躍響應(yīng)的主要性能指標(biāo)，過渡過程時間ts，最大超調(diào)量p以及振蕩次數(shù)N等，并與理論計算比較；、 選擇一個值（最好是欠阻尼狀態(tài)），在教師指導(dǎo)下，用智能信號測試儀記錄其階躍輸入與響應(yīng)曲線，并對響應(yīng)曲線作分析。上述實驗中所須不同的值原則上均可通過改變系統(tǒng)的放大倍數(shù)K值

8、來實現(xiàn)，ts值可通過示波器讀出。六、實驗預(yù)習(xí)要求：、 進(jìn)一步加深了解電子模擬裝置的使用方法，附錄 1-1中繪出了電子模擬放大裝置的面板圖，該裝置有八個運算放大器，模擬運算單元。、 根據(jù)實驗要求，設(shè)計好電子模擬裝置組成的閉環(huán)模擬二階系統(tǒng)實驗電路圖，并繪出它與示波器的連接圖。、 根據(jù)實驗內(nèi)容，應(yīng)先復(fù)習(xí)課堂教學(xué)有關(guān)內(nèi)容，深入地了解二階系統(tǒng)的特性及各參數(shù)對特性的影響，預(yù)先正確地確定實驗所需的值、n，并計算出相應(yīng)的放大倍數(shù)K值，以及考慮實驗時如何實現(xiàn)這個值，注意確定K值所用元件參數(shù)要以所提供的實驗器材為依據(jù)，不能隨意選擇。、 擬出實驗步驟。、 熟悉示波器等測試儀器的使用方法，參考附錄1-2、3。上述2、

9、3、4項在實驗前未完成者或在規(guī)定時間內(nèi)未修改正確者均取消其實驗資格，并按實驗不及格計。七、參考書：、自動控制原理李友善編，國防工業(yè)出版社，2000.10、模擬電子技術(shù)基礎(chǔ)童詩白等主編，高等教育出版社，2002.5八、注意事項：、 電源不得接錯，電子模擬裝置上運算放大器以及構(gòu)成系統(tǒng)后的輸出均不得短路，以免燒壞運算放大器。、 實驗時輸入信號不要過大，以免引起運放飽和。九、實驗報告要求：寫出實驗報告一份，可根據(jù)實驗的結(jié)果收獲與體會等自行編制，但至少應(yīng)包括下述各項內(nèi)容。、應(yīng)有本實驗的原理方框圖，實際接線圖及相應(yīng)的文字說明。、將實驗所得數(shù)據(jù)、曲線整理成便于閱讀、對比的一覽表。、 將系統(tǒng)參數(shù)變化所得不同階

10、躍響應(yīng)特征量的理論計算值與實驗測得值列于一個表中。、 完成實驗所必須的元件參數(shù)計算結(jié)果以及實驗方法。 實驗三 線性控制系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差分析實驗學(xué)時：2 實驗類型：設(shè)計實驗要求：必修一、實驗?zāi)康模骸?了解系統(tǒng)在各種不同點控制信號作用下的穩(wěn)態(tài)誤差；、 觀察作用于不點的擾動信號對系統(tǒng)形成的穩(wěn)態(tài)誤差。二、實驗儀器： 、電子模擬裝置 臺自制 、超低頻雙蹤示波器 臺型號DF4313D、超低頻信號發(fā)生器 臺型號JY8112D4、萬用表 1只 型號 DT-8 3 0三、實驗原理： 對于穩(wěn)定的控制系統(tǒng)來說，穩(wěn)態(tài)性能的優(yōu)劣一般是根據(jù)反應(yīng)某些典型輸入信號的穩(wěn)態(tài)誤差來評價的，所以需要對系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差進(jìn)行討論。設(shè)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

11、如圖3-1所示: 圖3-1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖一般定義 或 為誤差信號若H(s)=1時, 則e(t)=L -1R(S)-C(S),就可以比較方便地通過觀察輸入信號與輸出信號之差來分析系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差ess, 為此,本實驗的控制系統(tǒng)采用單位反饋系統(tǒng), 其方塊圖如圖3-2所示。此時，E(S)=(S), 它是一個二階系統(tǒng)。 圖3-2 二階系統(tǒng)方塊圖系統(tǒng)的誤差： E(s)=R(s)-C(s)=e(s)=利用終值定理, 得系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差穩(wěn)態(tài)值的計算公式為: 本實驗使用的信號分別為階躍信號、速度信號、加速度信號。、階躍信號r(t)=I(t) 即 所以系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的穩(wěn)態(tài)值 可見型系統(tǒng)對階躍信號是無差的。、速度信號r(t

12、)=t 即 所以系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的穩(wěn)態(tài)值 可見型系統(tǒng)對速度信號的穩(wěn)態(tài)誤差的穩(wěn)態(tài)值是一恒值, 與系統(tǒng)開環(huán)放大倍數(shù)K成反比, 與信號的斜率(現(xiàn)在tg=t)成正比。、加速度信號 即 所以系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的穩(wěn)態(tài)值 可見型系統(tǒng)對加速度信號的穩(wěn)態(tài)誤差的穩(wěn)態(tài)值是無窮大, 也即型系統(tǒng)不能跟蹤加速度信號。當(dāng)控制信號為零，系統(tǒng)中加有擾動(設(shè)為一階躍信號, 其幅值=Rn), 這時輸出有二種情況：、 擾動加在積分環(huán)節(jié)之前，如圖3-3所示。 圖3-3 擾動作用在積分環(huán)節(jié)之前的系統(tǒng)方塊圖E（s）= 單位反饋H（s）=1 =這時由終值定理得： 可見當(dāng)輸入為零條件時輸出仍有一個恒定輸出,穩(wěn)態(tài)誤差為常值。、 擾動加在積分環(huán)節(jié)之后，慣性

13、環(huán)節(jié)之前，如圖3-4所示。 圖3-4 擾動作用在積分環(huán)節(jié)之后的系統(tǒng)方塊圖 H(s)=1 E(s)= (s)F(s)=這時由終值定理得: 可見當(dāng)輸入為零條件時盡管在積分環(huán)節(jié)后加一干擾, 系統(tǒng)最終穩(wěn)定在原輸出上，穩(wěn)態(tài)誤差為零。四、實驗要求：本實驗所用的閉環(huán)模擬二階系統(tǒng)實驗電路是在模擬裝置上用運算放大器分別組成一個積分環(huán)節(jié)，一個慣性環(huán)節(jié)，然后串聯(lián)構(gòu)成閉合回路，其原理結(jié)構(gòu)如圖3-2所示，、學(xué)生自己設(shè)計二階系統(tǒng)的實驗線路圖；、將階躍信號、速度信號、加速度信號作為控制信號依次加在二階系統(tǒng)的輸入端，分別獲得二階系統(tǒng)在不同輸入情況下的穩(wěn)態(tài)誤差曲線和穩(wěn)態(tài)值。、 把階躍信號作為擾動信號加在二階系統(tǒng)的不同位置，即積

14、分環(huán)節(jié)之前和之后，觀察系統(tǒng)輸出情況（響應(yīng)曲線和穩(wěn)態(tài)誤差曲線）。五、實驗內(nèi)容和方法：、用超低頻雙蹤示波器同時觀察并繪出二階系統(tǒng)各種輸入信號及其響應(yīng)曲線，系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差曲線和穩(wěn)態(tài)值的大小。 、用超低頻雙蹤示波器同時觀察并繪出擾動信號作用于不同位置時的響應(yīng)曲線和穩(wěn)態(tài)誤差曲線。六、預(yù)習(xí)要求：、復(fù)習(xí)實驗一，根據(jù)實驗要求設(shè)計好用電子模擬裝置組成閉環(huán)模擬二階系統(tǒng)，繪出信號源與二階系統(tǒng)及測試儀器的連接圖。、復(fù)習(xí)課堂教學(xué)有關(guān)內(nèi)容，弄清穩(wěn)態(tài)誤差的概念，控制作用，擾動作用之間的關(guān)系，詳細(xì)閱讀本實驗指導(dǎo)書，在熟悉實驗原理和內(nèi)容的基礎(chǔ)上，擬出各項實驗出現(xiàn)的理論情況，以便與實驗現(xiàn)象作比較。、寫一份預(yù)習(xí)報告，包括擬出詳細(xì)的實

15、驗步驟。、熟悉使用示波器及信號發(fā)生器的方法。上述幾項在實驗前未完成者，或在規(guī)定時間內(nèi)未修改正確者取消實驗資格，實驗成績按不及格計。七、實驗報告要求： 寫出本實驗報告一份，應(yīng)包括下述各項內(nèi)容：、 本實驗的原理方塊圖，實際接線圖及相應(yīng)的文字說明、 將實驗所得曲線、數(shù)據(jù)整理成便于閱讀對比的一覽表。、繪出階躍信號、速度信號、加速度信號作為控制信號作用系統(tǒng)時的穩(wěn)態(tài)誤差曲線及其穩(wěn)態(tài)值，并與理論作比較，說明穩(wěn)態(tài)誤差與系統(tǒng)類型、輸入信號類型的關(guān)系。、繪出擾動信號(階躍信號)作用于不同點時系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差的變化曲線.、寫出實驗后的收獲、心得體會和對實驗的意見和建議。實驗四 頻率特性測試實驗學(xué)時：2 實驗類型：驗證

16、實驗要求：必修一、實驗?zāi)康模骸⑹煜な褂檬静ㄆ骷靶盘柊l(fā)生器測量一個系統(tǒng)(或一個電路元件)頻率特性的方法。、熟悉使用超低頻信號發(fā)生器測量頻率特性的方法。二、實驗儀器： 、電子模擬裝置臺自制 、超低頻雙蹤示波器臺型號DF4313D、函數(shù)信號發(fā)生器 臺型號JY8112D三、實驗原理： 測定自動控制系統(tǒng)或元件的頻率特性一般用兩類方法，一是采用專用設(shè)備，如超低頻頻率特性測試儀；另一種方法是用李薩氏圖形法，這種方法測量精度較低，但不用專門設(shè)備，比較容易實現(xiàn)，只用一臺超低頻信號發(fā)生器和一臺示波器即可。本實驗準(zhǔn)備采用李薩氏圖形法。李薩氏圖形法測試方法如下：對系統(tǒng)(或元件)加一個正弦輸入Usr, 其輸出為Usc。

17、(系統(tǒng)或元件) Usr Usc設(shè)系統(tǒng)的輸入量為:Usr=A1()sint , 實驗時A1可以是常數(shù)。其輸出量為： Usc=A2()sint+()則頻率特性為: 其中: 為幅頻特性 ()為相頻特性測量法：、幅頻特性用比較法如圖4-1所示, 將Usr、Usc分別送入示波器的Y1、Y2通道, 這時使X軸停止掃描，示波器光點只作上下移動，分別讀出其最大值，各為Ym(A1)、Ym(A2)。一般為了讀取方便, 讀出其峰一峰值各為2Ym(A1)、2Ym(A2),則幅頻特性為: 變化一次輸入信號頻率, 讀出對應(yīng)的A, 這樣連續(xù)變化,即得到一組A()。信號 源被測對象Y1Y2示波器 Usr Usc 圖4-1 幅

18、頻特性測量、相頻特性 信號 源被測對象Y1X(Y2)示波器 Usr Usc 圖4-2 相頻特性測量 使示波器的X軸掃描停止, 把輸入信號Usr送入X軸, 輸出信號Usc送Y軸: 光點沿X軸移動分量為X(t)=Xmsimt、光點沿Y軸移動分量為Y(t)=Ymsim(t+)X(t)與Y(t)的波形分別如圖4-3所示： 圖4-3 X(t)與Y(t)的波形圖兩波形的角頻率相等, 幅值之比為Ym/Xm,而相角差為, 相應(yīng)在示波器上可得到一個橢圓形，稱為李薩氏圖形如圖4-4所示 。 圖4-4 李薩氏圖當(dāng)t=0時 X(0)=Xmsin0=0 Y(0)=Ymsin(0+)=Ymsin 變化輸入信號的頻率, 即可得一組()當(dāng)角大小不同時,橢圓的長短軸的位置也不同,同時角的超前或滯后與光點的旋轉(zhuǎn)方向有關(guān)。以上兩者均與示波器的觸發(fā)脈沖有關(guān)。具體規(guī)律可以如表4-1所示(以滯后相位為例)表4-1滯后相位009009009001800180018002700圖 形計算公式IIIIIIIVV : : =900 : : =1800 : 四、實驗內(nèi)容被測對象： 本實驗所測的是微分積分環(huán)節(jié)（RC網(wǎng)絡(luò)），線路如下: 圖4-5 RC網(wǎng)絡(luò)其傳遞函數(shù)為 其中: 1R1C1 ；2R2C2 ；12R1C2 R140K C110 R210K C220