南京理工大學(xué)控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告多篇匯總

1、PAGE PAGE 30控制工程基礎(chǔ)實(shí)驗(yàn)報(bào)告姓名 歐宇涵 914000720206 周竹青 914000720215 學(xué)院 教 育 實(shí) 驗(yàn) 學(xué) 院 指導(dǎo)老師 蔡 晨 曉 南京理工大學(xué)自動化學(xué)院2017年1月實(shí)驗(yàn)1：典型環(huán)節(jié)的模擬研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1、學(xué)習(xí)構(gòu)建典型環(huán)節(jié)的模擬電路；2、研究阻、容參數(shù)對典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的影響；3、學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測量方法，并計(jì)算其典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：完成比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、比例積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn)，并研究參數(shù)變化對其階躍響應(yīng)特性的影響。三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法（1）比例環(huán)節(jié)圖1-1 比例環(huán)節(jié)模擬電路圖比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：，其中，參數(shù)

2、取R2=200K，R1=100K。步驟：1、連接好實(shí)驗(yàn)臺，按上圖接好線。2、調(diào)節(jié)階躍信號幅值(用萬用表測)，此處以1V為例。調(diào)節(jié)完成后恢復(fù)初始。3、Ui接階躍信號、Uo接IN采集信號。4、打開上端軟件，設(shè)置采集速率為“1800uS”，取消“自動采集”選項(xiàng)。5、點(diǎn)擊上端軟件“開始”按鍵，隨后向上撥動階躍信號開關(guān)，采集數(shù)據(jù)如下圖。 圖1-2 比例環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)C（2）積分環(huán)節(jié) 。VoVR200K圖1-3 積分環(huán)節(jié)模擬電路圖積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：，其中T=RC，參數(shù)取R=100K，C=0.1f。步驟：同比例環(huán)節(jié)，采集數(shù)據(jù)如下圖。圖1-4 積分環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)（3）微分環(huán)節(jié)RCRVVo200K圖1-5 微分

3、環(huán)節(jié)模擬電路圖微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：，其中 T=RC、K=。參數(shù)?。篟=100K，R=200K，C=1f。步驟：同比例環(huán)節(jié)，采集數(shù)據(jù)如下圖。圖1-6 微分環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)（）慣性環(huán)節(jié)CV200KRRVo圖1-7 慣性環(huán)節(jié)模擬電路圖慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為：，其中,。參數(shù)?。篟=100K，R=200K C=0.1f。步驟：同比例環(huán)節(jié)，采集數(shù)據(jù)如下圖。圖1-8 慣性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1、畫出比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖，并求出傳遞函數(shù)。通過實(shí)驗(yàn)得出比例環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線；2、由階躍響應(yīng)曲線估算出比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計(jì)算的結(jié)

4、果進(jìn)行對比分析。（1）比例環(huán)節(jié)圖4-1-1 比例環(huán)節(jié)原始電路階躍響應(yīng)曲線圖4-1-2 比例環(huán)節(jié)R2=400k電路階躍響應(yīng)曲線積分環(huán)節(jié)圖4-2-1 積分環(huán)節(jié)原始電路階躍響應(yīng)曲線圖4-2-2 積分環(huán)節(jié)C=0.2uF電路階躍響應(yīng)曲線微分環(huán)節(jié)圖4-3-1 微分環(huán)節(jié)原始電路階躍響應(yīng)曲線圖4-3-2 微分環(huán)節(jié)R2=500k階躍響應(yīng)曲線慣性環(huán)節(jié)圖4-4-1 慣性環(huán)節(jié)原始電路階躍響應(yīng)曲線圖4-4-2 慣性環(huán)節(jié)R1=400k階躍響應(yīng)曲線實(shí)驗(yàn)2：典型系統(tǒng)時域響應(yīng)動、靜態(tài)性能分析和穩(wěn)定性研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1、熟悉二階模擬系統(tǒng)的組成，研究二階系統(tǒng)分別工作在1，01等狀態(tài)下的階躍響應(yīng)；2、學(xué)習(xí)掌握動態(tài)性能指標(biāo)的測

5、試方法，研究典型系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響；3、檢驗(yàn)系統(tǒng)的穩(wěn)定性與系統(tǒng)本身結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、觀察典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，測出系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時間，并研究其參數(shù)變化對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響；2、針對某一給定控制系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，系統(tǒng)輸入是脈沖函數(shù)，觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。研究系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響。三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法：(一)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)實(shí)驗(yàn)典型二階系統(tǒng)的方塊結(jié)構(gòu)圖如下圖所示：圖2-1 典型二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖其開環(huán)傳遞函數(shù)為，為開環(huán)增益。其閉環(huán)傳遞函數(shù)為，其中，。取二階系統(tǒng)模擬電路圖如下：圖2-2 典型二階系統(tǒng)模擬電路圖其中，。下面即測出二階系統(tǒng)在過阻尼（

6、），臨界阻尼（），欠阻尼（）等狀態(tài)下的階躍響應(yīng)曲線。步驟：1、連接好實(shí)驗(yàn)臺，按上圖接好線。2、調(diào)節(jié)階躍信號為1V(使用萬用表測量)。調(diào)節(jié)完成后恢復(fù)信號到0V狀態(tài)。3、Ui接階躍信號，Uo接IN采集信號。4、打開上端軟件，選中“低頻掃描”，設(shè)置采集速率為“50mS”，取消“自動采集”選項(xiàng)。5、調(diào)節(jié)可變電阻觀察過阻尼、臨界阻尼、欠阻尼狀態(tài)。改變電阻重新觀察時需在進(jìn)行放電操作（可以重新開關(guān)一次實(shí)驗(yàn)臺）。 6、點(diǎn)擊上端軟件“開始”按鍵，隨后向上撥動階躍信號開關(guān)，采集數(shù)據(jù)如下圖。圖2-3 過阻尼、臨界阻尼階躍響應(yīng)圖2-4 欠阻尼階躍響應(yīng) (二)控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析給定系統(tǒng)模擬電路圖如下：圖2-5 系統(tǒng)模

7、擬電路圖步驟：(注：系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩響應(yīng)時的電阻值范圍在250-300K)1、按照上圖接好線路，令C=1uf。點(diǎn)擊上端軟件“開始”按鍵，隨后向上撥動階躍信號開關(guān)再關(guān)掉（即模擬產(chǎn)生了一個脈沖信號）。2、改變電位器，使R3從01M方向變化，此時相應(yīng) K1=010。觀察輸出波形，找到系統(tǒng)產(chǎn)生增幅振蕩時相應(yīng)的R3值及K1值；3、再把電位器電阻由大到小變化，即R3從10M方向變化，找到系統(tǒng)輸出從產(chǎn)生等幅振蕩向減幅振蕩變化的R3及K1值。圖2-6 增幅振蕩圖2-7 等幅振蕩圖2-8 減幅振蕩4、在步驟1的條件下，使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，即工作在等幅振蕩情況，電容從1uf變成0.1uf，觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化

8、。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：根據(jù)實(shí)驗(yàn)(一)： 畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖，并求出參數(shù)、的表達(dá)式；觀察實(shí)驗(yàn)結(jié)果，求出不同和條件下的超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間ts；根據(jù)二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，由Mp和ts值估算系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，并與模擬電路計(jì)算的傳遞函數(shù)相比較。圖4-1-1 臨界阻尼Rx=71.7k階躍響應(yīng)曲線圖4-1-2 過阻尼Rx=50k階躍響應(yīng)曲線圖4-1-3 欠阻尼Rx=840k階躍響應(yīng)曲線根據(jù)實(shí)驗(yàn)(二)：1、畫出系統(tǒng)的模擬電路圖；2、畫出系統(tǒng)的等幅、增幅及減幅的響應(yīng)波形圖；圖4-2-1 增幅振蕩圖4-2-2 等幅振蕩圖4-2-1 減幅振蕩3、實(shí)驗(yàn)結(jié)果計(jì)算系統(tǒng)出現(xiàn)等幅振蕩響應(yīng)時的可調(diào)電阻值和臨界放大系數(shù)。實(shí)驗(yàn)3

9、：控制系統(tǒng)的頻率特性研究一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：1、學(xué)習(xí)測量典型環(huán)節(jié)（或系統(tǒng)）頻率響應(yīng)曲線的方法和技能；2、掌握根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲取系統(tǒng)的頻率特性的方法。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：完成慣性環(huán)節(jié)的頻率特性測試實(shí)驗(yàn)。三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法：（一）頻率響應(yīng)圖3-1 慣性環(huán)節(jié)模擬電路圖步驟：（1）測試500Hz正弦波 1、連接好實(shí)驗(yàn)臺，按上圖接好線。調(diào)節(jié)R1電阻阻值約為2K，Ui接OUT0。2、打開上端軟件采集顯示：選中“頻率特性”，設(shè)置采集速率100Us，取消“自動采集”選項(xiàng)。波形輸出：選中“正弦波”，設(shè)置峰值輸出為“10V”，頻率輸出為“500Hz”。 3、IN首先接Ui，點(diǎn)擊“開始”，提示采集第一次波形,點(diǎn)擊“確認(rèn)”(輸入

10、波形)。4、采集完成后，出現(xiàn)提示采集第二次波形，將IN改接Uo，點(diǎn)擊“確認(rèn)”（輸出波形），采集完成后如下圖。圖3-2 慣性環(huán)節(jié)正弦信號頻率響應(yīng)(500Hz)（2）測試50Hz正弦波 1、連接好實(shí)驗(yàn)臺，按上圖接好線。調(diào)節(jié)R1電阻阻值約為2K，Ui接OUT0。2、打開上端軟件采集顯示：選中“頻率特性”，設(shè)置采集速率500Us，取消“自動采集”選項(xiàng)。波形輸出：選中“正弦波”，設(shè)置峰值輸出為“10V”，頻率輸出為“50Hz”。 3、IN首先接Ui，點(diǎn)擊“開始”，提示采集第一次波形,點(diǎn)擊“確認(rèn)”(輸入波形)。4、采集完成后，出現(xiàn)提示采集第二次波形，將IN改接Uo，點(diǎn)擊“確認(rèn)”（輸出波形），采集完成后如下

11、圖。圖3-3 慣性環(huán)節(jié)正弦信號頻率響應(yīng)(50Hz)（二）由MATLAB進(jìn)行頻率特性仿真實(shí)驗(yàn)：已知某單位負(fù)反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為： 頻率范圍（1）繪制頻率響應(yīng)曲線，包括Bode圖和幅相曲線（Nyquist圖）。（2）根據(jù)Nyquist判據(jù)判定系統(tǒng)的穩(wěn)定性。（3）根據(jù)Bode圖求出系統(tǒng)的截止頻率以及幅值裕度與相位裕度。四、實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：1、畫出系統(tǒng)的模擬電路圖，計(jì)算其傳遞函數(shù)； 2、根據(jù)實(shí)驗(yàn)(一)，給出系統(tǒng)在正弦輸入下的頻率響應(yīng)并記錄響應(yīng)曲線；圖4-1-1 慣性環(huán)節(jié)正弦信號頻率響應(yīng)(500Hz)圖4-1-2 慣性環(huán)節(jié)正弦信號頻率響應(yīng)(50Hz)3. 根據(jù)實(shí)驗(yàn)(二)，繪制Bode圖和幅相曲線，并判

12、定系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度。圖4-1-3 波特圖圖4-1-4 幅相曲線幅值裕度：Gm = infinite相位裕度：Pm = 82.7984截止頻率：Wc = 6.8694 rad/s實(shí)驗(yàn)4：線性系統(tǒng)校正一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康呐c要求：掌握控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置，對比觀察系統(tǒng)校正前后的響應(yīng)曲線。二、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：1、觀測未加校正裝置時系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能；2、按動態(tài)性能的要求，設(shè)計(jì)串聯(lián)超前校正裝置；3、觀測引入校正裝置后系統(tǒng)的動、靜態(tài)性能，并進(jìn)行實(shí)時調(diào)試，使系統(tǒng)動、靜態(tài)性能均滿足設(shè)計(jì)要求。三、實(shí)驗(yàn)步驟與方法：1、未加校正二階閉環(huán)系統(tǒng)的系統(tǒng)框圖和模擬電路圖，如下所示： 圖4-1 未校正二階閉環(huán)系統(tǒng)框圖圖

13、4-2 未校正二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為：系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)為：步驟：1、連接好實(shí)驗(yàn)臺，按原理圖接線。2、調(diào)節(jié)階躍信號(使用萬用表測量)，此處以2V為例，調(diào)節(jié)完成后恢復(fù)初始。3、Ui接階躍信號、Uo接IN采集信號。4、打開上端軟件，取消“自動采集”，選中“低頻掃描”，設(shè)置采集速率為10ms。5、點(diǎn)擊上端軟件“開始”按鍵，然后向上撥動階躍開關(guān)，采集完成后如下圖，用標(biāo)尺讀出相對應(yīng)的數(shù)據(jù)，計(jì)算其超調(diào)量、穩(wěn)定時間等指標(biāo)。圖4-3未校正階躍響應(yīng)2、設(shè)計(jì)校正裝置2.1 性能要求靜態(tài)速度誤差系數(shù)：，超調(diào)量：；上升時間：。2.2 校正前系統(tǒng)的性能分析校正前系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：誤差系數(shù)為：，剛好滿足穩(wěn)態(tài)的要求。根據(jù)系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：求得，代入二階系統(tǒng)超調(diào)量的計(jì)算公式，即可確定該系統(tǒng)的超調(diào)量，即，這表明當(dāng)系統(tǒng)滿足穩(wěn)態(tài)性能指標(biāo)的要求后，其動態(tài)性能不能達(dá)到指標(biāo)要求。在系統(tǒng)中加入校正裝置，使校正后系統(tǒng)的性能同時滿足穩(wěn)態(tài)和動態(tài)性能指標(biāo)的要求。2.3 校正裝置的設(shè)計(jì)根據(jù)對校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)要求，確定系統(tǒng)的和。即由，求得，解得根據(jù)零極點(diǎn)對消原理，令校正裝置的傳遞函數(shù)則校正后系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：相應(yīng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)于是有：，為使校正后系統(tǒng)的超調(diào)量，這里取 ， 則 ，。這樣所求校正裝置的傳遞函數(shù)為：設(shè)校正裝置GC(S)的模擬電路用圖4-3所示的電路表示。圖4-4 校正裝置的電路