2015東南大學(xué)自控實(shí)驗(yàn)報(bào)告-實(shí)驗(yàn)四串聯(lián)校正研究剖析

1、 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告實(shí)驗(yàn)名稱(chēng)：實(shí)驗(yàn)四串聯(lián)校正研究院（系）：專(zhuān)業(yè)：姓名:學(xué)號(hào):實(shí)驗(yàn)室：416實(shí)驗(yàn)組別：同組人員：實(shí)驗(yàn)時(shí)間：評(píng)定成績(jī)：審閱教師：實(shí)驗(yàn)四串聯(lián)校正研究、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?）熟悉串聯(lián)校正的作用和結(jié)構(gòu)2）掌握用Bode圖設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)3）在時(shí)域驗(yàn)證各種網(wǎng)絡(luò)參數(shù)的校正效果二、實(shí)驗(yàn)原理：（1）校正的目的就是要在原系統(tǒng)上再加一些由調(diào)節(jié)器實(shí)現(xiàn)的運(yùn)算規(guī)律，使控制系統(tǒng)滿足性能指標(biāo)。由于控制系統(tǒng)是利用期望值與實(shí)際輸出值的誤差進(jìn)行調(diào)節(jié)的，所以，常常用“串聯(lián)校正”調(diào)節(jié)方法串聯(lián)校正在結(jié)構(gòu)上是將調(diào)節(jié)器Gc（S）串接在給定與反饋相比誤差之后的支路上，見(jiàn)下圖。設(shè)定校正網(wǎng)絡(luò)Gc（S）k被控對(duì)象H（S）1jL實(shí)際上，校正設(shè)計(jì)

2、不局限這種結(jié)構(gòu)形式，有局部反饋、前饋等。若單從穩(wěn)定性考慮，將校正網(wǎng)絡(luò)放置在反饋回路上也很常見(jiàn)。（2）本實(shí)驗(yàn)取三階原系統(tǒng)作為被控對(duì)象，分別加上二個(gè)滯后、一個(gè)超前、一個(gè)超前-滯后四種串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)，這四個(gè)網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)均是利用Bode圖定性設(shè)計(jì)的，用階躍響應(yīng)檢驗(yàn)四種校正效果。由此證明Bode圖和系統(tǒng)性能的關(guān)系，從而使同學(xué)會(huì)設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：THBDC-1實(shí)驗(yàn)平臺(tái)THBDC-1虛擬示波器四、實(shí)驗(yàn)線路：（見(jiàn)附圖）五、實(shí)驗(yàn)步驟：（1）不接校正網(wǎng)絡(luò)，即Gc（S）=l,如總圖。觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解釋?zhuān)唬?）接人參數(shù)不正確的滯后校正網(wǎng)絡(luò)，如圖4-2。觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解

3、釋?zhuān)唬?）接人參數(shù)較好的滯后校正網(wǎng)絡(luò)，如圖4-3。觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解釋?zhuān)唬?）接人參數(shù)較好的超前校正網(wǎng)絡(luò)，如圖4-4。觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解釋?zhuān)唬?）接人參數(shù)較好的混合校正網(wǎng)絡(luò)，如圖4-5，此傳遞函數(shù)就是工程上常見(jiàn)的比例-積分-微分校正網(wǎng)絡(luò)，即PID調(diào)節(jié)器。觀察并記錄階躍響應(yīng)曲線，用Bode圖解釋?zhuān)涣?、預(yù)習(xí)與回答：（1）寫(xiě)出原系統(tǒng)和四種校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)，并畫(huà)出它們的Bode圖，請(qǐng)預(yù)先得出各種校正后的階躍響應(yīng)結(jié)論，從精度、穩(wěn)定性、響應(yīng)時(shí)間說(shuō)明五種校正網(wǎng)絡(luò)的大致關(guān)系。答】：原系統(tǒng)傳遞函數(shù)：10.2(0.2s+1)(0.094s+1)(0.051s+1)BODE

4、圖：)Bd(edutingaM)ged(esah0-20-40-60-80-100-90-180100-1200BodeDiaaram-27010-1103101Frequency（rad/sec）分析：精度方面，原系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差（初始斜率為0）；穩(wěn)定性方面，存在一定的超調(diào)量，相角裕度一般（中頻帶-20db斜率段折線長(zhǎng)度有限）；響應(yīng)時(shí)間方面，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)（穿越頻率較?。┧缘玫降碾A躍響應(yīng)預(yù)計(jì)表現(xiàn)一般圖4-1無(wú)校正。本實(shí)驗(yàn)作為標(biāo)準(zhǔn)參照。圖4-2傳遞函數(shù)：1G2(s)二0.2s+lBODE圖0BodeDiagram0505011223)Bd(edutingaM-90100101102Freque

5、ncy(rad/sec)5)ged(esahP10-1分析：屬于滯后校正。精度方面，不能改變系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)誤差（初始斜率為0）；穩(wěn)定性方面，會(huì)增加超調(diào)量，減小相角裕度，系統(tǒng)更不穩(wěn)定（中頻帶-20db斜率段折線長(zhǎng)度比原系統(tǒng)短，對(duì)應(yīng)截止頻率的相角裕度很小,估計(jì)系統(tǒng)難以穩(wěn)定）；響應(yīng)時(shí)間方面，響應(yīng)時(shí)間比原系統(tǒng)還要長(zhǎng)（穿越頻率太?。?。所以得到的階躍響應(yīng)存在穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定性比原系統(tǒng)差，比原系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢。甚至系統(tǒng)無(wú)法穩(wěn)定，這個(gè)環(huán)節(jié)設(shè)計(jì)有誤。1圖4-3傳遞函數(shù)：G（s）二，BODE圖：c34s+1分析：屬于滯后校正。精度方面，新系統(tǒng)不能改變穩(wěn)態(tài)誤差（初始斜率為0）；穩(wěn)定性方面，可以減少超調(diào)量，增大相角裕度，系統(tǒng)更

6、穩(wěn)定（新系統(tǒng)中頻帶-20db斜率段折線長(zhǎng)度比原系統(tǒng)長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)截止頻率的相角裕度較大）；響應(yīng)時(shí)間方面，響應(yīng)時(shí)間比原系統(tǒng)還要長(zhǎng)（穿越頻率更小了）。所以得到的階躍響應(yīng)存在穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定性比原系統(tǒng)好，比原系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢。圖4-4傳遞函數(shù)：G4（s）二1+0.1s，BODE圖:、的超調(diào)量，獲分析：屬于超前校正得更大的相角裕度，系統(tǒng)更穩(wěn)定（新系統(tǒng)中頻帶腫b斜率段折線長(zhǎng)度比原系統(tǒng)長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)截止頻率的相角裕度較大）；響應(yīng)時(shí)間方面，響應(yīng)時(shí)間比原系統(tǒng)還要短，更比滯后校正響應(yīng)快（穿越頻率變大了）的階躍響應(yīng)存在穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定性比原系統(tǒng)好，比原系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快。曲10/cV八丼；C八1010圖4-5傳遞函數(shù)：G（s）二（.S

7、+上.S+）/BODE圖嚴(yán)。所以得到c5in100.2sS2P)Q鋁L-d廠TTIlilt分析：屬于PID校正。精度方面，新系統(tǒng)不存在穩(wěn)態(tài)誤差(初始的嵩斜率提高了系統(tǒng)型別，為0,消除了位置誤差)；穩(wěn)定性方面，比原系統(tǒng)有更少的超調(diào)量，更大的相角裕度，系統(tǒng)與前幾個(gè)校正相比也是最穩(wěn)定的(新系統(tǒng)中頻帶-20db斜率段折線長(zhǎng)度比原系統(tǒng)長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)截止頻率的相角裕度較大)；響應(yīng)時(shí)間方面，響應(yīng)時(shí)間比原系統(tǒng)還要短，是所有校正中最短的(穿越頻率最大，頻帶最寬)。所以得到的階躍響應(yīng)不存在穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定性比原系統(tǒng)好，比原系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快?？梢钥吹绞且粋€(gè)較為滿意的校正網(wǎng)絡(luò)。初始斜率不再若只考慮減少系統(tǒng)的過(guò)渡時(shí)間，你認(rèn)為用超

8、前校正還是用滯后校正好？【答】：超前校正好。增大了穿越頻率，拓寬了頻帶，減小了過(guò)渡時(shí)間。請(qǐng)用簡(jiǎn)單的代數(shù)表達(dá)式說(shuō)明用Bode圖設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)的方法【答】要減小穩(wěn)態(tài)誤差：提高BODE圖初始斜率；要提高穩(wěn)定性，減小超調(diào)量、增加相角裕度：拉長(zhǎng)中頻帶-20db折線的長(zhǎng)度；要縮短響應(yīng)時(shí)間：擴(kuò)大穿越頻率。用代數(shù)式表示，即對(duì)于一個(gè)系統(tǒng)G(s)設(shè)計(jì)一個(gè)G(s)，0c使得新的系統(tǒng)G(s)G(s)G(s)，滿足相關(guān)要求。c0七、報(bào)告要求：畫(huà)出各種網(wǎng)絡(luò)對(duì)原系統(tǒng)校正的BODE圖，從BODE圖上先得出校正后的時(shí)域特性，看是否與階躍響應(yīng)曲線一致。10-.- z,扌二二4120、原系統(tǒng)傳遞函數(shù):G0(s)Ixlp)opnrte

9、sU&S主-一4-5BPIDK1E10.2)4s+l)(0.051so匚-rr分析：精度方面，-z70原系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差（初始斜率為0）；穩(wěn)定性方面i，存I-I-+Tl-T-t-T-l-l1I-1卜一1-11-1-1Q_11010IIiiii超調(diào)量，相角裕度1Q3 （中頻帶-20db斜率段折線長(zhǎng)度有限）；響應(yīng)時(shí)間方面，響應(yīng)時(shí)間較長(zhǎng)（穿越頻率較小）所以得到的階躍響應(yīng)預(yù)計(jì)表現(xiàn)一般，本實(shí)驗(yàn)作為標(biāo)準(zhǔn)參照。階躍波形：（與上述分析相符，系統(tǒng)表現(xiàn)一般，作為參照）示波器Chart(X1.X2)系統(tǒng)運(yùn)行正常！f（Hz）=1Xl=Yl=Y2=1、圖4-2校正后G（s）=2（10.2(0.2s+l)(0.094s+

10、l)(0.051s+1)BODE圖:3mpn七ummw(mQP)owEL-d分析：精度方面，新系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差（初始斜率為0）；穩(wěn)定性方面，存在一定的超調(diào)量，相角裕度為負(fù)系統(tǒng)根本不穩(wěn)定（中頻帶-20db斜率段折線長(zhǎng)度有限，對(duì)應(yīng)截止頻率的相角為負(fù)）；響應(yīng)時(shí)間方面，響應(yīng)時(shí)間比原系統(tǒng)還要長(zhǎng)（穿越頻率更小了）。所以得到的階躍響應(yīng)預(yù)計(jì)表現(xiàn)比原系統(tǒng)還要差，參數(shù)設(shè)計(jì)有誤。階躍波形：（與上述分析相符，系統(tǒng)不穩(wěn)定）示波器Chart(Xl,X2)系統(tǒng)運(yùn)行正常！f（Hz）=1.367Kl=Yl=K2=Y2=2、圖4-3校正后G3（s）=10.2(0.2s+1)(0.094s+l)(0.051s+1)(4s+1)BO

11、DE圖:msdpnuummw(map)D(ncaL-d分析：精度方面，新系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差（初始斜率為0）；穩(wěn)定性方面，比原系統(tǒng)有更少的超調(diào)量，更大的相角裕度，系統(tǒng)更穩(wěn)定（中頻帶-20db斜率段折線長(zhǎng)度比原系統(tǒng)長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)截止頻率的相角裕度較大）；響應(yīng)時(shí)間方面，響應(yīng)時(shí)間比原系統(tǒng)還要長(zhǎng)（穿越頻率更小了）。所以得到的階躍響應(yīng)存在穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定性比原系統(tǒng)好，比原系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢。階躍波形：（與上述分析相符，存在穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定性比原系統(tǒng)好，比原系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間慢。）分析：精度方面，新系統(tǒng)存在穩(wěn)態(tài)誤差（初始斜率為0）；穩(wěn)定性方面，比原系統(tǒng)有更少的超調(diào)量，更大的相角裕度，系統(tǒng)更穩(wěn)定（中頻帶-20db斜率段折線長(zhǎng)度比原

12、系統(tǒng)長(zhǎng)，對(duì)應(yīng)截止頻率的相角裕度較大）；響應(yīng)時(shí)間方面，響應(yīng)時(shí)間比原系統(tǒng)還要短，更比滯后校正響應(yīng)快（穿越頻率變大了）。所以得到的階躍響應(yīng)存在穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定性比原系統(tǒng)好，比原系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快。3、圖4-4校正后G3（s）=10.2(0.1s+1)(0.2s+l)(0.094s+l)(0.051s+1)BODE圖:msmpn莒mW歸p)2如BL-d階躍響應(yīng)波形：（與分析相符，存在穩(wěn)態(tài)誤差、穩(wěn)定性比原系統(tǒng)好，比原系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間快。）系統(tǒng)運(yùn)行正常！f(Hz)=1Kl=Yl=X2=Y2=4、圖4-4校正后g3（s）=10.2(0.1s+l)(0.2s+1)0.2s(0.2s+l)(0.094s+l)(0.051s+1)BODE圖:BodeDiagramfismopjQmleL-d分析：精度方面，新系統(tǒng)不存在穩(wěn)態(tài)誤差（提高了系統(tǒng)型別，初始斜率不再為0，消除了位置誤差）；穩(wěn)定性方面，比原系統(tǒng)有更少的超調(diào)量，更大的