自動控制原理實驗報告材料06995

實用文案自動控制原理實驗報告實驗一、典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)一．實驗?zāi)康氖煜げ⒄莆誘D-ACC+（TD-ACS）設(shè)備的使用方法及各典型環(huán)節(jié)模擬控制電路的構(gòu)成方法。熟悉各種典型環(huán)節(jié)的理想階躍曲線和實際階躍響應(yīng)曲線。對比差異、分析原因。了解參數(shù)變化對典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響。二．實驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+（TD-ACS）實驗系統(tǒng)一套。三．實驗內(nèi)容比例環(huán)節(jié)標準文檔實用文案積分環(huán)節(jié)標準文檔實用文案比例積分環(huán)節(jié)標準文檔實用文案慣性環(huán)節(jié)標準文檔實用文案比例微分環(huán)節(jié)標準文檔實用文案比例積分微分環(huán)節(jié)標準文檔實用文案四、實驗感想在本次實驗后，我了解了典型環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)方面的知識，并且通過實踐，實現(xiàn)了時域響應(yīng)相關(guān)的操作，感受到了實驗成功的喜悅。實驗二、線性系統(tǒng)的矯正一 、目的要求1．掌握系統(tǒng)校正的方法，重點了解串聯(lián)校正。2．根據(jù)期望的時域性能指標推導(dǎo)出二階系統(tǒng)的串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)二 、儀器設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+(或TD-ACS)教學實驗系統(tǒng)一套。三、原理簡述所 謂 校 正 就 是 指 在使 系 統(tǒng) 特 性 發(fā) 生 變標準文檔實用文案接 方 式 ， 可 分 為 ：饋 回 路 之 內(nèi) 采 用 的測 點 之 后 和 放1．原系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及性能指標對應(yīng)的模擬電路圖標準文檔實用文案．期望校正后系統(tǒng)的性能指標．串聯(lián)校正環(huán)節(jié)的理論推導(dǎo)標準文檔實用文案標準文檔實用文案四、實驗現(xiàn)象分析校正前：校正后：校正前：標準文檔實用文案校正后：六、實驗心得次實驗讓我進一步熟悉了 TD-ACC+實驗系統(tǒng)的使用，進一步學習了虛擬儀器，更加深入地學習了自動控制原理， 更加牢固地掌握了相關(guān)理論知識， 激發(fā)了我理論學習的興趣。標準文檔實用文案實驗三、線性系統(tǒng)的頻率響應(yīng)分析一、實驗?zāi)康?．掌握波特圖的繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳函。2．掌握實驗方法測量系統(tǒng)的波特圖。二、實驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+系列教學實驗系統(tǒng)一套。三、實驗原理及內(nèi)容（一）實驗原理1．頻率特性當輸入正弦信號時，線性系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有隨頻率 (ω由0變至∞)而變化的特性。頻率響應(yīng)法的基本思想是： 盡管控制系統(tǒng)的輸入信號不是正弦函數(shù)， 而是其它形式的周期函數(shù)或非周期函數(shù)， 但是，實際上的周期信號，都能滿足狄利克萊條件，可以用富氏級數(shù)展開為各種諧波分量； 而非周期信號也可以使用富氏積分表示為連續(xù)的頻譜函數(shù)。因此，根據(jù)控制系統(tǒng)對正弦輸入信號的響應(yīng)， 可推算出系統(tǒng)在任意周期信號或非周期信號作用下的運動情況。2．線性系統(tǒng)的頻率特性系統(tǒng)的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有和正弦輸入信號的幅值比Φ（ jω）和相位差∠Φ（jω）隨角頻率(ω由0變到∞)變化的特性。而幅值比Φ（jω）和相位差∠Φ（jω）恰好是函數(shù)Φ（jω）的模和幅角。所以只要把系統(tǒng)的傳遞函數(shù)Φ（ s），令s=jω，即可得到Φ（jω）。我們把Φ（jω）稱為系統(tǒng)的頻率特性或頻率傳遞函數(shù)。當ω由0到∞變化時，Φ（jω）隨頻率ω的變化特性成為幅頻特性，∠Φ（ jω）標準文檔實用文案隨頻率ω的變化特性稱為相頻特性。幅頻特性和相頻特性結(jié)合在一起時稱為頻率特性。3．頻率特性的表達式對數(shù)頻率特性：又稱波特圖，它包括對數(shù)幅頻和對數(shù)相頻兩條曲線，是頻率響應(yīng)法中廣泛使用的一組曲線。這兩組曲線連同它們的坐標組成了對數(shù)坐標圖。對數(shù)頻率特性圖的優(yōu)點：①它把各串聯(lián)環(huán)節(jié)幅值的乘除化為加減運算，簡化了開環(huán)頻率特性的計算與作圖。②利用漸近直線來繪制近似的對數(shù)幅頻特性曲線，而且對數(shù)相頻特性曲線具有奇對稱于轉(zhuǎn)折頻率點的性質(zhì)，這些可使作圖大為簡化。③通過對數(shù)的表達式，可以在一張圖上既能繪制出頻率特性的中、高頻率特性，又能清晰地畫出其低頻特性。極坐標圖(或稱為奈奎斯特圖)對數(shù)幅相圖(或稱為尼柯爾斯圖)本次實驗中，采用對數(shù)頻率特性圖來進行頻域響應(yīng)的分析研究。 實驗中提供了兩種實驗測試方法：直接測量和間接測量。直接頻率特性的測量：用來直接測量對象的輸出頻率特性， 適用于時域響應(yīng)曲線收斂的對象（如：慣性環(huán)節(jié)）。該方法在時域曲線窗口將信號源和被測系統(tǒng)的響應(yīng)曲線顯示出來， 直接測量對象輸出與信號源的相位差及幅值衰減情況，就可得到對象的頻率特性。間接頻率特性的測量：用來測量閉環(huán)系統(tǒng)的開環(huán)特性， 因為有些線性系統(tǒng)的標準文檔實用文案開環(huán)時域響應(yīng)曲線發(fā)散，幅值不易測量，可將其構(gòu)成閉環(huán)負反饋穩(wěn)定系統(tǒng)后， 通過測量信號源、反饋信號、誤差信號的關(guān)系，從而推導(dǎo)出對象的開環(huán)頻率特性。4．舉例說明間接和直接頻率特性測量方法的使用。間接頻率特性測量方法對象為積分環(huán)節(jié)：10.1S由于積分環(huán)節(jié)的開環(huán)時域響應(yīng)曲線不收斂， 穩(wěn)態(tài)幅值無法測出，我們采用間接測量方法，將其構(gòu)成閉環(huán)，根據(jù)閉環(huán)時的反饋及誤差的相互關(guān)系， 得出積分環(huán)節(jié)的頻率特性。②將積分環(huán)節(jié)構(gòu)成單位負反饋，模擬電路構(gòu)成如圖3.1-1所示。③理論依據(jù)圖3.1-1所示的開環(huán)頻率特性為：GjBjBjBjEjEjEj采用對數(shù)幅頻特性和相頻特性表示，則上式表示為：20lgGj20lgBj20lgBj20lgEjEjGBjEjjBjEj標準文檔實用文案其中G(jw)為積分環(huán)節(jié)，所以只要將反饋信號、誤差信號的幅值及相位按上式計算出來即可得積分環(huán)節(jié)的波特圖。④測量方式：實驗中采用間接方式，只須用兩路表筆 CH1和CH2來測量圖3.1-1中的反饋測量點和誤差測量點，通過移動游標，確定兩路信號和輸入信號之間的相位和幅值關(guān)系，即可間接得出積分環(huán)節(jié)的波特圖。(2)直接頻率特性測量方法只要環(huán)節(jié)的時域響應(yīng)曲線收斂就不用構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)而采用直接測量法直接測量輸入、輸出信號的幅值和相位關(guān)系，就可得出環(huán)節(jié)的頻率特性。①實驗對象：選擇一階慣性其傳函為： GS

10.1S 1②結(jié)構(gòu)框圖：如圖所示③模擬電路圖標準文檔實用文案④測量方式：實驗中選擇直接測量方式，用 CH1路表筆測輸出測量端，通過移動游標，測得輸出與信號源的幅值和相位關(guān)系， 直接得出一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性。（二）實驗內(nèi)容本次實驗利用教學實驗系統(tǒng)提供的頻率特性測試虛擬儀器進行測試， 畫出對象波特圖。1．實驗對象的結(jié)構(gòu)框圖2．模擬電路圖開環(huán)傳函為：GS110.1S0.1S閉環(huán)傳函：S11000.1S1S210S100.1S2得轉(zhuǎn)折頻率10rads，阻尼比0.5。四、實驗步驟此次實驗，采用直接測量方法測量對象的閉環(huán)波特圖及間接測量方法測量對象的開環(huán)波特圖。將信號源單元的“ ST”插針分別與“S”插針和“+5V”插針標準文檔實用文案斷開，運放的鎖零控制端“ ST”此時接至示波器單元的“ SL”插針處，鎖零端受“SL”來控制。實驗過程中“ SL”信號由虛擬儀器自動給出。1．實驗接線：按模擬電路圖 3.1-5接線，檢查無誤后方可開啟設(shè)備電源。2．直接測量方法 (測對象的閉環(huán)波特圖)將示波器單元的“SIN”接至圖3.1-5中的信號輸入端，“CH1”路表筆插至圖3.1-5中的4＃運放的輸出端。(2)打開集成軟件中的頻率特性測量界面，彈出時域窗口，點擊 按鈕，在彈出的窗口中根據(jù)需要設(shè)置好幾組正弦波信號的角頻率和幅值， 選擇測量方式為“直接”測量，每組參數(shù)應(yīng)選擇合適的波形比例系數(shù)，具體如下圖所示 :(3)確認設(shè)置的各項參數(shù)后，點擊 按鈕，發(fā)送一組參數(shù)，待測試完畢，顯示時域波形，此時需要用戶自行移動游標，將兩路游標同時放置在兩路信號的相鄰的波峰(波谷)處，或零點處，來確定兩路信號的相位移。兩路信號的幅值系統(tǒng)將自動讀出。重復(fù)操作(3)，直到所有參數(shù)測量完畢。(4)待所有參數(shù)測量完畢后，點擊 按鈕，彈出波特圖窗口，觀察所測得的波特圖，該圖由若干點構(gòu)成，幅頻和相頻上同一角頻率下兩個點對應(yīng)一組參數(shù)下的標準文檔實用文案測量結(jié)果。根據(jù)所測圖形可適當修改正弦波信號的角頻率和幅值重新測量，達到滿意的效果。3．間接測量方法：(測對象的開環(huán)波特圖)將示波器的“CH1”接至3＃運放的輸出端，“CH2”接至 1＃運放的輸出端。按直接測量的參數(shù)將參數(shù)設(shè)置好， 將測量方式改為間接測量。 此時相位差是指反饋信號和誤差信號的相位差， 應(yīng)將兩根游標放在反饋和誤差信號上。 測得對象的開環(huán)波特圖如下：4．注意：標準文檔實用文案測量過程中要去除運放本身的反相的作用，即保持兩路測量點的相位關(guān)系與運放無關(guān)，所以在測量過程中可能要適當加入反相器，濾除由運放所導(dǎo)致的相位問題。測量過程中，可能會由于所測信號幅值衰減太大，信號很難讀出，須放大，若放大的比例系數(shù)不合適，會導(dǎo)致測量誤差較大。所以要適當?shù)卣{(diào)整誤差或反饋比例系數(shù)。五、實驗結(jié)果分析1、直接測量：標準文檔實用文案2、間接測量：標準文檔實用文案標準文檔實用文案七、實驗心得通過本次實驗，我掌握了波特圖的繪制方法及由波特圖來確定系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)，掌握了實驗 方法測量系統(tǒng)的波特圖。本次 實驗讓我進一步熟 悉了TD-ACC+實驗系統(tǒng)的使用，進一步學習了虛擬儀器，更加深入地學習了自動控制原理有關(guān)波特圖這部分的知識， 更加牢固地掌握了相關(guān)理論知識， 激發(fā)了我理論學習的興趣。實驗四 離散系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析實驗?zāi)康?．掌握香農(nóng)定理，了解信號的采樣保持與采樣周期的關(guān)系。2．掌握采樣周期對采樣系統(tǒng)的穩(wěn)定性影響。標準文檔實用文案實驗設(shè)備PC機一臺，TD-ACC+(或TD-ACS)教學實驗系統(tǒng)一套。3.1實驗原理及內(nèi)容本實驗采用“采樣－保持器” LF398芯片，它具有將連續(xù)信號離散后以零階保持器輸出 信號的功能。其管腳連接圖如 5.1-1 所示，采樣周期 T等于輸入至LF398第8腳(PU)的脈沖信號周期，此脈沖由多諧振器 (由MC1555 和阻容元件構(gòu)成)發(fā)生的方波經(jīng)單穩(wěn)電路 (由MC14538 和阻容元件構(gòu)成)產(chǎn)生，改變多諧振蕩器的周期，即改變采樣周期。圖5.1-2 是LF398采樣－保持器功能的原理方塊圖。1．信號的采樣保持：電路如圖 5.1-3 所示。標準文檔實用文案連續(xù)信號 x(t)經(jīng)采樣器采樣后變?yōu)殡x散信號 x*(t)，香農(nóng)(Shannon) 采樣定理指出，離散信號 x*(t)可以完滿地復(fù)原為連續(xù)信號條件為：2．閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)原理方塊圖標準文檔實用文案圖5.1-4 所示閉環(huán)采樣系統(tǒng)的開環(huán)脈沖傳遞函數(shù)為：標準文檔實用文案從式(5.1-4) 知道，特征方程式的根與采樣周期 T有關(guān)，若特征根的模均小于1，則系統(tǒng)穩(wěn)定，若有一個特征根的模大于 1，則系統(tǒng)不穩(wěn)定，因此系統(tǒng)的穩(wěn)定性與采樣周期 T的大小有關(guān)。3.2實驗步驟1．準備：將信號源單元的“ ST”的插針和“＋5V”插針用“短路塊”短接。2．信號的采樣保持實驗步驟按圖5.1-3接線。檢查無誤后開啟設(shè)備電源。將正弦波單元的正弦信號(將頻率調(diào)為2.5HZ)接至LF398的輸入端“IN1”。調(diào)節(jié)信號源單元的信號頻率使“S”端的方波周期為20ms即采樣周期T=20ms。用示波器同時觀測LF398的OUT1輸出和IN1輸入，此時輸出波形和輸入波形一致。(5)改變采樣周期，直到200ms，觀測輸出波形。此時輸出波形仍為輸入波形的采樣波 形，還未失真，但當 T>200ms 時，沒有輸出波形，即系統(tǒng)采樣失真，從而驗證了香農(nóng)定理。3．閉環(huán)采樣控制系統(tǒng)實驗步驟按圖5.1-5接線。檢查無誤后開啟設(shè)備電源。(2)取“S”端的方波信號周期 T=20ms。階躍信號的產(chǎn)生：產(chǎn)生1V的階躍信號。(4)加階躍信號至 r(t)，按動階躍按鈕，觀察并記錄系統(tǒng)的輸出波形 c(t)，測量超調(diào)量 Mp。(5)調(diào)節(jié)信號源單元的“S”信號頻率使周期