自動控制原理實(shí)驗(yàn)講義

試驗(yàn)一二階系統(tǒng)的瞬態(tài)瞬態(tài)響應(yīng)分析一、試驗(yàn)?zāi)康?、生疏二階模擬系統(tǒng)的組成。tpts。二、試驗(yàn)設(shè)備l、掌握理論電子模擬試驗(yàn)稍一臺2、慢掃描示波器一臺3、萬用表一只三、試驗(yàn)原理為二階系統(tǒng)的模擬電路圖，它是由慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和反相器組成。圖11-2為圖1-1的原理方框圖K=R2/R1，T1

RCT2 1 T

RC3

由圖1-2求得二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)：U(S) K0

〔1〕U(S) TTS2TSK1 12 2KTKTTS TS21TT12比照式〕和，得T 4TK2 1KTT 4TK2 1KTT12，0.6250.625k10k假設(shè)令n10k

，〕和欠阻尼〕三種狀況下的階躍響應(yīng)曲線。當(dāng)k>0.625，0<ξ<1，系統(tǒng)處在欠阻尼狀態(tài)，它的單位階躍響應(yīng)表達(dá)式為：112u (t)10

ntsin(112

ttg1 )式中112d n

圖1-3為二階系統(tǒng)欠阻尼狀態(tài)下的單位階躍響應(yīng)曲線時，ξ=1u0

nnn

如圖1-4為二階系統(tǒng)工作臨界阻尼單位階躍響應(yīng)曲線。k<0.625時，ξ>1，系統(tǒng)工作在過阻尼狀態(tài)，它的單位階躍響應(yīng)曲線和臨界阻尼時的單位階躍響應(yīng)一樣為單調(diào)的指數(shù)上升前者緩慢．三、試驗(yàn)內(nèi)容與步驟11-1，調(diào)整相應(yīng)的參數(shù)，使系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為：G(S) K0.5S(0.2S1)2、令t，在示波器上觀看不KK0，2，p、tpts的值。12 123調(diào)整開環(huán)增k，使二階系統(tǒng)的阻尼比 觀看并記錄此時的單位階躍響應(yīng)波形σp、tpts的值。統(tǒng)的斜坡輸入信號。、觀看并記錄在不K值時，系統(tǒng)跟蹤斜坡信號時的穩(wěn)態(tài)誤差。四、試驗(yàn)報(bào)告值,注明時間坐標(biāo)軸。3一2所示的二階系統(tǒng)K0.625，K=1和K=0.312、結(jié)果作一比較。、寫出本試驗(yàn)的心得與體會。五、試驗(yàn)思考題l、假設(shè)階躍輸入信號的幅值過大，會東試驗(yàn)中產(chǎn)生什么后果？2、在電子模擬系統(tǒng)中，如何實(shí)現(xiàn)負(fù)反響和單位負(fù)反響？3、為什么本試驗(yàn)的模擬系統(tǒng)中要用三只運(yùn)算放大器？PID掌握器的動態(tài)特性一、試驗(yàn)?zāi)康膌、生疏Pl、PD和PID2PlPD和PID三種掌握器的階躍響應(yīng)特性和相關(guān)參數(shù)對它們性能的影響。二、試驗(yàn)儀器l、掌握理論電子模擬試驗(yàn)稍一臺、慢掃描示波器一臺、萬用表一只三、試驗(yàn)原理D中PIPIDPI和PD兩者的優(yōu)點(diǎn)。1、PD掌握器D圖1為D(S)pD

S1) 其中KpRR，T RC2 1 D 1 1、圖2-2為PI掌握器的電路圖，它的傳遞函數(shù)為其中KpR R，T2 1 2

RC2 23、PID掌握器圖2-3為PID掌握器的電路圖，它的傳遞函數(shù)為：四、試驗(yàn)內(nèi)容l、令Ur=1V,CluFR1=10K20K時的PD掌握器的輸出波形。、令和時的掌握器的輸出波形。、令Ur=1vPID掌握器的輸出波形．五、試驗(yàn)報(bào)告、畫出PDPI、和PD三種掌握器的試驗(yàn)線路圖，并注明具體的參數(shù)值。、依據(jù)三種掌握器的傳遞函數(shù)，畫出它們在單位階躍響作用下理論上的輸出波形圖。析比較。、分析參數(shù)對三種掌握器性能的影響。六、試驗(yàn)思考題1PD和PI掌握器各適用于什么場合？它們各有什么優(yōu)、缺點(diǎn)？2PID3、為什么由試驗(yàn)得到PD和PID試驗(yàn)三自動掌握系統(tǒng)的動態(tài)校正一、試驗(yàn)?zāi)康膌2、把握工程中常甩的二階系統(tǒng)和三階系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)方法。二、試驗(yàn)儀器、掌握理論電子模擬試驗(yàn)箱一臺、慢掃描示波器一臺、萬用表一只三、試驗(yàn)原理性能滿足要求。統(tǒng)進(jìn)展校正。1、二階系統(tǒng)圖3-1

2n2(2)S(S 21)n2(2)S(S 21)nn

(l)圖3-22ξ=1/2

，則T

1/ 21212/ 2n，K 1 2/n1

n 12 22當(dāng)ξ=1/22

，二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式的閉環(huán)傳遞函數(shù)為S2 2SS2 2Sn2nn

Wn

1/ 2T代入上式得T(S)

1 〔5〕2T2S22TS1〔5就是二階系統(tǒng)的最優(yōu)閉環(huán)傳遞函如式對階躍響應(yīng)的超調(diào)只有時間為8Ts〔△士0.05γ632、三階系統(tǒng)圖3-45為其方框圖。由圖3-5γ=〕可以改寫為T(S)

S

(8)S

S1S引起的，為此擴(kuò)需在系統(tǒng)的輸入端串接一個給定的濾波器，它的傳遞函數(shù)為G (S) 1 (9)F 4TS

S 1于是系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為T(S)

1 (10)8T3S3S8TS

4TS

S1σp=8tr=7.6Ts參加輸入濾波器系統(tǒng)為方框6所示，圖3-7定濾波器的模擬電路圖，其7/R6=1，R7C4=4TS四、試驗(yàn)內(nèi)容l8所示。2〕9所示。3〕0所示。2、按三階系統(tǒng)工程設(shè)計(jì)的方法；設(shè)計(jì)以下系統(tǒng)的校正裝置。2〕、對象兩個大慣性環(huán)節(jié)組成，其方框圖12所示。五、試驗(yàn)報(bào)告路圖。rtlv，測試系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線。標(biāo)作一比較。性能指標(biāo)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求，應(yīng)如何調(diào)協(xié)并分析緣由。六、試驗(yàn)思考題1、二階系統(tǒng)與三階系統(tǒng)的工程設(shè)計(jì)依據(jù)是什么？、在三階工程設(shè)計(jì)中，為什鄉(xiāng)要在系統(tǒng)的輸入端串接一濾波器？對斜坡信號輸入，為什么二階系統(tǒng)有穩(wěn)態(tài)誤差，而三階系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零？試驗(yàn)四 典型環(huán)節(jié)頻率特性的測試一、試驗(yàn)?zāi)康膌、把握用李沙育圖形法，測量各典型壞節(jié)的頻率特性。2、依據(jù)所測得頻率特性，作出伯德圖，據(jù)此求得環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。二、試驗(yàn)儀器、掌握理論電子模擬試驗(yàn)箱一臺，、雙蹤慢掃描示波器一臺、萬用表一只三、試驗(yàn)原理對于穩(wěn)定的線性定常系統(tǒng)或環(huán)節(jié)，當(dāng)其輸入端參加一正弦信號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Y(t)YmSin(t)XmG(j)/Sin(t)G(j) Ym其中 Xm

()argG(j)ω()和它們的()argG(j)x(t〔系統(tǒng)〕G(j)()。1為測試的方框圖。在表4-1中列出了超前與滯后時相位的計(jì)算公式和光點(diǎn)的轉(zhuǎn)向。表中0Y軸交點(diǎn)之間的長度0x軸交點(diǎn)之何距離分別為Xt〕Yt〕的幅值。四、試驗(yàn)內(nèi)容l、慣性環(huán)節(jié)的頻率特性的測試令G(S)1(0.5S1)，則其相應(yīng)的摸擬電路如4-2所示測量時示波器X軸X節(jié)的輸出送到示波器Y4-3所示。Sin12X0不斷轉(zhuǎn)變掃頻電源輸出信號的頻率，2Xm可得到一系列相應(yīng)的相位值，列表Xo和Xm4-4接線、測量時示波器X〔或萬用表的溝通電1m幅頻值G(j)2Y1m

(2Y2m

)，和ω的值。2、積分環(huán)節(jié)待測環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，圖5按圖4-5和圖4-4的接線圖，分別測出積分環(huán)節(jié)的相頻特性和幅頻特性。3、R-C4-6其幅頻特性和相頻特性。五、試驗(yàn)報(bào)告4-2和4-3。2、按圖4-2和4-3中的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，分別畫()～ω和G(j)～ω的曲函數(shù)

G(j )3、把實(shí)測求得的傳遞函數(shù)與理論值進(jìn)展比較，并分析產(chǎn)生差異的緣由。試驗(yàn)五 信號的采樣與恢復(fù)一、試驗(yàn)?zāi)康?、解電信號的采樣方法與過程及信號的恢復(fù)二、試驗(yàn)儀器1、掌握理論電子模擬試驗(yàn)箱一臺三、試驗(yàn)原理1、離散時間信號可以從離散信號源獲得，也可以從連續(xù)時間信號采樣fs〔t〕可以看成連續(xù)信f〔t〕s〔t〕S〔t〕是in/x規(guī)律衰減。采樣信號的頻譜是原信號頻譜的周期的延拓，它占有的頻帶要比原信號頻譜寬得多。2、采樣信號在肯定條件下可以恢復(fù)原來的信號，只要用一截止頻率等于原信號頻譜中最高頻fn的低通濾波器，濾除高頻重量，經(jīng)濾波后得到的信號包含了原信號頻譜的全部內(nèi)容，即低通濾波器的輸出可以得到恢復(fù)后的信號。、原信號得以恢復(fù)的條件f2fsB為原信號占有的頻帶寬度Fmin=2B為最低采樣頻率。fs2B時，采樣信號的頻譜會發(fā)生混迭，號是極少的，因此即fs=2B，恢復(fù)后的信號失真還是難免的。fs2Bfs=2Bfs2B三種采樣頻率對連續(xù)信號進(jìn)展采。采樣頻率一般為信號頻率的四倍以上。4、為了實(shí)現(xiàn)對連續(xù)信號的采樣和對采樣信號的復(fù)原，可用試驗(yàn)原理框圖9-1所示。除選用足夠高的采樣頻率造成采樣后信號頻譜的混迭。圖9-1信號的采樣與恢復(fù)原理框圖四、試驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、連續(xù)時間信號取頻率200Hz~300Hz的正弦波和三角波，計(jì)算其有效的頻帶寬度。該信號經(jīng)頻率fs的周期脈沖采樣后，假設(shè)期望通過濾波器的信號失真頻率和低通濾波的截止頻率應(yīng)取多大，試設(shè)計(jì)一滿足上述要求的低通濾波器。2、將上述計(jì)算結(jié)果f〔t〕和s〔t〕送入采樣器，觀看經(jīng)采樣后的方波或三角波信號。3fs2B和fs2B，觀看復(fù)原后的信號，比較其失真度。五、試驗(yàn)報(bào)告要求1、整理并繪制原信號、采樣信號以及恢復(fù)原信號的波么結(jié)論？2、寫出試驗(yàn)調(diào)試中的體會。試驗(yàn)六典型非線性環(huán)節(jié)的模擬一、試驗(yàn)?zāi)康?、了解典型非線性環(huán)節(jié)的模擬方法。2、把握非線性特性的測量方法。1、掌握理論電子模擬試驗(yàn)箱一臺2、低頻雙蹤示波器一臺3、萬用表一只圖10-1非線性環(huán)節(jié)原理框圖三、試驗(yàn)原理XX1、繼電器特性1、繼電器特性圖10-2(a)

電器特性電路圖 圖10-2(b)

電器特性圖1-2(

圖10-2(b)

示。調(diào)整兩只電位2、飽和特性圖10-3(a)

和特性接圖 圖10-3(b)

和特性圖實(shí)現(xiàn)飽和非線性特性的模擬電路和特性分別1-〕和圖10-〕所示。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為Uc=

/1 ， i=/1±M ， 3、死區(qū)特性圖10-4(a)死區(qū)特性接線圖 圖10-4(b)-4(a)

區(qū)特性圖圖10-4(b)

示。它的數(shù)學(xué)表達(dá)式為Uc=

0 ， --iSgn， i0aE時a時圖中和K和。4、回環(huán)非線性特性圖9-5(a)

環(huán)非線性接線圖 圖9-5(b)

環(huán)非線性數(shù)學(xué)表達(dá)式為U Cc C

i1

U〕i0tg1〕C C2 1i式中U 由上式可見