新自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書.doc

淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 目目 錄錄 前 言 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述 2 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成 2 2 實(shí)驗(yàn)箱整體布局及部分模塊框圖 2 3 各模塊主要測(cè)試點(diǎn) 3 實(shí)驗(yàn)一二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn) 5 實(shí)驗(yàn)二 PID 控制器的動(dòng)態(tài)性能 9 實(shí)驗(yàn)三 典型環(huán)節(jié)頻率特性的測(cè)試 17 實(shí)驗(yàn)四 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正 22 實(shí)驗(yàn)五 信號(hào)的采樣與恢復(fù) 28 實(shí)驗(yàn)六 典型非線性環(huán)節(jié)的電路模擬 31 附 錄 37 1 參考文獻(xiàn) 37 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 0 前前 言言 自動(dòng)控制原理 是自動(dòng)控制 工業(yè)自動(dòng)化 電氣自動(dòng)化 儀表及測(cè)試 機(jī)械 動(dòng)力 冶金等專業(yè)的一門重要的專業(yè)基礎(chǔ)課 也是國內(nèi)各院校相應(yīng)專業(yè)的主干課程 當(dāng)前 科學(xué)技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)既高度綜合又高度分化 這要求高等院校培養(yǎng)的大學(xué)生 既 要有堅(jiān)實(shí)的理論基礎(chǔ) 又要有嚴(yán)格的工程技術(shù)訓(xùn)練 不斷提高的實(shí)驗(yàn)研究能力 分析計(jì)算能 力 總結(jié)歸納能力和解決各種實(shí)際問題的能力 21 世紀(jì)要求培養(yǎng) 創(chuàng)造型 開發(fā)型 應(yīng)用 型 人才 這就對(duì)我們實(shí)驗(yàn)教學(xué)提出了新的考驗(yàn) 自動(dòng)控制原理課程的理論性較強(qiáng) 因此在 學(xué)習(xí)本課程時(shí) 開設(shè)必要的實(shí)驗(yàn) 對(duì)學(xué)生加深理解深入掌握基本理論和分析方法 培養(yǎng)學(xué)生 分析問題 解決問題的能力 以及使抽象的概念和理論形象化 具體化 對(duì)增強(qiáng)學(xué)習(xí)的興趣 有極大的好處 做好本課程的實(shí)驗(yàn) 是學(xué)好本課程的重要教學(xué)輔助環(huán)節(jié) 我司生產(chǎn)的 ZY13001B1 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)是為 自動(dòng)控制原理 的教學(xué)實(shí)驗(yàn)專門 研制的 它是師生科研的有利工具 它具有直觀 操作靈活等便于培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能的優(yōu)點(diǎn) 為充分發(fā)揮學(xué)生獨(dú)立思考能力和主觀能動(dòng)性 本書明確要求實(shí)驗(yàn)前做好有關(guān)理論計(jì)算或分析 而實(shí)驗(yàn)步驟通常是原則性的 實(shí)驗(yàn)中可能碰到的主要問題則列在思考題內(nèi)以引起學(xué)生的注意 本實(shí)驗(yàn)箱主要能完成線性連續(xù)系統(tǒng) 非線性系統(tǒng) 采樣系統(tǒng)以及狀態(tài)反饋 極點(diǎn)配置 方面的實(shí)驗(yàn)共十個(gè) 在完成實(shí)驗(yàn)后 需寫出詳細(xì)的實(shí)驗(yàn)報(bào)告 包括實(shí)驗(yàn)方法 實(shí)驗(yàn)過程和結(jié) 果 心得和體會(huì)等 由于編者水平有限 書中難免存在錯(cuò)誤和不妥之處 殷切希望讀者批評(píng)指正 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述 1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成 ZY13001B1 實(shí)驗(yàn)箱主要由電源單元 信號(hào)源單元 元器件單元 非線性單元 運(yùn)放單 元和信號(hào)采樣與恢復(fù)單元組成 電源單元包括電源開關(guān) 5V 5V 12V 12V 以及 12V 12V 可調(diào)電壓的輸出 信號(hào)源單元可以產(chǎn)生周期正弦波信號(hào) 頻率 幅值均可調(diào) 元器件單元提供了實(shí)驗(yàn)所需的電容 電阻與可調(diào)電阻 方便學(xué)生實(shí)驗(yàn) 非線性單元包括三組不同的典型非線性單元 運(yùn)放單元包括八組不同設(shè)置參數(shù)的運(yùn)算放大器單元 信號(hào)采樣與恢復(fù)單元包括 40106 4066 等 提供了信號(hào)采樣與恢復(fù)全過程的測(cè)試 2 實(shí)驗(yàn)箱整體布局及部分模塊框圖 實(shí)驗(yàn)箱整體布局及部分模塊框圖 本實(shí)驗(yàn)箱整體布局如圖 1 所示 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 一一 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 二二 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 三三 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 四四 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 五五 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 六六 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 七七 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 八八 非非線線性性單單元元 一一 非非線線性性單單元元 二二 非非線線性性單單元元 三三 元元器器件件單單元元 信信號(hào)號(hào)采采樣樣與與恢恢復(fù)復(fù)單單元元信信號(hào)號(hào)源源單單元元電電源源單單元元 圖 1 ZY13001B1 型自控原理實(shí)驗(yàn)箱整體布局圖 信號(hào)采樣與恢復(fù)單元模塊如圖 2 所示 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 2 信號(hào)源單元 正弦波輸出 施密特觸發(fā)器 組成地振蕩回 路 模擬 開關(guān) 觀察抽樣后的波 形 TP1404 濾波恢復(fù)抽樣波 形 TP1405 抽樣 抽樣脈沖輸出 圖 2 信號(hào)采樣與恢復(fù)單元模塊結(jié)構(gòu)框圖 運(yùn)放單元使用 HA17741 運(yùn)算放大器為基礎(chǔ) 外接不同參數(shù)的電阻 電容及可調(diào)電位 器組成電路 運(yùn)放調(diào)零可調(diào)電阻已接入電路中 并已調(diào)零完成 運(yùn)用導(dǎo)線外接不同的電阻電 容即可構(gòu)成不同的電路完成實(shí)驗(yàn) 非線性單元使用 HA17741 運(yùn)算放大器為基礎(chǔ) 外接不同參數(shù)的電阻 電容 可調(diào)電 位器及雙向穩(wěn)壓管組成電路 運(yùn)放調(diào)零可調(diào)電阻已接入電路中 并已調(diào)零完成 電阻 電容 雙向穩(wěn)壓管等元件也接好 運(yùn)用導(dǎo)線接入輸入信號(hào)即可完成實(shí)驗(yàn) 元器件單元由不同參數(shù)的電阻 電容 可調(diào)電位器組成 連線亦接好 只需外接導(dǎo) 線即可完成實(shí)驗(yàn) 3 各模塊主要測(cè)試點(diǎn) 各模塊主要測(cè)試點(diǎn) 1 測(cè)試鉤 TP101 運(yùn)放單元 一 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T106 對(duì)應(yīng) TP201 運(yùn)放單元 二 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T207 對(duì)應(yīng) TP301 運(yùn)放單元 三 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T306 對(duì)應(yīng) TP401 運(yùn)放單元 四 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T406 對(duì)應(yīng) TP501 運(yùn)放單元 五 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T506 對(duì)應(yīng) TP601 運(yùn)放單元 六 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T607 對(duì)應(yīng) TP701 運(yùn)放單元 七 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T706 對(duì)應(yīng) TP801 運(yùn)放單元 八 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T806 對(duì)應(yīng) TP1001 信號(hào)源單元的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 OUT1001 對(duì)應(yīng) TP1101 非線性環(huán)節(jié) 一 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T1103 對(duì)應(yīng) TP1201 非線性環(huán)節(jié) 二 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 與插孔 T1203 對(duì)應(yīng) TP1301 非線性環(huán)節(jié) 三 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 開關(guān) J1301 撥上 與插孔 T1305 對(duì)應(yīng) TP1302 非線性環(huán)節(jié) 三 的輸出信號(hào)測(cè)試點(diǎn) 開關(guān) J1301 撥下 與插孔 T1306 對(duì)應(yīng) TP1402 信號(hào)采樣與恢復(fù)單元中的抽樣脈沖信號(hào) TP1403 信號(hào)采樣與恢復(fù)單元中的反相抽樣脈沖信號(hào) 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 3 TP1404 信號(hào)采樣與恢復(fù)單元中的抽樣后的信號(hào) TP1405 信號(hào)采樣與恢復(fù)單元中的抽樣恢復(fù)信號(hào) 2 電位器 W1001 調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的頻率 W1002 調(diào)節(jié)輸出信號(hào)的幅度 W1401 調(diào)節(jié)抽樣脈沖的頻率 其余電位器在實(shí)驗(yàn)電路連接中均作可調(diào)電阻使用 3 測(cè)試點(diǎn)位置圖 各測(cè)試點(diǎn)的位置圖如圖 3 所示 測(cè)試點(diǎn)及電位器的具體功能見實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)概述所述 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 一一 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 二二 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 三三 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 四四 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 五五 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 六六 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 七七 運(yùn)運(yùn)放放單單元元 八八 非非線線性性單單元元 一一 非非線線性性單單元元 二二 非 非線線性性單單元元 三三 元元器器件件單單元元 信信號(hào)號(hào)采采樣樣與與恢恢復(fù)復(fù)單單元元信信號(hào)號(hào)源源單單元元電電源源單單元元 TP501 TP101 TP601 TP301 TP701 TP401 TP801 W1401 W001 GND GNDGND GNDGND GND GND GND TP1102TP1202 GND GND TP1001 TP1002 GND TP1401 TP1402TP1403 TP1404 TP1400 GND TP1405 GND TP1101 TP102TP202TP201TP302TP402 TP502TP602 TP702TP802 TP1201 TP1301 TP1303 TP1302 W1001W1002 圖 3 測(cè)試點(diǎn)及電位器位置圖 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 4 實(shí)驗(yàn)一實(shí)驗(yàn)一 二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn)二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)及穩(wěn)定性分析實(shí)驗(yàn) 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 熟悉二階模擬系統(tǒng)的組成 2 研究二階系統(tǒng)分別工作在 1 0 1 0 等幾種狀態(tài)下的階躍響應(yīng) 3 學(xué)習(xí)掌握動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試方法 研究典型系統(tǒng)參數(shù)對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的 影響 二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 觀察典型二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng) 測(cè)出系統(tǒng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間 并研究其參數(shù)變化對(duì)系 統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響 三 實(shí)驗(yàn)儀器三 實(shí)驗(yàn)儀器 1 ZY13001B1 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱 2 雙蹤低頻慢掃描示波器 3 數(shù)字萬用表 四 實(shí)驗(yàn)原理四 實(shí)驗(yàn)原理 典型二階系統(tǒng)的方塊結(jié)構(gòu)圖如圖 1 1 所示 R S E S C S K1 T1 s 1 1 T0 s 圖 1 1 其開環(huán)傳遞函數(shù)為 為開環(huán)增益 1 1 STS K SG 0 1 T K K 其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 其中 2 2 2 2 nn n SS SW 01 1 TT K n 11 0 2 1 TK T 取二階系統(tǒng)的模擬電路如圖 1 2 所示 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 5 r t 200K C1 1uf 200K 200 K C t R0 R1100K Rx C2 1uf 100K R R 1M 圖 1 2 該電路中 100 CRT 21 CRT x 1 1 R R K X 圖 1 3 1 圖 1 3 2 圖 1 3 3 圖 1 3 4 00 511 522 533 54 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 T U 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 r t C t 012345678910 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U r t C t 00 511 522 5 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U r t C t 00 511 522 533 544 55 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U C t r t 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 6 00 511 522 533 544 55 0 5 0 0 5 1 1 5 2 2 5 T U 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 r t C t 圖 1 3 5 該二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)如圖所示 圖 2 3 1 2 3 2 2 3 3 2 3 4 和 2 3 5 分別對(duì)應(yīng)二階系 統(tǒng)在過阻尼 臨界阻尼 欠阻尼 不等幅阻尼振蕩 接近1 1 10 于 0 和零阻尼 幾種狀態(tài)下的階躍響應(yīng)曲線 0 改變?cè)?shù)大小 可研究不同參數(shù)特征下的時(shí)域響應(yīng) 當(dāng)為 50K 時(shí) 二階系 x R x R 統(tǒng)工作在臨界阻尼狀態(tài) 當(dāng)時(shí) 二階系統(tǒng)工作在過阻尼狀態(tài) 當(dāng) KRx50 時(shí) 二階系統(tǒng)工作在欠阻尼狀態(tài) 當(dāng)繼續(xù)增大時(shí) 趨近于零 二階系統(tǒng) KRx50 x R 輸出表現(xiàn)為不等幅阻尼振蕩 當(dāng) 0 時(shí) 二階系統(tǒng)的阻尼為零 輸出表現(xiàn)為等幅振蕩 因?qū)?線均有電阻值 各種損耗總是存在的 實(shí)際系統(tǒng)的阻尼比 不可能為零 五 實(shí)驗(yàn)步驟五 實(shí)驗(yàn)步驟 1 利用實(shí)驗(yàn)儀器 按照實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)并連接由一個(gè)積分環(huán)節(jié)和一個(gè)慣性環(huán)節(jié)組成的二 階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路 此實(shí)驗(yàn)可使用運(yùn)放單元 一 二 三 五 及元器件單元中 的可調(diào)電阻 同時(shí)按下電源單元中的按鍵開關(guān) S001 S002 再按下 S003 調(diào)節(jié)可調(diào)電位器 W001 使 T006 12V 12V 輸出電壓為 1V 形成單位階躍信號(hào)電路 然后將 S001 S002 再次按下關(guān)閉電源 按照?qǐng)D 1 2 連接好電路 按下電路中所用到運(yùn)放單元的按鍵開關(guān) Error No bookmark name given 用導(dǎo)線將連接好的模擬電路的輸入端與 T006 相連接 電路的輸出端與示波器相連接 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 7 同時(shí)按下按鍵開關(guān) S001 S002 時(shí) 利用示波器觀測(cè)該二階系統(tǒng)模擬電路的階躍特性 曲線 并由實(shí)驗(yàn)測(cè)出響應(yīng)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間 將結(jié)果記錄下來 2 調(diào)節(jié)可調(diào)電阻 重復(fù)以上步驟 觀測(cè)系統(tǒng)在過阻尼 臨界阻尼和欠阻尼等狀態(tài)下的 階躍特性曲線 記錄各狀態(tài)下的波形結(jié)果 將圖 1 2 中的電阻 R1 短接 使 R1 0 同時(shí)再調(diào) 節(jié)電阻 使系統(tǒng)中該環(huán)節(jié)獲得適當(dāng)?shù)谋壤禂?shù)和時(shí)間常數(shù) 則系統(tǒng)進(jìn)入穩(wěn)定的等幅振蕩 x R 狀態(tài) 3 改變?cè)摱A系統(tǒng)模擬電路的參數(shù) 重復(fù)以上步驟 觀測(cè)參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的 影響 4 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告 六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 1 畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖 并求出參數(shù) 的表達(dá)式 n 2 求出不同 和條件下測(cè)量的 Mp和 ts值 觀察測(cè)量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論 n 3 畫出二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線 并由 Mp和 ts值計(jì)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 七 實(shí)驗(yàn)思考題七 實(shí)驗(yàn)思考題 1 如果階躍輸入信號(hào)的幅值過大 會(huì)在實(shí)驗(yàn)中產(chǎn)生什么后果 2 在實(shí)驗(yàn)線路中如何確保系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋 如果反饋回路中有偶數(shù)個(gè)運(yùn)算放大器 構(gòu) 成什么反饋 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 8 實(shí)驗(yàn)二實(shí)驗(yàn)二 PID 控制器的動(dòng)態(tài)性能控制器的動(dòng)態(tài)性能 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 學(xué)習(xí)構(gòu)成典型線性環(huán)節(jié)的模擬電路 2 研究阻 容參數(shù)對(duì)典型線性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的影響 3 學(xué)習(xí)典型線性環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測(cè)量方法 并學(xué)會(huì)由階躍響應(yīng)曲線計(jì)算典型環(huán)節(jié)的傳 遞函數(shù) 二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 完成比例環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn) 并研究參數(shù)變化對(duì)其階躍特性的影響 2 完成積分環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn) 并研究參數(shù)變化對(duì)其階躍特性的影響 3 完成比例積分環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn) 并研究參數(shù)變化對(duì)其階躍特性的影響 4 完成比例微分環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn) 并研究參數(shù)變化對(duì)其階躍特性的影響 5 完成慣性環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn) 并研究參數(shù)變化對(duì)其階躍特性的影響 6 完成比例積分微分環(huán)節(jié)的電路模擬實(shí)驗(yàn) 并研究參數(shù)變化對(duì)其階躍特性的影響 三 實(shí)驗(yàn)儀器三 實(shí)驗(yàn)儀器 1 ZY13001B1 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱 2 雙蹤低頻慢掃描示波器 3 數(shù)字萬用表 四 實(shí)驗(yàn)原理四 實(shí)驗(yàn)原理 1 比例環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié) 012345678910 0 0 5 1 1 5 2 2 5 3 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U Ui s Uo s 圖 2 1 1 圖 2 1 2 Ui s Uo s K 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 9 Ui s U Uo o s s R R1 1 R R2 2 2 20 00 0K K 1 10 00 0K K R R R R R R0 0 1 10 00 0K K 圖 2 1 3Error No bookmark name given 比例環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 K sU sU i O 比例環(huán)節(jié)的方塊圖 階躍響應(yīng)圖及模擬電路圖分別如圖 2 1 1 圖 2 1 2 和圖 2 1 3 所示 其中 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取 R2 200K R1 100K R0 100K R 10K 或 100K 01 2 RR R K 2 積分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 TSsU sU i 1 0 積分環(huán)節(jié)的方塊圖 階躍響應(yīng)圖及模擬電路圖分別如圖 2 2 1 圖 2 2 2 和圖 2 2 3 所示 其中 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取 R0 100K 可調(diào) R1 100K C1 1uF R 10K 或 110 CRRT 100K 00 10 20 30 40 50 60 70 80 91 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U Ui s Uo s 圖 2 2 1 圖 2 2 2 Ui s Uo s 1 T s 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 10 Ui s R R1 1 C1 1uf 1 10 00 0K K U Uo o s s R R R R R R0 0 1 10 00 0K K 圖 2 2 3 3 比例積分環(huán)節(jié) 比例積分環(huán)節(jié) 比例積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 TS K sU sU i 1 0 比例積分環(huán)節(jié)的方塊圖 階躍響應(yīng)圖及模擬電路圖分別如圖 2 3 1 圖 2 3 2 和圖 2 3 3 所示 其中 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取 R0 100K 可調(diào) 10 2 RR R K 110 CR RT R1 100K R2 200K C1 1uF R 10K 或 100K 00 10 20 30 40 50 60 70 80 91 0 1 2 3 4 5 6 7 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U Ui s Uo s 圖 2 3 1 圖 2 3 2 Ui s R R1 1 R R2 2 2 20 00 0K K 1 10 00 0K K C C1 1 1 1u uf f U Uo o s s R R R R R R0 0 1 10 00 0K K 圖 2 3 3 Ui s Uo s 1 T s K 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 11 4 比例微分環(huán)節(jié) 比例微分環(huán)節(jié) 比例微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 1 0 TSK sU sU i 比例微分環(huán)節(jié)的方塊圖 階躍響應(yīng)圖及模擬電路圖分別如圖 2 4 1 圖 2 4 2 和圖 2 4 3 所示 其中 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取 R0 10K 可調(diào) 10 32 RR RR K 1 32 32 C RR T RR R1 10K R2 10K R3 10K R4 200 C1 1uF R 10 K 或 100K Ui s Uo s T s 1 1 K 圖 2 4 1 圖 2 4 2a 圖 2 4 2b 對(duì)應(yīng)理想的和實(shí)際的比例微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)圖分別如圖 2 4 2a 和圖 2 4 2b 所示 012345678910 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 T U 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 Uo s Ui s 012345678910 0 5 1 1 5 2 2 5 3 3 5 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U Uo s Ui s 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 12 Ui s R R1 1 R R2 2 1 10 0K K 1 10 0K K U Uo o s s R R R R R R0 01 10 0K K R R3 31 10 0K K R R4 42 20 00 0 C C1 11 1u uf f 圖 2 4 3 5 慣性環(huán)節(jié) 慣性環(huán)節(jié) 慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 1 0 TS K sU sU i 慣性環(huán)節(jié)的方塊圖 階躍響應(yīng)圖及模擬電路圖分別如圖 2 5 1 圖 2 5 2 和圖 2 5 3 所示 其中 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取 R0 100K 可調(diào) 10 2 RR R K 12C TR R1 100K R2 200K C1 1uF R 10K 或 100K 00 20 40 60 811 2 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 2 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U Ui s Uo s 圖 2 5 1 圖 2 5 2 Ui s Uo s K T s 1 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 13 Ui s R R2 2 2 20 00 0K K C C1 1 1 1u uf f R R1 1 1 10 00 0K K U Uo o s s R R R R R R0 0 1 10 00 0K K 圖 2 5 3 6 比例積分微分 比例積分微分 PID 環(huán)節(jié) 環(huán)節(jié) 比例積分微分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)為 ST ST K sU sU d i P i 1 0 Ui s Uo s Td s 1 1 Ti s 1 K 圖 2 6 1 圖 2 6 2a 圖 2 6 2b 00 20 40 60 811 21 41 61 82 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U Uo s Ui s 00 20 40 60 811 21 41 61 82 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U Uo s Ui s 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 14 比例積分微分環(huán)節(jié)的方塊圖 階躍響應(yīng)圖及模擬電路圖分別如圖 2 6 1 圖 2 6 2 和圖 2 6 3 所示 其中 實(shí)驗(yàn)參數(shù)取 R0 100K 0 1 R R Kp 101 CRRTi 2 01 32 d C RR T RR 可調(diào) R1 100K R2 100K R3 10K R4 1K C1 1uF C2 10uF R 10K 或 100K 對(duì)應(yīng)理想的和實(shí)際的比例積分微分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)圖分別如圖 2 6 2a 和圖 2 6 2b 所示 Ui s R R1 1 R R2 2 1 10 00 0K K 1 10 00 0K K C C1 1 1 1u uf f U Uo o s s R R R R R R0 0 1 10 00 0K K R R3 31 10 0K K R R4 4 1 1K K C C2 21 10 0u uf f 圖 2 6 3 五 實(shí)驗(yàn)步驟五 實(shí)驗(yàn)步驟 1 熟悉實(shí)驗(yàn)儀器 按照實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)并連接各種典型環(huán)節(jié) 比例環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié) 比 例積分環(huán)節(jié) 比例微分環(huán)節(jié) 比例積分微分環(huán)節(jié)以及慣性環(huán)節(jié) 的模擬電路 按照實(shí)驗(yàn)原理 此實(shí)驗(yàn)中比例環(huán)節(jié)可使用運(yùn)放單元 一 二 積分環(huán)節(jié)可使用運(yùn)放單元 一 二 比 例積分環(huán)節(jié)可使用運(yùn)放單元 一 二 比例微分環(huán)節(jié)可使用運(yùn)放單元 二 三 慣性 環(huán)節(jié)可使用運(yùn)放單元 一 二 比例積分微分環(huán)節(jié)可使用運(yùn)放單元 三 六 及元器 件單元 2 利用實(shí)驗(yàn)儀器完成各典型環(huán)節(jié)模擬電路的階躍特性測(cè)試 并研究參數(shù)變化對(duì)典型環(huán) 節(jié)階躍特性的影響 同時(shí)按下電源單元中的按鍵開關(guān) S001 S002 再按下 S003 調(diào)節(jié)可調(diào)電位器 W001 使 T006 12V 12V 輸出電壓為 1V 形成單位階躍信號(hào)電路 然后將 S001 S002 再次按下關(guān)閉電源 按照?qǐng)D 2 1 3 比例環(huán)節(jié) 連接好電路 按下電路中所用到運(yùn)放單元的按鍵開關(guān) Error No bookmark name given 用導(dǎo)線將連接好的模擬電路的輸入端與 T006 相連接 電路的輸出端與示波器相連接 同時(shí)按下按鍵開關(guān) S001 S002 時(shí) 用示波器觀測(cè)輸出端的階躍響應(yīng)曲線 并將結(jié)果 記錄下來 開閉按鍵開關(guān) S001 和 S002 可以重復(fù)該實(shí)驗(yàn)及以后所有的實(shí)驗(yàn) 3 分別按照?qǐng)D 2 2 3 積分環(huán)節(jié) 圖 2 3 3 比例積分環(huán)節(jié) 圖 2 4 3 比例微分環(huán)節(jié) 圖 2 5 3 慣性環(huán)節(jié) 圖 2 6 3 比例積分微分環(huán)節(jié) 連接電路圖 重復(fù)步驟 4 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 15 六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 1 畫出慣性環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié) 比例微分環(huán)節(jié)的模擬電路圖 并畫出慣性環(huán)節(jié) 積分環(huán) 節(jié) 比例微分環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線 2 由階躍響應(yīng)曲線計(jì)算出慣性環(huán)節(jié) 積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù) 并與由電路計(jì)算的結(jié)果相 比較 分析其差別 七 實(shí)驗(yàn)思考題七 實(shí)驗(yàn)思考題 1 用運(yùn)放模擬典型環(huán)節(jié)時(shí) 其傳遞函數(shù)是在哪兩個(gè)假設(shè)條件下近似導(dǎo)出的 2 在什么條件下 慣性環(huán)節(jié)可以近似的視為積分環(huán)節(jié) 在什么條件下 又可以近似的 視為比例環(huán)節(jié) 3 如何根據(jù)階躍響應(yīng)的波形 確定積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時(shí)間常數(shù) 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 16 實(shí)驗(yàn)三實(shí)驗(yàn)三 典型環(huán)節(jié)頻率特性的測(cè)試典型環(huán)節(jié)頻率特性的測(cè)試 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 學(xué)習(xí)測(cè)量典型環(huán)節(jié) 或系統(tǒng) 頻率特性曲線的方法和技能 2 掌握用李沙育圖形法 測(cè)量各典型環(huán)節(jié) 或系統(tǒng) 的頻率特性 3 學(xué)習(xí)根據(jù)實(shí)驗(yàn)所得頻率特性曲線求取傳遞函數(shù)的方法 二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 完成慣性環(huán)節(jié)的頻率特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn) 2 完成二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn) 三 實(shí)驗(yàn)儀器三 實(shí)驗(yàn)儀器 1 ZY13001B1 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱 2 雙蹤低頻慢掃描示波器 3 數(shù)字萬用表 四 實(shí)驗(yàn)原理四 實(shí)驗(yàn)原理 對(duì)于穩(wěn)定的線性定常態(tài)系統(tǒng)或典型環(huán)節(jié) 當(dāng)其輸入端加入一正弦信號(hào) tSinXtX m 它的穩(wěn)態(tài)輸出是一與輸入信號(hào)同頻率的正弦信號(hào) 但其幅值和相位將隨著頻率 的變化而 變化 即輸出信號(hào)為 tSinjGXtSinYtY mm 其中 m m X Y jG arg jGj 只要改變輸入信號(hào)的頻率 就可測(cè)得輸出信號(hào)與輸入信號(hào)的幅值比 tX 和它們的相位差 不斷改變的頻率 就可測(cè)得被測(cè)環(huán)節(jié) jG arg jG tX 系統(tǒng) 的幅頻特性和相頻特性 jG 本實(shí)驗(yàn)采用李沙育圖形法 圖 3 1 為本實(shí)驗(yàn)測(cè)試所用的方框圖 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 17 正弦波發(fā)生 器 定常系統(tǒng)或 典型環(huán)節(jié) X t Y t X Y Y0 X0 圖 3 1 在表 3 1 中列出了超前與滯后時(shí)相位的計(jì)算方式和光點(diǎn)的轉(zhuǎn)向 表 4 1 超 前滯 后相 角 0 90 90 180 0 90 90 180 圖 形 計(jì) 算 公 式 m Y Y Sin 2 2 01 m X X Sin 2 2 01 m Y Y Sin 2 2 180 01o 01 0 m 2 180sin 2 X X m Y Y Sin 2 2 01 m X X Sin 2 2 01 m Y Y Sin 2 2 180 01o m X X Sin 2 2 180 01o 光 點(diǎn) 轉(zhuǎn) 向 順時(shí)針順時(shí)針逆時(shí)針逆時(shí)針 表中 2Y0為橢圓與 Y 軸交點(diǎn)之間的長度 2X0為橢圓與 X 軸交點(diǎn)之間的長度 Xm和 Ym 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 18 分別為和的幅值 tX tY 1 慣性環(huán)節(jié)的頻率特性的測(cè)試 慣性環(huán)節(jié)的頻率特性的測(cè)試 實(shí)驗(yàn)用一階慣性環(huán)節(jié)傳遞函數(shù)為 其中 K R2 R1 T R2 C1 其模擬電 1 K G S TS 路設(shè)計(jì)參閱圖 3 2 如下 Ui s R210K C1 1uf Uo s R R R110K 圖 3 2 測(cè)量時(shí)示波器的 X 軸停止掃描 置于 X Y 顯示模式 把信號(hào)源的正弦波信號(hào)同時(shí)送到被 測(cè)環(huán)節(jié)的輸入端和示波器的 X 軸 被測(cè)環(huán)節(jié)的輸出送到示波器的 Y 軸 接線如圖 3 3 所示 信號(hào)源被測(cè)環(huán)節(jié) 示波器 Y X 圖 3 3 當(dāng)信號(hào)源輸出一個(gè)正弦信號(hào) 則在示波器的屏幕上呈現(xiàn)一個(gè)李沙育圖形 橢圓 據(jù)此 可測(cè)得在該輸入信號(hào)頻率下的相位值 不斷改變信號(hào)源輸出信號(hào)的頻率 m Y Y Sin 2 2 01 就可得到一系列響應(yīng)的相位值 記下不同 下的 Y0和 Ym值填入表 3 2 相頻特性的測(cè)試表 中 信號(hào)源被測(cè)環(huán)節(jié) 示波器Y1 Y2 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 19 圖 3 4 幅頻特性的測(cè)試按圖 3 4 接線 測(cè)量時(shí)示波器的 X 軸停止掃描 在示波器 或萬用表的 交流電壓檔 上分別讀出輸入和輸出信號(hào)的雙倍幅值 即 2Xm 2Y1m 2Ym 2Y2m 就可求得 對(duì)應(yīng)的幅頻值 記下 和頻率 的值填入表 3 3 幅頻特性 1 2 2 2 m m Y G j Y 1 2 2 2 m m Y Y 1 2 2 20lg 2 m m Y Y 的測(cè)試表中 2 二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的測(cè)試 二階系統(tǒng)開環(huán)頻率特性的測(cè)試 待測(cè)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 其中 12 1 1 K G S TST S 111 TRC 111 TRC 圖 4 5 為其模擬電路圖 31 20 KRRRR Ui s R110K C11uf Uo s 10K 100K 10K R3 R0 R2 C21uf 圖 3 5 按照?qǐng)D 3 3 和圖 3 4 的接線圖 分別觀察李沙育圖形 得出相關(guān)的數(shù)據(jù) 測(cè)出二階系統(tǒng) 的開環(huán)相頻特性和開環(huán)幅頻特性 五 實(shí)驗(yàn)步驟五 實(shí)驗(yàn)步驟 1 利用實(shí)驗(yàn)儀器 按照實(shí)驗(yàn)原理連接各環(huán)節(jié)的模擬電路圖 按照接線圖 測(cè)試各系統(tǒng) 的相關(guān)數(shù)據(jù) 并分別填入表中 慣性環(huán)節(jié)可使用運(yùn)放單元 一 二 二階開環(huán)系統(tǒng)可使 用運(yùn)放單元 六 七 同時(shí)按下電源單元中的按鍵開關(guān) S001 S002 并按下信號(hào)源單元的按鍵開關(guān) S1001 用示波器測(cè)試 TP1001 測(cè)試鉤處的波形 將正弦波的頻率調(diào)節(jié)為 50Hz 按照?qǐng)D 3 2 連接好電路 按下電路中所用到運(yùn)放單元的按鍵開關(guān) Error No bookmark name given 用導(dǎo)線將連接好的模擬電路的輸入端與正弦波的輸出端 OUT1001 相連接 將示波器置于 X Y 測(cè)試檔 示波器的 X 輸入端連接正弦波的輸入端 TP1001 處 或 TP1002 Y 輸入端連接所接電路的輸出端 觀察示波器所顯示的李沙育圖形 并記錄實(shí)驗(yàn) 原理中要求記錄的 Yo Ym 2Y1m 2Y2m等數(shù)據(jù) 填入表 3 2 和表 3 3 中 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 20 表 3 2 相頻特性的測(cè)試表 Yo Ym 表 3 3 幅頻特性的測(cè)試表 2Y1m 2Y2m 2Y1m 2Y2m 20lg 2Y1m 2Y2m 2 利用實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 分別畫出其幅頻特性曲線和相頻特性 lg20jG 曲線 3 利用實(shí)驗(yàn)儀器 按照實(shí)驗(yàn)原理連接二階開環(huán)系統(tǒng)的模擬電路圖 按照接線圖 重復(fù) 上述步驟 記錄二階開環(huán)系統(tǒng)的相關(guān)數(shù)據(jù)填入表中 并分別畫出其幅頻特性 曲線和相頻特性曲線 4 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告 六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 1 畫出被測(cè)系統(tǒng)的模擬電路圖 計(jì)算其傳遞函數(shù) 2 采用李沙育圖形法測(cè)量各系統(tǒng)的相關(guān)參數(shù) 并畫出該系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性圖 3 分析比較所測(cè)結(jié)果與模擬電路圖計(jì)算結(jié)果的差距 七 實(shí)驗(yàn)思考題七 實(shí)驗(yàn)思考題 1 在測(cè)試相頻特性時(shí) 若把信號(hào)源的正弦信號(hào)送示波器的 Y 軸 而把被測(cè)系統(tǒng)的輸出 送到示波器的 X 軸 試問這樣情況下如何根據(jù)橢圓旋轉(zhuǎn)的光點(diǎn)方向來確定相位的超前和滯后 2 若需要測(cè)量系統(tǒng)內(nèi)部某個(gè)環(huán)節(jié)的頻率特性 如何測(cè)量 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 21 實(shí)驗(yàn)四實(shí)驗(yàn)四 控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正控制系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)校正 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 熟悉串聯(lián)校正裝置對(duì)線性系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性的影響 2 掌握串聯(lián)校正裝置的設(shè)計(jì)方法和參數(shù)調(diào)試技術(shù) 二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 觀察未校正系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性 2 按動(dòng)態(tài)特性要求設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置 3 觀察加串聯(lián)校正裝置后系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性 并觀測(cè)校正裝置參數(shù)改變對(duì)系統(tǒng) 性能的影響 三 實(shí)驗(yàn)儀器三 實(shí)驗(yàn)儀器 1 ZY13001B1 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱 2 雙蹤低頻慢掃描示波器 3 數(shù)字萬用表 四 實(shí)驗(yàn)原理四 實(shí)驗(yàn)原理 當(dāng)系統(tǒng)的開環(huán)增益滿足其穩(wěn)態(tài)性能的要求時(shí) 它的動(dòng)態(tài)性能不理想 甚至?xí)l(fā)生不穩(wěn)定 為此需在系統(tǒng)中串聯(lián)一校正裝置 既使系統(tǒng)的開環(huán)增益不變 又使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能滿足要求 二階系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)為 4 1 1 2 2 2 2 2 S S SS SW n n n 其系統(tǒng)方塊圖如圖 4 1 所示 R S C S Ks Ts s 1 1 Ti s 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 22 圖 4 1 其開環(huán)傳遞函數(shù)為 4 2 1 1 1 TSS K TSS K SW 式中 比較 4 1 和 4 2 得 1 K K 4 3 n T 2 1 4 4 22 2 1n n n K 如要求 則 2 2 n n T 2 1 2 2 1 T K nn 2 1 2 2 2 1 當(dāng)時(shí) 二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式得閉環(huán)傳遞函數(shù)為 2 2 把代入式可得 上 2 2 2 2 nn n SS ST T n 2 2 122 1 22 TSST ST 式即為二階系統(tǒng)的最優(yōu)閉環(huán)傳遞函數(shù) 1 實(shí)驗(yàn)用未加校正二階閉環(huán)系統(tǒng)的方塊圖和模擬電路 分別如圖 4 2 和圖 4 3 所示 R S E S C S 5 0 5s 1 1 0 2s 圖 4 2 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 23 r t 2 20 00 0K K 1 1u uf f 2 20 00 0K K 2 20 00 0K K C C t t 1 10 00 0K K 1 1u uf f 2 20 00 0K K R R R R 5 50 00 0K K 圖 4 3 其開環(huán)傳遞函數(shù)為 15 0 2 0 5 SS SHSG 其閉環(huán)傳遞函數(shù)為 502 50 2 SS SW 0123456 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U C t r t 圖 4 4 該二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖 4 4 所示 動(dòng)態(tài)指標(biāo)為 Mp 63 ts 4s 靜態(tài)誤差系 數(shù) Kv 25 1 s 2 要求加串聯(lián)校正裝置后系統(tǒng)滿足以下性能指標(biāo) 超調(diào)量 Mp 20 調(diào)節(jié)時(shí)間 過渡過程時(shí)間 ts 1s 校正后系統(tǒng)開環(huán)增益 靜態(tài)誤差系數(shù) Kv 25 1 s 根據(jù)對(duì)校正后系統(tǒng)的要求 可以計(jì)算出所期望的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為 11 0 2 0 5 SS SHSG 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 24 理論證明 該二階系統(tǒng)的阻尼比 對(duì)階躍響應(yīng)的超調(diào)量 Mp 4 3 707 0 2 2 調(diào)整時(shí)間為 0 8s 相位裕度 63 3 串聯(lián)校正裝置設(shè)計(jì) r t 2 20 00 0K K C C 2 20 00 0K K 2 20 00 0K K R R1 1 5 50 00 0K K 1 1u uf f 1 10 00 0K K 2 20 00 0K K R R2 2 1 1u uf f R R R R R R3 3 R R4 4 C C t t 圖 4 5 期望的系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)除以未加校正二階閉環(huán)系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù) 可以得到串聯(lián)校正 裝置的傳遞函數(shù) 11 0 15 0 S S SGc 從串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù)可以設(shè)計(jì)其模擬電路 圖 4 5 給出了已加入串聯(lián)校正裝置的 系統(tǒng)模擬電路圖 串聯(lián)校正裝置電路參數(shù)設(shè)置取 R1 200K R2 R3 100K R4 10K C 10uF 校正后系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線如圖 4 6 所示 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 25 0123456 0 0 2 0 4 0 6 0 8 1 1 2 1 4 1 6 1 8 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 不 T U r t C t 圖 4 6 五 實(shí)驗(yàn)步驟五 實(shí)驗(yàn)步驟 1 利用實(shí)驗(yàn)儀器 按照實(shí)驗(yàn)原理設(shè)計(jì)并連接一未加校正的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路 完成該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性觀測(cè) 該實(shí)驗(yàn)可使用運(yùn)放單元 一 二 三 五 同時(shí)按下電源單元中的按鍵開關(guān) S001 S002 再按下 S003 調(diào)節(jié)可調(diào)電位器 W001 使 T006 12V 12V 輸出電壓為 1V 形成單位階躍信號(hào)電路 然后將 S001 S002 再次按下關(guān)閉電源 按照?qǐng)D 4 3 未校正 連接好電路 按下電路中所用到運(yùn)放單元的按鍵開關(guān) Error No bookmark name given 用導(dǎo)線將連接好的模擬電路的輸入端與 T006 相連接 電路的輸出端與示波器相連接 同時(shí)按下按鍵開關(guān) S001 S002 時(shí) 用示波器觀測(cè)輸出端的階躍響應(yīng)曲線 并將結(jié)果 波形記錄下來 2 利用超調(diào)量及調(diào)節(jié)時(shí)間 按動(dòng)態(tài)要求設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置傳遞函數(shù)和模擬電路 3 利用實(shí)驗(yàn)設(shè)備 按照實(shí)驗(yàn)內(nèi)容設(shè)計(jì)并連接一加串聯(lián)校正后的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電 路 完成該系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性觀測(cè) 該實(shí)驗(yàn)可使用運(yùn)放單元 一 二 三 五 六 及元器件單元中的電阻電容 同時(shí)按下電源單元中的按鍵開關(guān) S001 S002 再按下 S003 調(diào)節(jié)可調(diào)電位器 W001 使 T006 12V 12V 輸出電壓為 1V 形成單位階躍信號(hào)電路 然后將 S001 S002 再次按下關(guān)閉電源 按照?qǐng)D 4 5 校正后 連接好電路 按下電路中所用到運(yùn)放單元的按鍵開關(guān) Error No bookmark name given 用導(dǎo)線將連接好的模擬電路的輸入端與 T006 相連接 電路的輸出端與示波器相連接 同時(shí)按下按鍵開關(guān) S001 S002 時(shí) 用示波器觀測(cè)輸出端的階躍響應(yīng)曲線 并將結(jié)果 波形記錄下來 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 26 4 改變串聯(lián)校正裝置的參數(shù) 對(duì)加校正后的二階閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行調(diào)試 使其性能指標(biāo)滿 足預(yù)定要求 5 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告 六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 1 畫出未加校正系統(tǒng)的模擬電路圖 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖 并觀察該系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線 2 根據(jù)參考標(biāo)準(zhǔn) 計(jì)算出校正前后的 和 ts 3 根據(jù)計(jì)算出的 和 ts計(jì)算校正后系統(tǒng)的模擬電路圖 并觀察其階躍響應(yīng)曲線 4 繪制校正前后的階躍響應(yīng)曲線圖 并分析校正結(jié)果 七 實(shí)驗(yàn)思考題七 實(shí)驗(yàn)思考題 1 除超前校正裝置外 還有什么類型校正裝置 它們的特點(diǎn)是什么 有什么不同之處 如何選用校正裝置的類型 2 在本實(shí)驗(yàn)中 若 能否計(jì)算出校正后系統(tǒng)的 n 105 0 15 0 S S SGc 實(shí)驗(yàn)五實(shí)驗(yàn)五 信號(hào)的采樣與恢復(fù)信號(hào)的采樣與恢復(fù) 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 掌握電信號(hào)的采樣與恢復(fù)的實(shí)驗(yàn)電路 2 理解并掌握采樣過程和采樣定理 二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 完成信號(hào)的采樣實(shí)驗(yàn) 2 完成采樣后信號(hào)的恢復(fù)實(shí)驗(yàn) 三 實(shí)驗(yàn)儀器三 實(shí)驗(yàn)儀器 1 ZY13001B1 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱 2 雙蹤低頻慢掃描示波器 3 數(shù)字萬用表 四 實(shí)驗(yàn)原理四 實(shí)驗(yàn)原理 1 信號(hào)的采樣 信號(hào)的采樣 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 27 采樣器的作用是把連續(xù)信號(hào)變?yōu)槊}沖或數(shù)字序列 圖 5 1 給出了一個(gè)連續(xù)信號(hào)經(jīng)采 tf 樣器采樣后變成離散信號(hào)的過程 信號(hào) 輸入 采樣 器 信號(hào) 輸出 采樣 脈沖 f t s t fs t 圖 5 1 圖 5 1 中為被采樣的連續(xù)信號(hào) 為周期性窄脈沖信號(hào) 為采樣后的離散 tf ts tfs 信號(hào) 它可用下式來表征 tstftfs 上式經(jīng)過傅氏變換后得 k sks kjFajF 上式中 為傅氏系數(shù) k 0 1 2 為采樣角頻率 由上式可畫出和 k a s tf 的頻譜示意圖 如圖 10 2 所示 由該圖可知 相鄰兩頻譜不相重疊交叉的條件是 tfs 或 max 2 sBs ff2 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 28 0 max s2 s s 2 s Fs J 圖 5 2 0 max max Fs J 1 1 T 圖 5 3 香農(nóng)采樣定理表示采樣角頻率 或采樣頻率 若能滿足上面的條件 則采樣后 s s f 的離散信號(hào)信號(hào)就會(huì)有連續(xù)信號(hào)的全部信息 如把信號(hào)送至具有如圖 10 3 tfs tf tfs 所示特性的理想濾波器輸入端 則其輸出端就能恢復(fù)到原有的連續(xù)信號(hào) tf 反之 若 則圖所示的頻譜就會(huì)相互重疊交叉 即使用理想濾波器 也不 max 2 s 可能獲得原有的信號(hào) tf 在實(shí)際使用中 僅包含有限頻率的信號(hào)是極少的 根據(jù)香農(nóng)采樣定理 一周期內(nèi)抽樣點(diǎn) 數(shù)為 2 就足夠了 但當(dāng)抽樣點(diǎn)數(shù)比較少且又不等于整數(shù)個(gè)如略大于 2 時(shí) 一般的儀器 示波 器 分析儀等 如不能采到各個(gè)波的波峰 輸出信號(hào)將把各采樣點(diǎn)直接連接后出現(xiàn) 假調(diào)制 現(xiàn)象 即 包絡(luò)失真 因此即使 很難將一周期內(nèi)的抽樣點(diǎn)控制在整數(shù)倍 恢 Bs ff2 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 29 復(fù)后的信號(hào)失真還是難免的 解決的方法有一個(gè) 增加每周期抽樣點(diǎn)數(shù) 現(xiàn)代數(shù)據(jù)抽樣 采 集 系統(tǒng)每周期一般采 4 點(diǎn)到 10 點(diǎn) 可大大降低其失真 圖 10 4 為信號(hào)采樣的實(shí)驗(yàn)電路圖 由4066組成 的采樣器 由40106組成 方波發(fā)生器 f f t t f fs s t t 圖 5 4 2 2 信號(hào)的恢復(fù) 信號(hào)的恢復(fù) 為了實(shí)驗(yàn)對(duì)被檢對(duì)象的有效控制 必須把所有的離散信號(hào)恢復(fù)為響應(yīng)的連續(xù)信號(hào) 工程 上常用的低通濾波器是零階保持器 它的傳遞函數(shù)為 s e sG Ts h 1 或近似地表示為 Ts T sGh 1 式中 T 為采樣周期 該式可近似地用圖 10 5 所示的 R C 網(wǎng)絡(luò)來實(shí)現(xiàn) R C 圖 5 5 五 實(shí)驗(yàn)步驟五 實(shí)驗(yàn)步驟 1 同時(shí)按下電源單元中的按鍵開關(guān) S001 S002 按下信號(hào)源單元的按鍵開關(guān) S1001 調(diào)節(jié)頻率旋鈕 W1001 改變正弦信號(hào)的頻率 調(diào)節(jié)幅度旋鈕 W1002 改變正弦信號(hào)的幅度 選 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 30 取連續(xù)時(shí)間信號(hào)的頻率為 100Hz 200 Hz 幅度在 3V 左右 峰 峰值約 6V tf 2 連接正弦波信號(hào)輸出 OUT1001 到信號(hào)采樣與恢復(fù)單元輸入端 IN1401 打開信號(hào)采 樣與恢復(fù)單元按鍵開關(guān) S1401 觀察 TP1401 處波形 3 調(diào)節(jié)頻率調(diào)節(jié)旋鈕 W1401 觀察 TP1402 處采樣脈沖信號(hào)及 TP1403 處反相脈沖 ts 信號(hào) 4 用示波器觀察 TP1404 處采樣后的正弦波信號(hào) tfs 5 用示波器觀察 TP1405 處采樣恢復(fù)后的正弦波信號(hào) 并與輸入信號(hào)進(jìn)行對(duì)比 tf 6 改變不同頻率的正弦波和采樣頻率 使抽樣頻率和 重復(fù)以上 Bs ff2 Bs ff2 的過程 觀察各處波形 比較其失真程度 7 分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果 完成實(shí)驗(yàn)報(bào)告 六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析六 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析 1 分別繪制出信號(hào) 采樣后的信號(hào)以及恢復(fù)后的信號(hào)的波形 tf tfs 2 比較隨著采樣頻率的變化 采樣恢復(fù)后信號(hào)的變化 分析其失真程度 寫出本實(shí)驗(yàn) 過程中的分析結(jié)果及體會(huì) 七 實(shí)驗(yàn)思考題七 實(shí)驗(yàn)思考題 1 理想的采樣開關(guān)與實(shí)際的采樣開關(guān)有何不同 2 采樣香農(nóng)定理的物理意義是什么 3 為什么說零階保持器不是理想的低通濾波器 實(shí)驗(yàn)六實(shí)驗(yàn)六 典型非線性環(huán)節(jié)的電路模擬典型非線性環(huán)節(jié)的電路模擬 一 實(shí)驗(yàn)?zāi)康囊?實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1 了解并掌握典型非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性 2 了解掌握非線性環(huán)節(jié)的模擬結(jié)構(gòu) 3 了解并掌握典型非線性環(huán)節(jié)的模擬研究方法 二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容二 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容 1 完成繼電型非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性的電路模擬實(shí)驗(yàn) 2 完成飽和型非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性的電路模擬實(shí)驗(yàn) 3 完成具有死區(qū)特性的非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性的電路模擬實(shí)驗(yàn) 4 完成具有間隙特性的非線性環(huán)節(jié)靜態(tài)特性的電路模擬實(shí)驗(yàn) 淮北師范大學(xué)淮北師范大學(xué) 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)指導(dǎo) 31 三 實(shí)驗(yàn)儀器三 實(shí)驗(yàn)儀器 1 ZY13001B1 自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱 2 雙蹤低頻慢掃描示波器 3 數(shù)字萬用表 四 實(shí)驗(yàn)原理四 實(shí)驗(yàn)原理 輸入信號(hào)非線性環(huán)節(jié) 示波器Y1 Y2 圖 6 1 圖 6 1 為非線性特性的測(cè)量接線圖 信號(hào)的輸入同時(shí)接到非線性環(huán)節(jié)的輸入端和示波器 的 X 軸 非線性環(huán)節(jié)的輸出接至示波器的 Y 軸 X 軸選擇開關(guān)置于停止掃描位置 這樣示 波器上就能顯示相應(yīng)的非線性特性 同時(shí)在調(diào)節(jié)輸入電壓的同時(shí) 觀察非線性環(huán)節(jié)輸出電壓的變化 也可以得到相應(yīng)的非線 性特性曲線 1 具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié) 具有繼電特性的非線性環(huán)節(jié) 具有繼電特性非線性環(huán)節(jié)的靜態(tài)特性 即理想繼電特性如圖 6 2 所示 0 M