自動控制原理實驗報告

1、自控實驗報告目錄實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng) 1一、實驗?zāi)康?1二、實驗儀器 1三、實驗原理 1四、實驗內(nèi)容 1五、實驗步驟 2六、實驗結(jié)果 3七、實驗分析 6實驗二 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng) 7一、實驗?zāi)康?7二、實驗儀器 7三、實驗原理 7四、實驗內(nèi)容 8五、實驗步驟 9六、實驗結(jié)果及分析 9實驗三 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正 15一、實驗?zāi)康?15二、實驗儀器 15三、實驗內(nèi)容 15四、實驗步驟 17五、實驗結(jié)果 17實驗一 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)實驗?zāi)康?. 掌握控制模擬實驗的基本原理和一般方法。2. 掌握控制系統(tǒng)時域性能指標(biāo)的測量方法。二、實驗儀器1. EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2. 計

2、算機(jī)一臺三、實驗原理1 模擬實驗的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實驗采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來模擬各種典型環(huán)節(jié)，即利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這 些模擬環(huán)節(jié)連接起來，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的 輸入端，并利用計算機(jī)等測量儀器，測量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng) 曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影 響。四、實驗內(nèi)容構(gòu)成下述典型一階系統(tǒng)的模擬電路，并測量其階躍響應(yīng):1. 比例環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳遞函數(shù)U1B/ALK1lOClK20QKG(s)比例環(huán)節(jié)U2A/ElR2R12. 慣性環(huán)節(jié)的模擬電路及其傳

3、遞函數(shù)。(K 邑,T R2C)3. 積分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)U1n/Ai1WK積分環(huán)節(jié)C InfU2 a/di1Ts(T RC)4微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)C 0. 01111R 1XK5.in _叭廠氏 G(s)A/D1RCs比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路及傳遞函數(shù)。R1I00K蹬LOOKVID/AL比例+橄分 環(huán)爭U21抑鞏G(s) K (K R2,TTs 1RRC)五、實驗步驟1. 啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。2. 測試計算機(jī)與實驗箱的通信是否正常，通信正常繼續(xù)。如通信不正常查找原因 使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行實驗。比例環(huán)節(jié)：3. 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖

4、1-1） o電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4. 在實驗項目的下拉列表中選擇實驗一一、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)o5. 鼠標(biāo)單擊 創(chuàng)按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框中設(shè)置 相應(yīng)的實驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果6. 觀測計算機(jī)屏幕顯示出的響應(yīng)曲線及數(shù)據(jù)。7. 記錄波形及數(shù)據(jù)（由實驗報告確定）。慣性環(huán)節(jié)：8. 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖1-2）。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1 輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。9. 實驗步驟同47 積

5、分環(huán)節(jié)：10. 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖1-3）。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的 DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將積分電容兩端連在模擬 開關(guān)上。檢查無誤后接通電源。11. 實驗步驟同47微分環(huán)節(jié)：12. 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖1-4）。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的 DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。13. 實驗步驟同47比例+微分環(huán)節(jié)：14. 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖1-6）。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的 DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入，將積分電容連在模擬

6、開關(guān) 上。檢查無誤后接通電源。15. 實驗步驟同4716. 測量系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，并記入上表。六、實驗結(jié)果記錄比例環(huán)節(jié)、慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)、微分環(huán)節(jié)、比例微分環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線口 F胃口 ：IEQQD圖1-1比例環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線口ibandinau r:1的 h 口X.1辛1圖1-2慣性環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線曲線經(jīng)過點（160,-1000)EMA|aozh%: wimi yuw3Kll 號i5 fiEJI 5口 sftE * 5S=, 屯軍 C Li3DojTi f. i口rr D ln事薦；詛0滬10心MUD10DD諂gWE-DOCi-laoztIodQIDaaD?5g圖1-3積分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線曲線過點（0,

7、 -1600）和（360, -5000）iDiMtl3/MC5Ba60H5B76M+3ODH竝匚 尋豪血：賈帥| fifflVTrfill 號 Si 眉（I: 500 TtiZ gon mi晅軍；DtnY 電 iar d ln 卡U： !|a0B * Lg mJ2003xaoLlOODKIOC-3CIOD-5QOHX.1辛1S tobEiibaadi1的 h 口圖1-4微分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線XlTi口 * /1DODD I圖1-5比例+微分環(huán)節(jié)響應(yīng)曲線七、實驗分析計算慣性環(huán)節(jié)與積分環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與由電路計算的結(jié)果相比較慣性環(huán)節(jié):由模擬電路得：G(s)KTsR2 / R-1R2Cs 1設(shè) y(t)

8、a(1bt、 e )當(dāng)t,y(t)2,得 a=-2由階躍曲線得：代入點(0.16,-1),得 b 4.33y(t)2(1e ),Y(s)則 G(s)20.2s 12s(0.23s 1)積分環(huán)節(jié):由模擬電路得：G(s) Ts0.23s1RCs10.1s10s由點(0,-1.6)和(0.36,-5)可得由階躍曲線得:k= 5 ( 1.6)0.36 09.4G(s)94s分析：從以上慣性環(huán)節(jié)和積分環(huán)節(jié)的電路計算傳遞函數(shù)與階躍曲線計算的傳遞函 數(shù)比較可知，實際與理論值比較接近。但是在積分環(huán)節(jié)的階躍曲線中可以 看出，系統(tǒng)中含有絕對值小于1的比例環(huán)節(jié)。實驗二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)一、實驗?zāi)康? 研究二階系統(tǒng)的特

9、征參數(shù)，阻尼比Z和無阻尼自然頻率n對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。定量分析 Z和3 n與最大超調(diào)量Mp和調(diào)節(jié)時間tS之間的關(guān)系。2 學(xué)會根據(jù)系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)。二、實驗儀器1. EL-AT-III型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 計算機(jī)一臺三、實驗原理1 模擬實驗的基本原理：控制系統(tǒng)模擬實驗利用運算放大器不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)模擬各種典 型環(huán)節(jié)，然后按照給定系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖將這些模擬環(huán)節(jié)連接起來， 便得到了相應(yīng)的 模擬系統(tǒng)。再將輸入信號加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計算機(jī)等測量儀器，測 量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標(biāo)。若改變系統(tǒng)的參數(shù)， 還可進(jìn)一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。2.

10、時域性能指標(biāo)的測量方法：超調(diào)量（T%：1）啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)自動控制實驗系統(tǒng)運行軟件。2）檢查USB線是否連接好，在實驗項目下拉框中選中任實驗，點擊二J按 鈕，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對話框設(shè)置好參數(shù)按確定按鈕，此時如無警告對話框出現(xiàn)表示 通信正常，如出現(xiàn)警告表示通信不正常，找出原因使通信正常后才可以繼續(xù)進(jìn)行 實驗。3）連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U1接A/D、D/A卡的DA1輸出，電路的輸出U2接A/D、D/A卡的AD1輸入。檢查無誤后接通電源。4）在實驗項目的下拉列表中選擇實驗一典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)。5）鼠標(biāo)單擊 凹按鈕，彈出實驗課題參數(shù)設(shè)置對話框。在參數(shù)設(shè)置對話框 中設(shè)置相應(yīng)的實

11、驗參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實驗結(jié)果。6）用軟件上的游標(biāo)測量響應(yīng)曲線上的最大值和穩(wěn)態(tài)值，代入下式算出超調(diào) 量：Ymax Y% max 100%YT s：利用軟件的游標(biāo)測量水平方向上從零到達(dá)穩(wěn)態(tài)值所需的時間值。四、實驗內(nèi)容典型二階系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為:（S）nS22 nS其中Z和3 n對系統(tǒng)的動態(tài)品質(zhì)有決定的影響。 構(gòu)成圖2-1典型二階系統(tǒng)的模 擬電路，并測量其階躍響應(yīng)：根據(jù)二階系統(tǒng)的模擬電路圖，畫出二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖并寫出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù)。 把不同z和3 n條件下測量的Mr和ts值列表，根據(jù)測量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。.畫 出系統(tǒng)響應(yīng)曲線，再由ts和Mp計算出傳遞函數(shù)，并與由模擬電路計算的傳

12、遞函 數(shù)相比較。五、實驗步驟1. 取州=10rad/s, 即令 R=100K C=1uf;分別取 Z =0、0.25、0.5、1、2,即取 R1=100KR2分別等于0、50K 100K 200K 400&輸入階躍信號，測量不同的Z時系統(tǒng) 的階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量 蜩口調(diào)節(jié)時間t S的數(shù)值和響應(yīng)動態(tài) 曲線，并與理論值比較。2. 取Z =0.5,wn=100rad/s, 即取R=100K改變電路中的電容C=0.1uf（注意：二個 電容值同時改變）。輸入階躍信號測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大 超調(diào)量（和調(diào)節(jié)時間t s。六、實驗結(jié)果及分析1. 畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖，畫出

13、二階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖并寫出系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù),階系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖2-3系統(tǒng)閉環(huán)傳遞函數(shù):（S）U11/T2s2 (K/T)s 1/T2與（s）2nS22 nS比較可得:n1RCR22R改變比值暑，可以改變二階系統(tǒng)的阻尼比；改變RC值可以改變無阻尼自然頻率n。令 R1=100K R2 分別等于 0、50K、100K 200K、400K?？傻茫篫 =0、0.25、0.5、1、2。令電阻R取100K,電容C分別取1uf和0.1uf,可得:n=10rad/s、100rad/s2. 把不同Z和n條件下測量的 MH ts值列表，根據(jù)測量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論超調(diào)量： e / L 100%調(diào)節(jié)時間：tsn（5%的誤差帶）3當(dāng)

14、00.9時，ts （5%的誤差帶）n表2-1由系統(tǒng)響應(yīng)曲線得出的超調(diào)量與調(diào)節(jié)時間R1/kR2/kC/ufzwn(rad/s)t s/ms10001010-1005010.251050.2%123710010010.51018.0%675100200111004781004001210012161001000.10.510018.0%62由表2-1可知：當(dāng)Z =0時系統(tǒng)為臨界阻尼狀態(tài)，等幅振蕩；當(dāng)0Z 0時系統(tǒng)處于過阻尼狀態(tài)，超調(diào)量為0。相同阻尼比的情況下，通過改變可以減小系統(tǒng)的響應(yīng)時間并減少超調(diào)量第10頁表1-2理論值與真實值的比較Zwn(rad/s)(%慎實值ts(ms)/真實值0%/理論值

15、t s(ms)/理論值010-0.251050.2%123744.4%12120.51018.0%67516.3%62911004780-210012160-0.510018.0%6216.3%63由表2-2可知：真實值與與理論值接近，普遍要大一點。且真實值與表 1中的特性相同。4.畫出系統(tǒng)響應(yīng)曲線，再由 珊口ts計算出傳遞函數(shù)，并與由模擬電路計算的傳遞函數(shù)相比較。依次將圖中得出的超調(diào)量(T %與調(diào)節(jié)時間ts代入公式反解出Z、 皿口Qmg r;XDd-dBi口圖2-4 Z =0, w=10rad/s 的響應(yīng)曲線圖2-4中無法得出準(zhǔn)確的超調(diào)量(T %與調(diào)節(jié)時間ts ,若令(T %=96% ts=

16、20s,可得： 0.013, n 11.545真實傳遞函數(shù)(s)133.32s 0.3s 133.3而理論傳遞函數(shù)0(s)100s2 100可見真實的傳遞函數(shù)與理論差別不大，在誤差允許范圍之內(nèi)圖 2-5 Z =0.25 , Wn=10rad/s 的響應(yīng)曲線圖2-5中超調(diào)量(T %=50.2%調(diào)節(jié)時間ts=1237ms分別代入公式中得:0.214, n 11.407真實傳遞函數(shù)(s) -1301s24.9 s 130.1而理論傳遞函數(shù)0(s) s2 5s 100可見真實的傳遞函數(shù)與理論差別不大，在誤差允許范圍之內(nèi)ai&MsMtigsc*曰3厶5 仔日占右&laa&a圖 2-6 Z =0.5, W

17、n=10rad/s 的響應(yīng)曲線圖2-6中超調(diào)量(T %=18.0%調(diào)節(jié)時間ts =675ms分別代入公式中得:0.479,5.282真實傳遞函數(shù)（S）27.92s 5.1s 27.9而理論傳遞函數(shù)1000（S） s210s 100可見真實的傳遞函數(shù)與理論有些誤差5Ba+30CDxoni f LHiv:亦ITflE 亠 SOTiffll LOD!L ln 祇口Ell mjln旳DIDzaoc1000c-|43Ehsaao-3dODV 口 DO-DiOO囂 1口 JtslTQQIS對-laag圖6-7 Z =1, W!=10rad/s 的響應(yīng)曲線圖2-7中超調(diào)量(T %=0調(diào)節(jié)時間ts=478ms

18、分別代入公式中得:1,令=0.99,得 n 10.478真實傳遞函數(shù)109.8（s） s2 19.1s 109.8而理論傳遞函數(shù)0(s) s220s 100可見真實的傳遞函數(shù)與理論差別不大，并在誤差允許范圍之內(nèi)-ICQQ1 T9- UMD- - -口圖2-8 Z =2, w=10rad/s 的響應(yīng)曲線圖2-8中超調(diào)量（T %=0調(diào)節(jié)時間ts=1216ms分別代入公式中得:Mtl4 sad-3CfD冇SKIT?號?5局邛： 嚴(yán)口 sir goz- mj電電 C LfiDDlnV l lac 口 ln圖 2-9 Z =0.5 , w,=100rad/s 的響應(yīng)曲線1,得 n 9.786真實傳遞函數(shù)

19、,、95.8（S）2s2 19.6s 95.8而理論傳遞函數(shù),、 1000（s）2s240s 100可見真實的傳遞函數(shù)與理論差別不大。圖2-9中超調(diào)量（T %=18.0%調(diào)節(jié)時間ts =62ms分別代入公式中得:0.479,105.383真實傳遞函數(shù)/、11105.6(S)2S2101s 11105.6而理論傳遞函數(shù)10000O(s)2s 100s 10000可見真實的傳遞函數(shù)與理論差別不大，并在誤差允許范圍之內(nèi)實驗三連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正一、實驗?zāi)康?. 加深理解串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能的校正作用。2. 對給定系統(tǒng)進(jìn)行串聯(lián)校正設(shè)計，并通過模擬實驗檢驗設(shè)計的正確性。二、實驗儀器1. EL-AT-I

20、II型自動控制系統(tǒng)實驗箱一臺2 計算機(jī)一臺三、實驗內(nèi)容1.串聯(lián)超前校正(1)系統(tǒng)模擬電路圖如圖3-1，圖中開關(guān)S斷開對應(yīng)未校情況，接通對應(yīng)超前校 正。(2)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖3-2VI圖3-2超前校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Gd( s)圖中Gc2(S)22(0.055 s 1)0.005s 1(1)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖3-4圖3-4滯后系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖5(s 1)6s 12 串聯(lián)滯后校正(2)Gd(s)圖中Gc2(S)3. 串聯(lián)超前一滯后校正(1)模擬電路圖如圖3-5，雙刀開關(guān)斷開對應(yīng)未校狀態(tài)，接通對應(yīng)超前一滯后（2）系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖示如圖3-6Gc1(s) 6圖3-6超前一滯后校正系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖圖中/、6(1.2s 1)(0.1

21、5s 1)Gc2(S)(6 s 1)(0.05s 1)四、實驗步驟超前校正：1 連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖3-1），開關(guān)s放在斷開位置。2系統(tǒng)加入階躍信號，測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量c嗨口調(diào)節(jié)時間ts。3開關(guān)s接通，重復(fù)步驟2,并將兩次所測的波形進(jìn)行比較。 滯后校正：4連接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖3-3），開關(guān)s放在斷開位置。系統(tǒng)加入階 躍信號。測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量c呀口調(diào)節(jié)時間ts。5開關(guān)s接通，重復(fù)步驟2,并將兩次所測的波形進(jìn)行比較 超前-滯后校正：6.接被測量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖3-5）。雙刀開關(guān)放在斷開位置。系統(tǒng)加入階 躍信號。測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，并記錄超調(diào)量c

22、呀口調(diào)節(jié)時間ts7雙刀開關(guān)接通，重復(fù)步驟2,并將兩次所測的波形進(jìn)行比較。五、實驗結(jié)果1 計算串聯(lián)校正裝置的傳遞函數(shù) Gc（s）和校正網(wǎng)絡(luò)參數(shù)。 串聯(lián)超前校正：Gc(s)2(0.055 s 1)0.005s 1串聯(lián)滯后校正:Gc(s)5(s 1)6s 1串聯(lián)超前-滯后校正:Gc(s)6(1.2s 1)(0.15s 1)(6 s 1)(0.05s 1)2畫出校正后系統(tǒng)的對數(shù)坐標(biāo)圖，并求出校正后系統(tǒng)的3 c及丫串聯(lián)超刖校正:之刖：G(s)40s(0.2s 1)400.2s2 s之后：G(s)40(0.55s s(0.2s 1)(0.005s 1)2.2s 40320.001s0.205s sMATL

23、AB: b1=40;a 1=0.2,1,0;subplot(1,2,1);bode(b1,a1);marg in( b1,a1);b2=2.2,40;a2=0.0001,0.205,1,0;subplot(1,2,2);bode(b2,a2);margi n( b2,a2);3w5e L ljran-h jfl *硏.A a tlx IJ il -I：皿SCOppDagra-On W |MP*S?7)fri 117-L I圖3-7串聯(lián)超前校正前后波特圖由圖3-7可得:13.7rad/s,20oo15.7rad/s,57.7Brc-f T 嘩 il圖3-8串聯(lián)超前校正前后波特圖對比由圖3-8可見

24、校正后的相角裕度得到增加，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和平穩(wěn)性得到了改善。串聯(lián)滯后校正:之前：、5050G(S)32s(0.05s 1)(0.1s 1)0.005s0.15s s之后：、50(s 1)50s 50G(s)432s(0.05s 1)(0.1s 1)(6s 1)0.03s40.905s3 6.15s2 sMATLAB: b1=50;a 仁0.005,0.15,1,0;subplot(1,2,1);bode(b1,a1);marg in( b1,a1);b2=50,50;a2=0.03,0.905,6.15,1,0;subplot(1,2,2);bode(b2,a2);margi n( b2,a2)

25、;3c L|X M 14ll fMM) Wft l 1 Wf Al 11 fliUt)辦=卜孑|糾I JBi* DCr M -fl Itf 1L： , SH* K 1 Mg b： !S Ed-i-= -L圖3-9串聯(lián)滯后校正前后波特圖由圖3-9可得:c 18rad / s,13oc 6.65rad / s,30.8E ya UJIridA 對 NLRAg: UE圖3-10串聯(lián)滯后校正前后波特圖對比由圖3-10可見校正后的相角裕度得到增加，校正通過快速性換取了系統(tǒng)的穩(wěn)定性。超前-滯后校正:、-、八之刖：G(s)1010s(0.1s 1)(0.01s 1)0.001s3 0.11s2 s60(1.

26、2s 1)(0.15s 1)、二 ()s(0.1s 1)(0.01s 1)(6s 1)(0.05s 1) 之后：210.8s2 81s 600.0003s5 0.03905s4 0.9665s3 6.16s2 sMATLAB: b1=10;a 1= 0.001,0.11,1,0;subplot(1,2,1);bode(b1,a1);marg in( b1,a1);b2=10.8,81,60;a2=0.0003,0.03905,0.9665,6.16,1,0; subplot(1,2,2);bode(b2,a2);margi n(b2,a2);itCd沁之 L Bgr/frCr jfil fl 僅 11.1 I , Bffl 474 Atg UU TH Hfb：-ri|.wlC , I ! j j .-. ：FnMhisoc