自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)報(bào)告最新模板

1、江 西 科 技 師 范 學(xué) 院 實(shí) 驗(yàn) 報(bào) 告年級(jí) 班 號(hào) 姓名 同組姓名 實(shí)驗(yàn)日期 年 月 日 成績(jī)實(shí)驗(yàn)一 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)儀的使用一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解和掌握自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)儀的硬件結(jié)構(gòu)，面板布局和功能劃分；2掌握自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)儀的軟件安裝與調(diào)測(cè)方法；3掌握自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)儀的硬件接線、軟件操作使用方法。二、實(shí)驗(yàn)儀器、設(shè)備1EL-AT-III型自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)箱一套。2PC計(jì)算機(jī)系統(tǒng)一套，打印機(jī)一臺(tái)（可選）。三、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1了解實(shí)驗(yàn)箱的硬件資源顯示器計(jì)算機(jī)打印機(jī)實(shí)驗(yàn)箱電路AD/DA卡EL-AT-III型實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)主要由計(jì)算機(jī)、AD/DA采集卡、自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱、打印機(jī)（可選）組成如圖1-1，其中計(jì)算機(jī)根據(jù)不

2、同的實(shí)驗(yàn)分別起信號(hào)產(chǎn)生、測(cè)量、顯示、系統(tǒng)控制和數(shù)據(jù)處理的作用，打印機(jī)主要記錄各種實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和結(jié)果，實(shí)驗(yàn)箱主要構(gòu)造被控模擬對(duì)象。圖1-1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)構(gòu)成下面主要介紹實(shí)驗(yàn)箱的構(gòu)成：（1）系統(tǒng)電源EL-AT-III系統(tǒng)采用本公司生產(chǎn)的高性能開(kāi)關(guān)電源作為系統(tǒng)的工作電源，其主要技術(shù)性能指標(biāo)為：（1）輸入電壓：AC 220V（2）輸出電壓/電流：12V/0.5A,-12V/0.5A,+5V/2A（3）輸出功率：22W（4）工作環(huán)境：540。（2）AD/DA采集卡AD/DA采集卡如圖1-3采用EZUSB2131芯片做為主控芯片，負(fù)責(zé)數(shù)據(jù)采集和USB通信，用EPM7128作為SPI總線轉(zhuǎn)換，AD為T(mén)L1570I其

3、采樣位數(shù)為10位，采樣率為1KHz。DA為MAX5159轉(zhuǎn)換位數(shù)為10位，轉(zhuǎn)換速率為1K。 AD/DA采集卡有兩路輸出（DA1、DA2）和兩路輸入（AD1、AD2），其輸入和輸出電壓均為5V+5V。（3）實(shí)驗(yàn)箱面板實(shí)驗(yàn)箱面板布局如圖1-2AD/DA卡輸入輸出模塊實(shí)驗(yàn)?zāi)K1實(shí)驗(yàn)?zāi)K2電源模塊模擬開(kāi)關(guān)二極管區(qū)EL-CAT-II實(shí)驗(yàn)?zāi)K3電阻、電容、二極管區(qū)實(shí)驗(yàn)?zāi)K4變阻箱、變?nèi)菹淠K實(shí)驗(yàn)?zāi)K5實(shí)驗(yàn)?zāi)K8實(shí)驗(yàn)?zāi)K6實(shí)驗(yàn)?zāi)K7圖1-2 實(shí)驗(yàn)箱面板布局2掌握軟件的安裝（1）安裝自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)軟件按照軟件提示，一步一步完成安裝，一直到完成安裝。（2）USB驅(qū)動(dòng)安裝（Windows XP 操作系統(tǒng)下）通過(guò)US

4、B或串口硬件接口，連接實(shí)驗(yàn)箱與計(jì)算機(jī)，按照操作提示到安裝完畢。3軟件啟動(dòng)與操作（1）實(shí)驗(yàn)前計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)箱的連接（2）軟件啟動(dòng)在Windows桌面上或“開(kāi)始程序”中雙擊“快捷方式 到 Cybernation_A.exe”快捷方式，便可啟動(dòng)軟件。（3）軟件的使用按自動(dòng)控制軟件說(shuō)明和實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)的操作步驟使用4硬件檢查（1）檢查實(shí)驗(yàn)箱所有運(yùn)放器件的好壞；（2）用萬(wàn)用表檢查其他器件的好壞；四實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（1）運(yùn)放檢查結(jié)果這里貼圖其中XX實(shí)驗(yàn)箱的第Y個(gè)運(yùn)放不正常，其他運(yùn)放正常。（注意依實(shí)際情況填寫(xiě)）實(shí)驗(yàn)二 典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)（4課時(shí)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?掌握比例、慣性環(huán)節(jié)、積分、微分、比例+積分（PI）、比例+微

5、分（PD）的模擬方法，培養(yǎng)學(xué)生實(shí)驗(yàn)技能。2 通過(guò)實(shí)驗(yàn)熟悉各種典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)和動(dòng)態(tài)特性。3 了解參數(shù)變化對(duì)典型環(huán)節(jié)動(dòng)態(tài)特性的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理控制系統(tǒng)模擬實(shí)驗(yàn)采用復(fù)合網(wǎng)絡(luò)法來(lái)模擬各種典型環(huán)節(jié)，即合理的運(yùn)用運(yùn)算放大器本身所具有的基本特性（開(kāi)環(huán)增益高、輸入阻抗大、輸出阻抗小等），運(yùn)用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(lái)，便得到了相應(yīng)的模擬系統(tǒng)。再將輸入信號(hào)加到模擬系統(tǒng)的輸入端，并利用計(jì)算機(jī)等測(cè)量?jī)x器，測(cè)量系統(tǒng)的輸出，便可得到系統(tǒng)的動(dòng)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(duì)系統(tǒng)性能的影響。三、實(shí)驗(yàn)儀器及耗材1EL-A

6、T-III型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC電腦一臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀察比例、慣性、積分、微分、比例+積分（PI）、比例+微分（PD）環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)，并測(cè)量相應(yīng)的參數(shù)。（1）比例環(huán)節(jié)的模擬電路如下圖所示。G（S）= -R2/R1（2）慣性環(huán)節(jié)的模擬電路如下圖所示,G（S）= - K/TS+1K=R2/R1，T=R2CG（S）=1/TST=RC （3）積分環(huán)節(jié)的模擬電路如下圖所示。（4）微分環(huán)節(jié)的模擬電路如下圖所示。,G（S）= - TST=RC（5）比例+微分環(huán)節(jié)的模擬電路如下圖所示。（未標(biāo)明的C=0.01uf）G（S）= -K（TS+1）K=R2/R1，T=R2C （6）比例+積分環(huán)

7、節(jié)的模擬電路如下圖所示。G（S）=K（1+1/TS）K=R2/R1，T=R2C2實(shí)驗(yàn)步驟1）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。2）測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。3）分別連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路（圖1-1、圖1-2、圖1-3、圖1-4、圖1-5、圖1-6）。電路的輸入U(xiǎn)i接AD1，電路的輸出Uo接DA1。檢查無(wú)誤后接通電源。4）在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)一一、典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng) 。5）鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示

8、實(shí)驗(yàn)結(jié)果6）觀測(cè)計(jì)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)。五、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理（按順序貼圖，圖的字跡要清楚，并在圖的傍邊或下面標(biāo)注測(cè)量結(jié)果。）1比例環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R0=100K、R1=200K）此處貼圖從階躍響應(yīng)波形可以看出輸出幅度Uo=2020mV（此處是參考數(shù)據(jù)）2慣性環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R0=100K、R1=100K或200K也行、C=1uF）此處貼圖從輸出波形可以看出慣性環(huán)節(jié)的輸出幅度為1030mV（此處是參考數(shù)據(jù)），慣性時(shí)間Ts=385ms（此處是參考數(shù)據(jù)）。3積分環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R0=100K、C=1uF）此處貼圖從輸出波形可以看出積分環(huán)節(jié)輸出幅度Uo=5000m

9、V（此處是參考數(shù)據(jù)），積分時(shí)間Ts=520ms（此處是參考數(shù)據(jù)）。4微分環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R0=100K、C=1uF）此處貼圖圖的下面說(shuō)明測(cè)量結(jié)果。參照前述實(shí)驗(yàn)的寫(xiě)法。5比例-微分（PD）環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此處貼圖圖的下面說(shuō)明測(cè)量結(jié)果。參照前述實(shí)驗(yàn)的寫(xiě)法。6比例-積分（PI）環(huán)節(jié)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。此處貼圖圖的下面說(shuō)明測(cè)量結(jié)果。參照前述實(shí)驗(yàn)的寫(xiě)法。六、誤差分析及實(shí)驗(yàn)結(jié)論1比例環(huán)節(jié)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，比例環(huán)節(jié)的輸出根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，系統(tǒng)實(shí)際輸出Uo=2020mV，相對(duì)誤差為，誤差在正常范圍。（此處分析只供參考，請(qǐng)按實(shí)際情況填寫(xiě)）2慣性環(huán)節(jié)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，慣性環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)輸出當(dāng)t=Ts=4T=0.4s(400ms)時(shí)，系

10、統(tǒng)幅度輸出達(dá)最大值的98%。根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，當(dāng)系統(tǒng)輸出Uo=980mV時(shí)，Ts=380ms，相對(duì)誤差為，慣性時(shí)間誤差較大，可能的原因是定時(shí)元件R1、C的誤差較大造成的。（此處分析只供參考，請(qǐng)按實(shí)際情況填寫(xiě)）3積分環(huán)節(jié)根據(jù)實(shí)驗(yàn)原理，積分環(huán)節(jié)的輸出當(dāng)t=Ts=0.5s(500ms)時(shí)，系統(tǒng)幅度輸出達(dá)最大值（飽和），Uo=5000mV。根據(jù)實(shí)驗(yàn)記錄，系統(tǒng)實(shí)際幅度輸出Uo=5000mV，與理論計(jì)算一致。達(dá)到最大值（飽和）和時(shí)間為T(mén)s=520，相對(duì)誤差為，積分時(shí)間誤差較大，可能的原因是定時(shí)元件R0、C的誤差較大造成的?？鄢`差，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本一致，實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了比例環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的理論分

11、析是正確的。（此處分析只供參考，請(qǐng)按實(shí)際情況填寫(xiě)）4微分環(huán)節(jié)參照積分環(huán)節(jié)的方法分析5比例-微分（PD）環(huán)節(jié)參照積分環(huán)節(jié)的方法分析6比例-積分（PI）環(huán)節(jié)參照積分環(huán)節(jié)的方法分析實(shí)驗(yàn)三 二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康? 學(xué)習(xí)和掌握動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)的測(cè)試技能。2 了解系統(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)原理二階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如下圖4-1所示。圖4-1 二階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖其閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 其中： wn=1/T；，z=K/2 （1）當(dāng)。即欠阻尼情況時(shí)，二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為衰減振蕩，如圖4-2中曲線所示。輸出響應(yīng)為 式中： ，峰值時(shí)間：超調(diào)量：調(diào)節(jié)時(shí)間：當(dāng)采用5允許誤差范圍時(shí)（2）當(dāng)，即臨界阻尼情況時(shí)，

12、系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為單調(diào)的指數(shù)曲線，如圖4-2中曲線所示。輸出響應(yīng)為 (t0)調(diào)節(jié)時(shí)間：當(dāng)采用5允許誤差范圍時(shí)（3）當(dāng)，即過(guò)阻尼情況時(shí)，系統(tǒng)的階躍響應(yīng)為單調(diào)的指數(shù)曲線 （t0） （4-8）式中： ； 調(diào)節(jié)時(shí)間：當(dāng)采用5允許誤差范圍時(shí)圖4-2 二階系統(tǒng)階躍輸入下的動(dòng)態(tài)響應(yīng)三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備及耗材1EL-AT-III型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2PC電腦一臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與步驟1、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容觀測(cè)不同參數(shù)（見(jiàn)附表所列）下二階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)并測(cè)出性能指標(biāo)：超調(diào)量Mp，峰值時(shí)間tp，調(diào)節(jié)時(shí)間ts。根據(jù)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖可以畫(huà)出二階系統(tǒng)的模擬電路如下圖4-3所示。圖4-3 二階系統(tǒng)模擬電路其中，T=RC，K=R2/R1。由原理得

13、：wn=1/T=1/RC；z=K/2=R2/2R1。改變比值R2/R1，可以改變二階系統(tǒng)的阻尼比。改變RC值可以改變無(wú)阻尼自然頻率wn。取R1=200K，R2=100KW和200KW，可得實(shí)驗(yàn)所需的阻尼比。電阻R取100KW，電容C分別取1mf和0.1mf,可得兩個(gè)無(wú)阻尼自然頻率wn。2、實(shí)驗(yàn)步驟1）連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1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，將兩個(gè)積分電容得兩端連在模擬開(kāi)關(guān)上。檢查無(wú)誤后接通電源。2）啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。3）測(cè)查USB線是否連接好，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下拉框中選中任實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)

14、擊按鈕，出現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框設(shè)置好參數(shù)按確定按鈕，此時(shí)如無(wú)警告對(duì)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(shí)驗(yàn)。4）在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)二二階系統(tǒng)階躍響應(yīng), 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果5）取wn=10rad/s, 即令R=100KW，C=1mf；分別取z=0、0.25、0.707，1、1.5，即取R1=100KW，R2分別等于0KW、50KW、141KW、300KW。輸入階躍信號(hào)，測(cè)量不同的z時(shí)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，并由顯示的波形記錄最大超調(diào)量%和調(diào)節(jié)時(shí)間Ts

15、的數(shù)值和響應(yīng)動(dòng)態(tài)曲線，并與理論值比較。6）記錄響應(yīng)曲線，特別要記錄Tp和Mp的數(shù)值。7）將測(cè)量值和計(jì)算值（實(shí)驗(yàn)前必須按公式計(jì)算出）進(jìn)行比較。并將實(shí)驗(yàn)結(jié)果填入下表中。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果參數(shù)Mp%tp（ms）ts（ms）計(jì)算測(cè)量計(jì)算測(cè)量計(jì)算測(cè)量R =100KC =1fn=10R1=100K，R2=0K，=0R1=100K，R2=50K，=0.25453241200R1=100K，R2=141K，=0.7074.3444444R1=100K，R2=200K，=1475R1= 100K，R2=300K，=1.5800五、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理（按順序貼圖，圖的字跡要清楚，并在圖的傍邊或下面標(biāo)注測(cè)量結(jié)果。）1零阻尼

16、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R0=R=100K、R2=0K、C=1uF）此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。2欠阻尼實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R0=R=100K、R2=50K、C=1uF）此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。3最佳阻尼實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R0=R=100K、R2=141K、C=1uF）此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。5臨界阻尼實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R0=R=100K、R2=200K、C=1uF）此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。6過(guò)阻尼實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R0=R=100K、R2=200K、C=1uF）此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。六、實(shí)驗(yàn)分析（1）當(dāng)

17、R1=100K，R2=0K時(shí)，=0，系統(tǒng)為零阻尼，階躍響應(yīng)為等幅振蕩。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果相比基本一致.（2）R1=100K，R2=50K時(shí)，=0.25，系統(tǒng)為欠阻尼，階躍響應(yīng)為衰減振蕩，此時(shí)超調(diào)量計(jì)算值為45%；實(shí)驗(yàn)值為XX峰值時(shí)間計(jì)算值為=324ms；實(shí)驗(yàn)值為XX調(diào)節(jié)時(shí)間計(jì)算值為=1200ms；實(shí)驗(yàn)值為XX扣除誤差因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本相符。（3）R1=100K，R2=141K時(shí)，=0.707，系統(tǒng)為最佳阻尼情況，此時(shí)超調(diào)量計(jì)算值為4.3%；實(shí)驗(yàn)值為XX峰值時(shí)間計(jì)算值為=444ms；實(shí)驗(yàn)值為XX調(diào)節(jié)時(shí)間計(jì)算值為=444ms；實(shí)驗(yàn)值為XX扣除誤差因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本相符。（4）R1=10

18、0K，R2=200K時(shí)，=1，系統(tǒng)為臨界阻尼，階躍響應(yīng)為單調(diào)的指數(shù)曲線，沒(méi)有超調(diào)，此時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間計(jì)算值為475ms；實(shí)驗(yàn)值為XX扣除誤差因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本相符。（5）當(dāng)R1= 100K，R2=300K時(shí)，=1.5，系統(tǒng)為過(guò)阻尼，階躍響應(yīng)為單調(diào)的指數(shù)曲線，沒(méi)有超調(diào)，此時(shí)調(diào)節(jié)時(shí)間計(jì)算值為ms實(shí)驗(yàn)值為XX扣除誤差因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算基本相符。實(shí)驗(yàn)四 控制系統(tǒng)穩(wěn)定性分析（本實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)）一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?觀察系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。2研究系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益和時(shí)間常數(shù)對(duì)穩(wěn)定性的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理穩(wěn)定是控制系統(tǒng)的重要性能，也是系統(tǒng)能夠正常運(yùn)行的首要條件。線性系統(tǒng)穩(wěn)定的充分必要條件是系統(tǒng)所有特征根必須位于復(fù)

19、平面s的左半平面。對(duì)于一階系統(tǒng)， ,只要 都大于零，系統(tǒng)是穩(wěn)定的。對(duì)于二階系統(tǒng)，只有都大于零，系統(tǒng)才穩(wěn)定。（負(fù)實(shí)根或?qū)嵅繛樨?fù)）對(duì)于三階或以上系統(tǒng)，求根是很煩瑣的。最簡(jiǎn)單的方法是應(yīng)用代數(shù)穩(wěn)定性判據(jù)。設(shè)高階系統(tǒng)的特征方程式為：則系統(tǒng)穩(wěn)定的充要條件為：1、特征方程多項(xiàng)式中各項(xiàng)系數(shù)大于零，即：2、由特征方程系數(shù)構(gòu)成的胡爾維茨行列式中，各奇數(shù)子行列式或各偶數(shù)子行列式大于零。即：或其中：， 三、實(shí)驗(yàn)儀器1EL-AT-III型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2計(jì)算機(jī)一臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容與實(shí)驗(yàn)步驟1. 實(shí)驗(yàn)內(nèi)容高階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如下圖5-1所示：圖5-1高階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖分析：不同的時(shí)間常T，K值對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。系統(tǒng)模擬電

20、路圖如下圖5-2所示。圖5-2 系統(tǒng)模擬電路圖其開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：模擬電路的特征方程式為：，=由代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)可知，當(dāng)K2時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定；式中 K=R3/R2，R2=100KW，R3=0500K；T=RC，R=100KW，C=1mf或C=0.1mf兩種情況。2. 實(shí)驗(yàn)步驟1)連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1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，將純積分電容兩端連在模擬開(kāi)關(guān)上。檢查無(wú)誤后接通電源。2)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。3)檢查USB線是否連接好，在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目下拉框中選中任實(shí)驗(yàn)，點(diǎn)擊按鈕，出 現(xiàn)參數(shù)設(shè)置對(duì)話框設(shè)置好參

21、數(shù)按確定按鈕，此時(shí)如無(wú)警告對(duì)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(shí)驗(yàn)。4)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)三控制系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置目的電壓U1=1000mV，鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。5)改變R3的值，使得輸出出現(xiàn)等幅振蕩，記錄此時(shí)的R3值，和輸出波形；6）增加或減小R3的阻值，使輸出波形明顯出現(xiàn)由小變大或由大變小，記錄此時(shí)R3的阻值和輸出波形。7)在步驟5條件下，即工作在等幅振蕩情況。改變電路中的電容C由1mf變成0.1mf，重復(fù)實(shí)驗(yàn)步驟4）-6）觀察系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化

22、。五、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理（按順序貼圖，圖的字跡要清楚，并在圖的傍邊或下面標(biāo)注測(cè)量結(jié)果。）1臨界穩(wěn)定時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R=100K、C=1uF 、R3=？）此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。2穩(wěn)定時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R=100K、C=1uF 、R3=？）此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。3不穩(wěn)定時(shí)的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（其中R=100K、C=1uF 、R3=？）此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。4R=100K、C=0.1uF 、R3=50K的輸出波形此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。5R=100K、C=0.1uF 、R3=100K的輸出波形此處貼圖圖的下

23、面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。6R=100K、C=0.1uF 、R=200K的輸出波形此處貼圖圖的下面記錄測(cè)量結(jié)果。參照實(shí)驗(yàn)二的寫(xiě)法。（以下內(nèi)容手寫(xiě)）六、實(shí)驗(yàn)分析由代數(shù)穩(wěn)定判據(jù)可知，當(dāng)K2時(shí)系統(tǒng)不穩(wěn)定；由實(shí)驗(yàn)?zāi)M電路可知，R=100K、C=1uF，即T=100103110-6=0.1s=100ms， K=R3/R2，R2=100KW，R3=0500K。（1）當(dāng)R3=200 KW，即K= 2時(shí)，由理論分析可知，系統(tǒng)處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)，輸出波形為等幅振蕩。但實(shí)驗(yàn)結(jié)果并不是等幅振蕩，而是趨向衰減振蕩，原因是實(shí)際電路都有一定的阻尼和慣性造成的。根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形測(cè)量的振蕩周期為T(mén)=XX，扣除誤差因素，實(shí)驗(yàn)

24、結(jié)果與理論計(jì)算值基本相符。（2）慢慢增加R3的值直到出現(xiàn)等幅振蕩，此時(shí)R3=XXXKW，即K2，由理論分析可知，系統(tǒng)應(yīng)為增幅振蕩，但實(shí)際輸出波形為等幅振蕩。原因同上。根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形測(cè)量的等幅振蕩周期為T(mén)=XX，扣除誤差因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值基本相符。（3）繼續(xù)慢慢增加R3的值，直到出現(xiàn)增幅振蕩，此時(shí)R3=XXXKW， K遠(yuǎn)大于2，系統(tǒng)為增幅振蕩，理論與實(shí)驗(yàn)基本相符。根據(jù)實(shí)驗(yàn)波形測(cè)量的增幅振蕩周期為T(mén)=XX，扣除誤差因素，實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論計(jì)算值基本相符。實(shí)驗(yàn)五 系統(tǒng)頻率特性測(cè)量（本實(shí)驗(yàn)為綜合性實(shí)驗(yàn)） 一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?1加深了解系統(tǒng)及元件頻率特性的物理概念。 2掌握系統(tǒng)及元件頻率特性的測(cè)量方法。 3

25、掌握利用“李沙育圖形法”測(cè)量系統(tǒng)頻率特性的方法。二、實(shí)驗(yàn)原理頻率特性的測(cè)量方法：1. 將正弦信號(hào)發(fā)生器、被測(cè)系統(tǒng)和數(shù)據(jù)采集卡按圖6-1連接起來(lái)。圖6-1 頻率特性測(cè)量電路2. 通過(guò)AD/DA卡產(chǎn)生不同頻率和幅值的正弦信號(hào)，并輸入到被測(cè)系統(tǒng)中。3. AD/DA卡采集被測(cè)系統(tǒng)的輸出信號(hào)，并顯示在計(jì)算機(jī)屏幕上。通過(guò)比較輸入信號(hào)和輸出信號(hào)的不同，可以得到系統(tǒng)的頻率響應(yīng)特性。三、實(shí)驗(yàn)儀器1.EL-AT-III型自動(dòng)控制系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)2.計(jì)算機(jī)一臺(tái)四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及步驟1實(shí)驗(yàn)內(nèi)容(1)典型二階系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖6-2所示。相應(yīng)的模擬電路圖如圖6-3所示。圖6-2 系統(tǒng)模擬電路圖圖 6-3 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖(2)系統(tǒng)傳

26、遞函數(shù) 取R3=500kW，則系統(tǒng)傳遞函數(shù)為若輸入信號(hào)，則在穩(wěn)態(tài)時(shí)，其輸出信號(hào)為改變輸入信號(hào)角頻率w值，便可測(cè)得二組U2/U1和隨w變化的數(shù)值，這個(gè)變化規(guī)律就是系統(tǒng)的幅頻特性和相頻特性。2實(shí)驗(yàn)步驟(1)連接被測(cè)量典型環(huán)節(jié)的模擬電路。電路的輸入U(xiǎn)1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，將純積分電容兩端連在模擬開(kāi)關(guān)上。檢查無(wú)誤后接通電源。(2)啟動(dòng)計(jì)算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo) 自動(dòng)控制實(shí)驗(yàn)系統(tǒng) 運(yùn)行軟件。測(cè)試計(jì)算機(jī)與實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)。李沙育圖(3)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)四四、系統(tǒng)頻率特性

27、測(cè)量, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)并選擇李沙育圖，然后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如下圖6-4所示。圖6-4 李沙育圖測(cè)頻率圖(4)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)四四、系統(tǒng)頻率特性測(cè)量, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)并選擇時(shí)間電壓圖，然后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果，如下圖6-5所示。圖6-5 手動(dòng)方式測(cè)量波特圖測(cè)波特圖(5)在實(shí)驗(yàn)項(xiàng)目的下拉列表中選擇實(shí)驗(yàn)四四、系統(tǒng)頻率特性測(cè)量, 鼠標(biāo)單擊按鈕，彈出實(shí)驗(yàn)課題參數(shù)設(shè)置對(duì)話框。在參數(shù)設(shè)置對(duì)話框中設(shè)置相應(yīng)的實(shí)驗(yàn)參數(shù)并選自動(dòng)選

28、項(xiàng)，然后鼠標(biāo)單擊確認(rèn)等待屏幕的顯示區(qū)顯示實(shí)驗(yàn)結(jié)果。如下圖6-6所示。圖6-6 數(shù)據(jù)采集(6)待數(shù)據(jù)采樣結(jié)束后點(diǎn)擊按鈕即可以在顯示區(qū)內(nèi)顯示出所測(cè)量的波特圖。測(cè)奈氏圖(7)在完成步驟6后，在顯示區(qū)單擊鼠標(biāo)右鍵，即出現(xiàn)奈氏圖。五、實(shí)驗(yàn)記錄及數(shù)據(jù)處理（按順序貼圖，圖的字跡要清楚，并在圖的傍邊或下面標(biāo)注測(cè)量結(jié)果。此內(nèi)容一律手寫(xiě)）1測(cè)量下表各點(diǎn)頻率特性的實(shí)測(cè)值并計(jì)算相應(yīng)的理論值f（Hz）（rad/s）理論值實(shí)測(cè)值L（）（）2Xm2yo2ymL（）（）135792畫(huà)出被測(cè)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)L （）曲線與（）曲線。3自動(dòng)頻率特性測(cè)試數(shù)據(jù)（貼圖）六、實(shí)驗(yàn)分析由系統(tǒng)的模擬電路可知，系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為系統(tǒng)頻率特性為：幅頻

29、特性為：，由此畫(huà)出波特圖如下所示。相頻特性為：，其頻率特性如下圖所示。對(duì)照實(shí)驗(yàn)結(jié)果，與理論分析基本相近。實(shí)驗(yàn)六 連續(xù)系統(tǒng)串聯(lián)校正（4學(xué)時(shí)）本實(shí)驗(yàn)為設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康?了解和觀測(cè)校正裝置對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性及動(dòng)態(tài)特性的影響。2學(xué)習(xí)校正裝置的設(shè)計(jì)和實(shí)現(xiàn)方法。二、實(shí)驗(yàn)原理工程上常用的校正方法通常是把一個(gè)高階系統(tǒng)近似地簡(jiǎn)化成低階系統(tǒng)，并從中找出少數(shù)典型系統(tǒng)作為工程設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)，通常選用二階、三階典型系統(tǒng)作為預(yù)期典型系統(tǒng)。只要掌握典型系統(tǒng)與性能之間的關(guān)系，根據(jù)設(shè)計(jì)要求，就可以設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，進(jìn)而把工程實(shí)踐確認(rèn)的參數(shù)推薦為“工程最佳參數(shù)”，相應(yīng)的性能確定為典型系統(tǒng)的性能指標(biāo)。根據(jù)典型系統(tǒng)選擇控制器形式和工程最佳參

30、數(shù)，據(jù)此進(jìn)行系統(tǒng)電路參數(shù)計(jì)算。在工程設(shè)計(jì)中，經(jīng)常采用二階典型系統(tǒng)來(lái)代替高階系統(tǒng)（如采用主導(dǎo)極點(diǎn)、偶極子等概念分析問(wèn)題）其動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖如圖7-1所示。同時(shí)還經(jīng)常采用“最優(yōu)”的綜合校正方法。圖7-1二階典型系統(tǒng)動(dòng)態(tài)結(jié)構(gòu)圖二階典型系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為閉環(huán)傳遞函數(shù)式中，或者二階系統(tǒng)的最優(yōu)模型（1）最優(yōu)模型的條件根據(jù)控制理論，當(dāng)時(shí)，其閉環(huán)頻帶最寬，動(dòng)態(tài)品質(zhì)最好。把代入得到，這就是進(jìn)行校正的條件。（2）最優(yōu)模型的動(dòng)態(tài)指標(biāo)為，三、實(shí)驗(yàn)儀器及耗材1 ELAT3自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)；2 PC機(jī)一臺(tái)；3 數(shù)字萬(wàn)用表一塊4 配套實(shí)驗(yàn)軟件一套。四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求未校正系統(tǒng)的方框圖如圖7-2所示，圖7-3是它的模擬電路

31、。圖7-2未校正系統(tǒng)的方框圖圖7-3未校正系統(tǒng)的模擬電路設(shè)計(jì)串聯(lián)校正裝置使系統(tǒng)滿足下述性能指標(biāo)（1） 超調(diào)量5%（2） 調(diào)節(jié)時(shí)間ts1秒（3） 靜態(tài)速度誤差系數(shù)20 1/秒1測(cè)量未校正系統(tǒng)的性能指標(biāo)（1）按圖7-3接線；（2）加入單位階躍電壓，觀察階躍響應(yīng)曲線，并測(cè)出超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。2根據(jù)系統(tǒng)性能要求設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)（1）根據(jù)最優(yōu)系統(tǒng)設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)；（2）根據(jù)傳遞函數(shù)設(shè)計(jì)校正網(wǎng)絡(luò)元件參數(shù)。3將設(shè)計(jì)好的校正網(wǎng)絡(luò)加入到原系統(tǒng)中去，測(cè)量校正后系統(tǒng)的性能指標(biāo)（1）畫(huà)出校正后系統(tǒng)的模擬電路，并正確接線；（2）加入單位階躍電壓，觀察階躍響應(yīng)曲線，并測(cè)出超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間ts。五、系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)1未校

32、正系統(tǒng)性能分析原系統(tǒng)開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為：原系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益K1=20，慣性環(huán)節(jié)時(shí)間常數(shù)T1=0.5原系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為： 對(duì)照二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)式：得: =6.32(為系統(tǒng)的無(wú)阻尼自然振蕩頻率)又，所以阻尼比：=0.158未校正系統(tǒng)的超調(diào)量為：60%調(diào)節(jié)時(shí)間ts為：=4秒系統(tǒng)靜態(tài)速度誤差系數(shù)=K1=20 1/秒所以原系統(tǒng)不滿足超調(diào)量5%，調(diào)節(jié)時(shí)間ts1秒的性能指標(biāo)，需要進(jìn)行校正。2校正網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)本系統(tǒng)采用串聯(lián)超前校正，校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)為： (7-1)校正后系統(tǒng)總的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為 (7-2)首先應(yīng)該滿足K=KV=20，由式(7-2)得：K=20KC=20，所以KC=1為了使校正后的系統(tǒng)是最優(yōu)二階系統(tǒng)，可以

33、使式(7-2)的與相消(偶極子原理)。所以，秒。根據(jù)最優(yōu)二階系統(tǒng)，=1/40=0.025秒。因此，校正網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)：常用超前校正網(wǎng)絡(luò)的結(jié)構(gòu)如圖7-4所示。圖7-4 常用串聯(lián)校正網(wǎng)絡(luò)圖7-4中：，T=R3C(要求R3T2時(shí)，K為大于零的任何值，系統(tǒng)都是穩(wěn)定的。這也是典型II型系統(tǒng)的條件。2三階系統(tǒng)的最優(yōu)設(shè)計(jì)根據(jù)控制理論，當(dāng)時(shí)，可使系統(tǒng)既有一定的相對(duì)穩(wěn)定性，又有較快的響應(yīng)。其閉環(huán)頻帶最寬，動(dòng)態(tài)品質(zhì)最好。這時(shí)，系統(tǒng)的指標(biāo)為，三、實(shí)驗(yàn)儀器及耗材5 ELAT3自動(dòng)控制原理實(shí)驗(yàn)箱一臺(tái)；6 PC機(jī)一臺(tái)，配套實(shí)驗(yàn)軟件一套；7 數(shù)字萬(wàn)用表一塊四、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容及要求未校正系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)傳遞函數(shù)為未校正系統(tǒng)的模擬電路如圖圖7-2所示。圖7-2未校正系統(tǒng)的模擬電