四川大學自動控制原理實驗報告完整版帶數(shù)據(jù)

1、四川大學電氣信息學院自控實驗報告目 錄一實驗?zāi)康?1二實驗設(shè)備及儀器.1三實驗內(nèi)容1.慣性環(huán)節(jié)（1）實 驗 原 理.1（2）實 驗 內(nèi) 容.1（3）實 驗 數(shù) 據(jù).2（4）誤 差 分 析.52.震蕩環(huán)節(jié)（1）實 驗 原 理.6（2）實 驗 內(nèi) 容.6（3）實 驗 數(shù) 據(jù).6（4）誤 差 分 析.83.二階系統(tǒng)（1）實 驗 原 理.9（2）實 驗 內(nèi) 容.9（3）實 驗 數(shù) 據(jù).9（4）誤 差 分 析.114.三階系統(tǒng)（1）實 驗 原 理.12（2）實 驗 內(nèi) 容.12（3）實 驗 數(shù) 據(jù).12（4）誤 差 分 析.14四思考題.15五心得體會.15附：實驗原始數(shù)據(jù)記錄單.16實驗一. 典型環(huán)節(jié)

2、的電模擬及階躍響應(yīng)分析實驗二. 二、三階系統(tǒng)動態(tài)分析1、 實驗?zāi)康模?、學習典型環(huán)節(jié)、二階三階系統(tǒng)的電模擬方法及參數(shù)測試方法；2、觀察典型環(huán)節(jié)、二階三階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對動態(tài)特性的影響；3、學習示波器的使用方法；4、學習使用MATLAB中SIMULINK的使用，進行時域法分析。二、實驗設(shè)備及儀器：1、模擬實驗箱；2、示波器；3、計算機；4、MATLAB仿真軟件。三、實驗內(nèi)容：1、慣性環(huán)節(jié)（一階系統(tǒng)）（1）實驗原理， ， R =100k(R2除外)。R2、C1需要計算確定。（2）實驗內(nèi)容在輸入端加入階躍信號。a.保持T=1秒不變，分別觀察K=1、2時的輸出波形，并做記錄；b.保持

3、T=2秒不變，分別觀察K=1、2時的輸出波形，并做記錄。（3） 實驗數(shù)據(jù)T=1sT=2sKR2/kC/FTr/sK實測K R2/kC/FTr/sK實測1100105.1611100208.081.04220055.68222001010.71.96K=1，T=1s 時實驗仿真圖及波形如下：仿真波形實驗波形K=2，T=1s 時實驗仿真圖及波形如下：仿真波形實驗波形K=1，T=2s 時實驗仿真圖及波形如下：仿真波形實驗波形K=2，T=2s 時實驗仿真圖及波形如下：仿真波形實驗波形我們還在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲線方便比較：T=1s時的波形圖T=2s時的波形圖（4） 誤差分析由理論公式，

4、可將數(shù)據(jù)整理如下表所示：KT/sts(實際值)/（s）ts(理論值)/(s)ts(模擬值)/(s)KT/sts(實際值)/（s）ts(理論值)/(s)ts(模擬值)/(s)115.162.9963.9122.9473128.085.9927.8245.8946215.683.2193.689294732210.76.4387.3785.8946總結(jié)：慣性環(huán)節(jié)中顯示的波形是呈現(xiàn)指數(shù)型規(guī)律變化的。我們可以由傳遞函數(shù)的拉式反變換來得到傳遞函數(shù)隨指數(shù)型的變化規(guī)律函數(shù)。因此從輸入端輸入一個單位階躍函數(shù)，并添加反相器時，其輸出的波形是緩慢上升到某一穩(wěn)定值，緩慢上升的過程即為指數(shù)過程。2、 震蕩環(huán)節(jié)（1）實

5、驗原理，R=100K(R2除外), C=1（2） 實驗過程在輸入端加入階躍信號，分別觀察記錄T=0.1s、=0.1、0.5、1時的輸出波形，并作記錄。（3） 實驗數(shù)據(jù)R2/k%K實測Ts/sN0.15000.9790.9364.1460.51000.1700.9360.72115000.9790.80T=0.1s、=0.1時仿真波形實驗波形T=0.1s、=0.5時仿真波形實驗波形T=0.1s、=1時仿真波形實驗波形我們還在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲線方便比較：（4） 誤差分析T=0.1s時，對應(yīng)不同的，實測數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)分別如下：取值%實測值%模擬值Ts/s（實測值）Ts/s（模擬值

6、）Tp/s（模擬值）0.10.9790.7216254.142.85880.31420.50.1700.1583240.720.51580.35921000.80.4600-我們的實驗數(shù)據(jù)與通過程序模擬出來的結(jié)果有一定的差別，出現(xiàn)這種差別的可能原因有以下幾點：（1）實測值是通過示波器讀出來的數(shù)據(jù)，因此存在一定的人為誤差；（2）儀器本身的誤差，即儀器誤差；（3）是通過電阻、電容等元件算得的，實際中選取的電阻和理論電阻有一定的差別（比如500的電阻，我們用的是510的電阻）。3、 二階系統(tǒng)（1）實驗原理其中：K1分別為1、5、7、10；K2=1；T1=T2=0.1s；K1=K2=1；T1分別為0.

7、01s、0.1s、1s。(3). R=100K(R2除外)，C2=1。R2、C1需計算確定。（2） 實驗過程改變K值而保持參數(shù)T值不變。（3） 實驗數(shù)據(jù)T1=T2=0.1sKR2/KC/F%KTs/sN110010.1060.4890.8155000.20.2130.8510.40821010000.10.3400.9360.2282K=1時仿真波形實驗波形K=5時仿真波形實驗波形K=10時仿真波形實驗波形我們還在MATLAB中做了仿真，得到了如下曲線方便比較：（4） 誤差分析根據(jù)實測數(shù)據(jù)、模擬數(shù)據(jù)可以對比如下：K%實測值%模擬值Ts/s（實測值）Ts/s（模擬值）Tp/s（模擬值）10.10

8、60.0451520.80.20260.313250.2130.2491370.4080.29930.1428100.3400.3632690.2280.23950.1013我們的實驗數(shù)據(jù)與通過程序模擬出來的結(jié)果有一定的差別，出現(xiàn)這種差別的可能原因有以下幾點：（1）實測值是通過示波器讀出來的數(shù)據(jù)，因此存在一定的人為誤差；（2）儀器本身的誤差，即儀器誤差；（3）實驗中所用的電阻、電容等元件是通過給定的K值計算得到的，實際中選取的電阻和理論電阻有一定的差別（比如500的電阻，我們用的是510的電阻），所以實際的K值并不是給定的1、5、10。總結(jié)：（1）當=0時，輸出響應(yīng)為等幅振蕩。 （2

9、） 當0<<1時，輸出響應(yīng)為衰減振蕩曲線，且y（）=1，的變化影響動態(tài)性能指標。隨著增大，上升時間增大，超調(diào)量變大，調(diào)節(jié)時間變短，峰值時間變大。4、 三階系統(tǒng)（1）實驗原理其中：K分別為1、5、7、10。（2） 實驗過程測量在=1、5、7、10，且=1，=0.1s，=100k，=10µ，情況下的反饋信號的暫態(tài)波形。（3）實驗數(shù)據(jù)KR5/KC2/F%K實測Ts/sN110010.255110.2155000.20.66011551010000.10.809149.814K=1時仿真波形實驗波形K=5時仿真波形實驗波形K=10時仿真波形實驗波形我們還在MATLAB中做了仿真，

10、得到了如下曲線方便比較：（4） 誤差分析K%實測值%模擬值Ts/s（實測值）Ts/s（模擬值）Tp/s（模擬值）10.2550.19950010.25.26963.616450.6600.6745421511.80581.5837100.8090.91960049.876.93651.1421 這里實驗波形和仿真波形有一定差距，比如過調(diào)峰值，可能是由于實驗采樣、實驗器材存在一定誤差造成的，而且震蕩次數(shù)，仿真出來的波形顯然的可以看到2次，但實驗得到的波形有明顯有3次，應(yīng)該是線路元件誤差導(dǎo)致阻尼下降帶來的。 隨著放大倍數(shù)的增加，已經(jīng)可以看到過調(diào)峰值接近相同了，但與K值較小的時候不同的是，示波器出來

11、的波形沒有仿真的那么幅度明顯了，甚至在示波器看到的波形只能觀察到3個周期的振蕩。4 思考題1.根據(jù)實驗結(jié)果，分析一階系統(tǒng)Ts與T、K之間的關(guān)系。答：對于一階系統(tǒng)來說，其單位脈沖響應(yīng)曲線為單調(diào)下降的指數(shù)曲線，時間常數(shù)Ts越大，響應(yīng)曲線下降越慢，表明系統(tǒng)受到脈沖輸入信號后，恢復(fù)到初始狀態(tài)的時間越長。因此有如下結(jié)論：（Ts為時間常數(shù)）時間常數(shù)越大，恢復(fù)到初始狀態(tài)的時間越長，即Ts越大，T越大；開環(huán)放大系數(shù)越大,時間常數(shù)越小，即K越大，Ts越小。2 認真思考一般環(huán)節(jié)的電路摸擬圖構(gòu)成，并找出規(guī)律，學會設(shè)計簡單的環(huán)節(jié)摸擬圖。答：構(gòu)成電路模擬圖的基本原理是：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

12、不同的輸入網(wǎng)絡(luò)和反饋網(wǎng)絡(luò)來模擬各種典型環(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，并利用測量儀器，來測量系統(tǒng)的輸出，就可得到系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)曲線及性能指標。若改變系統(tǒng)的參數(shù)，還可進一步分析研究參數(shù)對系統(tǒng)性能的影響。 比如：（1）比例環(huán)節(jié)可由電阻和運算放大器構(gòu)成；（2）慣性環(huán)節(jié)可由電阻、運算放大器、電容構(gòu)成；（3）積分環(huán)節(jié)可由電阻、運算放大器、電容構(gòu)成；（4）微分環(huán)節(jié)可由電阻、運算放大器、電容構(gòu)成；（5）比例+積分環(huán)節(jié)可由電阻、運算放大器、電容構(gòu)成；（6）比例+微分環(huán)節(jié)可由電阻、運算放大器、電容構(gòu)成。 自動控制系統(tǒng)是由比例、積分、

13、微分、慣性等環(huán)節(jié)按一定的關(guān)系組建而成。熟悉這些典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)及其對階躍輸入的響應(yīng)，將對系統(tǒng)的設(shè)計和分析是十分有益的。根據(jù)資料和實驗可以發(fā)現(xiàn)：（1）比例環(huán)節(jié)的特點是輸出不失真、不延遲、成比例地復(fù)現(xiàn)輸出信號的變化； （2）積分環(huán)節(jié)的輸出量與其輸入量對時間的積分成正比。5 實驗心得體會 典型系統(tǒng)的電路模擬和二階、三階系統(tǒng)動態(tài)分析實驗是我們本學期自動控制課的第一次實驗，我們在老師的指導(dǎo)下和同組成員的相互合作中順利完成，并在實驗后，認真高效地完成了實驗報告。整個過程中，我們不僅動手認真操作實驗，還動腦思考實驗，運用所學的軟件呈現(xiàn)出實驗的數(shù)據(jù)和結(jié)果，比如用MATLAB軟件來處理數(shù)據(jù)，用Multisim軟件來進行仿真，用excel表格、word文檔來作報告等，可以說，整個過程都在充分地學習，學習如何實驗，學習如何聯(lián)系理論與實驗，學習如何在實驗中思考，學習相關(guān)數(shù)學工具，學習如何準確地呈現(xiàn)結(jié)果，所以說，這次實驗對我們來說，是一次極大的收獲，同時提升了我們的能力。  下面我就實驗中我們遇到的問題來做一下總結(jié)： 實驗過程面臨的問題:實驗過程中的確遇到了不少的麻煩，比如部分放大器不能使用等問題，但經(jīng)過老師維修后，能夠進行正常的實驗。開始做一階系統(tǒng)實驗的