自動控制原理實驗指導書

1、自動控制實驗課前言一、地位和作用自動控制理論課程是自動化專業(yè)的核心課程。該課程不僅理論性很強，還具有很強的工程應用性及實踐性。為了學習和應用好自動控制理論，必須十分重視和大力加強該門課程的實驗。理論很重要，但理論必須來源于實踐才能反過來指導實踐。科學的發(fā)展證明，只有有了科學實驗和生產斗爭，才有科學理論，才有自然科學。 為了適應社會發(fā)展的需要，為培養(yǎng)合格的自動控制方面的工程師，不但要加強專業(yè)基礎課自動控制理論的學習，而且要加強理論課程的實驗能力的培養(yǎng)。自動控制理論實驗環(huán)節(jié)的作用是：1、通過實驗學習，使學生了解該實驗課的基本思想，掌握常用儀器的調節(jié)和使用的基本技能；2、培養(yǎng)學生科學能力和提高學生進

2、行科學實驗的素質；3、培養(yǎng)學生應用計算機軟件分析和研究自動控制有關問題的能力。因此，要求學生：（1）應具有看懂實驗教材、儀器使用說明書及查閱工具書、參考資料的能力；（2）應具有正確使用儀器設備的能力； （3）應具有處理數據、分析實驗結果，撰寫完整實驗報告的能力； （4）應具有對待科學實驗一絲不茍的嚴謹態(tài)度及實事求是的工作作風；二、實驗課的基本要求 1、實驗前的預習 為保證實驗順利進行并收到預期的效果，要求在預習時必須認真閱讀實驗指導書弄懂有關理論，作到明確實驗目的、任務、基本原理、實驗線路及方法步驟，清楚實驗要觀察的現(xiàn)象和要記錄的數據，及有關注意事項，并在此基礎上寫出實驗預習報告。預習報告應包

3、括： （1）實驗名稱； （2）實驗目的； （3）實驗原理與說明（不要照抄指導書，而應極簡單的敘述），特別是有關的電原理圖應簡要說明其原理； （4）任務、步驟及接線圖； （5）記錄表格（可供實驗后填寫測量數據）； （6）預先需設計和計算的內容； （7）實驗設備（規(guī)格、型號可在實驗后填寫）； 預習報告要求清楚、簡潔，獨立思考完成，在認真做好預習的前提下，才可進行實驗，預習不合格，不得進行實驗。 2、實驗課的進行； 良好的工作方法和操作程序，是使實驗課進行的順利、有效、安全的基本保證。進行實驗的一般程序為： （1）儀器、設備的配置與檢查： 學生到達指定的實驗位置時，首先應檢查所提供的設備、儀器是否齊

4、全，量程是否符合要求，并了解各設備的使用方法，做好記錄準備和桌面的整理工作，將不用的設備整齊地放在一邊； （2）連接電路a) 合理安排儀器、元件位置，導線該長則長，該短則短，真正作到連線清楚，便于檢查，操作方便；b) 連線要牢固、可靠，在一個接線柱上不多于兩個接線片；c) 接線原則是“先串后并”，對復雜的電路可“先分后合”或“先主后輔”，即將整個電路分為若干部分分別連接，最后構成整體；d) 接好線路，自查無誤、請指導教師復查無誤后，方可通電；在做實驗過程中，如改變線路，也需經實驗教師檢查后，方可通電；（3）預操作： 經教師復查線路后，在與同組同學打好招呼后，即可通電開始實驗，進行整個實驗前應養(yǎng)

5、成預操作的習慣，其目的是：a) 觀察電路中各指示儀表工作是否正常；b) 觀察測量數據變化趨勢，以確定實驗曲線的取點；c) 尤其應注意變化的特殊點，應做取數的重點（曲率大處多取幾點，曲率小處少取幾點）；d) 熟悉了解操作步驟，初步掌握整個實驗的全局； （4）按實驗步驟逐項開始工作，觀察現(xiàn)象、讀取數據，記錄與審查數據（按要求有時需描繪示波器所示曲線）； 關于讀取數據，首先要弄清儀器的量程及刻度，其次姿態(tài)要正確，作到“眼、針、影”三者重合方可讀數，同時合理取舍有效數字； 記錄讀書要求完整、清晰，力求表格化； 在操作過程中若發(fā)現(xiàn)異?，F(xiàn)象如：焦糊味、冒煙、異常響動，指針過頭不返回等現(xiàn)象，應立即拉閘斷電，

6、保護現(xiàn)場，請教指導教師共同分析原因，經處理后方可繼續(xù)實驗。 （5）實驗結尾工作 在完成全部規(guī)定內容的實驗后，先自行檢查一下實驗數據，再請指導教師檢查，并在原始數據上簽字后，方可斷電拆線，將儀器、設備及導線整齊放在原來的位置，工具及元件交還實驗教師，經同意后，即可離開實驗室?！霸紨祿睉涗浽谝欢ǜ袷降脑紨祿涗浖埳?，要尊重“原始數據”記錄，實驗后不得隨意涂改，（在實驗工作中，“原始數據”在某種意義上說，具有一定的“法律”性質，絕不可隨意涂改）。原始數據記錄附在實驗報告之后，一并交上。3、實驗報告實驗報告是實驗工作的全面總結，要用簡明的形式將實驗結果如實地表達出來，報告要求文字流暢、簡明扼要

7、、字跡端正、分析合理、討論深刻。實驗報告一般應包括下列幾項：（1）實驗名稱；（2）實驗任務（目的）；（3）實驗設備；（4）實驗原理與說明（要用簡練的語言敘述）；（5）實驗線路與步驟；（6）數據、圖表（所做曲線應畫在坐標紙上）及計算示例；（7）實驗結果的分析處理（包括結論、誤差分析與討論、收獲體會、對實驗的改進意見等）；（8）回答問題學生在作完實驗后，應及時寫好實驗報告，無故不交報告者，不得進行下次的實驗。實驗一 典型環(huán)節(jié)的模擬研究 一、實驗目的： 1了掌握自控系統(tǒng)解并教學模擬機的使用方法，掌握典型環(huán)節(jié)模擬電路的構成方法，培養(yǎng)學生的實驗技能； 2熟悉各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線； 3了解參數變化對

8、典型環(huán)節(jié)動態(tài)特性的影響； 二、實驗要求： 1觀測各種典型環(huán)節(jié)的階躍響應曲線； 2觀測參數變化對典型環(huán)節(jié)階躍響應的影響； 三、實驗儀器： 1自控系統(tǒng)教學模擬機 1臺； 2數字示波器 1臺； 3萬用表 1塊； 四、實驗原理和電路： 本實驗是利用運算放大器的基本特性(開環(huán)增益高、輸入阻抗大、輸出阻抗小等)，設置不同的反饋網絡來模擬各種典型環(huán)節(jié)。 典型環(huán)節(jié)方塊圖及其模擬電路如下：1. 比例()環(huán)節(jié)：（方框圖如圖11所示）。 方框圖 模擬電路圖 圖11 比例環(huán)節(jié)：圖中：p= 分別求取p0.5; p1; p2; 時的階躍響應曲線；2. 積分環(huán)節(jié) （方框圖如圖12所示）。 方框圖 模擬電路圖 圖12 積分環(huán)

9、節(jié)圖中：i=i*f分別求取i1秒; i4.7秒; i10秒 時的階躍響應曲線； 求取Kp=1.55, Ti=7.3秒, Td=1.7秒時的階躍響應曲線。 3. 一階慣性環(huán)節(jié)：(方框圖如圖13所示）。 方框圖 模擬電路圖圖13 一階慣性環(huán)節(jié)圖中： K=Rf/Ri; T=RfCf 分別求取K=1,T=1秒；K=1,T=5秒；K=2,T=1秒時的階躍響應曲線。 五、思考題：1 設計一個能滿足e1+e2+e3=e 運算關系的實用加法器。2 一階慣性環(huán)節(jié)在什么條件下可視為積分環(huán)節(jié)；在什么條件下可視為比例環(huán)節(jié)？3如何設置必要的約束條件，使比例微分環(huán)節(jié)，比例積分環(huán)節(jié)的參數計算工作得以簡化？六、附錄: 自控系

10、統(tǒng)教學模擬機介紹： 1輸入電源電壓： AC220V±10% 輸出電壓：±15V 額定輸出電流：400mA2 . 模擬運算單元由OP07運算放大器組成9個運算單元，除9號反向器以外，其余8個單元均可實現(xiàn)加法、積分、微分等運算，其中7、8兩個單元的連線安排有利于實現(xiàn)PID調節(jié)器的功能。3 . 階躍信號輸入信號源連線如圖所示。K1后加了一級跟隨器。如系統(tǒng)輸入擾動信號為階躍信號，則需要將“輸入”插口接到±15V電源端，撥動階躍開關，可得到0V到15V，幅度正階躍或+15V到0V的負階躍。同理，“輸入”插口也可接入-15V的電源端。4. “復位”鍵： 進行再次運算前，按“復

11、位”鍵，使每個積分器反饋回路中的電容通過按鍵的a、b接點放電，消除電容上的殘余電荷。線路如圖八所示。注意事項1. 若只使用其中某一個運算放大器，則其余的運算放大器必須接成比例環(huán)節(jié)，不允許輸入端和輸出端懸空，以避免損壞運算放大器； 2. 所有導線使用前須用萬用表測通斷;3. 每個運算單元使用之前需要調零。 實驗二 典型二階系統(tǒng)瞬態(tài)響應研究一、實驗目的及要求：1 熟悉二階系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，觀察二階系統(tǒng)兩個重要參數 和n 對系統(tǒng)動態(tài)特性的影響；2 定量分析和T與超調MP、過渡過程時間ts 的關系。3 測出性能指標：超調量MP，峰值時間tp和調節(jié)時間ts。二、實驗儀器： 1自控系統(tǒng)教學模擬機 1臺； 2

12、數字示波器 1臺； 3萬用表 1塊；三、實驗內容：微分方程：傳遞函數： 若令R3=R1，C2=C1 則：模擬線路如圖21所示： 圖21 系統(tǒng)模擬線路圖與二階系統(tǒng)的標準形式比較，可得如下關系： n = 1/T = 1/（R1*C1） = 1/2K = R1/2R2 同時改變C1和C2的大小，可改變無阻尼自振頻率n的大小，改變R2的大小可改變的大小。 步驟：（1）令T=0.1秒（R1=R3=100K，C1=C2=1F）。分別設置=0.1, 0.7, 1，觀測輸入幅值為±1V的階躍信號，讀出并記錄各值時的超調量和過渡過程時間ts（取=0.05），并繪制出=0.1, 0.7, 1三種情況時的

13、波形。 （2）令T=0.05秒,( C1=C2=0.5F)重新進行上述測試 。 的設置方法： 將圖2-1中A點斷開，從輸入端輸入一恒定電壓（不要過高，防止運算放大器飽和），用萬用表測量慣性環(huán)節(jié)的輸出、輸入電壓，兩者之比即為放大系數K 。=0.1,對應于K=5, =0.5，對應于K=1。四、實驗報告要求：1 實驗線路及原始數據，測試數據及波形圖;2 對實驗中出現(xiàn)的現(xiàn)象進行討論，計算T=0.1秒時，=0.1, 0.7, 1情況下的% 和ts (=0.05)，與實測數據比較;3 回答思考題。五、思考題：1 根據實驗結果，分析二階系統(tǒng)ts，%與n、之間的關系。2 對于二階系統(tǒng)，若將其反饋極性改為正反饋

14、，或將其反饋回路斷開，這時的階躍響應有何特點？試從理論上進行分析，（也可在實驗進行觀察）。3 根據所學習的電模擬方法，畫出開環(huán)傳遞函數為：的單位反饋系統(tǒng)的模擬線路圖，并注明線路中的各元件參數（用R、C 等字母表示）和傳遞函數中參數的關系。 附錄:計算機仿真1. =0.12. =0.53. =1實驗三 典型三階系統(tǒng)的穩(wěn)定性研究一、實驗目的：1熟悉反饋控制系統(tǒng)的結構和工作原理；2了解開環(huán)放大系數對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。二、實驗要求：觀測開環(huán)增益對三階系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。三、 實驗儀器：1自控系統(tǒng)教學模擬機 一臺2數字示波器 一臺3萬用表 一塊四、實驗原理與電路：運用自控系統(tǒng)教學模擬機來模擬給定三階系統(tǒng)。

15、圖3-1是給定三階系統(tǒng)的原理方框圖。圖3-1 典型三階系統(tǒng) 其傳遞函數為：其中：K=K1K2T0 （開環(huán)增益）。圖3-2是給定三階系統(tǒng)的電模擬圖。圖3-2 三階系統(tǒng)模擬電路 三階系統(tǒng)模擬電路的開環(huán)傳遞函數為：式中R的單位為K。比較（3-1）和（3-2）得： （3-3）系統(tǒng)的特性方程為：由式（3-1）可得到： 展開得到： 將式（3-3）代入式（3-4）得到：或 11.9619.6K119.6用勞斯判據求出系統(tǒng)穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定、不穩(wěn)定時的開環(huán)增益。19.6K由勞斯判據知道， 得到系統(tǒng)穩(wěn)定范圍：得到系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時的增益：得到系統(tǒng)不穩(wěn)定范圍；將K=510/R代入（3-6）（3-8）得：R>42.6

16、K 系統(tǒng)穩(wěn)定R=42.6K 系統(tǒng)臨界穩(wěn)定R<42.6K 系統(tǒng)不穩(wěn)定計算機仿真系統(tǒng)穩(wěn)定時輸出波形系統(tǒng)臨界穩(wěn)定時輸出波形系統(tǒng)不穩(wěn)定時輸出波形五、實驗內容及實驗步驟：典型三階系統(tǒng)的性能觀測。1 按圖3-2接線，調節(jié)R=30k；2 觀察系統(tǒng)階躍響應，并記錄波形，填入表（3-1）。3 減少開環(huán)增益，（R=42.6K；100K），觀察系統(tǒng)階躍響應，并記錄波形，填入表（3-1）。六、實驗報告要求：1實驗觀測記錄；2實驗結果分析、體會和建議。表3-1 三階系統(tǒng)實驗觀測記錄： R （K） 增益 K 輸出波形 穩(wěn)定性實驗四 典型系統(tǒng)的頻率特性測試 一實驗目的 1掌握測量典型一階系統(tǒng)和二階系統(tǒng)頻率特性曲線的方

17、法； 2通過本實驗進一步理解頻率特性的物理意義。 二、實驗儀器：1. 自控系統(tǒng)教學模擬機 1臺；2. 數字示波器 1臺；3. 萬用表 1塊；4. 微機 1臺三實驗原理與電路： 1一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性 一階慣性環(huán)節(jié)模擬電路如圖4-1所示，慣性環(huán)節(jié)的傳遞函數為：圖4-1一階慣性環(huán)節(jié)模擬電路 2二階環(huán)節(jié)的頻率特性 二階環(huán)節(jié)模擬電路如圖4-2所示，二階環(huán)節(jié)的傳遞函數為：圖4-2二階環(huán)節(jié)模擬電路四實驗內容及實驗步驟： 1、一階慣性環(huán)節(jié)的頻率特性測量（1）用MATLAB求出該一階慣性環(huán)節(jié)頻率特性，繪制幅頻曲線和相頻曲線； （2）連接示波器：將正弦波端子與示波器通道CH1相連接，實驗電路UO與示波器通道C

18、H2相連接；（3）輸入正弦波信號，通過示波器觀測輸入輸出正弦波曲線并調節(jié)正弦波頻率，繪制該一階慣性環(huán)節(jié)的幅頻曲線和相頻曲線，并與仿真結果相比較；（4）根據一階環(huán)節(jié)的理論計算，選擇頻率測試點，填寫表4.1。表4.1 200f(HZ)31.8Ui2Uo1.41420lgUo/Ui-3-452、二階環(huán)節(jié)的頻率特性測量（1）用MATLAB求出該二階環(huán)節(jié)頻率特性，繪制幅頻曲線和相頻曲線； （2）連接示波器：將正弦波端子與Ui和示波器通道CH1相連接，實驗電路UO與示波器通道CH2相連接；（3）輸入正弦波信號，通過示波器觀測輸入輸出正弦波曲線并調節(jié)正弦波頻率，繪制該二階環(huán)節(jié)的幅頻曲線和相頻曲線，并與仿真結

19、果相比較；3根據二階環(huán)節(jié)的理論計算，選擇頻率測試點，填寫下表4.2中。 表4.214.14f(HZ)2.25Ui2Uo20lgUo/Ui-90 六、實驗報告要求：1、根據實驗結果繪制一階環(huán)節(jié)的頻率特性曲線；2、根據實驗結果繪制二階環(huán)節(jié)的頻率特性曲線；3、實驗結果分析、體會和建議。實驗五 控制系統(tǒng)的超前校正一、實驗目的1 研究校正裝置對系統(tǒng)動態(tài)性能指標的影響；2 學習校正裝置的設計和實現(xiàn)方法。二、實驗設備 1自控系統(tǒng)教學模擬機 1臺； 2數字示波器 1臺； 3萬用表 1塊三、實驗內容 已知控制系統(tǒng)方塊圖圖51 原系統(tǒng)方塊圖 其開環(huán)傳遞函數 G(s)=1/S(S+K) 模擬電路圖圖52 原系統(tǒng)模擬

20、電路圖在該系統(tǒng)中加入超前校正裝置，使系統(tǒng)的相位裕量 50o，增益裕量10分貝，同時保持靜態(tài)速度誤差系統(tǒng)系數不變。超前校正裝置的傳遞函數為： 參考模擬電路 傳遞函數： 校正后的系統(tǒng)方塊圖：圖5-3校正后系統(tǒng)方塊圖校正后的系統(tǒng)模擬電路圖圖54校正后系統(tǒng)模擬電路圖三、實驗步驟1 調整Rf，Ri，使K=0.4；計算此時未校正系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數Kv；2 畫出未校正系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數的Bode圖，確定其相位裕量和增益裕量；3 觀察并記錄未校正系統(tǒng)閉環(huán)階躍瞬態(tài)響應曲線，標出Mp,ts；x(t)=1(t)（伏）；4 根據要求計算超前網絡的參數T，Kc，確定相應的Ric，Rfc，R1，R2，C值，構成所需要的

21、超前校正裝置；5 觀察并記錄超前校正裝置的階躍瞬態(tài)響應曲線；ei(t)=-1(t)（伏）6 將校正裝置接到控制系統(tǒng)中去，觀察并記錄校正后控制的階躍瞬態(tài)響應曲線（記錄的幅度坐標和時間坐標應和曲線相同），標出Mp和ts，和曲線進行比較。x(t)=1(t)（伏）五、思考題1下圖的模擬電路能否作為超前校正裝置？試計算其傳遞函數E0(s)/Ei(s)=？2c(s)=(1.5s+1)/(0.5s+1)，能否計算出校正后系統(tǒng)的閉環(huán)主導極點及與之對應的n, ？ 實驗六 三階系統(tǒng)的串聯(lián)校正一、實驗目的：1 通過對模擬控制系統(tǒng)的調整，了解控制系統(tǒng)中校正裝置的作用。2 了解系統(tǒng)開環(huán)放大倍數對系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。二、實

22、驗儀器設備：1自控系統(tǒng)教學模擬機 1臺2數字示波器 1臺3萬用表 1塊4電阻電容接線板 1塊三、實驗內容：設一單位反饋系統(tǒng)的結構如圖6-1所示。圖6-1 反饋控制系統(tǒng)其中Gc(s)為串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。要求分別采用下列三種校正方案時，測試系統(tǒng)的時域性能指標，并加以比較。1 超前校正方案模擬電路如圖6-2所示。 圖6-2 超前校正電路其中：R1=200K R2=R3=100K R0=10K C=10F2 滯后校正方案（模擬電路如圖6-3所示）圖6-3 滯后校正電路其中： R1=3270K R2=270K R3=3000K C=10F3 滯后超前校正方案（模擬電路見圖6-4）Gc(s)=(2.1s+1)

23、(s+1)/(12s+1)(0.15s+1)圖6-4 超前滯后校正電路其中：R1=1450K R2=240K R3=1200K R4=200 R5=10K R6=1K C1=10F C2=100F 四、實驗步驟：在模擬學習機上模擬出圖6-1所示系統(tǒng)（模擬線路圖可參圖6-5）。注意開環(huán)放大倍數K的可調范圍應為0<K<40。輸入階躍（或方波）信號。1 將Gc(s)接成放大系數為1的比例環(huán)節(jié)。（1） 調節(jié)開環(huán)放大系數K，使%=25%，測試并記錄此時的K，ts(=0.05)及階躍響應曲線。（2） 增大K，直至系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記錄K臨界。2 接入超前校正環(huán)節(jié)（模擬線路見圖6-2）（1） 保

24、持K臨界不變，測試記錄此時的%=25%， ts(=0.05)及響應曲線。（2） 調節(jié)K，使%=25%，測試并記錄K，ts及響應曲線。3 去除超前校正環(huán)節(jié)，將原系統(tǒng)仍調到臨界振蕩狀態(tài)，接入滯后校正環(huán)節(jié)（模擬線路見圖6-3），重新按2步中內容進行測試并作記錄。4 去除滯后校后環(huán)節(jié)，將原系統(tǒng)調到臨界振蕩狀態(tài)。接入滯后超前校正環(huán)節(jié)（模擬線路見圖6-4）。重新按2（）內容進行測試并作記錄。圖6-5 模擬線路圖五、實驗報告要求：1 設計原系統(tǒng)及各校正環(huán)節(jié)的模擬線路圖，記錄測試數據繪制響應曲線；2 對實驗結果加以討論。（1）在開環(huán)放大倍數K等于原系統(tǒng)的K臨界的情況下，采用哪種校正方案使得系統(tǒng)的動態(tài)性能最好？

25、（2）在%=25%的情況下，采用哪種校正方案可使系統(tǒng)在斜坡信號作用時，穩(wěn)態(tài)誤差最?。繉嶒炂?系統(tǒng)并聯(lián)校正器設計 一、實驗目的： 1了解和觀測并聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)特性的影響。 2驗證設計的并聯(lián)校正裝置是否滿足系統(tǒng)性能要求。 二、實驗要求： 1觀測原系統(tǒng)的穩(wěn)定性及瞬態(tài)特性。 2觀測校正后系統(tǒng)的穩(wěn)定性及瞬態(tài)特性。 三、實驗儀器 1自控系統(tǒng)教學模擬機 1臺2數字示波器 1臺3萬用表 1塊 四、實驗原理及電路。 1未校正系統(tǒng)的原理方框圖如71所示。 圖71 原系統(tǒng)方框圖系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 對系統(tǒng)提出的性能指標要求為： 穩(wěn)態(tài)性能：無差度階數=1，速度誤差系數K=200S-1 瞬態(tài)性能：最大超調量%25%

26、，調節(jié)時間ts0.5S設計模擬電路。 2并聯(lián)校正原理 所以如果頻率特性中頻段幅頻特性不滿足要求時，可由73式所滿足的條件，由并聯(lián)回路（內反饋回路）加以校正。圖7-2 系統(tǒng)并聯(lián)校正裝置的綜合 圖中L0 未校正系統(tǒng)的對數幅頻特性。 LK期望對數幅頻特性 G2H校正裝置及其包圍部分的特性 由圖72可得，當0.4<<60時，LK<L0；當<0.4 和>60 時，Lk=L0?？山普J為0.4<<60，為校正裝置起作用頻段，并由L0-Lk 得20logG(j)H(j) ，如圖72中分段直線A1A2A3A4A5所示。當<0.4時，將線段A1A2延長。當>

27、60時，將線段A4A5延長。考慮到延長部分的特性，可得局部閉環(huán)的開環(huán)傳遞函數為： 式中K1， 可由A1點的頻率0.4求得，即K1=1/0.4=2.5S 。可由A2,A3,A4點交接頻率求得，即1=1/4=0.25S，2=1/10=0.1S，3=1/40=0.025S。 當校正裝置所包圍部分的特性G2（S）確定后，可由式75得到 H（S）。為使校正裝置簡單，H（s）應包圍對應于A3,A4兩點的交接頻率的環(huán)節(jié)，如圖71所示。設 其中T=R4*C4， K=(R2+R3)/R1 取R1=10M, R2=500k, R3=400k, R4=25k,C4=10F圖7-3 校正網絡模擬電路圖 3畫出校正后系

28、統(tǒng)的模擬電路 五 實驗步驟及內容 1測量未校正系統(tǒng)的性能指標 按圖72接線 加階躍電壓，觀察階躍響應曲線，并記錄波形。 2觀測校正后系統(tǒng)的性能指標 按圖75接線 加階躍電壓，觀察階躍響應曲線，并測出Mp和ts。六、實驗報告要求 1系統(tǒng)性能分析 2繪出系統(tǒng)的對數幅頻特性。 3校正后系統(tǒng)性能分析。 4實驗記錄。 5實驗結果分析，體會。七、思考題： 1 并聯(lián)校正裝置在控制系統(tǒng)中，還有哪些作用？ 2 采用并聯(lián)反饋時應注意哪些問題？實驗八 控制系統(tǒng)的串聯(lián)校正設計一、實驗目的與要求1 了解控制系統(tǒng)中校正裝置的作用;2 研究串聯(lián)校正裝置對系統(tǒng)的校正作用。二、實驗基本原理與功能1 滯后-超前校正超前校正的主要

29、作用是增加相位穩(wěn)定裕量，從而提高系統(tǒng)的穩(wěn)定裕量，改善系統(tǒng)響應的動態(tài)特性。滯后校正的主要作用則是改善系統(tǒng)的靜態(tài)特性。如果把這兩種校正結合起來，就能同時改善系統(tǒng)的動態(tài)特性和靜態(tài)特性。滯后超前校正綜合了滯后校正和超前校正的功能。 滯后-超前校正的線路由運算放大器及阻容網絡組成，其線路及幅頻特性如圖8-1所示。圖8-1（a）滯后-超前校正電模擬圖圖8-1（b）滯后-超前校正幅頻特性圖滯后-超前校正環(huán)節(jié)的傳遞函數為： 式中：T2=R1C1，T1=（R2+R20）C2，2=（R1+R10）C1，1=R2C2，K=R20/R102 串聯(lián)滯后校正串聯(lián)滯后校正指的是校正裝置的輸出信號的相位角滯后于輸入信號的相位

30、角。它的主要作用是降低中頻段和高頻段的開環(huán)增益，但同時使低頻段的開環(huán)增益不受影響。這樣來兼顧靜態(tài)性能與穩(wěn)定性。它的副作用是會在c點產生一定的相角滯后。滯后環(huán)節(jié)的電模擬線路圖及其幅頻特性如圖8-2所示。滯后環(huán)節(jié)的傳遞函數為：式中：T1=R2C T2=（R3+R2）C K=R3/R1圖8-2（a）滯后校正電模擬圖圖8-2（b）滯后校正幅頻特性圖三、實驗主要技術指標系統(tǒng)的超調量Mp，過渡過程時間ts (=0.05)四、實驗設計、調試1 設計給定系統(tǒng)的電模擬線路，并用自控實驗臺模擬該系統(tǒng)；2 根據性能指標要求設計相應的校正環(huán)節(jié)，并求出其電模擬參數；3 接入兩種校正環(huán)節(jié)，測試系統(tǒng)性能指標。五、設計性實驗

31、任務1 設計課題設計給定三階系統(tǒng)的電模擬圖，并分別串聯(lián)兩種不同的校正環(huán)節(jié)，求出系統(tǒng)的階躍響應。2實驗儀器設備（1） 自控系統(tǒng)教學模擬機 1臺（2） 數字示波器 1臺（3） 萬用表 1塊GC（S）G(S)2 已知條件已知一單位反饋系統(tǒng)的結構如圖8-3所示。 圖8-3系統(tǒng)結構框圖其中Gc(s)為串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。a) 原系統(tǒng)的傳遞函數為 b)超前滯后裝置的傳遞函數為 c)滯后裝置的傳遞函數為4實驗步驟（1）設計原系統(tǒng)的電模擬實驗線路，觀察并記錄系統(tǒng)的階躍響應。（2）設計超前滯后校正裝置，觀察并記錄加入校正裝置后系統(tǒng)的階躍響應。（3）設計滯后校正裝置，觀察并記錄加入校正裝置后系統(tǒng)的階躍響應。.實驗要求：

32、（1）算出原系統(tǒng)及各校正環(huán)節(jié)的模擬線路圖中電阻、電容的參數（要求電容只能為0.1,1,10）,畫出模擬線路圖.（2）記錄原系統(tǒng)及校正后系統(tǒng)的瞬態(tài)響應，并加以分析。電模擬對象校正控制設計選題原則：學號后兩位模6取余數一、設計課題1、設單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為： 設計一串聯(lián)超前校正裝置，使系統(tǒng)滿足如下指標:相角裕量 ，在單位斜坡輸入下的穩(wěn)態(tài)誤差 ,截止頻率 .2、設有單位反饋的已知對象的開環(huán)傳遞函數為： 要求系統(tǒng)最大輸出速度為，輸出位置的容許誤差小于；設計控制器，使系統(tǒng)性能指標滿足：單位階躍輸入下的調節(jié)時間和超調量3、設單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為要求校正后系統(tǒng)的相角裕量，幅值裕量。4、已知單

33、位反饋控制系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為： 要求校正后系統(tǒng)的靜態(tài)速度誤差系數,相角裕量，并且要求系統(tǒng)校正后的截止頻率。 5、已知單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為：要求設計校正環(huán)節(jié)，使系統(tǒng)性能指標滿足：截止頻率單位階躍輸入下的調節(jié)時間和超調量6設單位反饋系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數為 設計串聯(lián)校正裝置，使系統(tǒng)滿足下列要求靜態(tài)速度誤差系數，相角裕量，并且要求系統(tǒng)校正后的截止頻率。二實驗步驟（1）用MATLAB 軟件對原系統(tǒng)進行仿真，討論校正方案；（2）對校正后的系統(tǒng)進行仿真，確定校正方案；（3）設計原系統(tǒng)和校正環(huán)節(jié)的電模擬電路及元器件有關參數；（4）設計制作硬件電路，調試電路，觀察原系統(tǒng)階躍響應并記錄系統(tǒng)的瞬態(tài)響應數據；

34、（5）加入校正裝置，系統(tǒng)聯(lián)調，觀察并記錄加入校正裝置后系統(tǒng)的階躍響應，記錄系統(tǒng)的瞬態(tài)響應數據。三 實驗報告格式與要求1、設計性實驗任務；2、實驗目的；3、實驗基本原理；4、實驗儀器設備；5、實驗數據：（1）MATLAB 軟件仿真程序和仿真曲線，校正環(huán)節(jié)設計過程；（2）系統(tǒng)和校正環(huán)節(jié)的電模擬電路及元器件有關參數計算過程；（3）硬件電路的制版圖；（4）記錄原系統(tǒng)階躍響應的瞬態(tài)響應數據，加入校正裝置后系統(tǒng)的瞬態(tài)響應數據；6、實驗總結附錄：XMN-2型自動控制原理學習機一、概述XMN-2型自動控制原理學習機是為配合學習自動控制原理課程而設計的電子模擬設備，以積分器和加法器為基礎，配置了二極管、電位器、

35、分壓器、電阻、電容等部件，可以組成PID調節(jié)器以及飽和、死區(qū)、遲滯等非線性環(huán)節(jié)。使用簡單，操作方便、參數選擇范圍較廣，可靈活地對控制系統(tǒng)進行電子模擬。使用XMN-2機對掌握控制理論、調試控制系統(tǒng)、選擇校正環(huán)節(jié)的理想參數等方面提供了方便，是學習控制理論課程的比不可少的實驗設備。二、主要技術性能1、輸入電源電壓：AC220V±10% 輸出電壓： ±15V 額定輸出電流：400mA 電壓調整率：（U）：25mV 輸入阻抗：12、模擬運算單元 （1）由OP07運算放大器組成的運算部件有：積分器 6個加法器 2個反向器 1個 （2）時間常數：40s（max） （3）系數電位器：8個 （4）非線性環(huán)節(jié)； （5）阻容無源環(huán)節(jié)。3、電表量程：雙向指針±15V/±1.5V。4、信號源：階躍信號0 +15V，0 -15V可調。5、計算機接口：可與CAE-98接口卡連接。三、結構與原理1、 電源部分：本機電源由變壓器和集成穩(wěn)壓電源等