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文檔簡介
1、實驗二 典型系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性分析一.實驗目的1 .學習和掌握動態(tài)性能指標的測試方法。2 .研究典型系統(tǒng)參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能和穩(wěn)定性的影響。二.實驗內容1 .觀測二階系統(tǒng)的階躍響應,測出其超調量和調節(jié)時間,并研究其參數(shù)變化對動態(tài)性 能和穩(wěn)定性的影響。2 .觀測三階系統(tǒng)的階躍響應,測出其超調量和調節(jié)時間,并研究其參數(shù)變化對動態(tài)性 能和穩(wěn)定性的影響。三.實驗步驟1 .熟悉實驗裝置,利用實驗裝置上的模擬電路單元,參考本實驗附錄中的圖和圖, 設計并連接由一個積分環(huán)節(jié)和一個慣性環(huán)節(jié)組成的二階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路(如用U9、 U15、U11和U8連成)。注意實驗接線前必須對運放仔細調零(出廠已調好,無需調節(jié)
2、)。 信號輸出采用U3單元的01、信號檢測采用U3單元的II、運放的鎖零接U3單元的G1。2 .利用實驗設備觀測該二階系統(tǒng)模擬電路的階躍特性,并測出其超調量和調節(jié)時間。3 .改變該二階系統(tǒng)模擬電路的參數(shù),觀測參數(shù)對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響。4 .利用實驗裝置上的模擬電路單元,參考本實驗附錄中的圖和圖,設計并連接由一個 積分環(huán)節(jié)和兩個慣性環(huán)節(jié)組成的三階閉環(huán)系統(tǒng)的模擬電路(如用U9、U15、U1L U10和U8 連成)。5 .利用實驗設備觀測該三階系統(tǒng)模擬電路的階躍特性,并測出其超調量和調節(jié)時間。6 .改變該三階系統(tǒng)模擬電路的參數(shù),觀測參數(shù)對系統(tǒng)穩(wěn)定性與動態(tài)指標的影響。7 .分析實驗結果,完成實驗報告。
3、軟件界面上的操作步驟如下:四組A/D通道選擇II,12通道 v按通道接線情況:通過上位機界面中“通道選擇”I. 選擇II、12路A/D通道作為被測環(huán)節(jié)的檢測端口,選擇D/A通道的01 (“測試信號1” )作為被測對象的 測試信號1;測試信號2;階躍-al階躍ki信號發(fā)生端口. j不同的通道,圖形顯示控件中波形的顏色將不同。硬件接線完畢后,檢查USB 口通訊連線和實驗裝置電源后,運行上位機軟件程序,如果 有問題請求指導教師幫助。進入實驗模式后,先對顯示模式進行設置:選擇;X-t模式-i'XT模式";選擇“T/DIV”為 Is/lHZo頻率調期IHz/ls v完成上述實驗設置,然
4、后設置實驗參數(shù),在界面的右邊可以設置系統(tǒng)測試信號參數(shù),選擇“測試信號”為“周期階躍信號”,選 擇“占空比”為50%,選擇“T/DIV”為“1000ms”,選擇“幅值”為“3V”,可 以根據(jù)實驗需要調整幅值,以得到較好的實 驗曲線,將“偏移”設為“0”。以上除必 須選擇“周期階躍信號”外,其余的選擇都 不是唯一的。要特別注意,除單個比例環(huán)節(jié) 外,對其它環(huán)節(jié)和系統(tǒng)都必須考慮環(huán)節(jié)或系 統(tǒng)的時間常數(shù),如仍選擇“輸入波形占空比” 為50%,那么“T/DIV”至少是環(huán)節(jié)或系統(tǒng)中 最大時間常數(shù)的68倍。這樣,實驗中才能觀測到階躍響應的整個過程。以上設置完成后,按LabVIEN上位機軟件中的片“RUN”運行圖
5、標來運行實驗程序,然后點擊右邊的啟動/暫?!皢?停止”按鈕來啟動實驗,動態(tài)波形得到顯示,直至周期響應過程結束,如上述參數(shù)設置合理就可以在主界面圖形顯示控件中間得到環(huán)節(jié)的“階躍響 應”。利用LabVIEW軟件中的圖形顯示控件中光標“Cursor”功能觀測實驗結果;改變實驗 裝置上環(huán)節(jié)參數(shù),重復的操作;如發(fā)現(xiàn)實驗參數(shù)設置不當,看不到“階躍響應”全過程, 可重復、的操作。按實驗報告需要,將圖形結果保存為位圖文件。3.分析實驗結果,完成實驗報告。四.實驗過程及分析1.典型二階系統(tǒng)典型二階系統(tǒng)的方塊結構圖如圖所示:其開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)="穴一Ku?, 刈s + l)iTo圖2.L 1其閉
6、環(huán)傳遞函數(shù)為lMs) =其中,取二階系統(tǒng)的模擬電路如圖所示,實驗參數(shù)取R0=Rf=200k, Rl=200k, R2 = lOOk, Cl = luF, C2 = luF, R=10ko Rx為元件庫U4單元(針對使用的是自控實驗箱)或者UI單元(針 對使用的是自控實驗臺)的220K可調電阻。在進行實驗連線之前,先將LI9單元兩個輸入端的100K可調電阻均順時針旋轉到底(即 調至最大),使電阻RO、Rf均為200K;將U13單元輸入端的100K可調電阻順時針漩轉到底(即調至最大),使輸入電阻R1 的總阻值為200K;Cl在U13單元模塊上。將U15單元輸入端的100K可調電阻逆時針漩轉到底(即
7、調至最?。?,使輸入電阻R2 的總限值為100K;C2位于U15單元上。U8單元為反相器單元,將U8單元輸入端的10K可調電阻逆時針旋轉到底(即調至最?。? 使輸入電阻R的總值為10K;注明:所有運放單元的+端所接的100K、10K電阻均已經內部接好,實驗時不需外接。圖2.1.2調節(jié)Rx分析二階系統(tǒng)的三種情況,該系統(tǒng)的階躍響應如圖所示:,分別對應二階系統(tǒng) 在過阻尼,臨界阻尼,欠阻尼三種情況下的階躍響應曲線:打開labview的時域特性程序后,軟件界面的參數(shù)設置如下:測試信號1:階躍幅值1: 5V (偏移0)頻率/周期:(占空比90%),運行程序,直接進行實驗。對電路連接圖分析可以得到相關參數(shù)的表
8、達式TO = R1C1 ; Tl = RxC2 ;K1 = Rx/R2 ; K = KI/TO = Rx/R2R1C1根據(jù)所連接的電路圖的元件參數(shù)可以得到其閉環(huán)傳 遞函數(shù)為W(s)=其中 con = 5 V2; 4 = V2 100000/(2Rx)W(s) = 50/(s2+1000000/Rx*s +50)因此,調整Rx的限值,能夠調節(jié)閉環(huán)傳遞函數(shù)中的阻尼系數(shù),調節(jié)系統(tǒng)性能。當4>1時,為過阻尼系統(tǒng),系統(tǒng)對階躍響應不超調,響應速度慢,因此有如下 的實驗曲線。此時Rx = 220k1)實驗圖像W(s) = 50/(s'2+50)wn = 5 V2;4 = V2 * 100000
9、/(2Rx) =超調量 o%=A/B=*=%調節(jié)時間Ts = =2)仿真分析結果記錄urdrted , SEdSk me- X£*? Sew Q,pl,y Ch»m&rv,g$<>> I<x>b Help國口(J <露堂,國4。 ©3E miiilHi,W-r-gC3JEHq-h>43auhXodedS)3)理論計算超調量。%=e* - 4 n /(I- 4 *2) *1/2=%調節(jié)時間Ts=t=(o)4 )=1輸出波形(時間坐標軸).| 處抬“住分炳IC!1 / l:i/_ ;1IM Z3UD flCBl 電 與
10、以產灣戶 TJo 2憶73n = 5 J2;4 =處于欠阻尼衰減振蕩狀態(tài), 有超調量實驗與理 論相符SQB OHB OH C3 超調量(%0 %=e' - 4 n /(I- 4 '2)1/2=%調節(jié)時間%實驗值理論值誤差當4=1時,為臨界阻尼系統(tǒng),系統(tǒng)對階躍響應恰好不超調,在不發(fā)生超調的 情況下有最快的響應速度,因此有如下的實驗曲線。對比上下兩張圖片,可以發(fā)現(xiàn) 系統(tǒng)最后的穩(wěn)態(tài)誤差都比較明顯,應該與實驗儀器的精密度有關。此時Rx =1)實驗圖像W(s) = 50/(s'2+50)wn = 5 V2;4 = V2 * 100000/(2Rx) =,R系修時"及號線
11、&轉性分析超調量。= 0調節(jié)時間Ts = *=2)仿真分析1。0左次*戈。Me 出p“4 &T0M3)理論計算超調量。%=0調節(jié)時間Ts=t=(a)4 )=結果記錄實驗值理論值誤差八_5聲_1反實驗與理鼻”比口8&N簾住分*wr/eTJO 2 KJ論相符. /.-.uli 上;二 T3 n = 5 J 2 ;輸出波形_ 14 =(時間坐標= a 1以 .軸)I 肛,Il一 A .一,處于臨界阻尼狀態(tài),超調量為0超調量000調節(jié)時間口3%當0<4<1時,為欠阻尼系統(tǒng),系統(tǒng)對階躍超調,響應速度很快,因此有如下的實驗曲線。此時Rx =1)實驗圖像W(s) = 50
12、/(s"2+50)ton = 5 V2;4 = V2 * 100000/(2Rx) =超調量。爐0 調節(jié)時間Ts =*=2)仿真分析3)理論計算超調量。%=0調節(jié)時間Ts=t=(a> 4 )=結果記錄實驗值理論值誤差輸出波形(時間坐標軸)以產灣二產 TJo 2憶73n = 5 J2; 4 =處于過阻尼狀態(tài),超調量為 0,與臨界阻尼狀態(tài)類似, 但上升速度稍慢實驗與理 論相符.PF"- UCIL,1i 1j|i t r /z一 31 1CSX OQBO. /二。- IQ n 超調量000調節(jié)時間口2.典型三階系統(tǒng)典型三階系統(tǒng)的方塊結構圖如圖所示:圖2.2. 1其開環(huán)傳遞函
13、數(shù)為G(s) =,其中K =芻",取三階系統(tǒng)的模擬電路如圖所S(小+ 1)供$ + 1)To示:取三階系統(tǒng)的模擬電路如圖所示,實驗參數(shù)取R0=Rf=200k, Rl = 100k, R2=100k, Cl = 10uF, C2=C3=luF, R=10ko Rx為元件庫U4單元(針對使用的是自控實驗箱)或者UI單 元(針對使用的是自控實驗臺)的220K可調電阻。在進行實驗連線之前,先將L19單元兩個輸入端的100K可調電阻均順時針旋轉到底(即 調至最大),使電阻RO、Rf均為200K;將U13單元輸入端的100K可調電阻逆時針旋轉到底(即調至最?。馆斎腚娮鑂1 的總限值為1OOK
14、;C1取元件庫U4單元上的10uF電容。將U15單元輸入端的100K可調電阻逆時針旋轉到底(即調至最小),使輸入電阻R2 的總阻值為100K;的位于U15單元上。Rx為U11單元的輸入端電阻,C3位于UU單元上。U8單元為反相器單元,將U8單元輸入端的10K可調電阻逆時針旋轉到底(即調至最?。? 使輸入電阻R的總值為10K:注明:所有運放單元的+端所接的100K、10K電阻均已經內部接好,實驗時不需外接。該系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)為G(s)(s) =.K = 5OO/&,而的單位為K o5(0.15 4-1)(0.55 + 1)系統(tǒng)特征方程為/ + 12/+20S +20K =0,根據(jù)勞斯判據(jù)
15、得到:系統(tǒng)穩(wěn)定 0<K<12系統(tǒng)臨界穩(wěn)定K二12系統(tǒng)不穩(wěn)定K>12 根據(jù)K求取Rx。這里的Rx可利用模擬電路單元的220K電位器,改變Rx即可改變電,改變K,得到三種不同情況下的實驗結果。該系統(tǒng)的階躍響應如圖a.和所示,它們分別對應系統(tǒng)處于不穩(wěn)定、臨界穩(wěn)定和穩(wěn)定 的三種情況。打開labview的時域特性程序后,軟件界面的參數(shù)設置如下:測試信號1:階躍幅值1: 3v (偏移0)頻率/周期:10s (占空比90$),運行程序,直接進行實驗。G(s)H(s) =. K = 500/ Rx該系統(tǒng)開環(huán)傳遞函數(shù)系統(tǒng)s(Os + I)Q5s + I)特征方程為$3 + 12/+20$ +2
16、0K =0,根據(jù)勞斯判據(jù)得到:1.系統(tǒng)穩(wěn)定 0<K<12Rx>仿真分析,取Rx = 220k ;K=untitled - Stmulink Aeodenik useFile Edit View Dilay Diagram Sirruladon Analysis Code Teds Helpuntitled *貂第回碎Q巳及8 © I,.Q:KrswPfluntit'fdReadySample based T-10.0002.系統(tǒng)臨界穩(wěn)定K=12 ,. MM* *»*«* .W CE/'皿 iO,Qe7“ CIV> VDI仿真分析,取Rx=,K=12File Tools View Simulation Help“怒®吩 |給1 0二寄團Sample basec T= 10.0003.系
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