自動控制原理實驗指導(dǎo)書

1試驗?zāi)康?/p>

典型環(huán)節(jié)及其階躍響應(yīng)學(xué)習(xí)構(gòu)成典型環(huán)節(jié)的模擬電路，了解電路參數(shù)對環(huán)節(jié)特性的影響。學(xué)習(xí)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)的測量方法，并學(xué)會由階躍響應(yīng)曲線計算典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。學(xué)習(xí)用Multisim、MATLAB仿真軟件對試驗內(nèi)容中的電路進(jìn)展仿真。試驗原理典型環(huán)節(jié)的概念對系統(tǒng)建模、分析和爭論很有用，但應(yīng)強(qiáng)調(diào)典型環(huán)節(jié)的數(shù)學(xué)模型是對型模型確實定能在肯定程度上忠實地描述那些元、部件物理過程的本質(zhì)特征。模擬典型環(huán)節(jié)是將運(yùn)算放大器視為滿足以下條件的抱負(fù)放大器：輸入阻抗為∞。流入運(yùn)算放大器的電流為零，同時輸出阻抗為零；電壓增益為∞：通頻帶為∞：輸入與輸出之間呈線性特性：2.實際模擬典型環(huán)節(jié)：實際運(yùn)算放大器輸出幅值受其電源限制是非線性的，實際運(yùn)算放大器是有慣性的。微分環(huán)節(jié)的影響則無法避開，其模擬輸出只能到達(dá)有限的最高飽和值。不同。測試系統(tǒng)與計算機(jī)的連接試驗內(nèi)容信是否正常，通信正常連續(xù)。如通信不正常查找緣由使通信正常后才可以連續(xù)進(jìn)展試驗。分別畫出比例、慣性、積分、微分、比例＋微分和比例＋積分的模擬電路圖。按以下各典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，調(diào)整相應(yīng)的模擬電路的參數(shù)，觀看并記錄其單位階躍響應(yīng)波形。①比例環(huán)節(jié) G1(S)=-1和G2(S)=-2②慣性環(huán)節(jié) G1(S)=-「1/(S+1)」和G2(S)=-「1/(0.5S+1)」③積分環(huán)節(jié) G1(S)=-(1/S)和G2(S)=-(1/〔0.5S〕④微分環(huán)節(jié) G1(S)=－0.5S和G2(S)=-S⑤比例微分環(huán)節(jié)G1(S)=-(2+SG2(S)=-(1+2S)⑥比例積分環(huán)節(jié)P〕S〕=-(1+1/S〔S1+1/2」仿真試驗Multisim啟動multisim2023，在電路工作區(qū)上可將各種電子元器件和測試儀器儀表連接成試驗取儀器到電路工作區(qū)窗口并連接成試驗電路以用來掌握試驗的仿真進(jìn)程。舉例：慣性環(huán)節(jié)〔K=2，T=0.002〕1〔a〕1〔b〕所示。測出的結(jié)果中可看出，他的輸出無超調(diào)。穩(wěn)態(tài)誤差e0,調(diào)整時間t3T〔=0.0。ss s〔a〕仿真電路輸入信號輸出響應(yīng)〔b〕仿真響應(yīng)結(jié)果MATLAB仿真實例

1慣性環(huán)節(jié)MultisimMATLAB6.0Simulink圖。雙擊各傳遞函數(shù)模塊，在消滅的對話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。然后點(diǎn)擊工具欄的 按鈕simulationstart命令進(jìn)展仿真，雙擊示波器模塊觀看仿真結(jié)果。在仿真時設(shè)置各階躍輸入信號的幅度為10〔0.5，以便于觀看結(jié)果。舉例：比例環(huán)節(jié)〔K=2〕MATLAB仿真構(gòu)造框圖如圖2〔a〕所示,仿真響應(yīng)結(jié)果如圖2〔b〕所示。構(gòu)造框圖輸出響應(yīng)輸入信號仿真響應(yīng)結(jié)果2MATLAB仿真預(yù)習(xí)思考題T？一階系統(tǒng)各典型環(huán)節(jié)電路參數(shù)對環(huán)節(jié)特性有什么影響，試說明之。運(yùn)算放大器模擬各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)是在什么狀況下推導(dǎo)求得的？積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)主要差異是什么？慣性環(huán)節(jié)在什么狀況下可近似為積分環(huán)節(jié)？在什么條件下可近似為比例環(huán)節(jié)？如何從其輸出階躍響應(yīng)的波形中算出積分環(huán)節(jié)和慣性環(huán)節(jié)的時間常數(shù)。一階系統(tǒng)的單位斜坡響應(yīng)能否由其單位階躍響應(yīng)求得？試說明之。試驗總結(jié)報告畫出比例、慣性、積分、微分、比例＋微分、比例＋積分環(huán)節(jié)的模電路，并用坐標(biāo)紙畫出各環(huán)節(jié)的響應(yīng)曲線。由階躍響應(yīng)曲線計算出各環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，并與電路計算的結(jié)果相比較。寫出試驗的心得與體會。2二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)試驗?zāi)康臓幷摱A系統(tǒng)的特征參數(shù)，阻尼比ζ和無阻尼自然頻率ωn對系統(tǒng)動態(tài)性能的影響，定量分析ζ和ωntS之間的關(guān)系。進(jìn)一步學(xué)習(xí)試驗系統(tǒng)的使用學(xué)會依據(jù)系統(tǒng)的階躍響應(yīng)曲線確定傳遞函數(shù)學(xué)習(xí)用Multisim、MATLAB仿真軟件對試驗內(nèi)容中的電路進(jìn)展仿真。試驗原理典型二階閉環(huán)系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)分為四種狀況：1〕欠阻尼二階系統(tǒng)11，瞬態(tài)局部是振蕩衰減的過程，振蕩角頻率為阻尼振蕩角頻率，其值由阻尼比ζ和自然振蕩角頻率ωn打算。1欠阻尼二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線〔1〕性能指標(biāo)：調(diào)整時間t:單位階躍響應(yīng)C(t)進(jìn)人±5%(有時也取±2%)誤差帶，并且不再超出該誤S差帶的最小時間。超調(diào)量σ%；單位階躍響應(yīng)中最大超出量與穩(wěn)態(tài)值之比。峰值時間t單位階躍響應(yīng)C(t)超過穩(wěn)態(tài)值到達(dá)第一個峰值所需要的時間。P：構(gòu)造參數(shù)ξ：直接影響單位階躍響應(yīng)性能?！?〕平穩(wěn)性：阻尼比ξ越小，平穩(wěn)性越差〔3〕快速性：ξ過小時因振蕩猛烈，衰減緩慢，調(diào)整時間tS長，ξ過大時，系統(tǒng)響應(yīng)遲鈍，調(diào)整時間tS也長，快速性差。ξ＝0.7ξ＝0.7量σ%<5％,平穩(wěn)性也好，故稱ξ＝0.7臨界阻尼二階系統(tǒng)〔即ξ＝1〕升的，不存在穩(wěn)態(tài)誤差。無阻尼二階系統(tǒng)〔ξ＝0〕此時系統(tǒng)有兩個純虛根。過阻尼二階系統(tǒng)〔ξ>1〕時誤差，上升速度由小加大有一拐點(diǎn)。測試系統(tǒng)與計算機(jī)連接的試驗內(nèi)容啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)[自動掌握試驗系統(tǒng)]運(yùn)行軟件。測試計算機(jī)與試驗箱的通2所示。2二階系統(tǒng)模擬電路1 2 本試驗取R＝100ΩR=0500ΩR是電位器電阻取R＝100KΩ、電容C1μf0.1μf1 2 分別取ξ=0、0.25、0.5、0.7、1、2，即取R1=100KΩ、R2(R2由電位器調(diào)整)分別0、50KΩ、100KΩ、200KΩ、400KΩ。輸入階躍信號，測量不同的ξ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σ%和調(diào)整時間ts的數(shù)值和響應(yīng)動態(tài)曲線，將試驗數(shù)1中并與理論值比較。1試驗數(shù)據(jù)22sξR〔KΩ〕σ%〔理論值〕t〔理論值〕σ%〔實測值〕t〔實測值〕s0044.5％1.20.255016.3％0.60.51004.6％0.40.7140120024001取ξ=0.5，即調(diào)整可變電阻R2＝R＝100KΩ；取R=100KΩ，轉(zhuǎn)變電路中的電容C=0.1μF(留意：兩個電容值同時轉(zhuǎn)變)記錄最大超調(diào)量σ%和調(diào)整時間ts2中。1C(μf)σ%〔理論值〕0.1C(μf)σ%〔理論值〕0.116.3％ts〔理論值〕σ%〔實測值〕0.06ts〔實測值〕116.3％0.6取R＝100KΩ：轉(zhuǎn)變電路中的電容C＝1μF、R1＝100KΩ調(diào)整可變電阻R＝50KΩ。輸入階躍信號測量系統(tǒng)階躍響應(yīng)，記錄響應(yīng)曲線，特別要記錄tP和σ%的數(shù)值。2仿真試驗2Multisim在Multisim3所示電路。為了便于觀看輸入與輸出的仿真結(jié)果，在建立仿真電路時加了一級比例環(huán)節(jié)系統(tǒng)的參數(shù)ξ、σ%、ts、t。分別測試ω=1000，ξ=2、0.7、0.25、0時的輸入、輸出響應(yīng)P n波形。3典型二階閉環(huán)系統(tǒng)仿真電路MATLAB6.0Simulink后建文檔，在文檔里繪制二階系統(tǒng)的構(gòu)造框圖。雙擊各傳遞函數(shù)模塊，在消滅的對話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。點(diǎn)擊工具欄的 按鈕或simulation菜單下的start命令進(jìn)展仿真。雙擊示波器模塊觀看仿真結(jié)果。仿真時，可以分別轉(zhuǎn)變ω，ξ的值，得到系統(tǒng)的階躍響應(yīng)，再進(jìn)展比較分析ω，ξ對系統(tǒng)動態(tài)性能的影n n10。二階閉環(huán)系統(tǒng)構(gòu)造框圖如圖4所示。圖4 預(yù)習(xí)思考題阻尼比和無阻尼、自然頻率對系統(tǒng)動態(tài)性能有什么影響？阻尼比和自然頻率與最大超調(diào)量σ%和調(diào)整時間ts之間有什么關(guān)系？假設(shè)階躍輸入信號的幅值過大，會在試驗中產(chǎn)生什么后果？在電子模擬系統(tǒng)中，如何實現(xiàn)負(fù)反響和單位負(fù)反響？試驗總結(jié)報告畫出二階系統(tǒng)的模擬電路圖，并求出參數(shù)ξ、σ%的表達(dá)式。把不同ξ條件下測量的σ%和ts值列表，依據(jù)測量結(jié)果得出相應(yīng)結(jié)論。ts和σ函數(shù)相比較。3掌握系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析試驗?zāi)康挠^看系統(tǒng)的不穩(wěn)定現(xiàn)象。爭論系統(tǒng)開環(huán)增益和時間常數(shù)對穩(wěn)定性的影響學(xué)習(xí)用Multisim、MATLAB仿真軟件對試驗內(nèi)容中的電路進(jìn)展仿真。試驗原理線性系統(tǒng)工作在平衡狀態(tài)，受到擾動偏離了平衡狀態(tài)，擾動消逝之后，系統(tǒng)又能恢復(fù)。穩(wěn)定性只由構(gòu)造、參數(shù)打算，與初始條件及外作用無關(guān)。的穩(wěn)定性，確定使系統(tǒng)穩(wěn)定工作的條件是爭論設(shè)計掌握系統(tǒng)的重要內(nèi)容。穩(wěn)定判據(jù)則只要依據(jù)特征方程的系數(shù)便可判別出特征根是否具有負(fù)實部，從而推斷出系統(tǒng)是否閉環(huán)穩(wěn)定。系統(tǒng)閉環(huán)穩(wěn)定的充分必要條件是:特征方程各項系數(shù)均大于零。模擬電路與計算機(jī)連接的試驗內(nèi)容1所示。1掌握系統(tǒng)模擬電路啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)[自動掌握試驗系統(tǒng)]運(yùn)行軟件。測試計算機(jī)與試驗箱的通信是否正常，通信正常連續(xù)。如通信不正常查找緣由使通信正常后才可以連續(xù)進(jìn)展試驗。R30～500KΩK1＝0～5R3值時顯示區(qū)內(nèi)的輸出波形(即C(S)的波形)R3及K1值。再R3=0～500KΩR3出系統(tǒng)輸出產(chǎn)生等幅振蕩變化的R3K1值，并觀看C(S)的輸出波形。使系統(tǒng)工作在不穩(wěn)定狀態(tài)，即工作在等幅振蕩狀況。轉(zhuǎn)變電路中的電容C由1μF變成0.1μF，分別觀看系統(tǒng)穩(wěn)定性的變化。仿真試驗MultisimMultisim2K，T的值，得到系統(tǒng)階躍相應(yīng)，再進(jìn)展比較分析K，T對系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)性的影響。階躍輸入信號幅度為1，起0。MATLAB6.0仿真試驗

2掌握系統(tǒng)模擬仿真電路MATLAB6.0Simulink傳遞函數(shù)模塊，在消滅的對話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。點(diǎn)擊工具欄的 按鈕或simulation菜單下的start命令進(jìn)展仿真。雙擊示波器模塊觀看仿真結(jié)果。系統(tǒng)的構(gòu)造框圖如圖3所示。K 1/〔Ts+1〕試驗預(yù)習(xí)要求

3掌握系統(tǒng)MATLAB仿真構(gòu)造框圖試驗時假設(shè)階躍信號的幅值取得太大，會產(chǎn)生什么問題？系統(tǒng)開環(huán)放大系數(shù)K和慣性環(huán)節(jié)時間常數(shù)對系統(tǒng)的性能有什么影響？為使系統(tǒng)能穩(wěn)定地工作，開環(huán)增益應(yīng)適當(dāng)取小還是取大？試驗總結(jié)報告畫出掌握系統(tǒng)模擬電路圖。畫出系統(tǒng)增幅或減幅振蕩的波形圖。計算系統(tǒng)的臨界放大系數(shù)，并與試驗中測得的臨界放大系數(shù)相比較。4頻率特性的測試1試驗?zāi)康陌盐疹l率特性的測試方法。進(jìn)一步明確頻率特性的概念及物理意義。明確掌握系統(tǒng)參數(shù)對頻率特性曲線外形的影響。進(jìn)一步學(xué)習(xí)用Multisim、MATLAB仿真軟件對試驗內(nèi)容中的電路進(jìn)展仿真。2試驗原理的正弦信號，但振幅和相位一般與輸入信號不同，而且隨著輸入信號的頻率變化而變化。與相位一般都將發(fā)生變化，幅值與相位變化的大小和輸入信號的頻率相關(guān)。取正弦輸出與正弦輸入的復(fù)數(shù)比，即為被測系統(tǒng)(或網(wǎng)絡(luò))的頻率特性。振幅比，做出幅頻特性和相頻率特性曲線。對于參數(shù)完全未知的線性穩(wěn)定系統(tǒng)可以通過試驗方法求出其頻率特性的掌握系統(tǒng)確定其實際的頻率特性。測試系統(tǒng)與計算機(jī)連接的試驗內(nèi)容啟動計算機(jī)，在桌面雙擊圖標(biāo)[自動掌握試驗系統(tǒng)]運(yùn)行軟件。測試計算機(jī)與試驗箱的通信是否正常，通信正常連續(xù)。如通信不正常查找緣由使通信正常后才可以連續(xù)進(jìn)展試驗。1所示。1試驗?zāi)M電路假設(shè)輸入信號r(t)=Uimsinωt，則在穩(wěn)態(tài)時，其輸出信號為:c(t)=U0msin(ωt+￠)。轉(zhuǎn)變輸入信號角頻率ωU0m和￠隨ω頻特性和相頻特性。仿真試驗MultisimMultisim2圖儀測出系統(tǒng)的幅頻特性，用波特圖儀測出系統(tǒng)的相頻特性。

2頻率特性測試仿真電路MATLAB6.0Simulink后建文檔，在文檔里繪制二階系統(tǒng)的構(gòu)造框圖。雙擊各傳遞函數(shù)模塊，在消滅的對話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。點(diǎn)擊工具欄的simulation菜單下的start命令進(jìn)展仿真。雙擊示波器模塊觀看仿真結(jié)果。3所示。

按鈕或預(yù)習(xí)思考題

3頻率特性測試MATLAB仿真系統(tǒng)的構(gòu)造框K1增大時對對數(shù)中幅頻曲線有何影響？波特圖能用來推斷系統(tǒng)的穩(wěn)定性及穩(wěn)定裕度嗎？試驗總結(jié)報告畫出被測系統(tǒng)的模擬電路圖，計算其傳遞函數(shù)，依據(jù)傳遞函數(shù)繪制Bode圖。把上述測量數(shù)據(jù)列表；依據(jù)此數(shù)據(jù)畫Bode圖。分析測量誤差。5PID掌握試驗?zāi)康臓幷揚(yáng)ID爭論采樣周期T對系統(tǒng)特性的影響。1進(jìn)一步學(xué)習(xí)用Multisim、MATLAB仿真軟件對試驗內(nèi)容中的電路進(jìn)展仿真。試驗原理PI、PDPIDPD校正裝置，它適用于穩(wěn)態(tài)性能已滿足要求，而動態(tài)性能較差的場合。PI為滯后校正裝置，它能轉(zhuǎn)變系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。PID是一種滯后超前校正裝置，它兼有PI和PD開環(huán)系統(tǒng)〔被控對象〕的模擬電路如圖12102對應(yīng)“1”型系統(tǒng)。1“0”型系統(tǒng)模擬電路圖2“1”型系統(tǒng)模擬電路圖被控對象為“0”型系統(tǒng)，承受PIPID1”系統(tǒng)，被控對象為“1”型系統(tǒng)，采樣PIPID2”型系統(tǒng)。測試系統(tǒng)與計算機(jī)連接的試驗內(nèi)容1V12自己設(shè)計一掌握電路，使K＝1，K＝0.02，K＝1K

＝4，K＝2，K＝0兩組數(shù)據(jù)，P i并通過試驗分別測出其響應(yīng)信號。仿真試驗Multisim

d P i dMultisim3較圖中增加了一級比例放大。仿真時可修改K，K，K，留意觀看響應(yīng)信號的變化。P i d3掌握電路MATLAB6.0Simulink傳遞函數(shù)模塊，在消滅的對話框內(nèi)設(shè)置相應(yīng)的參數(shù)。點(diǎn)擊工具欄的 按鈕或simulation菜單下的start命令進(jìn)展仿真。雙擊示波器模塊觀看仿真結(jié)果。原系統(tǒng)構(gòu)造框圖如圖4〔a〕所示，PID4(b)所示。被控對象的傳遞函數(shù)為：Gp=1/s〔0.1s+1〕此例承受PI掌握：Kp=4；Ki=2；Kd=0；仿真時自己可以修改這三個參數(shù)，觀看參數(shù)對系統(tǒng)的影響。R(S) C1(S)〔a〕原系統(tǒng)框圖R(S) C2(S)(b)PID掌握系統(tǒng)圖試驗預(yù)習(xí)要求

4PID(1)試說明PDPI(2)試說明PID(3)為什么由試驗得到的PDPID試驗總結(jié)報告畫出PD、PIPID形圖。一分析比較。分析參數(shù)對三種掌握器性能的影響。6非線性試驗試驗?zāi)康牧私夥蔷€性環(huán)節(jié)的特性。把握非線性環(huán)節(jié)的模擬結(jié)果。進(jìn)一步學(xué)習(xí)用Multisim、MATLAB仿真軟件對試驗內(nèi)容中的電路進(jìn)展仿真。試驗原理實際系統(tǒng)中常見的非線性因素有死區(qū)、飽和、間隙和摩擦等。死區(qū)又稱不靈敏區(qū)，它的特點(diǎn)是x<A時，輸出量y=0,x〉A(chǔ)時，yx呈線性關(guān)系，其中A是死區(qū)范圍。具有飽和特性的元件較多，幾乎各類放大器和電磁元件都會消滅飽和現(xiàn)象。間隙也是掌握系統(tǒng)中產(chǎn)見的一種非線性因素，間隙對系統(tǒng)的主要影響：一是增大了系劇，動態(tài)性能變壞，甚至造成系統(tǒng)不穩(wěn)定。來說是一個很重要