《自動(dòng)控制原理》指導(dǎo)書

-PAGE13-《自動(dòng)控制原理》實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書適用專業(yè)：測(cè)控技術(shù)與儀器生產(chǎn)過程自動(dòng)化技術(shù)遼寧科技學(xué)院儀表教研室目錄TOC\o"1-1"\h\z實(shí)驗(yàn)一一階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)的研究 1實(shí)驗(yàn)二一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析 4實(shí)驗(yàn)三二階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)的研究 6實(shí)驗(yàn)四典型環(huán)節(jié)的頻率特性的測(cè)試 9實(shí)驗(yàn)五系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析 12實(shí)驗(yàn)六三階系統(tǒng)的串聯(lián)校正 14實(shí)驗(yàn)一一階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)的研究實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2每組人數(shù)：1開出要求：必做一、預(yù)習(xí)內(nèi)容：掌握一階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和階躍響應(yīng)的特點(diǎn)，熟練計(jì)算一階系統(tǒng)的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，特別是一階系統(tǒng)由階躍響應(yīng)曲線來讀取性能指標(biāo)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模簩W(xué)習(xí)一階系統(tǒng)中比例、積分和慣性環(huán)節(jié)的模擬方法和參數(shù)測(cè)定的方法。通過仿真觀察上述三個(gè)典型環(huán)節(jié)階躍響應(yīng)曲線，了解參數(shù)變化對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的影響。三、基本原理： 一階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線是一條由零開始的，按指數(shù)規(guī)律上升并最終趨于1的曲線。其響應(yīng)曲線具有非振蕩的特征，又稱為非周期響應(yīng)。由于一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)沒有超調(diào)，所以其性能指標(biāo)主要是調(diào)節(jié)時(shí)間，它表示系統(tǒng)過渡過程的快慢。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備： PC機(jī)一臺(tái)（含Windows98操作系統(tǒng)）、EWB仿真軟件一套。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：比例環(huán)節(jié)：微分方程：C(t)=Kr(t)傳遞函數(shù)：C(s)/R(s)=K模擬線路如圖1所示。由于輸入信號(hào)r(t)是從運(yùn)算放大器的反向端輸入，輸出信號(hào)與輸入信號(hào)在相位上正好相反，傳遞函數(shù)中出現(xiàn)了負(fù)號(hào)。從輸入端加入階躍信號(hào)，改變電阻R2觀測(cè)不同的比例系數(shù)K時(shí)輸出的波形并記錄。積分環(huán)節(jié)：微分方程：傳遞函數(shù)：模擬線路如圖2所示。改變電阻R1和電容C的大小，可得到不同的積分時(shí)間常數(shù)T，輸入階躍信號(hào)，觀測(cè)T=1s、0.1s時(shí)的輸出波形，并記錄結(jié)果。3、慣性環(huán)節(jié)：微分方程：傳遞函數(shù)：模擬線路如圖3所示。 從輸入端加入階躍信號(hào)，保持K=R2/R1不變，分別觀測(cè)T=R2C=1s、0.1s時(shí)的輸出波形并記錄。保持T=1s不變，分別觀測(cè)K=1、2時(shí)輸出的波形并記錄。六、實(shí)驗(yàn)步驟：比例環(huán)節(jié)：進(jìn)入EWB界面按圖1連接好實(shí)驗(yàn)電路圖。將輸入的階躍信號(hào)設(shè)為1V，依次改變R2為50KΩ、100KΩ、200KΩ、500KΩ，觀測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)曲線，分別記錄響應(yīng)曲線的形狀。積分環(huán)節(jié)：進(jìn)入EWB界面按圖2連接好實(shí)驗(yàn)電路圖，取R0=R1=100KΩ。觀測(cè)C=1μF和C=10μF時(shí)的輸出波形。記錄在不同積分時(shí)間下的波形，求出夾角θ及T。慣性環(huán)節(jié)：進(jìn)入EWB界面按圖3連接好實(shí)驗(yàn)電路圖，取R0=R1=100KΩ，K=R2/R1，T=R2C保持K=1不變，分別測(cè)出T=0.1s和T=1s時(shí)輸出波形。保持T=1s不變，分別測(cè)出K=1、2時(shí)的波形。數(shù)據(jù)處理及分析。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：畫出實(shí)驗(yàn)線路記錄原始數(shù)據(jù)、測(cè)試數(shù)據(jù)及輸出響應(yīng)曲線。對(duì)實(shí)驗(yàn)中出現(xiàn)的現(xiàn)象進(jìn)行討論，對(duì)內(nèi)容3從繪制的階躍響應(yīng)曲線上求出K、T，并與理論計(jì)算值比較。實(shí)驗(yàn)二一階系統(tǒng)的階躍響應(yīng)分析實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2每組人數(shù)：1開出要求：必做一、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模赫莆沼性淳W(wǎng)絡(luò)典型環(huán)節(jié)的結(jié)構(gòu)形式。觀察分析一階系統(tǒng)在階躍輸入信號(hào)作用下的輸出響應(yīng)。加強(qiáng)對(duì)控制系統(tǒng)瞬態(tài)過程的認(rèn)識(shí)。進(jìn)一步了解典型環(huán)節(jié)參數(shù)變化時(shí)對(duì)系統(tǒng)階躍響應(yīng)性能指標(biāo)的影響。二、實(shí)驗(yàn)原理：利用運(yùn)算放大器和各種電子元件，模擬一階系統(tǒng)的典型環(huán)節(jié)。模擬一階系統(tǒng)中慣性環(huán)節(jié)的電路原理圖，如圖1所示。三、實(shí)驗(yàn)設(shè)備： PC機(jī)一臺(tái)（含Windows98操作系統(tǒng)）、EWB仿真軟件一套。四、實(shí)驗(yàn)步驟：進(jìn)入EWB界面按圖1連接好實(shí)驗(yàn)電路圖，電阻元件的取值按圖中標(biāo)示值選取。將階躍信號(hào)發(fā)生器的輸出端與模擬電路的輸入端相連。將模擬信號(hào)的輸出端連接到示波器上觀察輸出曲線。按實(shí)驗(yàn)報(bào)告記錄表上的要求，對(duì)電容元件選取不同的值，測(cè)量不同的系統(tǒng)參數(shù)下系統(tǒng)的輸出響應(yīng)在各時(shí)間點(diǎn)上的輸出值。五、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求；實(shí)驗(yàn)記錄：把實(shí)驗(yàn)結(jié)果記錄到表1中。表1一階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線在各時(shí)間點(diǎn)上的輸出值實(shí)驗(yàn)參數(shù)時(shí)間/msT2T3T4T5TR1=200KΩC=1μF輸出/VR1=200KΩC=2μF輸出/V實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)一階系統(tǒng)在不同參數(shù)下階躍響應(yīng)曲線的變化規(guī)律。六、思考題：由運(yùn)算放大器組成的典型環(huán)節(jié)是在什么條件下得到的？慣性環(huán)節(jié)在什么條件下可近似為比例環(huán)節(jié)？在什么條件下可近似為積分環(huán)節(jié)？如何在慣性環(huán)節(jié)、積分環(huán)節(jié)的階躍響應(yīng)曲線上求各自的時(shí)間常數(shù)？實(shí)驗(yàn)三二階系統(tǒng)的時(shí)域性能指標(biāo)的研究實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：驗(yàn)證性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2每組人數(shù)：1開出要求：必做一、預(yù)習(xí)內(nèi)容：掌握二階系統(tǒng)的數(shù)學(xué)模型和階躍響應(yīng)的特點(diǎn)，熟練計(jì)算二階系統(tǒng)在欠阻尼情況下的性能指標(biāo)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，特別是二階系統(tǒng)在欠阻尼情況下由階躍響應(yīng)曲線來讀取性能指標(biāo)。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模菏煜WB軟件的使用方法。通過仿真，觀測(cè)二階系統(tǒng)在欠阻尼情況下階躍響應(yīng)曲線，研究參數(shù)變化對(duì)動(dòng)態(tài)特性的影響。三、實(shí)驗(yàn)原理：二階系統(tǒng)的單位階躍響應(yīng)曲線呈衰減振蕩，。其響應(yīng)曲線具有振蕩的特征，又稱為振蕩環(huán)節(jié)。其性能指標(biāo)主要是調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量，調(diào)節(jié)時(shí)間表示系統(tǒng)過渡過程持續(xù)的時(shí)間，是系統(tǒng)快速性的一個(gè)指標(biāo)，超調(diào)量反映系統(tǒng)響應(yīng)過程的平穩(wěn)性。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備： PC機(jī)一臺(tái)（含Windows98操作系統(tǒng)）、EWB仿真軟件一套。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：標(biāo)準(zhǔn)二階系統(tǒng)的微分方程：傳遞函數(shù)：模擬電路圖如圖1所示。圖1與二階系統(tǒng)標(biāo)準(zhǔn)形式相比：ζ=1/2K=R1/2R2，ωn=1/T=1/R1C1同時(shí)改變C1和C2的大小，可改變無阻尼自然振蕩的角頻率ωn的大小，改變R2的大小可改變阻尼比ζ的大小。令T=0.1s（R1=R3=100KΩ。C1=C2=1μF）分別設(shè)置阻尼比ζ=0.1、0.5、0.7、1，觀測(cè)輸入同樣的幅度的階躍信號(hào)時(shí)的輸出波形，讀出并記錄各阻尼比ζ時(shí)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間（取誤差帶為0.05）并繪制阻尼比ζ=0.5、0.7、1三種情況的輸出響應(yīng)曲線的波形。令T=1s（R1=R3=100KΩ。C1=C2=10μF），重復(fù)上述測(cè)試。六、實(shí)驗(yàn)步驟：進(jìn)入EWB界面按圖1連接好實(shí)驗(yàn)電路圖。2、令T=0.1s（R1=R3=100KΩ。C1=C2=1μF）分別設(shè)置阻尼比ζ=0.1、0.5、0.7、1，即R2=500KΩ、100KΩ、71KΩ、50KΩ時(shí)，觀測(cè)記錄各阻尼比ζ時(shí)的超調(diào)量和調(diào)節(jié)時(shí)間（取誤差帶為0.05）并繪制阻尼比ζ=0.5、0.7、1三種情況的輸出響應(yīng)曲線的波形。令T=1s（R1=R3=100KΩ。C1=C2=10μF），重復(fù)上述測(cè)試。七、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：畫出實(shí)驗(yàn)線路圖及波形圖。實(shí)驗(yàn)記錄：將測(cè)量得到的不同系統(tǒng)參數(shù)下二階系統(tǒng)的響應(yīng)曲線各性能指標(biāo)的值記錄在下面的表格中。表1T=0.1s時(shí)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線各性能指標(biāo)值ζtpσp%ts（5%誤差帶）0.10.50.71表2T=1s時(shí)二階系統(tǒng)階躍響應(yīng)曲線各性能指標(biāo)值ζtpσp%ts（5%誤差帶）0.10.50.71實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析：對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行分析，總結(jié)出二階系統(tǒng)在不同系統(tǒng)參數(shù)下階躍響應(yīng)曲線的變化規(guī)律。根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果，分析二階系統(tǒng)的調(diào)節(jié)時(shí)間和超調(diào)量與ζ、ωn之間的關(guān)系。實(shí)驗(yàn)四典型環(huán)節(jié)的頻率特性的測(cè)試實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：綜合性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：2每組人數(shù)：1開出要求：本科必做、專科選做一、預(yù)習(xí)內(nèi)容：典型環(huán)節(jié)的頻率響應(yīng)曲線的繪制方法。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、鞏固頻率特性的概念。根據(jù)頻率響應(yīng)結(jié)果繪制Bode圖。三、實(shí)驗(yàn)原理：系統(tǒng)的正弦穩(wěn)態(tài)響應(yīng)具有和正弦輸入信號(hào)的幅值比│φ(jω)│和相位差∠φ(jω)隨角頻率（ω由0變到∞）變化的特性。而幅值比│φ(jω)│和相位差∠φ(jω)恰好是φ(jω)函數(shù)的模和幅角。所以只要把系統(tǒng)的傳遞函數(shù)φ(s)，令s=jω，即可得到φ(jω)。我們把φ(jω)稱為系統(tǒng)的頻率特性或頻率傳遞函數(shù)。當(dāng)由0到∞變化時(shí)，│φ(jω)│隨頻率ω的變化特性成為幅頻特性，∠φ(jω)隨頻率的變化特性稱為相頻特性。幅頻特性和相頻特性結(jié)合在一起時(shí)稱為頻率特性。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備： PC機(jī)一臺(tái)（含Windows98操作系統(tǒng)）、EWB仿真軟件一套。五、實(shí)驗(yàn)步驟：（一）比例環(huán)節(jié)在模擬工作平臺(tái)上按圖1連接比例環(huán)節(jié)的模擬電路圖。函數(shù)信號(hào)發(fā)生器作為輸入信號(hào)，并設(shè)函數(shù)信號(hào)發(fā)生器輸入信號(hào)的類型為“正弦波”，幅值為5V，頻率為0.16Hz，此時(shí)角頻率ω=2πf=1rad/s。確定要分析的節(jié)點(diǎn)，這里選擇輸出節(jié)點(diǎn)，設(shè)置電路節(jié)點(diǎn)標(biāo)志。選好待分析節(jié)點(diǎn)后點(diǎn)擊Simulate（仿真）按鈕，即可顯示已選節(jié)點(diǎn)的頻率特性。按Esc鍵，將停止仿真的運(yùn)行。（二）積分環(huán)節(jié)在模擬工作平臺(tái)上按圖2連接積分環(huán)節(jié)的模擬電路圖。重復(fù)上述2、3、4步（三）慣性環(huán)節(jié)在模擬工作平臺(tái)上按圖3連接慣性環(huán)節(jié)的模擬電路圖。2、重復(fù)上述2、3、4步（四）二階振蕩環(huán)節(jié)在模擬工作平臺(tái)上按圖4連接二階振蕩環(huán)節(jié)的模擬電路圖。2、重復(fù)上述2、3、4步六、實(shí)驗(yàn)報(bào)告要求：觀察自己所設(shè)計(jì)的系統(tǒng)在正弦信號(hào)作用下的穩(wěn)態(tài)響應(yīng)，畫出系統(tǒng)開環(huán)對(duì)數(shù)幅頻率特性和相頻特性曲線。實(shí)驗(yàn)五三階系統(tǒng)的串聯(lián)校正實(shí)驗(yàn)性質(zhì)：設(shè)計(jì)性實(shí)驗(yàn)學(xué)時(shí)：4每組人數(shù)：1開出要求：?？票刈?、本科選做一、預(yù)習(xí)內(nèi)容：了解三階系統(tǒng)的典型結(jié)構(gòu)以及串聯(lián)校正的基本形式，并掌握串聯(lián)超前校正、串聯(lián)滯后校正的原理和結(jié)構(gòu)圖。二、實(shí)驗(yàn)?zāi)康模?、通過對(duì)模擬控制系統(tǒng)的調(diào)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(shù)對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響。三、實(shí)驗(yàn)基本原理：系統(tǒng)的校正就是給系統(tǒng)附加一些具有某種典型環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)，靠這些環(huán)節(jié)的參數(shù)配置和系統(tǒng)增益的調(diào)節(jié)來有效的改善整個(gè)系統(tǒng)的控制性能，以達(dá)到要求的指標(biāo)。串聯(lián)超前校正環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖4所示。超前校正主要用于展寬系統(tǒng)的頻帶和提高穩(wěn)定裕度，以改善系統(tǒng)的快速性和振蕩性，但它會(huì)使高頻增益增大，不利于提高系統(tǒng)的抗高頻干擾的能力。串聯(lián)滯后校正環(huán)節(jié)所對(duì)應(yīng)的系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)如圖5所示。加入滯后校正主要利用其高頻衰減特性，以解決提高系統(tǒng)增益和要求一定穩(wěn)定裕度之間的矛盾。又由于它會(huì)使高頻增益減小，有利于提高系統(tǒng)的抗高頻干擾的能力。四、實(shí)驗(yàn)設(shè)備：PC機(jī)一臺(tái)（含Windows98操作系統(tǒng)）、EWB仿真軟件一套。五、實(shí)驗(yàn)內(nèi)容：三階系統(tǒng)的串聯(lián)超前校正以及串聯(lián)滯后校正。設(shè)一單位負(fù)反饋系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示，圖中Gc(s)為串聯(lián)校正環(huán)節(jié)。GGc(s)RC圖1原系統(tǒng)的模擬圖如圖2所示，其響應(yīng)曲線如圖3所示。圖3三階系統(tǒng)響應(yīng)曲線由圖3可知，原來的系統(tǒng)不穩(wěn)定，必須加以校正，才能滿足要求。圖3三階系統(tǒng)響應(yīng)曲線六、實(shí)驗(yàn)步驟：先將Gc(s)接成放大系數(shù)為1的比例環(huán)節(jié)。1、調(diào)節(jié)開環(huán)放大系數(shù)k，使δ%=25%,測(cè)試此時(shí)的k,ts=？以及階躍響應(yīng)曲線。2、增加k，直到系統(tǒng)出現(xiàn)臨界振蕩，記錄k1(臨界放大系數(shù))二、在原系統(tǒng)中加入串聯(lián)超前校正，如圖4所示。保證k1(3